隧道工程课程设计1

目录第一章课程设计任务书--------------------------------------------------1第二章拟定隧道的断面尺寸--------------------------------------------3第一节隧道的建筑限界-----------------------------------------------3第二节隧道的衬砌断面-----------------------------------------------4第三章隧道的衬砌结构计算--------------------------------------------5第一节基本资料--------------------------------------------------------5第二节荷载确定--------------------------------------------------------5第三节衬砌几何要素--------------------------------------------------5第四节计算位移--------------------------------------------------------9第五节解力法方程----------------------------------------------------16第六节计算主动荷载和被动荷载分别产生的衬砌内力-------17第七节最大抗力值的求解-------------------------------------------18第八节计算衬砌总内力----------------------------------------------18第九节衬砌截面强度验算-------------------------------------------19第十节内力图----------------------------------------------------------20隧道工程课程设计1第一章课程设计任务书一、目的和要求1、课程设计是《隧道工程》课程教学的重要实践性环节，是使学生熟练掌握隧道设计计算原理和计算方法的重要内容，为进一步的毕业论文和设计打下基础。要求每个学生高度重视，必须认真按时完成。2、课程设计未完成的或未上交的学生不得参加本课程的期末考试。二、时间安排根据高等学校土木工程专业隧道及地下工程方向《隧道工程》课程教学大纲要求：本课程安排两周的课程设计，采取分散进行的方式。按照本学期本课程教学的实际教学情况，对课程设计工作做如下安排：1、根据教学进度，在讲授隧道结构计算章节前后将课程设计任务布置给学生；2、从讲授完隧道结构计算内容算起（约第14周）分散在5周时间内完成课程设计全部内容；3、课程设计计算书完成后，在第20周二（2010年1月12日）前由各班班长收集齐全后交指导教师；三、课程设计题目及资料1、课程设计题目：公路隧道结构设计与计算某隧道通过Ⅳ级围岩，埋深H=20m，隧道围岩天然容重γ=25KN/m3，计算摩擦角ф=50,采用钻爆法施工。要求按高速公路设计速度60km/h或80km/h或100km/h考虑公路隧道建筑限界的横断面：1)按公路隧道要求对隧道衬砌进行结构设计（拟定结构尺寸）；2)按规范确定该隧道的竖向均布压力和侧向分布压力；3)计算衬砌结构的内力（画出弯矩图和轴力图）；4)对衬砌结构进行配筋验算。2、参考资料：（1）中华人民共和国行业标准《公路隧道设计规范》JTGD70-2004,人民交通出版社，2004年9月；（2）中华人民共和国行业标准《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG隧道工程课程设计2D62-2004,人民交通出版社，2004年；（3）夏永旭编著《隧道结构力学计算》，人民交通出版社，2004年；（4）本课程教材《隧道工程》，人民交通出版社；（5）有关隧道设计图纸；四、课程设计做法指导1、根据题目要求，按照隧道设计章节的做法拟定隧道结构的截面尺寸，包括轮廓线半径和厚度等；2、按照比例（例如1：100）绘制横断面图；3、按照04年发布的《公路隧道设计规范》JTGD70-2004确定隧道围岩竖向压力和水平压力；4、隧道结构内力计算（可按参考资料（3）中的计算步骤进行），要求写出计算过程，并画出弯矩图和轴力图；5、每位学生提交的课程设计成果（计算书）：（1）按比例绘制的隧道结构设计图纸一张；（2）按上述要求进行的计算过程和计算结果。隧道工程课程设计3第二章拟定隧道的断面尺寸第一节隧道的建筑限界根据《公路隧道设计规范》(JTGD-2004)有关条文规定，隧道的建筑限界高度H取5m，行车道宽度取3.75*2m，左侧向宽度LL取0.5m，右侧向宽度LR取0.75m，检修道宽度J取0.75m，检修道高度d取0.5m，建筑限界顶角宽度E取0.75m，如图2-1所示。隧道工程课程设计4第二节隧道的衬砌断面根据《公路隧道设计规范》(JTGD-2004)有关条文规定，拟定隧道的衬砌，衬砌材料为C20混凝土，弹性模量Eh=2.6*107kPa，重度γh=20kN/m3，衬砌厚度取60cm，如图2-2所示。图2-2隧道衬砌断面隧道工程课程设计5第三章隧道衬砌结构计算第一节基本资料某一级公路隧道，结构断面如图2-1所示。围岩级别为Ⅳ级，埋深H=20m，隧道围岩天然容重γ=25kN/m3，计算摩擦角φ=450，衬砌材料为C20混凝土，弹性模量Eh=2.6*107kPa，重度γh=20kN/m3。第二节荷载确定1·围岩竖向均布压力hq=q/γ=0.45×2s-1ω式中：s—围岩级别，此处s=4；γ—围岩重度，此处γ=25kN/m3ω—跨度影响系数，ω=1+i（lm-5），毛洞跨度lm=11.48+2×0.06=11.60m，其中0.06为一侧平均超挖量，lm=5～15m时，i=0.1，此处ω=1+0.1（11.6-5）=1.66。所以有hq=q/γ=0.45×24-1×1.66=5.98mpqpHHmhH95.1498.55.25.2故该隧道属于深埋隧道，围岩竖向均布压力kPaqs4.14966.125245.0245.0141此处超挖回填层重度忽略不计。2·围岩水平均布压力侧向压力e，按均布考虑是，γ其值为e=0.25q=0.25149.4=37.35kPa第三节衬砌几何要素1·衬砌几何尺寸内轮廓线半径r1=5.14m，r2=7.64m；内径r1、r2所画圆曲线与竖直轴的夹角φ1=900，φ2=1050；采用等截面衬砌，衬砌厚度d=0.6m；外轮廓半径R1=r1+d=5.14+0.60=5.74mR2=r2+d=7.64+0.60=8.24m拱轴线半径'1r=r1+0.5d=5.14+0.30=5.44m'2r=r2+0.5d=7.64+0.30=7.94m拱轴线各段圆弧中心角1=900隧道工程课程设计62=1502·半拱线长度S及分段轴长△S分段轴线长度S1=01180π'1r=541.844.514.31809000m022180Sπ'2r=078.294.714.31801500m半拱轴线长度为S=S1+S2=8.541+2.078=10.619将半拱轴线等分为8段，每段轴线长为△S=327.18619.108S3·各分块接缝（截面）中心几何要素（1）与竖直轴夹角i0'111180rS=00976.1318044.5327.10000'112952.2718044.5327.1976.13180rS000156000145000134000123856.83976.13880.69880.69976.13904.55904.55976.13928.41928.41976.13952.27m751.0541.8327.17SS7S110000'2117419.9518094.7751.090180Sr000'22576.918094.7327.1180rS000278995.104576.9419.95另一方面，0002181051590角度闭合差0（注：因墙底水平，计算衬砌内力时用0890）隧道工程课程设计7（2）接缝中心点坐标计算090cos)44.594.7(cos)(a01'1'21rrma5.22marxmarxmrxmrxmrxmrxmrxmrxmraH1696.55.2995.104sin94.7sin4045.55.2419.95sin94.7sin4088.5823.85sin44.5sin108.5880.69sin44.5sin505.4904.55sin44.5sin635.3928.41sin44.5sin550.2952.27sin44.5sin314.1976.13sin44.5sin44.5028'28027'2706'2605'1504'1403'1302'120111111mrHymrHymrHymrHymrHymrHymrHymry494.7995.104cos94.744.5cos190.6419.95cos94.744.5cos858.4856.83cos44.544.5cos569.3880.69cos44.544.5cos390.2904.55cos44.544.5cos393.1928.41cos44.544.5cos635.0952.27cos44.544.5cos161.0)976.13cos1(44.5)cos1(08'21807'21706'11605'11504'11403'11302'1120111隧道工程课程设计8图3-1衬砌结构计算示意图表3-1单位位移计算表注：1.I—截面惯性矩，123bdI,b取单位长度。2.不考虑轴力影响。隧道工程课程设计9第四节计算位移1·单位位移用辛普生发近似计算，按计算列表进行。单位位移的计算见表3-167S0h111105192.25500106.2327.11EMIESdSIh670212112106793.7579.1482106.2327.1IyEsdSIEMMhSh672S02222108379.3934926.7716106.2327.1IyESdSIEMhh计算精度校核66221211107159.570108379.3936793.7525192.252）（672SS107160.570076.11182106.2327.1)1(SIyEh闭合差02.载位移—主动荷载在基本结构中引起的位移（1）每一楔块上的作用力竖向力iiqbQ式中：ib—衬砌外缘相邻截面之间的水平投影长度，由图2-3量得。)(74.527368.50,3172.0,6364.0,9178.0,1449.1,3042.1,3863.17654321校核mBmbbmbmbmbmbmbmbi水平压力iiehE式中：hi—衬砌外缘相邻两截面之间的竖直投影长度，由图3-1量得。)(8971.78969.73789.1.1,3925.1,3601.1,2432.10527.1,7999.0,4997.0,1699.087654321校核mHmhmhmhmhhmhmhmhmhi自重力hiVSd