隧道结构设计检算.docx

1、隧道结构设计检算第3章 隧道结构设计检算3.1 隧道结构设计检算方法隧道结构的设计检算包括对初期支护和二次衬砌的设计检算，本章只介绍对二次衬砌的设计检算，初期支护由工程类比法确定，不对其进行检算。二次衬砌的设计检算采用荷载-结构模型，将全部荷载施加到衬砌结构上，根据求得的衬砌内力对已拟定配筋的衬砌进行检算，并对检算未通过的衬砌调整截面配筋，直到检算通过为止。整个设计检算过程如下：(1)由隧道的纵断面图，确定隧道的围岩级别及相应埋深；(2)根据围岩级别和衬砌内轮廓尺寸，由工程类比法初步拟定隧道的支护和衬砌参数，绘制复合式衬砌断面图；(3)由铁路隧道设计规范，计算围岩压力并确定典型计算断面；(4)

2、采用荷载-结构模型，利用ANSYS建模进行衬砌内力的计算；(5)由计算求得的弯矩、轴力进行衬砌结构配筋的检算。3.2 隧道衬砌荷载计算3.2.1 各级围岩段基本情况根据大瑶山隧道的纵断面图，可得该隧道的围岩级别及长度、隧道埋深等数据，见表3-1所示：表3-1 大瑶山隧道各围岩段情况围岩级别长度（m）隧道埋深（m）320281.60363.74742526.06650.0018807.24554.28703027.63大瑶山隧道为时速250km/h的客专双线铁路隧道，设计所给的建筑限界及衬砌内轮廓是相同的，但由于隧道所处围岩级别的不同，其采用的复合式衬砌的形式和厚度也会有所不同，从而导致各围岩段

3、隧道开挖轮廓线的不同。各级围岩段隧道的开挖净高和净宽初步拟定见表3-2所示。表3-2 隧道开挖净高和净宽围岩级别开挖净高(m)开挖净宽(m)12.1314.4212.4814.623.2.2 荷载计算方法 (1)隧道深浅埋的判定原则深、浅埋隧道分界深度至少应大于坍方的平均高度且有一定余量。根据经验，这个深度通常为22.5倍的坍方平均高度值，即： (3-1)式中，深浅埋隧道分界的深度(m)； 等效荷载高度值(m)；系数22.5在松软的围岩中取高限，在较坚硬围岩中取低限。当隧道覆盖层厚度时为超浅埋，时为浅埋，时为深埋。(2)当隧道埋深h小于或等于等效荷载高度hq（）时，为超浅埋隧道，围岩压力按隧道

4、顶部全土柱重量计算。围岩垂直均布松动压力为： (3-2)式中，围岩容重(kN/m3)，见表3-3； 隧道埋置深度(m)；围岩水平压力e按朗金公式计算：隧道顶部水平压力： (3-3a)隧道底部水平压力： (3-3b)表3-3 围岩压力相关计算参数取值围岩级别容重(kN/m3)弹性反力系数K(MPa/m)岩体两侧摩擦系角()计算摩擦角()21.53500.85518.51500.645(3)当隧道埋深h大于等效荷载高度hq且小于深浅埋分界深度（）时，为一般浅埋隧道，围岩压力按谢家烋公式计算：围岩垂直均布松动压力为： (3-4) (3-5) (3-6)式中，坑道跨度(m)；围岩的容度(kN/m3)；

5、洞顶覆土厚度(m)；岩体两侧摩擦角()，见表3；侧压力系数；围岩计算摩擦角()，见表3；产生最大推力时的破裂角()；隧道开挖高度(m)。围岩水平压力按梯形分布，由下式确定：隧道顶部水平压力： (3-7a)隧道底部水平压力： (3-7b)(4)当隧道埋深h大于或等于深浅埋分界深度Hp（）时，为深埋隧道，围岩压力按自然拱内岩体重量计算：单线、双线及多线铁路隧道按破坏阶段设计，垂直均布压力为： (3-8)式中，等效荷载高度值(m)； 围岩级别，如级围岩； 围岩的容重(kN/m3)；宽度影响系数，其值为： (3-9)式中，坑道宽度(m)；每增加1m时，围岩压力的增减率(以m为基准)，当5m时，取。围岩

6、的水平均布松动压力按表3-4计算求得。表3-4 围岩水平均布压力围岩级别水平均布压力0.2q0.2q3.2.3 各围岩段荷载计算3.2.3.1 级围岩压力的计算(1)隧道深浅埋的判定级围岩的开挖轮廓尺寸：B=14.42m，=12.13m等效荷载高度：深浅埋分界深度：由于围岩为级，极为软弱破碎且节理发育，故深浅埋分界深度取为。由隧道纵断面图可知，级围岩中，隧道的最小埋深h=7.24m，故处于级围岩的隧道当时为浅埋，当时为深埋。(2)级围岩压力的计算对于埋深的一般浅埋隧道，选取里程DK1908+060DK1908+120，取里程为DK1908+94.8处，即一般浅埋段隧道最大埋深处的围岩压力进行计

7、算。一般浅埋隧道围岩压力按谢家烋公式计算：对于级围岩，计算摩擦角，垂直均布松动压力：水平松动压力：隧道顶部：隧道底部：当隧道埋深h大于或等于深浅埋分界深度Hp（）时，为深埋隧道， 根据铁路隧道设计规范所推荐的方法：垂直均布松动压力：水平均布松动压力：3.2.3.2 级围岩压力的计算(1)隧道深浅埋判定隧道开挖最大轮廓尺寸：B=14.62m，=12.48m等效荷载高度：深浅埋分界深度：由于围岩为级，岩体软弱破碎、节理发育、强-弱风化且含地下水，故取。由隧道纵断面图知，处于级围岩的隧道最小埋深0m，最大埋深 h=27.63m且故级围岩中的隧道可分为超浅埋、一般浅埋隧道。(2) 级围岩压力的计算对于

8、埋深的超浅埋隧道，选取里程DK1908+120DK1908+300，取里程为DK1908+274.88处，即超浅埋段隧道最大埋深处的围岩压力进行计算。超浅埋隧道垂直松动压力按全土柱计算：垂直均布松动压力：水平松动压力：隧道顶部：隧道底部：对于埋深的一般浅埋隧道，选取里程为DK1908+300处，即该隧道最大埋深处的围岩压力进行计算。一般浅埋隧道围岩压力按谢家烋公式计算：对于级围岩，计算摩擦角 ，则，垂直均布松动压力：水平松动压力：隧道顶部：隧道底部：3.3 衬砌内力计算衬砌内力的计算采用荷载结构模型，利用有限元软件ANSYS进行计算。ANSYS加载求解过程如下：(1)设置分析类型：隧道采用结构

9、分析模型；(2)前处理：设置单元类型、实常数、材料属性，建模并划分单元；(3)求解：施加边界条件、荷载并求解；(4)后处理：显示并保存变形图、弯矩图、轴力图和单元结果表。隧道的ANSYS结构计算模型如图3-1，在该结构计算模型中，衬砌结构是承载主体，承受围岩的竖向、水平松动压力和结构自重，围岩对衬砌变形的约束作用通过弹簧单元来模拟。 图3-1 结构计算模型图ANSYS建模时，各种材料参数取值如表3-5。表3-5 衬砌及围岩计算参数衬砌及围岩容重 (kN/m3)弹性模量(GPa)弹性抗力系K(MPa/m)泊松比C35混凝土2531.50.2级围岩21.5350级围岩18.51503.3.1 级围

10、岩3.3.1.1 IV级围岩浅埋段级围岩里程DK1908+060DK1908+120，取里程为DK1908+94.8处断面计算。图3-2、图3-3是用ANSYS求得弯矩图和轴力图。图3-2 级围岩浅埋段衬砌弯矩图(单位：Nm)图3-3 级围岩浅埋段衬砌轴力图(单位：N)3.3.1.2 IV级围岩深埋埋段图3-4、图3-5是用ANSYS求得弯矩图和轴力图。图3-4 I级围岩深埋段衬砌弯矩图(单位：Nm)图3-5 I级围岩深埋段衬砌轴力图(单位：N)3.3.2 V级围岩3.3.2.1 V级围岩超浅埋段超浅埋段分布于里程选取里程DK1908+120DK1908+300，取里程为DK1908+274.

11、88处，即超浅埋段隧道最大埋深处的围岩压力进行计算。图3-6、图3-7是用ANSYS求得弯矩图和轴力图。图3-6级围岩超浅埋段衬砌弯矩图(单位：Nm)图3-7级围岩超浅埋段衬砌轴力图(单位：N)3.3.2.2级围岩一般浅埋段V级为眼部一般浅埋段选取里程为DK1908+300处，即该隧道最大埋深处的围岩压力进行计算。图3-8、图3-9是用ANSYS求得弯矩图和轴力图。图3-8级围岩一般浅埋段衬砌弯矩图(单位：Nm)图3-9级围岩一般浅埋埋段衬砌轴力图(单位：N)3.4 衬砌强度检算及配筋3.4.1 强度检算原理大瑶山隧道为大跨铁路隧道，按照铁路隧道设计规范应按破损阶段法和容许应力法检算隧道衬砌的

12、强度。(1)素混凝土矩形截面的检算混凝土矩形截面中心及偏心受压构件的抗压强度应按下式计算： (3-10)式中，Ra混凝土或砌体的抗压极限强度；K安全系数，见表3-6；N轴向力（MN）；B截面宽度(m)；H截面厚度(m)；构件的纵向弯曲系数，对于隧道衬砌、明洞拱圈及墙背紧密回填的边墙，可取=1.0；轴向力偏心影响系数，计算公式如下： 且表3-6 混凝土和砌体结构的强度安全系数材料种类混凝土砌体荷载组合主要荷载主要荷载+附加荷载主要荷载主要荷载+附加荷载破坏原因混凝土或砌体达到抗压极限强度2.42.02.72.3混凝土达到抗拉极限强度3.63.0从抗裂要求出发，混凝土矩形截面偏心受压构件的抗拉强度

13、按下式计算： (3-11)式中，混凝土的抗拉极限强度，见表3-7；截面偏心距(m)；表3-7 衬砌材料力学指标衬砌材料衬砌、钢筋力学指标抗拉极限强度 (MPa)弯曲抗压极限强度(MPa)抗拉极限强度(MPa)计算强度(MPa)C30混凝土22.528.12.2C35混凝土25.732.12.4HRB335360HPB235260对混凝土矩形构件，按铁路隧道设计规范规定的安全系数及材料强度竖直计算结果表明，当时，有抗压强度控制承载能力，不必检算抗裂；当时，由抗拉强度控制承载能力，不必检算抗压。(2)钢筋混凝土矩形截面的检算大偏心受压构件的检算钢筋混凝土矩形截面的大偏心受压构件()其截面强度应按下列公式计算： (3-12)或 (3-13)中性轴的位置按下式确定： (3-14)当轴向力作用于钢筋与的重心之间时，式中左边第二项取正号；当作用于和两重心以外时，则取负号。如计算中考虑受压钢筋时，则混凝土受压区高度应符合，如不符合，则按下式计算： (3-15)式中，轴向力(MN)；K钢筋混凝土结构强度安全系数，见表3-8；，钢筋和的重心至轴向力作用点的距离(m)；表3-8 钢筋混凝土结构的强度安全系数荷载组合主要荷载主要荷载+附加荷载破坏原因钢筋达到计算强度或混凝土达到抗压或抗剪极限强度