隧道原呢理课程设计

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1、兰州交通大学课程设计目录一 基本资料2二 曲线隧道净加宽值22.1加宽原因22.2加宽值的计算3三 双线曲墙式衬砌的内轮廓线4四. 衬砌结构的设计及检算44.1 衬砌结构的设计44.1.1 一般规定54.1.2 衬砌设计54.2 衬砌结构的检算54.2.1 衬砌结构的设计54.2.2 结构的理想化74.2.3 衬砌内力的计算94.2.4 衬砌截面的强度检算12一 基本资料计算以下条件的曲线隧道净空加宽值，并画出双线曲墙式衬砌的内轮廓线，标注详细尺寸。设计该隧道的初期支护及二次衬砌的支护参数，并采用弹性链杆法检算支护强度是否满足隧道设计规范的要求。双线隧道；电力牵引；行车速度V=150km/h；

2、曲线半径为学号最后三位数的100倍，即R=2400m。围岩级别为级二 曲线隧道净加宽值2.1加宽原因 车辆通过曲线时，转向架中心点沿线路运行，而车辆本身却不能随线路弯曲仍保持其矩形形状。故其两端向曲线外侧偏移（d外），中间向曲线内侧偏移（d内1）。由于曲线外轨超高，车辆向曲线内侧倾斜，使车辆限界上的控制点在水平方向上向内移动了一个距离（d内2）。 2.2加宽值的计算 （1）双线曲线隧道加宽值的计算 车辆中间部分向曲线内侧的偏移 d内1= l2/8R 车辆两端向曲线外侧的偏移 d外=(L2- l2) /8R 外轨超高使车体向曲线内侧倾移 d内2= HE/150=2.7E =0.76*150*15

3、0/2400=7.125 式中 l车辆转向架中心距，可取18m； L标准车辆长度，我国为26m； R曲线半径（m）； H隧道限界控制点自轨面起的高度； E曲线外轨超高值，其最大值不超过15。（2）双线曲线隧道加宽值的计算 双线曲线隧道的内侧加宽值W1及外侧加宽值W2与单线曲线隧道加宽值的计算相同。即 内侧加宽 W1= d内1+ d内2= 4050/R+2.7E=4050/240+2.7*7.125=20.93（） 外侧加宽 W2= d外= 4400/ R=4400/2400=1.83（） 内外侧线路中线间的加宽值W3按以下两种情况计算： 当外侧线路的外轨超高大于内侧线路的外轨超W3=8450/

4、 R+ 1.2E=8450/2400+1.2*7.125=12.07（） 总加宽 W= W1+ W2+ W3 =20.93+1.83+12.07=34.83（）（3）曲线隧道中线与线路中线偏移距离 曲线隧道内外侧加宽值不同（内侧加宽大于外侧加宽），断面加宽后，双线曲线隧道内侧线路中线至隧道中线的距离d1=200（W1W2W3）/2=200-(20.93-1.83-12.07)/2=196.485（），双线曲线隧道外侧线路中线至隧道中线的距离d2=200+（W1W2+ W3）/2=200+(20.93-1.83+12.07)/2=215.585（） 三 双线曲墙式衬砌的内轮廓线见附录T-1四.

5、衬砌结构的设计及检算4.1 衬砌结构的设计隧道在一般情况下应做衬砌，其结构的型式及尺寸，可根据围岩级别、水文地质条件、埋置深度、结构工作特点，结合施工条件等，通过工程类比和结构计算确定，必要时，还应经过试验论证。隧道衬砌类型主要有以下几种：整体式模筑混凝土衬砌、装配式衬砌、喷锚支护及复合式衬砌。4.1.1 一般规定(1)隧道一般可采用整体式衬砌或复合式衬砌；在III级围岩短隧道中，可采用喷锚衬砌。(2)不设仰拱的隧道应做底板，单线隧道其厚度不应小于20cm。1(3)位于曲线地段的隧道其断面要加宽。(4)衬砌拱圈可设计为等截面或边截面形式；IVVI级围岩地段，应采用曲墙有仰拱衬砌。(5)最冷月平

6、均气温低于-15的地区，应根据情况设置变缝。4.1.2 衬砌设计由于隧道围岩级别为V级，根据铁路工程设计技术手册隧道的相关规定，拟采用喷锚支护，复合式衬砌。初期支护时，对于V级围岩打入3.0m长的锚杆，在围岩破碎段铺设钢筋网，然后喷混凝土；二次衬砌采用全液压衬砌台车浇筑而成，厚度40cm。详细衬砌支护参数如表4.1所示。V级围岩隧道衬砌结构横断面细部尺寸参照复合式衬砌断面标准图来拟定，衬砌结构横断面图分别见附录一。4.2 衬砌结构的检算4.2.1 衬砌结构的设计隧道衬砌结构根据结构力学方法(荷载-结构模型)，假设衬砌结构与围岩全面、紧密地接触，采用主动荷载加被动荷载(弹性抗力)模式，按照弹性链

7、杆法原理来计算衬砌结构的内力。表4.1 双线隧道复合式衬砌支护参数1围岩级别预留变形量(cm)初期支护二次衬砌厚度(cm)喷混凝土锚杆位置厚度(cm)位置长度(m)间距(m)拱墙仰拱V7拱、墙、仰拱16拱、墙3.01.035404.2.2 围岩压力的确定(1)围岩压力确定公式采用容许应力法，计算单线深埋隧道衬砌时，围岩压力按松散压力考虑，其水平均布压力的作用标准值可按垂直均布压力公式及表4.2确定。1)垂直匀布压力 式(4.1) 式(4.2)式中 围岩垂直均布压力()； 围岩重度()； 围岩压力计算高度()； 围岩级别； 宽度影响系数，； 坑道宽度。2)水平匀布压力表4.2 围岩水平匀布压力8

8、围岩级别IIIIIIIVVVI水平匀布压力05m,取i0.1， 水平均布围岩压力：故可作出V级围岩衬砌断面受力图如4.1所示。图4.1 V级围岩衬砌受力图4.2.2 结构的理想化(1)衬砌结构的理想化隧道衬砌是实体拱式结构，轴力和弯矩是主要内力，可将其离散化为一些同时承受弯矩、剪力和轴力的偏心受压等直杆单元所组成的折线形组合体。由铁路隧道设计规范可知，双线电气化铁路在进行节点化分时，要不少于16个单元，在本设计中，把衬砌划分为28个单元，节点数为29，隧道衬砌单元划分如图4.2所示。图4.2 隧道衬砌单元划分示意图(2)围岩的理想化将弹性抗力作用范围内的连续围岩，离散为若干条彼此互不相关的矩形

9、岩柱，岩柱具有弹性地基的性质，采用局部变形理论的温克尔假定，把每个岩柱理想化为一个刚性支座上的弹性链杆支承于衬砌单元的节点上，它可以轴力的方式把岩柱的作用体现出来。弹性支承的设置方向应按照衬砌与围岩的接触状态来确定，本文为了简化计算，将弹性支承水平设置。围岩的理想化如图4.3所示。图4.3 围岩的理想化4.2.3 衬砌内力的计算按照弹性链杆法的基本原理进行衬砌结构的内力计算。本文利用给定的杆系有限元分析程序计算衬砌结构的内力。对V级围岩衬砌进行内力检算，在检算中，将初衬和二衬合并考虑，共同承受荷载的100%。 V级围岩数据输入：29,23,2.5e7,58.97,147.42,1.5e5,1.

10、5e5,1.042.5563,8.4778,1,0,1,1,1.042.6364,7.7654,1,1,1,1,0.932.7165,7.0531,1,1,1,1,0.792.7965,6.3407,1,1,1,1,0.632.8766,5.6284,1,1,1,1,0.592.9380,4.9143,1,1,1,1,0.592.9471,4.1977,1,1,1,1,0.592.9031,3.4824,1,1,1,1,0.592.8062,2.7723,1,1,1,1,0.592.6354,2.0771,1,1,1,1,0.592.3320,1.4290,0,1,1,1,0.591.9042

11、,0.8553,0,1,1,1,0.591.3589,0.3935,0,1,1,1,0.590.7074,0.1003,0,1,1,1,0.59-0.0000,0.0000,0,1,1,1,0.59-0.7074,0.1003,0,1,1,1,0.59-1.3589,0.3935,0,1,1,1,0.59-1.9042,0.8553,0,1,1,1,0.59-2.3320,1.4290,0,1,1,1,0.59-2.6354,2.0771,1,1,1,1,0.59-2.8062,2.7723,1,1,1,1,0.59-2.9031,3.4824,1,1,1,1,0.59-2.9471,4.19

12、77,1,1,1,1,0.59-2.9380,4.9143,1,1,1,1,0.59-2.8766,5.6284,1,1,1,1,0.59-2.7965,6.3407,1,1,1,1,0.63-2.7165,7.0531,1,1,1,1,0.79-2.6364,7.7654,1,1,1,1,0.93-2.5563,8.4778,1,0,1,1,1.04部分程序运行结果(轴力、剪力和弯矩)NO. N(kN) Q(kN) M(kNm) 1 591.231 21662.886 6.679 2 581.327 6480.898 -69.547 3 562.644 2585.680 -117.052 4

13、 546.112 524.128 -135.735 5 531.730 -483.398 -125.305 6 520.783 -1163.559 -95.566 7 512.252 -1548.159 -63.243 8 502.057 -1616.407 -27.652 9 488.300 -1361.467 12.648 10 469.044 -894.738 49.194 11 439.238 -428.198 56.963 12 399.176 -116.819 46.467 13 356.393 36.734 26.957 14 322.291 22.882 4.059 15 30

14、9.238 -20.771 -5.740 16 322.291 114.015 4.059 17 356.393 433.768 26.957 18 399.176 870.002 46.467 19 439.238 1321.585 56.963 20 469.044 1597.940 49.194 21 488.300 1554.296 12.648 22 502.057 1173.227 -27.652 23 512.252 502.857 -63.243 24 520.783 -470.915 -95.566 25 531.730 -1624.382 -125.305 26 546.1

15、12 -3617.684 -135.735 27 562.644 -7221.740 -117.052 28 581.327 -9433.560 -69.54729 -591.231 106.328 -6.679根据程序运行结果，作出隧道V级围岩初衬结构内力图如图4.4所示。图4.4 V级围岩衬砌结构内力图4.2.4 衬砌截面的强度检算(1)强度检算方法衬砌结构内力算出后，需进行隧道衬砌截面强度检算，其强度检算按破损阶段法或容许应力法进行。隧道和明洞衬砌按破损阶段检算构件截面强度时，根据结构所受的不同荷载组合，在计算中应分别选用不同的安全系数，并不应小于表4.3所列数值。表4.3 钢筋混凝土结

16、构的强度安全系数13荷载组合主要荷载主要荷载+附加荷载破坏原因钢筋达到计算强度混凝土达到抗压或抗剪极限强度2.01.7混凝土达到抗拉极限强度2.42.0 拱形隧道衬砌属偏心受压构件，其截面强度检算根据轴力偏心距的大小可分为两种情况：1)抗压强度控制()混凝土和砌体结构的抗压强度应按下式计算： 式(4.3)式中 铁路隧道设计规范所规定的强度安全系数；截面的实际轴力；构件纵向弯曲系数，对于隧道衬砌，可取1；混凝土或砌体结构的极限抗压强度，对于混凝土，取19.0；截面宽度(计算长度)，取1m；截面厚度(衬砌厚度)；轴力偏心影响系数，可按下式计算：截面轴力偏心距。2)抗拉强度控制()混凝土构件的抗拉强

17、度应按下式计算： 式（(4.4) 或 式(4.5)式中 铁路隧道设计规范所规定的强度安全系数；混凝土的极限抗拉强度，对于混凝土，取2.0 。(2)强度检算按照上述衬砌截面强度检算方法，利用Excel软件进行检算，衬砌强度安全系数按照铁路隧道设计规范取K2.4。作出隧道V级围岩衬砌的截面强度检算结果如表4.4所示。表4.4 V级围岩衬砌截面强度检算表节点轴力（kN）弯矩 （kNm）偏心距（m）截面厚度（m）偏心影响 系数e0/ 0.2d大小偏心安全系数K检算 结果1591.2316.6790.011297 1.041.005576 0.1 小偏心33.6 安全2581.327-69.5470.1

18、19635 0.930.908241 0.6 小偏心27.6 安全3562.644-117.0520.208039 0.790.581048 1.3 大偏心8.5 安全4546.112-135.7350.248548 0.630.247679 2.0 大偏心3.0 安全5531.73-125.3050.235655 0.590.237743 2.0 大偏心2.8 安全6520.783-95.5660.183504 0.590.450335 1.6 大偏心4.6 安全7512.252-63.2430.123461 0.590.726739 1.0 大偏心15.8 安全8502.057-27.65

19、20.055077 0.590.963523 0.5 小偏心21.5 安全9488.312.6480.025902 0.591.005530 0.2 小偏心23.1 安全10469.04449.1940.104881 0.590.804762 0.9 小偏心19.2 安全11439.23856.9630.129686 0.590.699178 1.1 大偏心14.7 安全12399.17646.4670.116407 0.590.757187 1.0 小偏心21.3 安全13356.39326.9570.075638 0.590.909038 0.6 小偏心28.6 安全14322.2914.

20、0590.012594 0.591.008255 0.1 小偏心35.1 安全15309.238-5.740.018562 0.591.008427 0.2 小偏心36.6 安全16322.2914.0590.012594 0.591.008255 0.1 小偏心35.1 安全17356.39326.9570.075638 0.590.909038 0.6 小偏心28.6 安全18399.17646.4670.116407 0.590.757187 1.0 小偏心21.3 安全19439.23856.9630.129686 0.590.699178 1.1 大偏心14.7 安全20469.04

21、449.1940.104881 0.590.804762 0.9 小偏心19.2 安全21488.312.6480.025902 0.591.005530 0.2 小偏心23.1 安全22502.057-27.6520.055077 0.590.963523 0.5 小偏心21.5 安全23512.252-63.2430.123461 0.590.726739 1.0 大偏心15.8 安全24520.783-95.5660.183504 0.590.450335 1.6 大偏心4.6 安全25531.73-125.3050.235655 0.590.237743 2.0 大偏心2.8 安全26546.112-135.7350.248548 0.630.247679 2.0 大偏心3.0 安全27562.644-117.0520.208039 0.790.581048 1.3 大偏心8.5 安全28581.327-69.5470.119635 0.930.908241 0.6 小偏心27.6 安全29591.231-6.6790.011297 1.041.005576 0.1 小偏心33.6 安全15