地下结构课程设计说明书.docx

1、地下结构课程设计说明书地下结构课程设计说明书 地下结构课程设计说明书 课程设计 题目：某单车道时速250 km/h高速铁路隧道V级围岩段结构及施工方法 学生姓名 卢权威 学 院 土木工程学院 专 业 地下工程 学 号 311207001315 班 级 地下12-2班 指导教师 朱昌星 河南理工大学 课程设计（论文）任务书 专业班级 地下工程12-2班 学生姓名 卢权威 一、题目 某单车道时速250 km/h高速铁路隧道V级围岩段结构及施工方法设计说明书 二、起止日期 2015年 6 月 22 日至 2015 年 7 月 13 日 三、主要任务与要求 铁路隧道参数：时速250km/h,单车道，围

2、岩等级V级，上覆土层平均重度20，埋深10m，地下水距拱顶5m，平均内摩擦角41，内聚力37kPa,配筋设计按极限状态法。 设计要求如下: (1)隧道横断面设计，根据设计数据确定建筑限界和净空断面（建筑界限按最小宽度）； (2)查阅相关文献资料，选择隧道断面参数； (3)隧道结构设计，采用荷载结构法计算衬砌内力；根据相关规范，利用工程类比法确定初次支护参数； (4)施工方法与工艺流程； 评 阅 人 年 月 日 目 录 一、混凝土课程结构课程设计题目1 二、铁路隧道设计基本概况1 三、单线250 km/h高速铁路隧道相关图2 四、设计计算内容3 （一）、根据给定的隧道埋深判断结构深、浅埋3 （二

3、）、围岩压力的计算方法3 (三）、荷载计算5 (四）、内力分析北京理正软件分析8 五、隧道支护衬砌16 六、施工技术特点18 七、施工方法18 （一）、开挖支护参数18 （二）、三台阶预留核心土开挖法施工应符合下列要求：18 (三）、三台阶预留核心土开挖法施工工艺19 (四）、施工工序20 八、施工步骤：23 （一）、初喷混凝土封闭岩面：24 （二）、系统锚杆(管)、钢筋网施做应符合下列要求：24 (三）、安装钢架应符合下列要求：25 (四）、仰拱施工25 九、施工技术要求及注意事项26 十、施工安全要求27 参考文献28 河南理工大学课程设计 一、混凝土课程结构课程设计题目 单车道250 k

4、m/h高速铁路隧道V级围岩段结构及施工方法设计 二、铁路隧道设计基本概况 它是一种独立的轨道交通系统，不受地面道路情况的影响，能够按照设计的能力正常运行，从而快速、安全、舒适地运送乘客。 地铁效率高，无污染，能够实现大运量的要求，具有良好的社会效益。 而地铁车站是地下铁道的重要组成部分，它要解决客流的集散、换乘，同时也要解决整条线路行驶中的就技术设备、信息控制、运行管理， 以保证交通的顺畅、快捷、准时、安全。 车站设计本着“以人为本”的观念，坚持适用性、安全性、识别性、舒适性、经济性的原则。 本次设计要求单车道列车最高时速250 km/h，同时围岩的等级为V级，隧道的埋深为地下10米，平均重度

5、为20kN/m3，要求采用极限状态进行配筋设计；对区间隧道进行结构检算，求出内力，并进行配筋计算。 三、单线250 km/h高速铁路隧道相关图 图3-1 250km/h单线铁路隧道建筑界限图 图3-2 250km/h单线铁路隧道建筑界限图及内轮廓图 四、设计计算内容 （一）根据给定的隧道埋深判断结构深、浅埋 可以采用铁路隧道推荐的方法，即有 （4-1） 上式 s围岩的级别； B洞室的跨度； i表示B每增加1m时的围岩压力增减率。 根据铁路隧道设计规范可知，围岩为级围岩，所以， ，。 （4-2） 深浅埋隧道分界的深度； 等效荷载高度值 因为埋深，可知该隧道为浅埋。 （二）围岩压力的计算方法 (1

6、) 当隧道埋深h小于或等于等效荷载高度hq（即）时， 为 超浅埋隧道，围岩压力按全土柱计算。 围岩垂直均布压力为： （4-2） 式中 r围岩容重，见表一 h隧道埋置深度。 围岩水平均布压力e按朗金公式计算 （4-3） 围岩级别 容重r（kN/3） 弹性反力系数 K（MPa/m） 岩体两侧摩擦系角() 计算摩擦角 0() IV 2023 200500 ( 0.70.9 )0 5060 V 1720 100200 ( 0.50.7 )0 4050 表4-1 围岩压力相关计算参数 (2) 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，围岩压力按谢家休公式计算： 围岩垂直

7、均布压力为： （4-4） （4-5） （4-6） 式中，B坑道跨度； r围岩的容度； h洞顶覆土厚度； 岩体两侧摩擦角，见表2-1； 侧压力系数； 围岩计算摩擦角，见表2-1； 产生最大推力时的破裂角； 围岩水平压力按下式计算： 隧道顶部水平压力： 隧道底部水平压力： 由因此应该属于一般浅埋隧道。 (三）荷载计算 （1）自重 （4-7） -钢筋混凝土自重；管片厚度； （2）均布竖向地层荷载 竖向地层荷载： （4-8） 近似均布拱背土压力： （4-9） 其中： (4-10) （3）水平地层均布荷载 (4-11) 其中： (4-12) （4）按三角形分布的水平地层压力 (4-13） 其中： （5）

8、拱底反力 （4-14） （6）侧向土层抗力 （4-15） 衬砌圆环抗弯刚度: 衬砌圆环抗弯刚度折减系数:； （4-16） （4-17） (4-18) 取 （7) 取长度一米圆环进行计算，其中荷载采用设计值，即考虑荷载组合系 数。 计算结果如下表（已考虑荷载组合系数）： 隧道圆环内力计算结果如下： 表4-2 轴力图计算结果过程 截面/度 弧度 自重g(kN/) 轴线半径（m) 均布竖向地层荷载q(kN/) 水平均布荷载P1(kN/) 三角形侧压P2(kN/) 底部反力PR(kN/) 轴力（KN） 0 0.00 13.78 2.63 -78.59 52.59 21.50 15.49 24.77 1

9、0 0.17 -14.18 2.63 285.38 37.02 30.69 -13.00 325.92 20 0.35 14.41 2.63 585.88 8.76 6.32 6.32 621.69 30 0.52 -12.13 2.63 711.66 1.25 1.42 2.39 704.59 40 0.70 5.15 2.63 464.05 23.39 17.49 -10.33 499.74 50 0.87 6.99 2.63 -24.80 48.97 20.73 14.95 66.83 60 1.05 -21.92 2.63 143.74 47.70 41.87 -14.75 196.6

10、3 70 1.22 34.79 2.63 394.27 21.09 12.15 9.81 472.12 80 1.40 -39.77 2.63 741.07 0.64 -0.04 -1.71 700.19 90 1.57 32.53 2.63 627.78 10.56 6.50 -6.94 670.43 100 1.75 -12.47 2.63 -443.20 39.10 18.26 13.36 98.11 110 1.92 -16.11 2.63 45.71 52.48 47.08 -15.47 22.23 120 2.09 44.74 2.63 366.49 34.86 17.02 12.

11、61 -48.19 130 2.27 -63.23 2.63 -660.74 7.09 3.89 -5.69 268.02 140 2.44 63.29 2.63 742.32 2.06 0.62 -3.06 0.23 150 2.62 -41.95 2.63 -584.98 25.71 13.95 10.83 168.31 160 2.79 3.44 2.63 239.36 50.05 44.42 -15.11 -9.92 170 2.97 41.27 2.63 183.30 46.27 20.11 14.53 -47.62 180 3.14 -77.62 2.63 -546.96 18.8

12、3 13.39 -9.27 220.13 表4-3 弯矩计算过程 截面/度 弧度 自重g(kN/) 轴线半径（m) 均布竖向地层荷载q(kN/) 水平均布荷载P1(kN/) 三角形侧压P2(kN/) 底部反力PR(kN/) 弯矩（KNm) 0 0.00 36.18 2.63 581.93 -11.46 115.76 -13.20 70.92 10 0.17 109.58 2.63 -85.48 2.15 105.70 62.48 19.44 20 0.35 34.53 2.63 -351.25 26.86 35.32 -11.24 -26.58 30 0.52 104.20 2.63 -542

13、.52 33.42 23.28 36.80 -34.48 40 0.70 58.84 2.63 -302.24 14.06 76.63 29.91 -12.28 50 0.87 54.01 2.63 507.71 -8.29 108.96 -6.57 65.58 60 1.05 129.90 2.63 88.73 -7.19 128.22 61.53 40.12 70 1.22 -18.96 2.63 -76.53 16.07 57.29 -16.27 -3.84 80 1.40 176.75 2.63 -608.41 33.95 25.07 46.20 -32.64 90 1.57 -13.

14、04 2.63 -494.56 25.28 48.63 -18.80 -45.25 100 1.75 105.10 2.63 3226.29 0.33 90.51 -294.97 312.73 110 1.92 114.64 2.63 970.60 -11.37 138.27 6.78 121.89 120 2.09 -45.08 2.63 -323.35 4.04 82.62 108.46 -17.33 130 2.27 238.32 2.63 -56.78 28.31 40.82 -524.26 -27.36 140 2.44 -93.78 2.63 2062.71 32.71 28.88

15、 183.27 221.38 150 2.62 182.46 2.63 3438.77 12.03 65.73 -417.16 328.18 160 2.79 63.31 2.63 1980.76 -9.24 133.17 98.11 226.61 170 2.97 -35.99 2.63 276.59 -5.93 103.90 55.29 39.39 180 3.14 276.10 2.63 -641.00 18.05 66.79 -422.57 -70.26 （四）、内力分析北京理正软件分 基本参数 图4-1 围岩压力示意图 表4-3 规范标准： 水工砼规范SL191-2008 承载能力极

16、限状态0：1.0 正常使用极限状态0：1.0 衬砌断面类型： 马蹄形 每段计算的分段数： 10 计算迭代次数： 10 抗力验证要求： 高 表4-4 衬砌参数 底拱半径： 6.000(m) 底拱半中心角： 18.000(度) 底拱厚度： 0.600(m) 侧拱半径： 8.000(m) 侧拱角度： 30.000(度) 侧拱厚度： 0.350(m) 顶拱半中心角： 70.000(度) 顶拱拱顶厚度： 0.350(m) 底拱围岩弹抗系数： 500.000(MN/m3) 侧拱围岩弹抗系数： 500.000(MN/m3) 顶拱围岩弹抗系数： 500.000(MN/m3) 衬砌的弹性模量： 23000.00

17、0(MPa) 荷载参数 表4-5 底部山岩压力(侧)： 46.400(kN/m) 底部山岩压力(中)： 46.400(kN/m) 侧向山岩压力(上)： 16.000(kN/m) 侧向山岩压力(下)： 21.600(kN/m) 顶部山岩压力(侧)： 212.400(kN/m) 顶部山岩压力(中)： 200.000(kN/m) 内水压力水头： 6.000(m) 外水压力水头： 0.000(m) 外水压力折减系数()： 0.400 顶拱灌浆压力： 20.000(kPa) 顶拱灌浆压力作用范围角： 60.000(度) 其它段灌浆压力： 0.000(kPa) 衬砌容重： 25.000(kN/m3) 荷载

18、组合参数 表4-6 编号 荷载名称 是否计算 分项系数 1 衬砌自重 1.00 2 顶岩压力 1.00 3 底岩压力 1.00 4 侧岩压力 1.00 5 内水压力 1.00 6 外水压力 1.00 7 顶部灌浆压力 1.00 8 其余灌浆压力 1.00 9 地震作用力 1.20 配筋参数 表4-7 对称配筋： 是 混凝土等级： C25 纵筋等级： HRB335(fy=300MPa,fyk=335MPa) 拉结筋计算： 计算 拉结筋等级： HPB235(fy=210MPa,fyk=235MPa) 拉结筋间距： 100(mm) 配筋计算as： 65(mm) 配筋调整系数： 1.00 裂缝计算：

19、计算 最大裂缝宽度允许值： 单侧拟采用纵筋直径： 20(mm) 砼保护层厚度： 50(mm) 计算结果 图4-2 表4-8 0 -1661.5 443.107 189.692 131.2 0.000 0.472 0.000 0.2 1200.0 0.22%) 173.9 1 -1661.837 462.666 187.858 129.375 -0.02 0.478 0.004 0.2 1200.0 0.22%) 173.9 满足 2 -1662.860 483.429 182.243 123.759 -0.04 0.498 0.008 0.2 1200.0 0.22%) 173.9 满足 3

20、-1664.627 506.569 172.507 114.024 -0.07 0.529 0.012 0.3 1200.0 0.22%) 173.9 满足 4 -1667.228 533.190 158.099 99.616 -0.09 0.572 0.016 0.3 1200.0 0.22%) 173.9 满足 5 -1670.789 564.293 138.265 79.781 -0.12 0.626 0.019 0.3 1200.0 0.22%) 173.9 满足 6 -1675.462 600.730 112.077 53.594 -0.15 0.687 0.021 0.3 1200

21、.0 0.22%) 173.9 满足 7 -1681.423 643.159 78.464 19.981 -0.18 0.755 0.023 0.4 1200.0 0.22%) 173.9 满足 8 -1688.865 691.981 36.256 -22.228 -0.22 0.826 0.024 0.4 1070.0 0.20%) 173.9 满足 9 -1697.988 747.280 -15.768 -74.251 -0.25 0.897 0.023 0.4 1200.0 0.22%) 215.2 满足 10 -1708.989 808.744 -78.804 -137.28 -0.2

22、9 0.962 0.021 0.5 1200.0 0.22%) 267.2 满足 表4-8 侧拱(从下向上等分10段): 0 -1349.40 -438.27 -98.09 -117.9 -0.863 0.518 0.021 0.3 700.0 0.25% 247.4 满足 1 -1342.75 -377.41 -35.2 -55.13 -0.929 0.537 -0.000 0.3 700.0 0.25% 149.8 满足 2 -1338.83 -324.0 2.912 -16.98 -0.994 0.450 -0.008 0.2 570.0 0.20% 123.9 满足 3 -1336.8

23、0 -290.76 22.711 2.811 -1.053 0.342 -0.006 0.2 700.0 0.25% 123.9 满足 4 -1335.54 -276.95 32.789 12.889 -1.107 0.256 -0.001 0.1 700.0 0.25% 123.9 满足 5 -1334.17 -275.21 39.93 20.036 -1.157 0.216 0.007 0.1 700.0 0.25% 123.9 满足 6 -1332.2 -274.15 46.948 27.047 -1.206 0.238 0.016 0.1 700. 0.25% 123.9 满足 7 -

24、1330.20 -259.22 51.169 31.268 -1.259 0.335 0.028 0.2 700.0 0.25% 123.9 满足 8 -1329.06 303.575 43.268 23.368 -1.319 0.516 0.039 0.3 700.0 0.25% 123.9 满足 9 -1330.88 396.359 6.777 -13.12 -1.390 0.760 0.045 0.4 570.0 0.20% 180.2 满足 10 -1338.35 541.954 -79.82 -99.72 -1.474 0.984 0.033 0.5 700.0 0.25% 413.

25、7 满足 表4-8 顶拱(从拱脚向拱顶等分10段 0 -1390. 273.4 -79.82 -99.72 -1.722 0.421 0.033 0.2 700.0( 0.25%) 123.9 1 -1362. 268.2 -84.64 -104.5 -1.807 0.342 0.008 0.2 700.0( 0.25%) 123.9 满足 2 -1327. -266.6 -85.81 -105.7 -1.870 0.088 -0.017 0.0 700.0( 0.25%) 123.9 满足 3 -1286. -309.8 -74.53 -94.43 -1.889 -0.339 -0.041

26、0.0 700.0( 0.25%) 123.9 满足 4 -1238. -340.3 -48.69 -68.60 -1.845 -0.911 -0.061 0.0 700.0( 0.25%) 123.9 满足 5 -1190. -355.1 -14.25 -34.15 -1.723 -1.575 -0.072 0.0 700.0 0.25%) 123.9 满足 6 -1144. -355. 22.966 3.065) -1.515 -2.261 -0.073 0.0 700.0( 0.25%) 123.9 满足 7 -1104. -342.4 57.677 37.777 -1.224 -2.8

27、94 -0.065 0.0 700.0( 0.25%) 123.9 满足 8 -1074. -319.9 85.590 65.690 -0.860 -3.403 -0.049 0.0 700.0( 0.25%) 123.9 满足 9 -1055. -290.7 103.56 83.665 -0.444 -3.734 -0.026 0.0 700.0( 0.25%) 123.9 满足 10 -1048. 258.4 109.74 89.84 0.000 -3.848 0.000 0.0 700.0( 0.25%) 123.9 满足 则截面尺寸(抗剪)验算满足。 图4-3 轴力图 图4-4 剪力图

28、 图4-5 弯矩图 图4-6 法相位移图 图4-6 转角位移图 五、隧道支护衬砌 使用长度为4m的锚杆进行初次的支护然后利用锚固网进行锚固后喷射混凝土，采用的C25的混凝土进行二次衬砌。 图5-1 隧道衬砌图 图5-2 隧道衬砌配筋图 图5-2 隧道衬砌配筋图（单位：mm) 六、施工技术特点 1施工空间大，方便机械化施工，可以多作业面平行作业。 部分软岩或土质地段可以采用挖掘机直接开挖，工效较高。 2在地质条件发生变化时，便于灵活、及时地转换施工工序，调整施工方法。 3适应不同跨度和多种断面形式，初期支护工序操作便捷。 4在台阶法开挖的基础上，预留核心土，左右错开开挖，利于开挖工作面稳定。 5

29、当围岩变形较大或突变时，在保证安全和满足净空要求的前提下，可尽快调整闭合时间。 七、施工方法 （一）、开挖支护参数 正洞：20b型钢钢架，间距50cm；相邻钢架采用25钢筋连接，环向间距1.0m，并焊接与钢架内侧翼缘；采用22锁脚锚杆L=4.5m或50锁脚锚管，L=4.5m，壁厚3.5mm；喷射C25混凝土28cm.。 采用6钢筋网片，网格尺寸20cm20cm （二）、 三台阶预留核心土开挖法施工应符合下列要求： 以机械开挖为主，必要时辅以弱爆破； 弧形导坑应沿开挖轮廓线环向开挖，预留核心土，开挖后及时支护； 其他分步平行开挖，平行施做初期支护，各分部初期支护衔接紧密，及时封闭成环； 仰拱紧跟

30、下台阶，及时闭合构成稳固的支护体系； 施工过程通过监控量测，掌握围岩和支护的变形情况，及时调整支护参数和预留变形量，保证施工安全； 完善洞内临时防排水系统，防止地下水浸泡拱墙脚基础。 3、三台阶预留核心土开挖法施工工艺 三台阶预留核心土开挖法可分为以下主要步骤： 上部弧形导坑环向开挖，施做拱部初期支护； 中、下台阶左右错开开挖，施做墙部初期支护： 中心预留核心土开挖、隧底开挖，施做隧底初期支护。 每部开挖后均应及时支护，隧底初期支护后应及时施做仰拱，尽早封闭成环。 三台阶预留核心土开挖法的施工工艺流程见图4-1。 围岩稳定性评判、修正支护参数 监控量测 超前支护 上部弧形导坑开挖，施作初期支护

31、 断面检查 左右侧错开开挖中台阶，施作初期支护 左右侧错开开挖下台阶，施作初期支护 开挖上、中、下台阶预留核心土 分段开挖隧底，施作初期支护 施作仰拱 施作仰拱填充 图7-1 三台阶预留核心土开挖法施工工艺流程 4、施工工序 三台阶预留核心土开挖法施工步骤见图4-2，开挖透视图见4-3，施工工序见图4-4。 图7-2 施工步骤 图7-3 开挖透视图 图7-4 施工工序图 八、施工步骤： 第1步，上部弧形导坑开挖：在拱部超前支护后进行，环向开挖上部弧形导坑，预留核心土，核心土长度宜为35米，宽度宜为隧道开挖宽度的1/31/2。 开挖循环进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1米，开挖后立即

32、初喷35cm砼。 开挖后应及时进行喷、锚、网系统支护，架设钢架，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角45打设锁脚锚杆，拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度。 第2、3步，左右侧中台阶开挖：开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1m，开挖高度一般为33.5m，左右侧台阶错开23m，开挖后立即初喷35cm砼，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角45打设锁脚锚杆，拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度。 第4、5步，左右侧下台阶开挖：开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1m，开挖高度一般为33.5m，左右侧台阶错开23m，开挖后立即初喷35cm砼，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，如有必要可在钢架拱脚以上30cm高度处