隧道工程课程设计

武汉理工大学课程设计1初始条件某高速公路隧道通过III类围岩(即IV级围岩)，埋深H=30m，隧道围岩天然容重γ=23KN/m3，计算摩擦角ф=35o,变形模量E=6GPa,采用矿山法施工；衬砌材料采用C25喷射混凝土，材料容重322/hKNm，变形模量25hEGPa。2隧道洞身设计2.1隧道建筑界限及内轮廓图的确定该隧道横断面是根据两车道高速公路IV级围岩来设计的，根据《公路隧道设计规范》确定隧道的建筑限界如下：W—行车道宽度；取3.75×2mC—余宽；因设置检修道，故余宽取为0mJ—检修道宽度；双侧设置，取为1.0×2mH—建筑限界高度；取为5.0m2LL—左侧向宽度；取为1.0mRL—右侧向宽度；取为1.5mLE—建筑限界左顶角宽度；取1.0mRE—建筑限界右顶角宽度；取1.0mh—检修道高度；取为0.25m隧道净宽为1.0+1.0+7.50+1.50+1.0=12m设计行车速度为120km/h,建筑限界左右顶角高度均取1m；隧道轮廓线如下图：图1隧道内轮廓限界图根据规范要求，隧道衬砌结构厚度为50cm（一次衬砌为15cm和二次衬砌35cm）通过作图武汉理工大学课程设计得到隧道的尺寸如下：图2隧道内轮廓图得到如下尺寸:11.2mR5.6mR9.47mR321，，3隧道衬砌结构设计3.1支护方法及衬砌材料根据《公路隧道设计规范》（JTG-2004），本设计为高速公路，采用复合式衬砌，复合式衬砌是由初期支护和二次衬砌及中间防水层组合而成的衬砌形式。复合式衬砌应符合下列规定：1初期支护宜采用锚喷支护，即由喷射混凝土，锚杆，钢筋网和钢筋支架等支护形式单独或组合使用，锚杆宜采用全长粘结锚杆。2二次衬砌宜采用模筑混凝土或模筑钢筋混凝土结构，衬砌截面宜采用连结圆顺的等厚衬砌断面，仰拱厚度宜与拱墙厚度相同。由规范8.4.2-1，对于两车道IV级围岩：初期支护：拱部边墙的喷射混凝土厚度为12-15cm，拱墙的锚杆长度为2.5-3m，锚杆间距为1.0-1.2m；二次衬砌厚度：拱墙混凝土厚度为35cm因此确定衬砌尺寸及规格如下：深埋隧道外层初期支护，根据规范规定，采用锚喷支护，锚杆采用普通水泥砂浆锚杆，规格HRB20×2.5m，采用梅花型局部布设，采用C25喷射混凝土。初次衬砌：采用C25喷射混凝土，厚度为14.8cm。防水板：采用塑料防水板及无纱布，且无纺布密度为300g/m2,防水板应采用铺满的EVA板武汉理工大学课程设计防水层，厚度为2.0mm，搭接长度为150mm。二次衬砌：根据《公路隧道设计规范》，采用C25号模筑防水混凝土，厚度为35cm。整个衬砌厚度为14.8+0.2+35=50cm。3.2隧道深浅埋的确定及围岩压力的计算隧道的内轮廓尺寸为B=12.37m，H=13.69m因为IV级围岩需要预留变形量，查《公路隧道设计规范》8.4.1知IV级围岩需预留变形量为50-80mm，衬砌厚度为50cm，又每侧超挖量为10cm，故隧道的近似开挖尺寸为：14.97m0.080.120.5213.69H13.65m0.080.120.5212.37Btt由于是IV级围岩qp2.5hHpH—深浅埋隧道的分界深度1-Sq20.45hqh—等效荷载高度—跨度影响系数；)5(1tBii—围岩压力增减率，当15m-5Bt取i=0.1m714.6)]565.13(1.01[20.4520.45h1-41-Sq16.785m6.7142.52.5hHqp埋深m785.16H30Hp故为深埋隧道。又7.11.113.6514.97BHtt可用公式qhq计算均布垂直压力：2q/154.426.71423hqmkN因为该隧道围岩级别为IV围岩水平均不压力为：251.47kN/m-25.74q31-61e）（4衬砌结构内力计算4.1基本资料公里等级高速公路围岩级别IV级围岩容重r=23KN/m3武汉理工大学课程设计弹性抗力系数K=0.18×106KN/m变形模量6GPaE材料容重3h/22mKN材料变形模量25GpaEh衬砌厚度d=0.5m图3衬砌结构断面图4.2荷载的确定4.2.1围岩压力的确定隧道的内轮廓尺寸为B=12.37m，H=13.69m因为IV级围岩需要预留变形量，查《公路隧道设计规范》8.4.1知IV级围岩需预留变形量为50-80mm，衬砌厚度为50cm，又每侧超挖量为10cm，故隧道的近似开挖尺寸为：14.97m0.080.120.5213.69H13.65m0.080.120.5212.37Btt由于是IV级围岩qp2.5hHpH—深浅埋隧道的分界深度1-Sq20.45hqh—等效荷载高度武汉理工大学课程设计—跨度影响系数；)5(1tBii—围岩压力增减率，当15m-5Bt取i=0.1m714.6)]565.13(1.01[20.4520.45h1-41-Sq16.785m6.7142.52.5hHqp埋深m785.16H30Hp故为深埋隧道。又7.11.113.6514.97BHtt可用公式qhq计算均布垂直压力：2q/154.426.71423hqmkN考虑一衬后的围岩释放变形折减系数0.4361.768KN/m154.420.4q4.2.2衬砌自重2hn0/1122)5.05.0(21dd21gmKN）（（1）全部垂直荷载q=61.768+11=72.768KN/m2（2）围岩水平均布压力e=0.4×72.768=29.1KN/m24.3衬砌几何要素4.3.1衬砌的几何尺寸内轮廓线半径：5.6mr9.47mr21，内径21rr，所画圆曲线端点截面与竖直轴线的夹角：o2o15864，拱顶截面厚度0.5md0，拱底截面厚度0.5mdn4.3.2半拱轴线长度S及分段轴长16.77m)20.55.6(1803.1458)20.59.47(1803.1464S将半拱轴长度等分为8段，则2.1m8SS武汉理工大学课程设计8-6h108.410252.1ES4.4计算位移4.4.1单位位移用辛普生法近似计算，按计算列表进行，单位位移的计算列表见表4-1表4-1单位位移计算表注：1I—-截面的惯性矩，I=bd3/12,b取单位长度2不考虑轴力影响单位位移值计算如下：5-8-h11106.4512768.000108.4I1ES5-8-h121029.79543547.072108.4IyES5-8-2h2210248.376229568.593108.4IyES截面αsinαcosαxyd1/Iy/Iy2/I(1+y)2/I积分系数1/300.0000.0001.0000.0000.0000.50096.0000.0000.00096.0001115.2500.2630.9651.5750.2210.50096.00021.2164.689143.1214230.5000.5080.8622.9920.8420.50096.00080.83268.061325.7252345.7500.7160.6984.2021.7860.50096.000171.456306.220745.1324461.0000.8750.4855.2343.2170.50096.000308.832993.5131707.1772576.2500.9710.2386.1685.6100.50096.000538.5603021.3224194.4424691.5001.000-0.0266.4298.1760.50096.000784.8966417.3108083.10227106.750.958-0.2886.00710.7220.50096.0001029.31211036.28313190.90748122.000.848-0.5304.97213.0200.50096.0001249.92016273.95818869.7981∑768.003547.07229568.59337430.737武汉理工大学课程设计计算精度校核：-5-522121110314.418210248.3762229.79456.45122）（5-8-2hss10314.418237430.737108.4Iy1ES）（闭合差△=04.4.2载位移——主动荷载在基本结构中引起的位移1）每一块上的作用力(竖向力Q、水平力E、自重力G),分别由下面各式求得，Qi=q×biEi=e×hiGi=(di-1+di)/2×△S×rh其中：bi——衬砌外缘相邻两截面间的水平投影长度hi——衬砌外缘相邻两截面间的竖直投影长度di——接缝i的衬砌截面厚度均由图3直接量得，其值见表4-2。各集中力均通过相应图形的形心武汉理工大学课程设计表4-2载位移Mop计算表截面投影长度集中力S-Qaq-Gag-GagbhQGEaqagae00.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.00011.5750.224114.61023.1007.4010.7880.7880.1120.112-18.191-0.82921.4240.612103.62223.10020.2200.7120.7120.306-73.779-16.447-6.18731.2100.95088.04923.10031.3880.6050.6050.475-53.270-13.976-14.90941.0200.97974.22323.10032.3460.5100.5100.490-37.854-11.781-15.83350.9332.84567.89323.10093.9990.4670.4671.423-31.672-10.776-133.71360.2672.56619.42923.10084.7810.1340.1341.283-2.594-3.084-108.774武汉理工大学课程设计70.4172.54630.34423.10084.1200.2090.2091.273-6.327-4.816-107.08580.7852.29857.12323.10075.9260.3930.3931.149-22.421-9.067-87.239续表4-2∑i-1（Q+G）∑i-1ExyΔxΔy-Δx∑i-1（Q+G）-Δy∑i-1EMoip0.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0001.5310.1941.5310.1940.0000.000-18.908137.7107.4012.9640.7651.4330.571-197.338-4.226-316.885264.43127.6214.2101.6761.2460.911-329.481-25.163-753.684375.58159.0095.1882.8690.9781.193-367.318-70.398-1256.869472.90491.3565.8324.2520.6441.383-304.550-126.345-1863.925563.896185.3546.1525.7640.3201.512-180.447-280.256-2439.079606.425270.1356.1437.309-0.0091.5455.458-417.359-2969.207659.870354.2555.8068.817-0.3371.508222.376-534.216-3399.7742）外荷载在基本结构中产生的内力块上各集中力对下一接缝的力臂