隧道设计衬砌计算范例结构力学方法Word格式文档下载.docx

1、卫生标准: 正常运营CO允许浓度为15010- 6, 阻塞及救灾短时间内（15 min）为25010- 6;烟雾允许浓度0.009 m - 1。2.2平面线形、纵断面设计2.2.1 平面线形隧道的平面线形应根据地质、地形、路线走向、通风等因素确定隧道的平曲线线形。直线便于施工；曲线段施工难度较大，除测量上难度加大以外，例如模板台车载曲线段施工很困难，有超高时就更困难。结合隧址区地形、 地貌及工程地质与水文地质条件、 地应力大小与方向、 经济性, 确定出了隧道轴线位置, 同时还兼顾了两端接线的衔接，隧道平面线形确定为直线型。隧道设计里程 K259+ 036 K263+ 212, 长 4 176

2、m，进口标高2 180.31 m , 出口标高 2182.01 m。2.2.2纵断面设计隧道内纵断面线形应考虑行车安全性、营运通风规模、施工作业效率和排水要求，隧道纵坡不应小于0.3%，一般情况不应大于3%；受地形等跳警限制时，高速公路、一级公路的中、短隧道可适当加大，但不宜大于4%；短于100m的隧道纵坡可与该公路隧道外路线的指标相同。隧道内的纵坡形式，一般采用单向坡；当地下水发育的长隧道、特长隧道可采用双向坡。纵坡变更的凸形竖曲线和凹形竖曲线的最小半径和最小长度应符合规范规定（公路隧道设计规范JTGD70-2004，表二郎山隧道属特长隧道，因此纵坡形式采用“人”字坡式，进口侧上坡, 坡度0

3、.5% （长2000 m ） , 出口侧下坡, 坡度0.41% （长2176 m ）。2.3 横断面设计2.3.1 建筑限界隧道横断面设计主要是对隧道净空的设计。隧道净空是指隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间。隧道净空是根据“建筑限界”确定的。“限界”是一种规定的轮廓线，这种轮廓线以内的空间是保证车辆安全运行所必需的，是建筑物不得侵入的一种限界。公路隧道建筑限界包括车道、路肩、路缘带、人行道等的宽度及车道、人行道的净高。下图为公路隧道建筑限界横断面组成宽度。根据 公路工程技术标准, 隧道建筑限界采用净宽9.0 m , 限高4.5m。隧道内轮廓经过比选确定采用单心圆断面, 隧道总高度6.1m。2.3

4、.2 紧急停车带长、特长隧道应在行车方向的右侧设置紧急停车带。双向行车隧道，其紧急停车带应双侧交错设置。紧急停车带的宽度，包含右侧向宽度应取3.5m，长度应取40m，其中有效长度不得小于30m。紧急停车带的设置间距不宜大于750m。停车带的路面横坡，长隧道可取水平，特长隧道可取0.5%1.0%或水平。二郎山隧道应设紧急停车带，双向交错布置，紧急停车带间距700m，有效长度30m，横向坡度取1%。紧急停车带的建筑限界、宽度和长度见图2-3.2。图2-3.1 建筑界（单位：cm）a）宽度构成及建筑限界 （单位：b）长度（单位：图2-3.2 紧急停车带的建筑限界、宽度和长度2.3.3 内轮廓设计隧道

5、内轮廓设计除符合隧道建造限界的规定外，还应满足洞内路面、排水设施、装饰的需要，并为通风、照明、消防、监控、营运管理等设施提供安装控件，同时考虑围岩变形、施工方法影响的预留富裕量，使确定的断面形式及尺寸符合安全、经济、合理的原则。二郎山隧道内轮廓采用单心圆方案，半径R1=4.8m，R2=1m，R3=9.6m，1=108，2=67，3=12，IV、V级围岩设置仰拱，内轮廓线如图2-3.3。a）一般内轮廓线b） 含紧急停车带内轮廓线图2-3.3 内轮廓线（单位：m）3 洞门设计公路隧道设计规范（JTGD70-2004）对洞门有如下规定：1洞口位置应根据地形、地质条件，同时结合环境保护、洞外有关工程及

6、施工条件、营运要求，通过经济、技术比较确定；2隧道应遵循“早进洞、晚出洞”的原则，不得大挖大刷，确保边坡及仰坡的稳定；3洞口边坡、仰坡顶面及其周围，应根据情况设置排水沟，并和路基排水系统综合考虑布置。3.1 洞门位置选择公路隧道设计规范（JTGD70-2004）规定洞口位置的确定应符合下列要求：1洞口的边坡及仰坡必须保证稳定。有条件时，应贴壁进洞；条件限制时，边坡及仰坡的设计开挖最大高度可按表2-4.1控制。表2-4.1 洞口边、仰坡控制高度围岩分级I-IIIIIIV边、仰坡坡率贴壁1:0.30.50.7511.251.5高度（m）15202518注：设计开挖高度系从路基边缘算起2洞口位置应设

7、于山坡稳定、地质条件好处。3位于悬崖陡壁下的洞口，不宜切削原山坡；应避免在不稳定的悬崖陡壁下进洞。 4跨沟或沿沟进洞时，应考虑水文情况，结合防排水工程，充分比选确定。5漫坡地段的洞口位置，应结合洞外路堑地质、弃渣、排水及施工等因素综合分析确定。6洞口设计应考虑与附近的地面建筑及地下埋设物的相互影响，必要时采取防范措施。7洞口边坡、仰坡应根据实际情况加固防护措施，有条件时应优先采用绿化护坡。8当洞口处有塌方、落石、泥石流等时，应采取清刷、延伸洞口、设置明洞或支挡结构物等措施。3.2 洞门形式选择标准 洞门形式的选择应适应地形、地质的需要，同时考虑施工方法和施工需要。一般地形等高线与线路中线斜交角

8、度在45。65。之间，地面横坡较陡，地质条件好，无落石掉块现象时，可选择斜交洞门；当斜交角度大于65。时，地面横坡较陡，或一侧地形凸出，可考虑用台阶洞门；当斜交角度小于45。时，地面横坡较陡，边仰坡刷方较高，有落石掉块掉块威胁运营安全时，考虑接长明洞。3.3 洞门确定二郎山隧道穿越地层以志留系、 泥盆系浅海滨海相碳酸盐和碎屑岩为主,出口端上覆地层为崩坡积层, 黄灰、黑灰色块石土或块石、 碎石土, 由山前滑坡、 崩塌等坡积、 崩积物及少量坡面洪流形成的洪积物组成, 主要成份为岩屑砂砾、 角砾、 亚粘土等。因此洞门采用翼墙式洞门。4隧道结构设计与计算4.1 初期支护二郎山隧道采用复合式衬砌支护，初

9、期支护采用喷锚支护，由喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架等支护形式组合使用，根据不同围岩级别区别组合。锚杆支护采用全长粘结锚杆。由工程类比法，结合公路隧道设计规范（JTG D70-2004），初期支护喷射混凝土材料采用C20级混凝土，支护参数取值如表2-5.1。表4-1.1初期支护参数围岩级别喷射砼厚度（cm）锚杆（m）钢筋网钢拱架拱墙仰拱位置长度间距杆体材料II8局部2.222砂浆（药卷）锚杆10拱、墙2.46.525x253.01.025中空注浆锚杆格栅钢架18IV4.0拱、墙（双层）拱、墙、仰拱4.2 二次衬砌 二次衬砌采用现浇模筑钢筋混凝土，混凝土采用C25级，钢筋采用HRB335级刚，利

10、用荷载结构法进行衬砌内力计算和验算。二次衬砌厚度设置如表2-5.2。 表4-1.2二次衬砌混凝土厚度 （单位：拱、墙混凝土厚度仰拱混凝土厚度3035454.3 围岩衬砌内力计算规范（JTGD70-2004）规定：I-V级围岩中，复合式衬砌的初期支护应主要按工程类比法设计。其中IV、V级围岩的支护参数应通过设计确定，计算方法为地层结构法。所以取IV级围岩为计算对象。4.3.1 拟定衬砌尺寸图2-5.1 IV围岩衬砌拟定图内轮廓线半径外轮廓线半径m， C25级防腐钢筋混凝土拱墙35cm，预留变形量5cm，C20喷射混凝土防腐混凝土厚14cm,拱顶截面厚0.5m，墙底截面厚0.5m。4.3.2 衬砌

11、材料参数围岩为IV级，根据公路隧道设计规范表，围岩的弹性抗力系数，。衬砌材料采用钢筋混凝土，根据公路隧道设计规范表5.2.1，表5.2.2，表，弹性模量，轴线抗压强度标准值，轴心抗拉强度标准值内轮廓半径内径所画圆曲线的终点截面与竖直轴的夹角外轮廓半径拱轴线半径拱轴线各段圆弧中心角： 1）围岩竖向均布压力： （4.2）式中:s-围岩类别,此处s=4;-围岩容重,此处=21KN/m3-跨度影响系数, =1+i（lm-5）,毛洞跨度Lm=10.60+20.05=10.70m，其中0.05m为一侧平均超挖量. Lm=515m时,i=0.1,此处=1+0.1（10.70-5）=1.570。所以，有q=0

12、.4524-1211.570118.6920kpa此处超挖回填层重忽略不计。2）围岩水平均布压力：e0.25q0.25118.692029.6730kpa 分段长度： m1.与竖直夹角校核： 角度闭合差，因墙底面水平，计算衬砌内力时用2. 接缝中心点坐标计算表2-3 各截面中心几何要素截面（）sincosxy15.0262 0.2593 0.9658 1.3093 0.1727 230.0523 0.5008 0.8656 2.5290 0.6789 345.0785 0.7081 0.7061 3.5758 1.4840 460.1046 0.8669 0.4984 4.3780 2.533

13、0 575.1308 0.9665 0.2566 4.8809 3.7541 690.1569 1.0000 -0.0027 5.0499 5.0638 7105.1831 0.9651 -0.2619 4.8737 6.3726 90 4.2132 7.4271 半轴计算图如图2-5图2-5 衬砌结构计算图示用用辛普生法近似计算，按计算列表进行。单位位移的计算见表2-4。单位位移值计算如下：闭合差0计算结果正确。表2-4 单位位移计算表I1/Iy/Iy2/I（y+1）2/I0.01042 96.0000 0.0000 16.5768 2.8624 132.0159 65.1765 44.24

14、98 270.6028 142.4648 211.4189 592.3485 243.1670 615.9392 1198.2732 360.3940 1352.9567 2169.7448 486.1276 2461.6669 3529.9220 611.7711 3898.5816 5218.1237 713.0016 5295.5342 6817.5374 864.0000 2638.6793 13883.2097 20024.5682 载位移主动荷载在基本结构中引起的位移A.每一楔块上的作用力竖向力：式中 bi衬砌外缘相邻两截面之间的水平投影长度，由图2.5量得： 水平压力：式中：hi

15、衬砌外缘相邻两截面之间的竖直投影长度，由图2-5量得：自重力：di接缝i的衬砌截面厚度。计算G8时，应使第8个楔块的面积乘h。作用在各楔块上的力均列人表2-5，各集中力均通过相应图形的形心。表2-5 单元集中作用力bi（m）hi（m）di （m）QEG0.50001.3741 0.1812 0.5000 163.0947 5.3767 16.5465 1.2780 0.5313 151.6884 15.7653 1.1007 0.8450 130.6443 25.0737 0.8420 1.1009 99.9387 32.6670 0.5278 1.2816 62.6456 38.0289 0

16、.1775 1.3746 21.0678 40.7885 1.3736 040.7588 0.9890 29.3466 B外荷载在基本结构中产生的内力楔块上备集中力对下一接缝的力臂由图2-5中量得，分别记为内力按下式计算（见图2-6）图2-6 单元主动荷载弯矩： （轴力：、相邻两截面中心点的坐标增量，按下式计算：表2-6 计算过程表（一）aqagae-Qaq-Gag-Eae1 0.6222 0.6490 0.3321 -101.4775 -10.7387 -1.7856 2 0.5157 0.5932 0.4820 -78.2257 -9.8154 -7.5989 3 0.3732 0.497

17、0 0.5990 -48.7564 -8.2236 -15.0191 4 0.2043 0.3667 0.6751 -20.4175 -6.0676 -22.0535 5 0.0223 0.2113 0.7049 -1.3970 -3.4963 -26.8066 6 -0.1613 0.0415 0.6873 3.3982 -0.6867 -28.0339 7 0-0.1306 0.6213 2.1610 -25.3235 8 -0.4577 0.4945 7.5733 -14.5119 表2-7计算过程表（二）i-1（Q+G）i-1Exy-xi-1（G+Q）-yi-1EMp0-114.001

18、8 179.6412 1.2197 0.5062 -219.1131 -2.7220 -431.4768 347.8761 21.1420 1.0468 0.8051 -364.1442 -17.0211 -884.6413 495.0669 46.2157 0.8023 1.0490 -397.1789 -48.4794 -1378.8382 611.5521 78.8827 0.5029 1.2211 -307.5305 -96.3249 -1814.3935 690.7442 116.9116 0.1691 1.3097 -116.7729 -153.1220 -2109.6108 728.3585 157.7001 -0.1762 1.3088 128.3696 -206.3958 -2210.7995 744.9051 198.4590 -0.6605 1.0545 492.0131 -209.2720 -1934.9969 表2-8计算过程表（G+Q）Esin（G+Q）cosENP00 46.5738 5.1929 41.3809 174.2129 18.2997 155.9132 350.5420 32.6346 317.9074 530.1765 39.3166 490.8599 667.6139 30.0010 63