隧道二次衬砌计算书

主体结构计算书
赵东平
2010-2-10
目录
1 参考规范............................................................................................................... - 1 -
2 计算模型............................................................................................................... - 1 -
3 计算参数............................................................................................................... - 2 -
4 荷载计算............................................................................................................... - 3 - 4.1 结构自重............................................................................................................ - 3 -
4.2 围岩压力............................................................................................................ - 3 -
5 结构内力及安全系数........................................................................................... - 3 -
6 衬砌配筋及裂缝验算........................................................................................... - 8 -
7 结论....................................................................................................................... - 9 -
隧道二次衬砌结构检算
1 参考规范
本次计算主要依据如下设计规范：
（1）《公路隧道设计规范》(JTG D70—2004)
（2）《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)
（3）《城市桥梁荷载设计标准》(CJJ77—98)
（4）《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)
（5）《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T 50476—2008)
（6）《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330－2002）
2 计算模型
衬砌结构计算采用荷载—结构法，荷载结构法原理认为，隧道开挖后地层的主要作用是对衬砌结构产生荷载，衬砌应能安全可靠地承受地层压力等荷载的作用。

本次计算采用荷载—结构模型，计算程序采用ANSYS10.0。

在ANSYS程序中，用二维梁单元（Beam3）模拟衬砌和中墙，用二维杆单元(Link10)模拟围岩对衬砌的约束效果，隧道衬砌和中墙共划分为100个单元，数值模型如图1所示，单元编号及节点编号与衬砌的对应位置关系如图2及图3所示。

图1 衬砌计算模型
图2 衬砌单元编号
图3 衬砌节点编号
3 计算参数
根据《公路隧道设计规范》(TB10003-2005)及成灌线地质资料，计算参数如表1和表2所示。

表1 衬砌力学参数表
参数衬砌材料
衬砌力学指标
衬砌重度
γ（kN/m3）
弹性模型
E c（GPa）
极限抗压强度
R a（MPa）
极限抗压强度
R l（MPa）
泊松比
μ
C25混凝土25 29.5 19 2.0 0.2
表2 土层力学参数表
参数围岩级别
围岩力学指标
弹性抗力系数
K（MPa/m）
重度
γ（kN/m3）
泊松比
μ
侧压力系数
λ
V级（浅埋）150 17 0.25 0.21
4 荷载计算
隧道衬砌荷载模式见图4。

图4 衬砌荷载组合示意图
图4中各分项荷载的计算方法如下。

4.1 结构自重
衬砌混凝土重度为3/25m KN ＝γ，结构自重由ANSYS 程序自动计算。

4.2 围岩压力
衬砌隧道埋深7.8m ，根据公路隧道设计规范，浅埋隧道围岩压力采用计算如下（。

隧道顶部上覆土重力：''2q (106.08kN /m i i i i h h γγ∑n
i=1＝+)＝
土层侧压力：
顶部：21e 22.28kN /m q λ＝＝ 底部：n1
1i i=1e (+)49.53kN /m i q h λγ∑＝＝
5 结构内力及安全系数
衬砌内力计算结果见图6~图8，结构最大应力计算结果如图9和图10所示，结构变形见图11。

图6 衬砌结构轴力(N) 图7 衬砌结构弯矩(N·m)
图8 衬砌结构剪力(N) 图9 衬砌最大压应力图(N)
图10 衬砌最大拉应力图(N)
由轴力计算结果可知，左右墙脚轴力最大，隧道拱顶正中轴力最小。

中墙底部轴力值达-1320kN。

衬砌最大正弯矩出现在拱顶内侧，正弯矩最大值为355kN·m；衬砌最大负弯矩出现在两侧拱腰，负弯矩最大值为351N·m。

衬砌最大剪力发生在边墙脚，最大剪力为335kN。

拱顶内侧受拉，最大拉应力达到3.91MPa，拱腰外侧受拉，最大拉应力达到3.28MPa，均超过C25砼极限抗拉强度。

衬砌最大压应力为17.8MPa，小于C25砼极限抗压强度。

由以上计算结果可知，衬砌拱部最大拉应力均超过了C25砼的极限抗拉强度，因此结构需要进行配筋设计并进行裂缝验算。

衬砌内力及安全系数计算结果如表4所示。

位置单元编号轴力/kN弯矩/kN.m剪力/kN安全系数S控制标准
右仰拱1-1259.67-28.5340.169.88受压控制2-1250.60-77.0464.479.50受压控制3-1237.95-149.8559.107.83受压控制4-1223.71-217.23-5.04 2.91受拉控制5-1211.93-220.20-176.29 2.77受拉控制
由表4的计算结果可知，拱部受拉控制，衬砌最小安全系数为0.98，衬砌两侧拱腰最小安全系数为1.05，受拉控制。

由此可见衬砌部分截面最小安全系数不满足规范要求，需要对结构进行配筋及裂缝宽度验算。

6 衬砌配筋及裂缝验算
根据《混凝土结构设计规范》、《公路隧道设计规范》、《混凝土结构耐久性设计规范》，衬砌配筋首先要满足承载力要求，在结构满足承载力要求前提下还需要满足最大裂缝宽度要求。

配筋计算时，首先采用保护层厚度55mm，按承载力要求计算配筋量；然后取混凝土保护层厚度取30mm，验算最大裂缝宽度，并调整最大配筋量，最终计算结果见表5。

7 结论
由以上计算结果可知：
（1）在设计荷载作用下，衬砌多个位置最大拉应力大于C25砼极限抗拉强度，衬砌最大压应力小于C25砼极限抗压强度。

（2）在设计荷载作用下，衬砌仅按构造配筋设计即可满足承载力及最大裂缝宽度要求。

配筋量计算结果可参见表5的计算结果进行设计。

（3）本次计算最大裂缝宽度标准采用0.2mm控制，根据《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T 50476—2008）的相关规定，裂缝验算时，混凝土保护层厚度取3cm。

结构设计时，注意以上条件。