隧道工程课程设计

隧道工程课程设计说明书

The structural design of the Tunnel

作 者 姓 名： 专业、班级 ： 道桥 班 学 号 ： 指 导 教 师： 设 计 时 间：

土木工程学院2011级道桥系隧道工程课程设计

目录

一．课程设计题目 .............................................................. 1 二．隧道的建筑限界 ............................................................ 1 三．隧道的衬砌断面 ............................................................ 2 四．荷载确定 .................................................................. 2 4.1围岩压力计算 ........................................................... 2

4.2围岩水平压力 ........................................................... 3 4.3深埋隧道荷载计算 ....................................................... 3 五．结构设计计算 .............................................................. 5

5.1计算基本假定 ........................................................... 5 5.2内力计算结果 ........................................................... 5 5.3 V级围岩配筋计算 ....................................................... 7 5.4偏心受压对称配筋 ....................................................... 8 5.5受弯构件配筋 ........................................................... 9 5.6箍筋配筋计算 ........................................................... 9 5.7强度验算 ............................................................... 9 5.8最小配筋率验算： ...................................................... 11 六．辅助施工措施设计 ......................................................... 11

6.1双侧壁导坑施工方法 .................................................... 11 6.2开挖方法 .............................................................. 11 6.3施工工序 .............................................................. 12

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隧道工程课程设计

一．课程设计题目

某高速铁路隧道V级围岩段衬砌结构设计(设计时速350Km/h,隧道埋深127m，单洞双线)

二．隧道的建筑限界

2.1 隧道的建筑限界

根据《铁路隧道设计规范》TB10003-2005有关条文规定，隧道的建筑限界高度H取6.55m，行车道宽度取4.252m，如图所示

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三．隧道的衬砌断面

拟定隧道的衬砌，衬砌材料为C25混凝土，弹性模量Ec=2.95×107kPa，重度γh=23kN/m3，衬砌厚度取50cm，如图所示。

四．荷载确定

4.1围岩压力计算

s1q0.452 计算围岩竖向均布压力：

式中：s——围岩类别，此处s=5；

——围岩容重，此处=22KN/m3；

——跨度影响系数

1i(B5)

毛洞跨度B8.5mB=8.5m

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B5m,i0.1，此处1i(B5)10.1(8.55)1.35

所以有：h0.45241.359.72m 因是松软围岩，故Hp2.5h24.3m127m 所以此隧道为深埋隧道。

s1q0.452围岩竖向均布压力=0.45×25-1×22×1.35=213.84KN 4.2围岩水平压力

围岩水平均布压力：e0.30~0.50q(64.15~106.92)KN/m

取其平均值 eq85.54KN/m 4.3深埋隧道荷载计算

(1)作用在支护结构上的垂直压力

由于

hqHHp，为便于计算，假定岩土体中形成的破裂面是一条与水平成角的斜直线，

如图所示。EFGH岩土体下沉，带动两侧三棱体（图中FDB和ECA）下沉，整个岩土体ABDC下沉时，又要受到未扰动岩土体的阻力；斜直线AC或BD是假定的破裂面，分析时考虑内聚力c，并采用了计算摩擦角的阻力。

c；另一滑面FH或EG则并非破裂面，因此，滑面阻力要小于破裂面

040该滑面的摩擦系数为36.5度。查询铁路隧道设计相关规范，取计算摩擦角c。

深埋隧道荷载计算简图

如上图所示，隧道上覆岩体EFGH的重力为W，两侧三棱岩体FDB或ECA的重力为

'W1，未

扰动岩体整个滑动土体的阻力为F，当EFHG下沉，两侧受到阻力T或T，作用于HG面上的垂直压力总值

Q浅为：

Q浅W2TW2Tsin'2

(2-4)

其中，三棱体自重为：

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12htan

W1h (2-5)

式中：h为坑道底部到地面的距离(m)；

为破裂面与水平的交角(°)。

由图据正弦定理可得

Tsin()sin[90()]W1

(2-6)

由于GC、HD与EG、EF相比往往较小，而且衬砌与岩土体之间的摩擦角也不同，当中间土块下滑时，由FH及EG面传递，考虑压力稍大些对设计的结构也偏于安全，因此，摩阻力不计隧道部分而只计洞顶部分，在计算中用H代替h，有：

tantanc(tanc1)tanctanctan2 (2-7)

tantanctan[1tan(tanctan)tanctan]0.397 (2-8)

q浅Q浅BtH(1HBttan) 218.80KN/m2(2-9)

埋深为127m时，土压力值为1384.3KN/m2。 式中： ——侧压力系数；

Bt——坑道宽度（m）；

——围岩的计算摩擦角（°）；

——作用在支护结构上的均布荷载（kN/m2）。

cq浅(2)作用在支护结构两侧的水平侧压力 e0.25h0.25229.7253.46KN

Ⅴ级围岩荷载分布如下图所示。

作用在支护结构上的均布荷载

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五．结构设计计算

5.1计算基本假定

因隧道是一个狭长的建筑物，纵向很长，横向相对尺寸较小。隧道计算取每延米作为计算模型，此类问题可以看作平面应变问题来近似处理。考虑围岩与结构的共同作用，采用荷载结构模型。隧道计算采用荷载结构模式按有限杆单元，采用MIDAS/GTS进行计算分析。

基本假定：

假定所有衬砌均为小变形弹性梁，把衬砌为离散足够多个等厚度梁单元。

用布置于各节点上的弹簧单元来模拟围岩与初期支护、衬砌的相互约束；假定弹簧不承受拉力，即不计围岩与衬砌间的粘结力；弹簧受压时的反力即为围岩对衬砌的弹性抗力。

假定初期支护与主体结构之间只传递径向压力。

考虑到在非均匀分布的径向荷载作用下，衬砌结构一部分将发生向着围岩方向的变形，而地层具有一定的刚度，会对衬砌结构产生被动的弹性抗力，设计计算时采用弹性地基梁单元模拟。 5.2内力计算结果

计算荷载基本组合：结构自重＋围岩压力，为了计算保证计算的可靠性，采用MIDAS/GTS进行计算。Midas/GTS计算结果如下：

MIDAS/GTS计算弯矩图

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MIDAS/GTS计算轴力图

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MIDAS计算内力表5.1

名称 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 轴力（KN） -2340.162 -2340.263 -1624.809 -1580.398 -1437.516 -1434.129 -2331.265 -2337.056 -2339.056 -2334.536 剪力(KN) 4.683 -2.779 -186.971 -185.861 -10.739 99.214 -23.050 8.644 9.460 -14.017 弯矩(KN*m) 51.981 51.981 -34.412 33.339 293.843 293.843 67.731 61.477 55.582 66.954 由内力图可知，结构所受弯矩为293.843KN•m，对应轴力为-1437.516KN。 5.3 V级围岩配筋计算

整个断面存在正负相反方向的弯矩，又弯矩较大，按偏心受压对称配筋和受弯构件配筋分别进行计算。

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5.4偏心受压对称配筋

根据Midas计算结果进行结构配筋计算，取弯矩293.843KN•m，对应轴力-1437.516KN为最不利截面控制内力。衬砌混凝土采用C25，钢筋采用HRB335，由混凝土和钢筋等级查表知系数11.0，0.8，界限受压区高度b0.55。按双面对称配筋进行计算。

fc10N/mm2,ft1.13N/mm2,fy335MPa 有效高度：h050050450mm 偏心距：e0附加偏心距：

M293.843*1000204.4mm N1437.516ea20mm

初始偏心距：eie0ea224.4mm 修正系数：10.5fcA0.510100010.51.7391.0，取11.0。 N1437.516l02.015， 所以取21.0 h偏心距增大系数：

1l0100011+11=1.0057 12ei224.450014001400h450h0122ei1.0057224.4225.6790.3h0135mm，所以可先按大偏心受压情况计

算。

heeias225.67925050425.679mm

2xN1437.516143.7mm 1fcb1101x143.70.319b0.55，故假定按照大偏心受压是正确的。 h0450xNe1fcbxh02钢筋截面面积:AsAs550.35mm2 fyh0as最小配筋截面面积：

Asminminbh00.0021000450900mm28

，故按最小配筋率配筋，

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选取320的Ⅱ级钢筋，实际配筋面积为5.5受弯构件配筋

计算配筋过程

As实际942mm2。

M293.843106as0.145221fcbh01.0101000450

112as0.1570.55，满足要求

s1-0.51-0.50.157=0.9215 故：

293.843106As2115.25mm2

fysh03350.9215450M选用622的Ⅱ级钢筋，实际配筋面积为5.6箍筋配筋计算

0.07Rabh04.2112，因此只需按照构造配箍，选用12@200（纵方

QmaxAs实2281mm2。

对于箍筋，Qmax186.971KN,向）和10@250（横断面）。

5.7强度验算

为了保证衬砌结构强度的安全性，需要在算出结构内力之后进行强度验算。目前我国国内公路隧道设计规范规定，隧道衬砌和明洞按破坏阶段验算构件截面强度。即根据混凝土和石砌材料的极限强度，计算出偏心受压构件的极限承载力，与构件实际内力相比较，计算出截面的抗压（或抗拉）强度安全系数K。检查是否满足规范所要求的数值，即：

K

式中：

NjxNKgf

Njx——截面的极限承载能力；

N ——截面的实际内力（轴向力）；

Kgf——规范所规定的强度安全系数。

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当eMN0.2h时，由抗压强度控制，

NjxRabh

当eMN0.2h时，截面由抗拉强度控制，即：

Njx

1.75Rlbh6e1h

其中：——构件纵向系数，隧道衬砌取1；

Ra——混凝土极限抗压强度；

Rl——混凝土极限抗拉强度；

——轴力的偏心影响系数，按以下经验公式确定：

11.5eh

b——截面宽度，取1m； h——截面厚度；

钢筋混凝土结构的强度安全系数在计算永久荷载加基本可变荷载时取2.0（受压）或2.4（受拉）。

在计算安全系数时，弯矩和轴力只取大小，即全是正值。

表5.2 V级围岩大变形地段安全系数计算表

名称 1 2 3 4 5 6 弯矩 (KN·m) 轴力 (N) 偏心距 （m） 0.0587 0.478 0.013 0.2755 0.145 0.0333 极限承载力 (N) 5356363 246446 85367433.4 2743531 6745322.6 3032654 安全系数 9.58702 3.21670 17.7442 3.02662 7.15745 6.32212 是否安全 是 是 是 是 是 是 51.981 51.981 -34.412 33.339 293.843 293.843 -2340.162 -2340.263 -1624.809 -1580.398 -1437.516 -1434.129 10

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5.8最小配筋率验算： 取

as50mm，有As9420.02092%满足规范要求.

bhas100050050六．辅助施工措施设计

双侧壁导坑法

采用双侧壁导坑法进行开挖，双侧壁导坑法是将隧道断面分成左右两个侧壁导坑和上下台阶四大部分开挖。

6.1双侧壁导坑施工方法

双侧壁导坑法又称眼睛工法，在软弱围岩中，当隧道跨度更大或因环境要求，对地表沉陷需严格控制时，可考虑采用双侧壁导坑法。现场实测表明，双侧壁导坑法所引起的地表沉陷仅为断台阶法的1|2。导坑尺寸拟定的原则同前，但原则不宜超过断面最大宽度的三分之一。左右侧壁导坑应错开开挖，以避免在同一断面上同时开挖而不利于围岩稳定，错开的距离根据后行导坑引起的围岩应力重分布不影响已成导坑的原则确定，亦可工程类比之，一般去7-10m。

6.2开挖方法

双侧壁导坑法虽然开挖断面分块多一点，对围岩的扰动次数增加，且初期支护全断面闭合的时间延长，但每个分块都是在开挖之后立即闭合对的，所以在施工期间变形几乎不发展。该施工方法安全，但进度慢，成本高。

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双侧壁导坑预留核心土法施工工序图

6.3施工工序

①开挖一侧导坑，及时将初期围护闭合。

②相隔一段距离后开挖另一侧导坑，将初期围护闭合。

③开挖上部核心土，施做拱部初期支护，拱脚支承在两侧壁导坑的初期支护上。 ④开挖下台阶，施做底部的初期支护，是初期支护全断面闭合。 ⑤拆除导坑临空部分的初期支护。

⑥待隧道周边变形基本稳定后，施做二次模注混凝土衬砌。

6.4裂缝宽度验算

经验算所有的裂缝宽度均满足《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）要求。

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主要参考文献：

[1] JTG D70-2004. 公路隧道设计规范.北京: 人民交通出版社, 2004 [2] 钱东升.公路隧道施工技术. 北京：人民交通出版社，2003 [3] 黄成光.公路隧道施工. 北京：人民交通出版社，2001

[4] 朱汉华，尚岳全.公路隧道设计与施工新法. 北京：人民交通出版社，2002 [5] 朱永权，宋玉香.隧道工程.北京：中国铁道出版社，2007 [6] 黄成光.隧道工程.北京：人民交通出版社，2008

[7] 章元爱.TBM隧道围岩稳定和支护结构受力特性研究.北京:铁道科学研究院，2006 [8] 戴旭光.新奥法在软弱围岩隧道施工中的应用. 浙江水利科技，2008 [9] 朱汉华 ，杨建辉 ，尚岳全.隧道新奥法原理与发展.隧道建设，2008 [10]

张洋.隧道工程软弱围岩大变形控制体系研究.成都：西南交通大学，2006

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