武漢理工大學(xué)隧道工程課程設(shè)計(共21頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上1初始條件某一級公路隧道通過IV類圍巖(即III級圍巖)，埋深H=20m，隧道圍巖天然容重=25 KN/m3，計算摩擦角=50o, 變形模量E=10GPa，采用礦山法施工。；襯砌材料采用C25噴射混凝土，材料容重，變形模量。 2隧道洞身設(shè)計2.1隧道建筑界限及內(nèi)輪廓圖的確定該隧道橫斷面是根據(jù)兩車道一級公路III級圍巖來設(shè)計的，根據(jù)公路隧道設(shè)計規(guī)范確定隧道的建筑限界如下：W行車道寬度；取3.75×2mC余寬；因設(shè)置檢修道，故余寬取為0mJ檢修道寬度；雙側(cè)設(shè)置，取為1.0×2mH建筑限界高度；取為5.0m左側(cè)向?qū)挾?；取?.0m右側(cè)向?qū)挾龋蝗?.0m

2、建筑限界左頂角寬度；取1.0m建筑限界右頂角寬度；取1.0mh檢修道高度；取為0.25m隧道凈寬為1.0+1.0+7.50+1.0+1.0=11.5m設(shè)計行車速度為80km/h,建筑限界左右頂角高度均取1m；隧道輪廓線如下圖：圖1 隧道內(nèi)輪廓限界圖（單位cm）根據(jù)規(guī)范要求，隧道襯砌結(jié)構(gòu)厚度為45cm（一次襯砌為10cm和二次襯砌35cm）通過作圖得到隧道的尺寸如下：圖2 隧道內(nèi)輪廓圖得到如下尺寸:3隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1支護(hù)方法及襯砌材料根據(jù)公路隧道設(shè)計規(guī)范（JTG-2004），本設(shè)計為一級公路，采用復(fù)合式襯砌，復(fù)合式襯砌是由初期支護(hù)和二次襯砌及中間防水層組合而成的襯砌形式。復(fù)合式襯砌應(yīng)符合下

3、列規(guī)定：1初期支護(hù)宜采用錨噴支護(hù)，即由噴射混凝土，錨桿，鋼筋網(wǎng)和鋼筋支架等支護(hù)形式單獨(dú)或組合使用，錨桿宜采用全長粘結(jié)錨桿。2二次襯砌宜采用模筑混凝土或模筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，襯砌截面宜采用連結(jié)圓順的等厚襯砌斷面，仰拱厚度宜與拱墻厚度相同。由規(guī)范8.4.2-1，對于兩車道級圍巖：初期支護(hù)：拱部邊墻的噴射混凝土厚度為8-12cm，拱墻的錨桿長度為2.5-3m，錨桿間距為1.0-1.2m；二次襯砌厚度：拱墻混凝土厚度為35cm因此確定襯砌尺寸及規(guī)格如下：深埋隧道外層初期支護(hù)，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，采用錨噴支護(hù)，錨桿采用普通水泥砂漿錨桿，規(guī)格HRB20×2.5m，采用梅花型局部布設(shè)，采用C25噴射混凝土

4、。初次襯砌：采用C25噴射混凝土，厚度為9.8cm。防水板：采用塑料防水板及無紗布，且無紡布密度為300g/m2,防水板應(yīng)采用鋪滿的EVA板防水層，厚度為2.0mm，搭接長度為150mm。二次襯砌：根據(jù)公路隧道設(shè)計規(guī)范，采用C25號模筑防水混凝土，厚度為35cm。整個襯砌厚度為9.8+0.2+35=45cm。3.2隧道深淺埋的確定及圍巖壓力的計算隧道的內(nèi)輪廓尺寸為B=12.10m，H=10.50m因為IV級圍巖需要預(yù)留變形量，查公路隧道設(shè)計規(guī)范8.4.1知級圍巖需預(yù)留變形量為20-50mm，襯砌厚度為45cm，又每側(cè)超挖量為10cm，故隧道的近似開挖尺寸為：由于是級圍巖深淺埋隧道的分界深度等效

5、荷載高度跨度影響系數(shù)；i圍巖壓力增減率，當(dāng)取i=0.1埋深故為深埋隧道。又可用公式計算均布垂直壓力：因為該隧道圍巖級別為圍巖水平均布壓力為： 4襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算4.1基本資料公里等級 一級公路圍巖級別 級圍巖容重 r=25KN/m3彈性抗力系數(shù) K=0.18×106KN/m變形模量 E=10GPa材料容重 材料變形模量 襯砌厚度 d=0.45m圖3 襯砌結(jié)構(gòu)斷面圖4.2荷載的確定4.2.1圍巖壓力的確定經(jīng)前面計算可得,可用公式計算均布垂直壓力：級圍巖不考慮一襯后的圍巖釋放變形折減系數(shù)4.2.2襯砌自重（1）全部垂直荷載q=82.125+9.9=92.025KN/m2（2） 圍巖水平均

6、布壓力e<0.15×92.025=13.80KN/m24.3襯砌幾何要素4.3.1襯砌的幾何尺寸內(nèi)輪廓線半徑： 內(nèi)徑所畫圓曲線端點(diǎn)截面與豎直軸線的夾角：拱頂截面厚度，拱底截面厚度4.3.2半拱軸線長度S及分段軸長將半拱軸長度等分為8段，則4.4計算位移4.4.1單位位移用辛普生法近似計算，按計算列表進(jìn)行，單位位移的計算列表見表4-1表4-1單位位移計算表 截面sincosxyd1/Iy/Iy2/I(1+y)2/I積分系數(shù)1/300.000 0.000 1.000 0.000 0.000 0.450 131.687 0.000 0.000 131.687 1 114.760 0.

7、255 0.967 1.584 0.199 0.450 131.687 26.206 5.215 189.314 4 229.520 0.493 0.870 3.056 0.806 0.450 131.687 106.140 85.549 429.516 2 344.280 0.698 0.716 4.331 1.756 0.450 131.687 231.243 406.062 1000.235 4 459.040 0.858 0.514 5.320 3.012 0.450 131.687 396.642 1194.686 2119.657 2 573.572 0.959 0.283 5.9

8、82 4.531 0.450 131.687 596.675 2703.534 4028.571 4 686.209 0.998 0.066 6.263 6.107 0.450 131.687 804.214 4911.335 6651.450 2 798.846 0.988 -0.154 6.194 7.700 0.450 131.687 1013.992 7807.737 9967.407 4 8111.483 0.931 -0.366 5.773 9.232 0.450 131.687 1215.737 11223.681 13786.841 1 1053.498 3767.396 22

9、432.337 31020.628 注：1 I-截面的慣性矩，I=bd3/12,b取單位長度 2不考慮軸力影響單位位移值計算如下：計算精度校核：閉合差 4.4.2載位移主動荷載在基本結(jié)構(gòu)中引起的位移1）每一塊上的作用力(豎向力Q、水平力E、自重力G),分別由下面各式求得，Qi =q×biEi =e×hiGi =( di-1+di)/2×S× rh其中：bi襯砌外緣相鄰兩截面間的水平投影長度hi襯砌外緣相鄰兩截面間的豎直投影長度di接縫i的襯砌截面厚度均由圖3直接量得，其值見表4-2。各集中力均通過相應(yīng)圖形的形心表4-2載位移Mop計算表截面投影長度集中力

10、S-Qaq-Gag-GagbhQGEaqagae00.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 11.580 0.200 145.400 15.820 2.761 0.790 0.790 0.100 -114.866 -12.498 -0.276 21.476 0.600 135.829 15.820 8.282 0.738 0.738 0.300 -100.242 -11.675 -2.485 31.274 0.957 117.240 15.820 13.210 0.637 0.637 0.479 -74.

11、682 -10.077 -6.321 40.989 1.250 91.013 15.820 17.255 0.495 0.495 0.625 -45.006 -7.823 -10.784 50.660 1.523 60.737 15.820 21.023 0.330 0.330 0.762 -20.043 -5.221 -16.009 60.280 1.570 25.767 15.820 21.672 0.140 0.140 0.785 -3.607 -2.215 -17.013 70.070 1.593 6.442 15.820 21.990 -0.035 -0.035 0.797 0.22

12、5 0.554 -17.515 80.417 1.539 38.374 15.820 21.244 -0.209 -0.209 0.770 8.001 3.299 -16.348 續(xù)表4-2i-1（Q+G）i-1Exyxy-xi-1（Q+G）-yi-1EMoip0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 1.584 0.199 1.584 0.199 0.000 0.000 -127.640 161.220 2.761 3.056 0.806 1.472 0.607 -237.315 -1.676 -481

13、.033 312.869 11.043 4.331 1.756 1.275 0.950 -398.908 -10.491 -981.512 445.929 24.254 5.320 3.012 0.989 1.256 -441.024 -30.463 -1516.611 552.762 41.509 5.982 4.531 0.662 1.519 -365.928 -63.052 -1986.864 629.318 62.532 6.263 6.107 0.281 1.576 -176.838 -98.551 -2285.088 670.906 84.204 6.194 7.700 -0.06

14、9 1.593 46.292 -134.138 -2389.669 693.168 106.194 5.773 9.232 -0.421 1.532 291.824 -162.689 -2265.583 2）外荷載在基本結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的內(nèi)力塊上各集中力對下一接縫的力臂由圖直接量得，分別記以aq 、ae、ag。內(nèi)力按下式計算之：彎矩： 軸力： 式中 xi、yi相鄰兩接縫中心點(diǎn)的坐標(biāo)增值。 xi=xi- xi-1 yi=yi- yi-1Moip和Noip的計算見表4-3及表4-4。表4-3載位移Noip計算表截面sincosi（Q+G）iEsin* i（Q+G）cos*iENop00.000 0.00

15、0 1.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 114.760 0.255 0.967 161.220 2.761 41.074 2.670 38.404 229.520 0.493 0.870 312.869 11.043 154.159 9.610 144.549 344.280 0.698 0.716 445.929 24.254 311.332 17.364 293.968 459.040 0.858 0.514 552.762 41.509 474.008 21.354 452.654 573.572 0.959 0.283 629.318 62.532

16、603.627 17.685 585.942 686.209 0.998 0.066 670.906 84.204 669.438 5.567 663.870 798.846 0.988 -0.154 693.168 106.194 684.923 -16.330 701.253 8111.483 0.931 -0.366 747.362 127.439 695.440 -46.671 742.111 3） 主動荷載位移計算過程見表4-4表4-4主動荷載位移計算表截面Mp01/Iy/I1+yMp0/IyMp0/IMp0(1+y)/I積分系數(shù)1/300.000 131.687 0.000 1.0

17、00 0.000 0.000 0.000 1 1-127.640 131.687 26.206 1.199 -16808.513 -3344.894 -20153.407 4 2-481.033 131.687 106.140 1.806 -63345.857 -51056.761 -.618 2 3-981.512 131.687 231.243 2.756 -.583 -.536 -.120 4 4-1516.611 131.687 396.642 4.012 -.354 -.682 -.036 2 5-1986.864 131.687 596.675 5.531 -.675 -.023

18、-.698 4 6-2285.088 131.687 804.214 7.107 -.979 -.993 -.972 2 7-2389.669 131.687 1013.992 8.700 -.937 -.814 -.751 4 8-2265.583 131.687 1215.737 10.232 -.374 -.193 -.568 1 -.862 -.378 -.240 1p=S/Eh×Mp0/I=6.39×10-8×（-.862）= - 9192.84×10-52p =S/ Eh×Mp0y/I=6.39×10-8×(-.

19、378)= -49183.16×10-5計算精度校核Sp=1p+2pSp=S/ Eh×Mp0(1+y)/I因此，Sp=6.39×10-8×（-.240）= -58376.006×10-51p+2p= -（9192.84+49183.16）×10-6= -58376.000×10-5閉合差0.000。4.4.3載位移單位彈性抗力及相應(yīng)的摩擦力引起的位移1）各接縫處的抗力強(qiáng)度按假定拱部彈性抗力的上零點(diǎn)位于與垂直軸接近450的第3截面，3=44.28°=b;最大抗力位于第5截面,5=76.25°=h;拱部各截面

20、抗力強(qiáng)度，按鐮刀形分布，最大抗力值以上各截面抗力強(qiáng)度按下式計算：i=h（cos2b-cos2i）/（cos2b-cos2h）計算得，3=0， 4=0.5436h ， 5=h 。邊墻截面彈性抗力計算公式為：=h1-(yi/ yh)2式中yi所求抗力截面與外輪廓線交點(diǎn)到最大截面抗力截面的垂直距離；yh墻底外邊緣c到最大抗力截面的垂直距離。(yi和yh在圖3中可量得)y6=1.634m; y7=3.198m; y8=4.776m;則有： 6=h 1-（1.634/4.776）2= 0.8777h 7=h 1-（3.198/4.776）2= 0.5516h 8=0;按比例將所求得的抗力繪在圖4上。圖4

21、結(jié)構(gòu)抗力圖2）各楔塊上抗力集中力按下式近似計算：式中，楔塊i外緣長度，由圖3量得。 的方向垂直于襯砌外緣，并通過楔塊上抗力圖形的形心。3）抗力集中力與摩擦力之合力按近似計算: 式中 圍巖與襯砌間的摩擦系數(shù)。取=0.2,則 =1.0198 其作用方向與抗力集中力的夾角為=arctan=11.301°。由于摩擦阻力的方向與襯砌位移方向相反，其方向朝上。的作用點(diǎn)即為與襯砌外緣的交點(diǎn)。 將的方向線延長，使之交于豎直軸。量取夾角k(自豎直軸反時針方向量度)。將分解為水平與豎向兩個分力：RH= Ri sink RV= Ri cosk以上計算例入表4-5中， 并參見圖3。表4-5 彈性抗力及摩擦力

22、計算表截面(h)(i-1+i)/2S外(h)R(h)ksinkcosk30.0000 0.000 0.0000 0.0000 0.000 0.000 1.000 40.5436 0.272 1.6475 0.4567 62.370 0.886 0.464 51.0000 0.772 1.6475 1.2967 76.916 0.974 0.226 60.8777 0.939 1.6475 1.5774 89.414 1.000 0.010 70.5516 0.715 1.6475 1.2007 103.799 0.971 -0.239 80.0000 0.276 1.6475 0.4634 1

23、16.126 0.898 -0.440 續(xù)表4-5RH(h)RV(h)vhRi(h)0.000 0.000 0.000 0.405 0.212 0.212 0.405 0.448 1.263 0.294 0.505 1.668 1.272 1.577 0.016 0.521 3.245 1.547 1.166 -0.286 0.235 4.411 1.177 0.416 -0.204 0.031 4.827 0.454 4）計算單位抗力圖及其相應(yīng)的摩擦力在基本結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的內(nèi)力 彎矩 軸力 式中 rKi -力Ri至接縫中心點(diǎn)K的力臂，由圖3量得，計算見表4-6和表4-7表4-6 M0計算表截面號

24、R4=0.4567hR5=1.29674hR6=1.5774hR7=1.2007hR8=0.4634hMo(h)r4i-R4r4ir5i-R5r5ir6i-R6r6ir7i-R7r7ir8i-R8r8i40.9000 -0.411 -0.411 52.5557 -1.167 0.9894 -1.283 -2.450 64.0766 -1.862 2.5820 -3.348 1.0605 -1.673 -6.883 75.4556 -2.492 4.1180 -5.340 2.6538 -4.186 0.8364 -1.004 -13.022 86.6259 -3.026 5.5229 -7.1

25、62 4.1930 -6.614 2.4307 -2.918 0.8712 -0.404 -20.124 表4-7 N0計算表截面號sincosRV(h)RH(h)sinRV(h)cosRH(h)No(h)4 59.0400 0.8573 0.5149 0.2118 0.4046 0.1815 0.2083 -0.0268 5 73.5720 0.9590 0.2834 0.5053 1.6676 0.4846 0.4727 0.0119 6 86.2090 0.9978 0.0669 0.5215 3.2449 0.5203 0.2170 0.3033 7 98.8460 0.9882 -0

26、.1529 0.2351 4.4110 0.2323 -0.6745 0.9068 8 111.4830 0.9309 -0.3653 0.0310 4.8270 0.0289 -1.7633 1.7922 5）單位抗力及相應(yīng)摩擦力產(chǎn)生的載位移計算過程見表4-8。截面號M0（h）1/Iy/I(1+y)M01/I（h）M0y/I（h）M0(1+y)/I（h）積分系數(shù) 1/34-0.411 131.6872 396.642 4.012 -54.127 -163.032 -217.159 2 5-2.450 131.6872 596.675 5.531 -322.653 -1461.941 -178

27、4.594 4 6-6.883 131.6872 804.214 7.107 -906.387 -5535.307 -6441.692 2 7-13.022 131.6872 1013.992 8.700 -1714.805 -13204.005 -14918.806 4 8-20.124 131.6872 1215.737 10.232 -2650.074 -24465.491 -27115.557 1 -4240.312 -31508.650 -35748.952 表4-8 單位抗力及相應(yīng)摩擦力產(chǎn)生的載位移計算表1=S/Eh×M01/I=6.39×10-8×(

28、-4240.312)= -270.960×10-62=S/ Eh×M0y/I=6.39×10-8×(-31508.650)= - 2013.403×10-6校核為： 1+2= -(270.960+ 2013.403) ×10-6=-2284.363×10-6 S=S/ Eh×M0(1+y)/I=6.39×10-8×(-35748.952)=-2284.358×10-6閉合差0。4.4.4墻底（彈性地基上的剛性梁）位移1）單位彎矩作用下的轉(zhuǎn)角：1=1/(KI8)= 131.6872 /0

29、.18×106=731.596×10-62）主動荷載作用下的轉(zhuǎn)角：p=1M8p0=731.596×(-2265.583)×10-6 = -.46×10-63）單位抗力及相應(yīng)摩擦力作用下的轉(zhuǎn)角：=1M80=731.596×10-6×(-20.124) = - 14722.64×10-64.5解力法方程襯砌矢高 f=y8=9.232m計算力法方程的系數(shù)：a11=11+1=（67.32+731.596）×10-6=798.913×10-6a12=12+f1=（240.74+9.232×731

30、.596）×10-6=6994.83×10-6a22=22+f21=（1433.43+9.2322×731.596）×10-6=63787.228×10-6a10=1p+p+(1+)×h =-(91928.4+.46+270.960h+14722.64h) ×10-6= -(.86+14993.6h)×10-6a20=2p+fp+(2+f)×h = -(.6+9.232×.46+2013.403h+9.232×14722.64h) = - (.76+.82h) ×10-6以上

31、將單位抗力圖及相應(yīng)摩擦力產(chǎn)生的位移乘以h倍，即被動荷載的載位移。求解方程：X1 = (a12a20 - a22a10)/( a11a22 - a122)=（548.873-4.140h）其中： X1p=548.873, X1= -4.140X2 = (a12a10 - a11a20)/( a11a22 - a122)=（187.412+2.616h）其中： X2p=187.412, X2= 2.6164.6計算主動荷載和被動荷載（h =1）分別產(chǎn)生的襯砌內(nèi)力計算公式為：和 計算過程列入表4-9和表4-10中。表4-9 主、被動荷載作用下襯砌彎矩計算表截面MopX1pyX2p*yMpMo(h)X

32、1(h)X2*y(h)Mo(h)0 0.000 548.873 0.000 0.000 548.873 0.000 -4.140 0.000 -4.140 1 -127.640 548.873 0.199 37.295 458.528 0.000 -4.140 0.521 -3.620 2 -481.033 548.873 0.806 151.054 218.894 0.000 -4.140 2.108 -2.032 3 -981.512 548.873 1.756 329.095 -103.543 0.000 -4.140 4.594 0.454 4 -1516.611 548.873 3.

33、012 564.485 -403.253 -0.411 -4.140 7.879 3.328 5 -1986.864 548.873 4.531 849.164 -588.827 -2.450 -4.140 11.853 5.263 6 -2285.088 548.873 6.107 1144.525 -591.690 -6.883 -4.140 15.976 4.953 7 -2389.669 548.873 7.700 1443.072 -397.724 -13.022 -4.140 20.143 2.981 8 -2265.583 548.873 9.232 1730.188 13.47

34、8 -20.124 -4.140 24.151 -0.113 表4-10 主、被動荷載作用下襯砌軸力計算表截面NopcosaX2pcosNpNo(h)X2cos(h)N(h)0 0.000 1.000 187.412 187.412 0.000 2.616 2.616 1 38.404 0.967 181.228 219.632 0.000 2.530 2.530 2 144.549 0.870 163.083 307.632 0.000 2.276 2.276 3 293.968 0.716 134.175 428.143 0.000 1.873 1.873 4 452.654 0.514

35、96.412 549.066 -0.027 1.346 1.319 5 585.942 0.283 53.002 638.944 0.012 0.740 0.752 6 663.870 0.066 12.391 676.261 0.303 0.173 0.476 7 701.253 -0.154 -28.820 672.433 0.907 -0.402 0.505 8 742.111 -0.366 -68.635 673.476 1.792 -0.958 0.834 4.7計算最大抗力值首先求出最大抗力方向內(nèi)的位移。由式：并考慮接縫5的徑向位移與水平方向有一定的偏離，因此將其修正如下計算過程列

36、入表3-11。表4-11最大抗力位移修正計算表截面號Mp/IM/Iyiy5-yiMp/I(Y5-Yi)M/I(Y5-Yi)積分系數(shù) 1/3072279.549 -545.198 0.000 4.531 .634 -2470.293 4 160382.314 -476.644 0.199 4.332 .184 -2064.821 2 228825.600 -267.536 0.806 3.725 .359 -996.573 4 3-13635.332 59.733 1.756 2.775 -37838.045 165.758 2 4-53103.299 438.290 3.012 1.519 -

37、80663.911 665.762 4 5-77541.042 693.050 4.531 0.000 0.000 0.000 1 .869 -5000.847 位移值為： hp=6.39×10-8×.869×0.9590=3808.184×10-5 h=6.39×10-8×(-5000.847) ×0.9590= -30.645×10-5則可得最大抗力h = hp /(1/K-h)= 3808.184×10-5/1/(0.18×106)+ 30.645×10-5=122.063.8計

38、算襯砌總內(nèi)力按下式進(jìn)行計算：M=Mp+h M N=Np+h N計算過程列入表4-12表4-12襯砌總內(nèi)力計算表截面號MpMMM/IMy/INpNNe積分系數(shù)1/30 548.873 -505.341 43.532 5732.659 0.000 187.412 319.309 506.721 0.0859 1 1 458.528 -441.798 16.730 2203.156 438.428 219.632 308.772 528.404 0.0317 4 2 218.894 -247.978 -29.083 -3829.874 -3086.879 307.632 277.857 585.49

39、0 -0.0497 2 3 -103.543 55.366 -48.177 -6344.348 -11140.678 428.143 228.605 656.748 -0.0734 4 4 -403.253 406.248 2.994 394.318 1187.686 549.066 160.998 710.065 0.0042 2 5 -588.827 642.383 53.556 7052.623 31955.447 638.944 91.761 730.706 0.0733 4 6 -591.690 604.555 12.865 1694.146 10346.153 676.261 58.130 734.391 0.0175 2 7 -397.724 363.897 -33.827 -4454.588 -34300.335 672.