隧道工程课程设计

隧道工程课程设计说明书The structural design of the Tunnel

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专业、班级：道桥班

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设计时间：

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隧道工程课程设计

一．课程设计题目

某高速铁路隧道V 级围岩段衬砌结构设计(设计时速350Km/h,隧道埋深127m ，单洞双线)

二．隧道的建筑限界

隧道的建筑限界

根据《铁路隧道设计规范》TB10003-2005有关条文规定，隧道的建筑限界高度H 取，行车道宽度取2⨯，如图所示 三．隧道的衬砌断面

拟定隧道的衬砌，衬砌材料为C25混凝土，弹性模量Ec=×107kPa ，重度γh=23kN/m3，衬砌厚度取50cm ，如图所示。 四．荷载确定 围岩压力计算

计算围岩竖向均布压力：10.452s q γω-=⨯

式中：s ——围岩类别，此处s=5；

γ——围岩容重，此处γ=22KN/m3；

ω——跨度影响系数

毛洞跨度8.5B m =B =

5,0.1B m i >=，此处1(5)10.1(8.55) 1.35i B ω=+-=+⨯-=

所以有：40.452 1.359.72h m =⨯⨯= 因是松软围岩，故m H 127m 3.24h 5.2p <== 所以此隧道为深埋隧道。

围岩竖向均布压力10.452s q γω-=⨯=×1-52×22×=

围岩水平压力

围岩水平均布压力：()m 106.92)KN/~(64.1550.0~30.0e ==q 取其平均值 m KN q e /54.85=⋅=λ 深埋隧道荷载计算

(1)作用在支护结构上的垂直压力

由于

q p

h H H <<，为便于计算，假定岩土体中形成的破裂面是一条与水平成β角的

斜直线，如图所示。EFGH 岩土体下沉，带动两侧三棱体（图中FDB 和ECA ）下沉，整个岩土体ABDC 下沉时，又要受到未扰动岩土体的阻力；斜直线AC 或BD 是假定的破裂面，分析时考虑内聚力c ，并采用了计算摩擦角c ϕ；另一滑面FH 或EG 则并非破裂面，因此，滑面阻力要小于破裂面的阻力。

该滑面的摩擦系数θ为度。查询铁路隧道设计相关规范，取计算摩擦角0

40c ϕ=。

深埋隧道荷载计算简图

如上图所示，隧道上覆岩体EFGH 的重力为W ，两侧三棱岩体FDB 或ECA 的重力为

1

W ，未扰动岩体整个滑动土体的阻力为F ，当EFHG 下沉，两侧受到阻力T 或'

T ，作用

于HG 面上的垂直压力总值Q 浅

为：

'

22sin Q W T W T =-=-浅(2-4)

其中，三棱体自重为：

112

tan h W h

γβ

=

(2-5)

式中：h 为坑道底部到地面的距离(m)；

β

为破裂面与水平的交角(°)。

由图据正弦定理可得

1sin()sin[90()]

T W βϕβϕθ-=

︒--+

(2-6)

由于GC 、HD 与EG 、EF 相比往往较小，而且衬砌与岩土体之间的摩擦角也不同，当中间土块下滑时，由FH 及EG 面传递，考虑压力稍大些对设计的结构也偏于安全，因此，摩阻力不计隧道部分而只计洞顶部分，在计算中用H 代替h ，有：

tan tan c βϕ=+

(2-7)

tan tan 0.397tan [1tan (tan tan )tan tan ]

c

c c βϕββϕθϕθλ-=+-+=

(2-8)

2

(1tan )218.80/t

t

Q H q H KN m

B B γλθ=

=-

=浅浅 (2-9)

埋深为127m 时，土压力值为m2。 式中： λ——侧压力系数；

t

B ——坑道宽度（m ）；

c ϕ——围岩的计算摩擦角（°）；

q 浅

——作用在支护结构上的均布荷载（kN/m2）。

(2)作用在支护结构两侧的水平侧压力

Ⅴ级围岩荷载分布如下图所示。 作用在支护结构上的均布荷载

五．结构设计计算 计算基本假定

因隧道是一个狭长的建筑物，纵向很长，横向相对尺寸较小。隧道计算取每延米作为计算模型，此类问题可以看作平面应变问题来近似处理。考虑围岩与结构的共同作用，采用荷载结构模型。隧道计算采用荷载结构模式按有限杆单元，采用MIDAS/GTS 进行计算分析。

基本假定：

假定所有衬砌均为小变形弹性梁，把衬砌为离散足够多个等厚度梁单元。 用布置于各节点上的弹簧单元来模拟围岩与初期支护、衬砌的相互约束；假定弹簧不承受拉力，即不计围岩与衬砌间的粘结力；弹簧受压时的反力即为围岩对衬砌的弹性抗力。

假定初期支护与主体结构之间只传递径向压力。

考虑到在非均匀分布的径向荷载作用下，衬砌结构一部分将发生向着围岩方向的变形，而地层具有一定的刚度，会对衬砌结构产生被动的弹性抗力，设计计算时采用

弹性地基梁单元模拟。

内力计算结果

计算荷载基本组合：结构自重＋围岩压力，为了计算保证计算的可靠性，采用MIDAS/GTS进行计算。Midas/GTS计算结果如下：

MIDAS/GTS计算弯矩图

MIDAS/GTS计算轴力图

MIDAS计算内力表

由内力图可知，结构所受弯矩为m，对应轴力为。

V级围岩配筋计算

整个断面存在正负相反方向的弯矩，又弯矩较大，按偏心受压对称配筋和受弯构件配筋分别进行计算。

偏心受压对称配筋

根据Midas计算结果进行结构配筋计算，取弯矩m，对应轴力为最不利截面控制

α=，内力。衬砌混凝土采用C25，钢筋采用HRB335，由混凝土和钢筋等级查表知系数1 1.0