隧道原理課程設(shè)計(jì)

1、目錄一 基本資料2二 曲線隧道凈加寬值22.1加寬原因22.2加寬值的計(jì)算3三 雙線曲墻式襯砌的內(nèi)輪廓線4四. 襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及檢算44.1 襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)44.1.1 一般規(guī)定54.1.2 襯砌設(shè)計(jì)54.2 襯砌結(jié)構(gòu)的檢算54.2.1 襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)54.2.2 結(jié)構(gòu)的理想化74.2.3 襯砌內(nèi)力的計(jì)算94.2.4 襯砌截面的強(qiáng)度檢算12一 基本資料計(jì)算以下條件的曲線隧道凈空加寬值，并畫(huà)出雙線曲墻式襯砌的內(nèi)輪廓線，標(biāo)注詳細(xì)尺寸。設(shè)計(jì)該隧道的初期支護(hù)及二次襯砌的支護(hù)參數(shù)，并采用彈性鏈桿法檢算支護(hù)強(qiáng)度是否滿足隧道設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。雙線隧道；電力牽引；行車速度V=150km/h；曲線半徑為學(xué)號(hào)最后三

2、位數(shù)的100倍，即R=2400m。圍巖級(jí)別為級(jí)二 曲線隧道凈加寬值2.1加寬原因 車輛通過(guò)曲線時(shí)，轉(zhuǎn)向架中心點(diǎn)沿線路運(yùn)行，而車輛本身卻不能隨線路彎曲仍保持其矩形形狀。故其兩端向曲線外側(cè)偏移（d外），中間向曲線內(nèi)側(cè)偏移（d內(nèi)1）。由于曲線外軌超高，車輛向曲線內(nèi)側(cè)傾斜，使車輛限界上的控制點(diǎn)在水平方向上向內(nèi)移動(dòng)了一個(gè)距離（d內(nèi)2）。 2.2加寬值的計(jì)算 （1）雙線曲線隧道加寬值的計(jì)算 車輛中間部分向曲線內(nèi)側(cè)的偏移 d內(nèi)1= l2/8R 車輛兩端向曲線外側(cè)的偏移 d外=(L2- l2) /8R 外軌超高使車體向曲線內(nèi)側(cè)傾移 d內(nèi)2= HE/150=2.7E =0.76*150*150/2400=7.1

3、25 式中 l車輛轉(zhuǎn)向架中心距，可取18m； L標(biāo)準(zhǔn)車輛長(zhǎng)度，我國(guó)為26m； R曲線半徑（m）； H隧道限界控制點(diǎn)自軌面起的高度； E曲線外軌超高值，其最大值不超過(guò)15。（2）雙線曲線隧道加寬值的計(jì)算 雙線曲線隧道的內(nèi)側(cè)加寬值W1及外側(cè)加寬值W2與單線曲線隧道加寬值的計(jì)算相同。即 內(nèi)側(cè)加寬 W1= d內(nèi)1+ d內(nèi)2= 4050/R+2.7E=4050/240+2.7*7.125=20.93（） 外側(cè)加寬 W2= d外= 4400/ R=4400/2400=1.83（） 內(nèi)外側(cè)線路中線間的加寬值W3按以下兩種情況計(jì)算： 當(dāng)外側(cè)線路的外軌超高大于內(nèi)側(cè)線路的外軌超W3=8450/ R+ 1.2E=8

4、450/2400+1.2*7.125=12.07（） 總加寬 W= W1+ W2+ W3 =20.93+1.83+12.07=34.83（）（3）曲線隧道中線與線路中線偏移距離 曲線隧道內(nèi)外側(cè)加寬值不同（內(nèi)側(cè)加寬大于外側(cè)加寬），斷面加寬后，雙線曲線隧道內(nèi)側(cè)線路中線至隧道中線的距離d1=200（W1W2W3）)/2=196.485（），雙線曲線隧道外側(cè)線路中線至隧道中線的距離d2=200+（W1W2+ W3）/2=200+(20.93-1.83+12.07)/2=215.585（） 三 雙線曲墻式襯砌的內(nèi)輪廓線見(jiàn)附錄T-1四. 襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及檢算4.1 襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)隧道在一般情況下應(yīng)做襯砌，

5、其結(jié)構(gòu)的型式及尺寸，可根據(jù)圍巖級(jí)別、水文地質(zhì)條件、埋置深度、結(jié)構(gòu)工作特點(diǎn)，結(jié)合施工條件等，通過(guò)工程類比和結(jié)構(gòu)計(jì)算確定，必要時(shí)，還應(yīng)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)論證。隧道襯砌類型主要有以下幾種：整體式模筑混凝土襯砌、裝配式襯砌、噴錨支護(hù)及復(fù)合式襯砌。 一般規(guī)定(1)隧道一般可采用整體式襯砌或復(fù)合式襯砌；在III級(jí)圍巖短隧道中，可采用噴錨襯砌。(2)不設(shè)仰拱的隧道應(yīng)做底板，單線隧道其厚度不應(yīng)小于20cm。1(3)位于曲線地段的隧道其斷面要加寬。(4)襯砌拱圈可設(shè)計(jì)為等截面或邊截面形式；IVVI級(jí)圍巖地段，應(yīng)采用曲墻有仰拱襯砌。(5)最冷月平均氣溫低于-15的地區(qū)，應(yīng)根據(jù)情況設(shè)置變縫。 襯砌設(shè)計(jì)由于隧道圍巖級(jí)別為V級(jí)，

6、根據(jù)鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)·隧道的相關(guān)規(guī)定，擬采用噴錨支護(hù)，復(fù)合式襯砌。初期支護(hù)時(shí)，對(duì)于V級(jí)圍巖打入3.0m長(zhǎng)的錨桿，在圍巖破碎段鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，然后噴混凝土；二次襯砌采用全液壓襯砌臺(tái)車澆筑而成，厚度40cm。詳細(xì)襯砌支護(hù)參數(shù)如表4.1所示。V級(jí)圍巖隧道襯砌結(jié)構(gòu)橫斷面細(xì)部尺寸參照復(fù)合式襯砌斷面標(biāo)準(zhǔn)圖來(lái)擬定，襯砌結(jié)構(gòu)橫斷面圖分別見(jiàn)附錄一。4.2 襯砌結(jié)構(gòu)的檢算 襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法(荷載-結(jié)構(gòu)模型)，假設(shè)襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖全面、緊密地接觸，采用主動(dòng)荷載加被動(dòng)荷載(彈性抗力)模式，按照彈性鏈桿法原理來(lái)計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。表4.1 雙線隧道復(fù)合式襯砌支護(hù)參數(shù)1圍巖級(jí)別預(yù)留變形量

7、(cm)初期支護(hù)二次襯砌厚度(cm)噴混凝土錨桿位置厚度(cm)位置長(zhǎng)度(m)間距(m)拱墻仰拱V7拱、墻、仰拱16拱、墻3.01.035404.2.2 圍巖壓力的確定(1)圍巖壓力確定公式采用容許應(yīng)力法，計(jì)算單線深埋隧道襯砌時(shí)，圍巖壓力按松散壓力考慮，其水平均布?jí)毫Φ淖饔脴?biāo)準(zhǔn)值可按垂直均布?jí)毫郊氨?.2確定。1)垂直勻布?jí)毫?式(4.1) 式(4.2)式中 圍巖垂直均布?jí)毫?)； 圍巖重度()； 圍巖壓力計(jì)算高度()； 圍巖級(jí)別； 寬度影響系數(shù)，； 坑道寬度。2)水平勻布?jí)毫Ρ?.2 圍巖水平勻布?jí)毫?圍巖級(jí)別IIIIIIIVVVI水平勻布?jí)毫?<0.15q（0.150.30）q（

8、0.300.50）q（0.501.00）q(2)襯砌圍巖壓力確定V級(jí)圍巖取水平勻布?jí)毫ο禂?shù)為0.4，圍巖重度，可確定深埋隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的垂直均布?jí)毫Γ浩渲校簊=5， 為安全起見(jiàn)，取 ，B>5m,取i0.1， 水平均布圍巖壓力：故可作出V級(jí)圍巖襯砌斷面受力圖如4.1所示。圖4.1 V級(jí)圍巖襯砌受力圖 結(jié)構(gòu)的理想化(1)襯砌結(jié)構(gòu)的理想化隧道襯砌是實(shí)體拱式結(jié)構(gòu)，軸力和彎矩是主要內(nèi)力，可將其離散化為一些同時(shí)承受彎矩、剪力和軸力的偏心受壓等直桿單元所組成的折線形組合體。由鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范可知，雙線電氣化鐵路在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)化分時(shí)，要不少于16個(gè)單元，在本設(shè)計(jì)中，把襯砌劃分為28個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)為29，隧道襯

9、砌單元?jiǎng)澐秩鐖D4.2所示。圖4.2 隧道襯砌單元?jiǎng)澐质疽鈭D(2)圍巖的理想化將彈性抗力作用范圍內(nèi)的連續(xù)圍巖，離散為若干條彼此互不相關(guān)的矩形巖柱，巖柱具有彈性地基的性質(zhì)，采用局部變形理論的溫克爾假定，把每個(gè)巖柱理想化為一個(gè)剛性支座上的彈性鏈桿支承于襯砌單元的節(jié)點(diǎn)上，它可以軸力的方式把巖柱的作用體現(xiàn)出來(lái)。彈性支承的設(shè)置方向應(yīng)按照襯砌與圍巖的接觸狀態(tài)來(lái)確定，本文為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將彈性支承水平設(shè)置。圍巖的理想化如圖4.3所示。圖4.3 圍巖的理想化 襯砌內(nèi)力的計(jì)算按照彈性鏈桿法的基本原理進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算。本文利用給定的桿系有限元分析程序計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。對(duì)V級(jí)圍巖襯砌進(jìn)行內(nèi)力檢算，在檢算中，將初

10、襯和二襯合并考慮，共同承受荷載的100%。 V級(jí)圍巖數(shù)據(jù)輸入：29,23,2.5e7,58.97,147.42,1.5e5,1.5e5,1.042.5563,8.4778,1,0,1,1,1.042.6364,7.7654,1,1,1,1,0.932.7165,7.0531,1,1,1,1,0.792.7965,6.3407,1,1,1,1,0.632.8766,5.6284,1,1,1,1,0.592.9380,4.9143,1,1,1,1,0.592.9471,4.1977,1,1,1,1,0.592.9031,3.4824,1,1,1,1,0.592.8062,2.7723,1,1,1,

11、1,0.592.6354,2.0771,1,1,1,1,0.592.3320,1.4290,0,1,1,1,0.591.9042,0.8553,0,1,1,1,0.591.3589,0.3935,0,1,1,1,0.590.7074,0.1003,0,1,1,1,0.59-0.0000,0.0000,0,1,1,1,0.59-0.7074,0.1003,0,1,1,1,0.59-1.3589,0.3935,0,1,1,1,0.59-1.9042,0.8553,0,1,1,1,0.59-2.3320,1.4290,0,1,1,1,0.59-2.6354,2.0771,1,1,1,1,0.59-2

12、.8062,2.7723,1,1,1,1,0.59-2.9031,3.4824,1,1,1,1,0.59-2.9471,4.1977,1,1,1,1,0.59-2.9380,4.9143,1,1,1,1,0.59-2.8766,5.6284,1,1,1,1,0.59-2.7965,6.3407,1,1,1,1,0.63-2.7165,7.0531,1,1,1,1,0.79-2.6364,7.7654,1,1,1,1,0.93-2.5563,8.4778,1,0,1,1,1.04部分程序運(yùn)行結(jié)果(軸力、剪力和彎矩)NO. N(kN) Q(kN) M(kNm) 1 591.231 21662.88

13、6 6.679 2 581.327 6480.898 -69.547 3 562.644 2585.680 -117.052 4 546.112 524.128 -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 -116.8

14、19 46.467 13 356.393 36.734 26.957 14 322.291 22.882 4.059 15 309.238 -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

15、 520.783 -470.915 -95.566 25 531.730 -1624.382 -125.305 26 546.112 -3617.684 -135.735 27 562.644 -7221.740 -117.052 28 581.327 -9433.560 -69.54729 -591.231 106.328 -6.679根據(jù)程序運(yùn)行結(jié)果，作出隧道V級(jí)圍巖初襯結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖如圖4.4所示。圖4.4 V級(jí)圍巖襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖 襯砌截面的強(qiáng)度檢算(1)強(qiáng)度檢算方法襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力算出后，需進(jìn)行隧道襯砌截面強(qiáng)度檢算，其強(qiáng)度檢算按破損階段法或容許應(yīng)力法進(jìn)行。隧道和明洞襯砌按破損階段檢算構(gòu)件截面強(qiáng)

16、度時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)所受的不同荷載組合，在計(jì)算中應(yīng)分別選用不同的安全系數(shù)，并不應(yīng)小于表4.3所列數(shù)值。表4.3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)13荷載組合主要荷載主要荷載+附加荷載破壞原因鋼筋達(dá)到計(jì)算強(qiáng)度混凝土達(dá)到抗壓或抗剪極限強(qiáng)度2.01.7混凝土達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度2.42.0 拱形隧道襯砌屬偏心受壓構(gòu)件，其截面強(qiáng)度檢算根據(jù)軸力偏心距的大小可分為兩種情況：1)抗壓強(qiáng)度控制()混凝土和砌體結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算： 式(4.3)式中 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)定的強(qiáng)度安全系數(shù)；截面的實(shí)際軸力；構(gòu)件縱向彎曲系數(shù)，對(duì)于隧道襯砌，可取1；混凝土或砌體結(jié)構(gòu)的極限抗壓強(qiáng)度，對(duì)于混凝土，取19.0；截面寬度(計(jì)算長(zhǎng)度)

17、，取1m；截面厚度(襯砌厚度)；軸力偏心影響系數(shù)，可按下式計(jì)算：截面軸力偏心距。2)抗拉強(qiáng)度控制()混凝土構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算： 式（(4.4) 或 式(4.5)式中 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)定的強(qiáng)度安全系數(shù)；混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，對(duì)于混凝土，取2.0 。(2)強(qiáng)度檢算按照上述襯砌截面強(qiáng)度檢算方法，利用Excel軟件進(jìn)行檢算，襯砌強(qiáng)度安全系數(shù)按照鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范取K2.4。作出隧道V級(jí)圍巖襯砌的截面強(qiáng)度檢算結(jié)果如表4.4所示。表4.4 V級(jí)圍巖襯砌截面強(qiáng)度檢算表節(jié)點(diǎn)軸力（kN）彎矩 （kNm）偏心距（m）截面厚度（m）偏心影響 系數(shù)e0/ 0.2d大小偏心安全系數(shù)K檢算 結(jié)果1591.231

18、6.6790.011297 1.041.005576 0.1 小偏心33.6 安全2581.327-69.5470.119635 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7512.2

19、52-63.2430.123461 0.590.726739 1.0 大偏心15.8 安全8502.057-27.6520.055077 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14322.2914.0590.012594 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17356.3932