隧道工程课程设计

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1、1初始条件某一级公路隧道通过IV类围岩（即III级围岩），埋深H=20m,隧道围岩天然容重丫=25KN/m3,计算摩擦角巾=50o,变形模量E=10GPa采用矿山法施工。；衬砌材料采用C25喷射混凝土，材料容重h22KN/m3,变形模量Eh25GPa。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一级公路III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一行车道宽度；取3.75X2mC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1.0X2mH一建筑限界高度；取为5.0mLl一左侧向宽度；取为1.0mLr一右侧向宽度；取为1.0mEl

2、一建筑限界左顶角宽度；取1.0mEr一建筑限界右顶角宽度；取1.0mh一检修道高度；取为025m隧道净宽为1.0+1.0+7.50+1.0+1.0=11.5m设计行车速度为80km/h,建筑限界左右顶角高度均取1m;隧道轮廓线如下图：750图1隧道内轮廓限界图（单位cm）根据规范要求，隧道衬砌结构厚度为45cm（一次衬砌为10cm和二次衬砌35cm）通过作图得到隧道的尺寸如下：图2隧道内轮廓图得到如下尺寸：Ri7.00m,R25.98m,R310.6m3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,本设计为一级公路，采用复合式衬砌，复合式衬砌是由初期支护和二

3、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8421,对于两车道川级围岩：初期支护：拱部边墙的喷射混凝土厚度为8-12cm,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HRB20X2.5m

4、,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9.8cm。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9.8+0.2+35=45cm。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=12.10m,H=10.50m因为IV级围岩需要预留变形量，查公路隧道设计规范留841知川级围岩需预变形量为20-50mm,衬砌厚度为45cm,又每侧超挖量为开10cm,故隧道的近似挖尺寸

5、为：Bt12.1020.4520.10.0513.25mHt10.5020.4520.10.0511.65m由于是川级围岩HP2hqHp深浅埋隧道的分界深度hq0.452s-1hq一等效荷载高度一跨度影响系数；1i(Bt5)i一围岩压力增减率，当Bt5-15m取i=0.1S131hq0.452-0.452-10.1(13.255)3.285mHP2hq2.53.2858.213m埋深H30HP8.213m故为深埋隧道。又鱼空。881.7Bt13.25可用公式qhq计算均布垂直压力：2qhq253.28582.125kN/m因为该隧道围岩级别为川围岩水平均布压力为：e0.15q=0.1582.1

6、25=12.324衬砌结构内力计算4.1 基本资料公里等级围一级公路岩级别围岩川级容重弹性抗r=25KN/m3力日数变形K=0.18X106KN/m模量E=10GPa3材料容重h22KN/m材料变形模量Eh25Qpa衬砌厚度d=0.45m图3衬砌结构断面图4.2 荷载的确定4.2.1 围岩压力的确定经前面计算可得，可用公式qhq计算均布垂直压力:qhq253.28582.125kN/m24.2.2衬砌自重1g - (do dn)2川级围岩不考虑一衬后的围岩释放变形折减系数1h(0.450.45)229.9KN/m22全部垂直荷载q=82.125+9.9=92.025KN/m(2)围岩水平均布压

7、力e0.15X92.025=13.80KN/m24.3 衬砌几何要素4.3.1 衬砌的几何尺寸内轮廓线半径：r7.00m,R25.98m内径A,&所画圆曲线端点截面与竖直轴线的夹角：143.073268.410拱顶截面厚度de0.45m,拱底截面厚度dn0.45m4.3.2 半拱轴线长度S及分段轴长(7.00180将半拱轴长度等分为C43 3.14S (7.002 180 28段，则0.45 68 3.14 0.45s)(5.98) 12.78m4.4计算位移S1.598m8单6.39io-8B25104.4.1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

8、位位移计算表截面asinaCOSaXyd1/1y/iyVI(i+y)2/i积分系数1/300.0000.0001.0000.0000.0000.450131.6870.0000.000131.6871114.7600.2550.9671.5840.1990.450131.68726.2065.215189.3144229.5200.4930.8703.0560.8060.450131.687106.14085.549429.5162344.2800.6980.7164.3311.7560.450131.687231.243406.0621000.2354459.0400.8580.5145.3

9、203.0120.450131.687396.6421194.6862119.6572573.5720.9590.2835.9824.5310.450131.687596.6752703.5344028.5714686.2090.9980.0666.2636.1070.450131.687804.2144911.3356651.4502798.8460.988-0.1546.1947.7000.450131.6871013.9927807.7379967.40748111.4830.931-0.3665.7739.2320.450131.6871215.73711223.68113786.84

10、11刀1053.4983767.39622432.33731020.628注：1一截面的惯性矩，匚bcP/12,b取单位长度2不考虑轴力影响单位位移值计算如下：S1-8-511 639101053498873210EhIOw-8-512 y6.391083767.39624.074105EhI222Sy6.3910-822432.337143.343105EhI计算精度校核：1121222(6.73224.0742143.343)105198.22310Eh(1 y)2-8-56.39 108 31020.628 198.22 105闭合差0.003 10 504.4.2载位移主动荷载在基本结

11、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,Q =q x bi E =e x hiG =（ d i-i +d）/2 xASx r h其中：bi衬砌外缘相邻两截面间的水平投影长度hi 一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Q6Q5Q403Q2Q1表4-2载位移Mp计算表截面投影长度集中力S-Qaq-Gag-GagbhQGEaq%ae00.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.00011.5800.200145.

12、40015.8202.7610.7900.7900.100-114.866-12.498-0.27621.4760.600135.82915.8208.2820.7380.7380.300-100.242-11.675-2.48531.2740.957117.24015.82013.2100.6370.6370.479-74.682-10.077-6.32140.9891.25091.01315.82017.2550.4950.4950.625-45.006-7.823-10.78450.6601.52360.73715.82021.0230.3300.3300.762-20.043-5.22

13、1-16.00960.2801.57025.76715.82021.6720.1400.1400.785-3.607-2.215-17.01370.0701.5936.44215.82021.990-0.035-0.0350.7970.2250.554-17.51580.4171.53938.37415.82021.244-0.209-0.2090.7708.0013.299-16.348续表4-2刀i-1(Q+G)EmEXyXy-送M(Q+G)-匹i-1EMip0.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0001.5840.1991

14、.5840.1990.0000.000-127.640161.2202.7613.0560.8061.4720.607-237.315-1.676-481.033312.86911.0434.3311.7561.2750.950-398.908-10.491-981.512445.92924.2545.3203.0120.9891.256-441.024-30.463-1516.611552.76241.5095.9824.5310.6621.519-365.928-63.052-1986.864629.31862.5326.2636.1070.2811.576-176.838-98.551-

15、2285.088670.90684.2046.1947.700-0.0691.59346.292-134.138-2389.669693.168106.1945.7739.232-0.4211.532291.824-162.689-2265.5832)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由图直接量得，分别记以aq、输、ag内力按下式计算之：弯矩：MipMi,pXi(QG)yiEQ?3qG3gEa。i1i1轴力：Nsini(QG)cosiEII式中X、y.相邻两接缝中心点的坐标增值。Xi=Xi-Xi-iyi=yi-y3Mip和NM的计算见表4-3及表4-4o表4-3载位移Ni

16、p计算表截面asinaCOSa刀i(Q+G)EiEsina*73i(Q+GCOSa*刀iE00.0000.0001.0000.0000.0000.0000.0000.000114.7600.2550.967161.2202.76141.0742.67038.404229.5200.4930.870312.86911.043154.1599.610144.549344.2800.6980.716445.92924.254311.33217.364293.968459.0400.8580.514552.76241.509474.00821.354452.654573.5720.9590.28362

17、9.31862.532603.62717.685585.942686.2090.9980.066670.90684.204669.4385.567663.870798.8460.988-0.154693.168106.194684.923-16.330701.2538111.4830.931-0.366747.362127.439695.440-46.671742.1113）主动荷载位移计算过程见表44表4-4主动荷载位移计算表截面MpO1/1y/i1+yMpO/lyMpO/lMpO(1+y)/l积分系数1/300.000131.6870.0001.0000.0000.0000.00011-1

18、27.640131.68726.2061.199-16808.513-3344.894-20153.40742-481.033131.687106.1401.806-63345.857-51056.761-114402.61823-981.512131.687231.2432.756-129252.583-226967.536-356220.12044-1516.611131.687396.6424.012-199718.354-601551.682-801270.03625-1986.864131.687596.6755.531-261644.675-1185512.023-1447156.

19、69846-2285.088131.687804.2147.107-300916.979-1837699.993-2138616.97227-2389.669131.6871013.9928.700-314688.937-2423104.814-2737793.75148-2265.583131.6871215.73710.232-298348.374-2754352.193-3052700.5681刀-1438629.862-7696895.378-9135525.240lP=AS/EhXnMJL6.39X10-8-1438629.862)=-9192.84X1052P=S/EhXEMy/l

20、=6.39X108X(-7696895.378)=-49183.16X106计算精度校核 Sp=AA1p+AA2p sP=AS/EhXEM1+y)/l因此,SP=6.39X10-8X(-9135525.240)=-58376.006X105653A2P=-(9192.84+49183.16)X10=-58376.000X10闭合差O.OOOo4.4.3 载位移单位弹性抗力及相应的摩擦力引起的位移1）各接缝处的抗力强度按假定拱部弹性抗力的上零点位于与垂直轴接近45。的第3截面，a3=44.28=ab；最大抗力位于第5截面，U5=76.25=ah；拱部各截面抗力强度，按镰刀形分布，最大抗力值以上各

21、截面抗力强度按下式计算:/22#/22Cti=Ah(cost/b-cos6/i)/(gg“bj计算得，(T3=0,(T4=0.5436(Th,(T5=(fhO边墙截面弹性抗力计算公式为：c=Th1-(y/y耐式中y一一所求抗力截面与外轮廓线交点到最大截面抗力截面的垂直距离;力墙底外边缘c到最大抗力截面的垂直距离。(yi和yh在图3中可量得)ye=1.634m;y7=3.198m;y8=4.776m;则有：T6=Th1-(1.634/4.776)2=0.8777thT7=Th1-(3.198/4,776)=0.5516ThT8=0；按比例将所求得的抗力绘在图4o图4结构抗力图2）各楔块上抗力集中

22、力R按下式近似计算：RiiiS外/2式中，S外楔块i外缘长度，由图3量得。尺的方向垂直于衬砌外缘，并通过楔块上抗力图形的形心。3）抗力集中力与摩擦力之合力R按近似计算：Ri12式中n围岩与衬砌间的摩擦系数。取口=0.2,则Ri印彳=1.0198R其作用方向与抗力集中力的夹角为B=arctan1=11.301。由于摩擦阻力的方向与衬砌位移方向相反，其方向朝上。R的作用点即为R与衬砌外缘的交点。将R的方向线延长，使之交于竖直轴。量取夹角书k（自竖直轴反时针方向量度）。将R分解为水平与竖向两个分力：R=Risin书kRv=Rcos叭以上计算例入表45中，并参见图3。表4-5弹性抗力及摩擦力计算表截面

23、b(bh)(bM+b，)/2S外(bJR(bh)书ksin书kCOS书k30.00000.0000.00000.00000.0000.0001.00040.54360.2721.64750.456762.3700.8860.46451.00000.7721.64751.296776.9160.9740.22660.87770.9391.64751.577489.4141.0000.01070.55160.7151.64751.2007103.7990.971-0.23980.00000.2761.64750.4634116.1260.898-0.440续表4-5Rh(ah)R/(ah)VhR(

24、ah)0.0000.0000.0000.4050.2120.2120.4050.4481.2630.2940.5051.6681.2721.5770.0160.5213.2451.5471.166-0.2860.2354.4111.1770.416-0.2040.0314.8270.4544）计算单位抗力图及其相应的摩擦力在基本结构中产生的内力Rr&弯矩NsiniRvcosiRh轴力1式中rKi力R至接缝中心点K的力臂，由图3量得，计算见表4-6和表表4-6M,。计算表截面号R4=0.4567ahR5=1.29674ahRe=1.5774ahR=1.2007ahRs=0.4634ahMa115

25、9112553占gii占4627321i7占4od555712i=AS/EhXEMLd/l=6.39X108X(-4240.312)=-270.960X106=/S/EhXEMy/l=6.39X108X(-31508.650)=-2013.403X106校核为：A“+2产-(270960+2013.403)X106=-2284.363X106S，=S/EhXEx108X(-35748.952)=2284.358X10Mr(1+y)/l=6.39闭合差0。4.4.4 墙底(弹性地基上的刚性梁)位移1)单位弯矩作用下的转角：Bi=1/(KI8)=131.6872/0.18X106=731.596X

26、1062)主动荷载作用下的转角：BP=B11Mp-731.596X(-2265.583)X10-6=-1657491.46X1063)单位抗力及相应摩擦力作用下的转角：B.=B=731.596X106X(-20.124)=-14722.64X1064.5解力法方程衬砌矢高f=y计算力8=9.232m法方程的系数：-6-6an=Sii+B1=(67.32+731.596)x10=798.913X10a2=S12+fB1=(240.74+9.232X731.596)X106=6994.83X106a22=S22+f2B1=(1433.43+9.2322X731.596)X106=63787.228

27、X106aw=AiP+Bp+(B7)xh-6=-(91928.4+1657491.46+270.9607h+14722.647h)X10=-(1749419.86+14993.67h)XW-6320=2p+fBp+(27+fB7)X7h=-(491831.6+9.232X1657491.46+2013.4037h+9.232X14722,647h)=-(15793792.76+137932.827h)X106以上将单位抗力图及相应摩擦力产生的位移乘以7h倍，即被动荷载的载位移求解方程：2Xi=(a12a2o-a22310)/(a11322-312/=(548.873-4.1407h)其中：Xi

28、P=548.873,X”-4.1402X2=(ai23w-a11320)/(a11322-312/=(187.412+2.6167h)其中：X2p=187.412,X27=2.6164.6计算主动荷载和被动荷载(7h=1)分别产生的衬砌内力计算公式为：MPXiPyX2PNPX2PcosNPXiyX2X2cos计算过程列入表4-9和表410中。表4-9主、被动荷载作用下衬砌弯矩计算表面MopXy人p*yMPMb。Xib(bh)Xb*y(bh)Md(bh)00.000548.8730.0000.000548.8730.000-4.1400.000-4.1401-127.640548.8730.19

29、937.295458.5280.000-4.1400.521-3.6202-481.033548.8730.806151.054218.8940.000-4.1402.108-2.0323-981.512548.8731.756329.095-103.5430.000-4.1404.5940.4544-1516.611548.8733.012564.485-403.253-0.411-4.1407.8793.3285-1986.864548.8734.531849.164-588.827-2.450-4.14011.8535.2636-2285.088548.8736.1071144.525-

30、591.690-6.883-4.14015.9764.9537-2389.669548.8737.7001443.072-397.724-13.022-4.14020.1432.9818-2265.583548.8739.2321730.18813.478-20.124-4.14024.151-0.113表4-10主、被动荷载作用下衬砌轴力计算表riN*pcosaXAPcos:WN.(bh)Xcos(bh):NO(bh)00.0001.000187.412187.4120.0002.6162.616138.4040.967181.228219.6320.0002.5302.5302144.54

31、90.870163.083307.6320.0002.2762.2763293.9680.716134.175428.1430.0001.8731.8734452.6540.51496.412549.066-0.0271.3461.3195585.9420.28353.002638.9440.0120.7400.7526663.8700.06612.391676.2610.3030.1730.4767701.253-0.154-28.820672.4330.907-0.4020.5058742.111-0.366-68.635673.4761.792-0.9580.8344.7计算最大抗力值首

32、先求出最大抗力方向内的位移由式：s5y)MPhPEIs(yhy)MEI并考虑接缝5的径向位移与水平方向有定的偏离，因此将其修正如下hp5ps yJMsin计算过程列入表3-11表4-11最大抗力位移修正计算表L面号M/IMl/Iys-yiM/1(Ys-Yi)Ml/I(丫5-丫)积分系数1/3072279.549-545.1980.0004.531327498.634-2470.2934160382.314-476.6440.1994.332261576.184-2064.8212228825.600-267.5360.8063.725107375.359-996.57343-13635.332

33、59.7331.7562.775-37838.045165.75824-53103.299438.2903.0121.519-80663.911665.76245-77541.042693.0504.5310.0000.0000.0001工621438.869-5000.847位移值为：_8-5Shp=6.39X10X621438.869X0.9590=3808.184X10Sh户6.39X10-8x(-5000.847)X0.9590=-30.645X105则可得最大抗力565H=Shp/(1/K-Sh.)=3808.184XW/1/(0.18X10)+30.645X10=122.063.8

34、 计算衬砌总内力按下式进行计算：M=iP+chMoN=Np+ohNo计算过程列入表4-12表4-12衬砌总内力计算表截面号MM.MM/IMy/INPNoNe积分系数1/30548.873-505.34143.5325732.6590.000187.412319.309506.7210.085911458.528-441.79816.7302203.156438.428219.632308.772528.4040.031742218.894-247.978-29.083-3829.874-3086.879307.632277.857585.490-0.049723-103.54355.366-4

35、8.177-6344.348-11140.678428.143228.605656.748-0.073444-403.253406.2482.994394.3181187.686549.066160.998710.0650.004225-588.827642.38353.5567052.62331955.447638.94491.761730.7060.073346-591.690604.55512.8651694.14610346.153676.26158.130734.3910.017527-397.724363.897-33.827-4454.588-34300.335672.43361

36、.583734.016-0.04614813.4776-13.816-0.3389-44.6231-411.961673.476101.820775.296-0.000413881.0635900.60根据拱顶切开点之相对转角和相对水平位移应为零的条件来检查。SMEI式中：=6.39X10-8x3881.06=24.80X105Ba=MBi=-0.3389X731.596X106=-24.794X105闭合差：=(24.80-24.794)/24.80=0.024%mjaOEI式中：俱=6.39X10-8x35900.60=229.405X105EIfBa闭合=9.232X(-24.794)X

37、105=-228.898X105差：(229.405-228.898)/229.405=0.221%3.9 检验截面强度检算几个控制截面：3.9.1截面0e=0.08590.2d=0.2X0.45=0.09m3.9.2N极限Rabd1-1.5edN极限TT截面11-1.5Rabd1T0.08590.450713730.7137191010.45506.72112.04满足N极限1-1.53.9.3N极限NRabdN0.894 19 103 1 0.45528.40414.466满足截面7e=0.004610.2d=0.2X 0.45=0.90mN极限Rabde1-1.5d1-1.50.0461

38、0.450.846N极限VRabdTT0.846319 101 0.45734.0169.86满足e=0.03170.2d=0.2X0.45=0.09mRabd0.0317八0.8940.453.9.4墙底（截面8）偏心检查e=0.0004md/6=0.075m（可）其它各截面偏心均小于0.45d。综上，验算满足强度要求。3.10内力图将内力计算结果按比例尺绘制弯矩图M及轴力图N,如图5所示结构内力图n1图5衬砌结构内力图5隧道开挖施工5.1 隧道开挖施工方案采用如图所示分布施工顺序进行开挖，即先环形开挖留核心土法的施工方法。防水层这种施工方法适用于土质易于坍塌的软弱围岩隧道隧道坑道开挖后，在

39、岩体散破坏之前，及时修筑一层柔性薄壁衬砌（第一次衬砌），通过施工中的量测监视，确定围岩变形稳定之后，修筑防水层及第二次衬砌，此即为复合衬砌施工方法（新奥法）。该法并不单纯是一种施工方法，该法是对围岩动态性质通过施工中的量测的认识和理解，通过周密的量测工作,系统的控制坑道变形与应力，从而确定所建立的支护体系受力情况，并不断加以修改、完善5.2 施工顺序开挖弧形导坑一一第一次柔性衬砌（拱）一一开挖核心及侧壁一一第一次柔性衬砌（边墙）开挖仰拱部分并修筑仰拱一一施工测量（位移、应力等量测）防水层第二次衬砌参考资料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JTGD62-2004,人民交通出版社，2004年;2004 年;2000 年;3）隧道结构力学计算，夏永旭编著，人民交通出版社,4）本课程教材隧道工程，王毅才主编，人民交通出版社,5）有关隧道设计图纸及算例；6）公路隧道、世界隧道、岩石力学与工程学报等期刊；7）隧道工程设计要点集，关宝树，人民交通出版社。