隧道工程課程設計

1、<p>　　隧道工程課程設計說明書</p><p>　　The structural design of the Tunnel</p><p>　　作 者 姓 名： </p><p>　　專業(yè)、班級 ： 道橋 班 </p><p>　　學 號 ： </p>

2、<p>　　指 導 教 師： </p><p>　　設 計 時 間： </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一．課程設計題目1</p><p>　　二．隧道的建筑限界1</p><p>　　三．隧道的襯砌斷面1

3、</p><p><b>　　四．荷載確定2</b></p><p>　　4.1圍巖壓力計算2</p><p>　　4.2圍巖水平壓力3</p><p>　　4.3深埋隧道荷載計算3</p><p>　　五．結構設計計算4</p><p>　　5.1計算基本假定

4、4</p><p>　　5.2內力計算結果5</p><p>　　5.3 V級圍巖配筋計算6</p><p>　　5.4偏心受壓對稱配筋7</p><p>　　5.5受彎構件配筋8</p><p>　　5.6箍筋配筋計算8</p><p><b>　　5.7強度驗算8<

5、;/b></p><p>　　5.8最小配筋率驗算：10</p><p>　　六．輔助施工措施設計10</p><p>　　6.1雙側壁導坑施工方法10</p><p>　　6.2開挖方法10</p><p>　　6.3施工工序11</p><p><b>　　隧道工程

6、課程設計</b></p><p><b>　　一．課程設計題目</b></p><p>　　某高速鐵路隧道V級圍巖段襯砌結構設計(設計時速350Km/h,隧道埋深127m，單洞雙線)</p><p><b>　　隧道的建筑限界</b></p><p>　　2.1 隧道的建筑限界</

7、p><p>　　根據(jù)《鐵路隧道設計規(guī)范》TB10003-2005有關條文規(guī)定，隧道的建筑限界高度H取6.55m，行車道寬度取4.25m，如圖所示</p><p><b>　　三．隧道的襯砌斷面</b></p><p>　　擬定隧道的襯砌，襯砌材料為C25混凝土，彈性模量Ec=2.95×107kPa，重度γh=23kN/m3，襯砌厚度取50

8、cm，如圖所示。</p><p><b>　　四．荷載確定</b></p><p><b>　　4.1圍巖壓力計算</b></p><p>　　計算圍巖豎向均布壓力：</p><p>　　式中：s——圍巖類別，此處s=5；</p><p>　　——圍巖容重，此處=22KN/m

9、3；</p><p><b>　　——跨度影響系數(shù)</b></p><p><b>　　毛洞跨度=8.5m</b></p><p><b>　　，此處</b></p><p>　　所以有： 因是松軟圍巖，故 </p><p>　　所以此隧道為深埋隧道。

10、</p><p>　　圍巖豎向均布壓力=0.45××22×1.35=213.84KN</p><p><b>　　4.2圍巖水平壓力</b></p><p><b>　　圍巖水平均布壓力：</b></p><p>　　取其平均值 </p><

11、p>　　4.3深埋隧道荷載計算 </p><p>　　(1)作用在支護結構上的垂直壓力</p><p>　　由于，為便于計算，假定巖土體中形成的破裂面是一條與水平成角的斜直線，如圖所示。EFGH巖土體下沉，帶動兩側三棱體（圖中FDB和ECA）下沉，整個巖土體ABDC下沉時，又要受到未擾動巖土體的阻力；斜直線AC或BD是假定的破裂面，分析時考慮內聚力c，并采用了計算摩擦角；另一滑面F

12、H或EG則并非破裂面，因此，滑面阻力要小于破裂面的阻力。</p><p>　　該滑面的摩擦系數(shù)為36.5度。查詢鐵路隧道設計相關規(guī)范，取計算摩擦角。</p><p>　　深埋隧道荷載計算簡圖</p><p>　　如上圖所示，隧道上覆巖體EFGH的重力為，兩側三棱巖體FDB或ECA的重力為，未擾動巖體整個滑動土體的阻力為F，當EFHG下沉，兩側受到阻力或，作用于HG面

13、上的垂直壓力總值為：</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　其中，三棱體自重為：</p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>　　式中：為坑道底部到地面的距離(m)；</p><p>　　為破裂面與水平的交角(°)。

14、</p><p><b>　　由圖據(jù)正弦定理可得</b></p><p><b>　　(2-6)</b></p><p>　　由于GC、HD與EG、EF相比往往較小，而且襯砌與巖土體之間的摩擦角也不同，當中間土塊下滑時，由FH及EG面?zhèn)鬟f，考慮壓力稍大些對設計的結構也偏于安全，因此，摩阻力不計隧道部分而只計洞頂部分，在計算

15、中用H代替h，有：</p><p><b>　　(2-7)</b></p><p><b>　　(2-8)</b></p><p><b>　　(2-9)</b></p><p>　　埋深為127m時，土壓力值為1384.3KN/m2。</p><p>

16、　　式中： ——側壓力系數(shù)；</p><p>　　——坑道寬度（m）；</p><p>　　——圍巖的計算摩擦角（°）；</p><p>　　——作用在支護結構上的均布荷載（kN/m2）。</p><p>　　作用在支護結構兩側的水平側壓力</p><p>　?、跫墖鷰r荷載分布如下圖所示。</p>

17、<p>　　作用在支護結構上的均布荷載</p><p><b>　　五．結構設計計算</b></p><p><b>　　5.1計算基本假定</b></p><p>　　因隧道是一個狹長的建筑物，縱向很長，橫向相對尺寸較小。隧道計算取每延米作為計算模型，此類問題可以看作平面應變問題來近似處理?？紤]圍巖與結構的

18、共同作用，采用荷載結構模型。隧道計算采用荷載結構模式按有限桿單元，采用MIDAS/GTS進行計算分析。</p><p><b>　　基本假定：</b></p><p>　　假定所有襯砌均為小變形彈性梁，把襯砌為離散足夠多個等厚度梁單元。</p><p>　　用布置于各節(jié)點上的彈簧單元來模擬圍巖與初期支護、襯砌的相互約束；假定彈簧不承受拉力，即不

19、計圍巖與襯砌間的粘結力；彈簧受壓時的反力即為圍巖對襯砌的彈性抗力。</p><p>　　假定初期支護與主體結構之間只傳遞徑向壓力。</p><p>　　考慮到在非均勻分布的徑向荷載作用下，襯砌結構一部分將發(fā)生向著圍巖方向的變形，而地層具有一定的剛度，會對襯砌結構產(chǎn)生被動的彈性抗力，設計計算時采用彈性地基梁單元模擬。</p><p><b>　　5.2內力計

20、算結果</b></p><p>　　計算荷載基本組合：結構自重＋圍巖壓力，為了計算保證計算的可靠性，采用MIDAS/GTS進行計算。Midas/GTS計算結果如下：</p><p>　　MIDAS/GTS計算彎矩圖</p><p>　　MIDAS/GTS計算軸力圖</p><p>　　MIDAS計算內力表5.1</p>

21、<p>　　由內力圖可知，結構所受彎矩為293.843KN?m，對應軸力為-1437.516KN。</p><p>　　5.3 V級圍巖配筋計算</p><p>　　整個斷面存在正負相反方向的彎矩，又彎矩較大，按偏心受壓對稱配筋和受彎構件配筋分別進行計算。</p><p>　　5.4偏心受壓對稱配筋</p><p>　　根據(jù)Mi

22、das計算結果進行結構配筋計算，取彎矩293.843KN?m，對應軸力-1437.516KN為最不利截面控制內力。襯砌混凝土采用C25，鋼筋采用HRB335，由混凝土和鋼筋等級查表知系數(shù)，，界限受壓區(qū)高度。按雙面對稱配筋進行計算。</p><p><b>　　有效高度：</b></p><p><b>　　偏心距：</b></p>

23、<p><b>　　附加偏心距：</b></p><p><b>　　初始偏心距：</b></p><p><b>　　修正系數(shù)：，取。</b></p><p><b>　　， 所以取</b></p><p><b>　　偏心距增大系數(shù)

24、： </b></p><p>　　，所以可先按大偏心受壓情況計算。</p><p>　　，故假定按照大偏心受壓是正確的。</p><p><b>　　鋼筋截面面積: </b></p><p>　　最小配筋截面面積：，故按最小配筋率配筋，選取320的Ⅱ級鋼筋，實際配筋面積為。</p><p&

25、gt;<b>　　5.5受彎構件配筋</b></p><p><b>　　計算配筋過程</b></p><p><b>　　，滿足要求</b></p><p><b>　　故：</b></p><p>　　選用622的Ⅱ級鋼筋，實際配筋面積為。</p

26、><p><b>　　5.6箍筋配筋計算</b></p><p>　　對于箍筋，，因此只需按照構造配箍，選用12@200（縱方向）和10@250（橫斷面）。</p><p><b>　　5.7強度驗算</b></p><p>　　為了保證襯砌結構強度的安全性，需要在算出結構內力之后進行強度驗算。目前我國

27、國內公路隧道設計規(guī)范規(guī)定，隧道襯砌和明洞按破壞階段驗算構件截面強度。即根據(jù)混凝土和石砌材料的極限強度，計算出偏心受壓構件的極限承載力，與構件實際內力相比較，計算出截面的抗壓（或抗拉）強度安全系數(shù)K。檢查是否滿足規(guī)范所要求的數(shù)值，即：</p><p>　　式中：——截面的極限承載能力；</p><p>　　——截面的實際內力（軸向力）；</p><p>　　——規(guī)范所

28、規(guī)定的強度安全系數(shù)。</p><p>　　當時，由抗壓強度控制，</p><p>　　當時，截面由抗拉強度控制，即：</p><p>　　其中：——構件縱向系數(shù)，隧道襯砌取1；</p><p>　　——混凝土極限抗壓強度；</p><p>　　——混凝土極限抗拉強度；</p><p>　　——軸

29、力的偏心影響系數(shù)，按以下經(jīng)驗公式確定：</p><p>　　——截面寬度，取1m；</p><p><b>　　——截面厚度；</b></p><p>　　鋼筋混凝土結構的強度安全系數(shù)在計算永久荷載加基本可變荷載時取2.0（受壓）或2.4（受拉）。</p><p>　　在計算安全系數(shù)時，彎矩和軸力只取大小，即全是正值。&

30、lt;/p><p>　　表5.2 V級圍巖大變形地段安全系數(shù)計算表</p><p>　　5.8最小配筋率驗算：</p><p>　　取，有滿足規(guī)范要求.</p><p>　　六．輔助施工措施設計</p><p><b>　　雙側壁導坑法</b></p><p>　　采用雙側

31、壁導坑法進行開挖，雙側壁導坑法是將隧道斷面分成左右兩個側壁導坑和上下臺階四大部分開挖。</p><p>　　6.1雙側壁導坑施工方法</p><p>　　雙側壁導坑法又稱眼睛工法，在軟弱圍巖中，當隧道跨度更大或因環(huán)境要求，對地表沉陷需嚴格控制時，可考慮采用雙側壁導坑法?，F(xiàn)場實測表明，雙側壁導坑法所引起的地表沉陷僅為斷臺階法的1|2。導坑尺寸擬定的原則同前，但原則不宜超過斷面最大寬度的三分之

32、一。左右側壁導坑應錯開開挖，以避免在同一斷面上同時開挖而不利于圍巖穩(wěn)定，錯開的距離根據(jù)后行導坑引起的圍巖應力重分布不影響已成導坑的原則確定，亦可工程類比之，一般去7-10m。</p><p><b>　　6.2開挖方法</b></p><p>　　雙側壁導坑法雖然開挖斷面分塊多一點，對圍巖的擾動次數(shù)增加，且初期支護全斷面閉合的時間延長，但每個分塊都是在開挖之后立即閉合

33、對的，所以在施工期間變形幾乎不發(fā)展。該施工方法安全，但進度慢，成本高。</p><p>　　雙側壁導坑預留核心土法施工工序圖</p><p><b>　　6.3施工工序</b></p><p>　?、匍_挖一側導坑，及時將初期圍護閉合。</p><p>　?、谙喔粢欢尉嚯x后開挖另一側導坑，將初期圍護閉合。</p>

34、;<p>　?、坶_挖上部核心土，施做拱部初期支護，拱腳支承在兩側壁導坑的初期支護上。</p><p>　　④開挖下臺階，施做底部的初期支護，是初期支護全斷面閉合。</p><p>　?、莶鸪龑Э优R空部分的初期支護。</p><p>　　⑥待隧道周邊變形基本穩(wěn)定后，施做二次模注混凝土襯砌。</p><p><b>　　6

35、.4裂縫寬度驗算</b></p><p>　　經(jīng)驗算所有的裂縫寬度均滿足《公路隧道設計規(guī)范》（JTG D70-2004）要求。</p><p><b>　　主要參考文獻：</b></p><p>　　JTG D70-2004. 公路隧道設計規(guī)范.北京: 人民交通出版社, 2004</p><p>　　錢東升.

36、公路隧道施工技術. 北京：人民交通出版社，2003</p><p>　　黃成光.公路隧道施工. 北京：人民交通出版社，2001</p><p>　　朱漢華，尚岳全.公路隧道設計與施工新法. 北京：人民交通出版社，2002 </p><p>　　朱永權，宋玉香.隧道工程.北京：中國鐵道出版社，2007 </p><p>　　黃成光.隧道工程

37、.北京：人民交通出版社，2008</p><p>　　章元愛.TBM隧道圍巖穩(wěn)定和支護結構受力特性研究.北京:鐵道科學研究院，2006</p><p>　　戴旭光.新奧法在軟弱圍巖隧道施工中的應用. 浙江水利科技，2008</p><p>　　朱漢華 ，楊建輝 ，尚岳全.隧道新奧法原理與發(fā)展.隧道建設，2008</p><p>　　張洋.隧道