隧道课程设计-公路隧道结构设计与计算

隧道工程课程设计

设计题目：公路隧道结构设计与计算

1课程设计任务书

1.1目的和要求

1、课程设计是《隧道工程》课程教学的重要实践性环节，是使学生熟练掌握隧道设计计算原理和计算方法的重要内容。要求每个学生高度重视，必须认真按时完成。

1.2 时间安排

根据高等学校土木工程专业《隧道工程》课程教学大纲要求：本课程安排一周的课程设计，采取集中进行的方式。按照本学期本课程教学的实际教学情况，对课程设计工作做如下安排：

1、根据教学进度，将课程设计任务布置给学生；

2、学生在学期的第二周内完成课程设计内容；

3、课程设计计算书完成后，在第三周交任课老师

1.3 课程设计题目及资料

1、课程设计题目：公路隧道结构设计与计算

某高速公路隧道（双向四车道，隧道长：250m）通过Ⅲ级围岩，埋深H=20m，隧道围岩天然容重γ=24KN/m3，计算摩擦角ф=45 ,采用钻爆法施工。

要求按高速公路设计速度100km/h 考虑公路隧道建筑限界的横断面：

1) 按公路隧道要求对隧道衬砌进行结构设计（拟定结构尺寸）；

2) 按规范确定该隧道的竖向均布压力和侧向分布压力；

3) 计算衬砌结构的内力（画出弯矩图和轴力图）；

4) 对衬砌结构进行配筋验算。

2、参考资料：

（1）中华人民共和国行业标准《公路隧道设计规范》JTG D70-2004,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》JTG

D62-2004,人民交通出版社，2004年；

（3）夏永旭编著《隧道结构力学计算》，人民交通出版社，2004年；

（4）有关《隧道工程》教材；

（5）有关隧道设计图纸；

（6）公路隧道、世界隧道、岩石力学与工程学报等期刊。

1.4 课程设计做法指导

1、根据题目要求，按照《公路隧道设计规范》JTG D70-2004拟定隧道结构的截面尺寸，包括轮廓线半径和厚度等；

2、按照比例（例如1：100）绘制横断面图；

3、按照04年发布的《公路隧道设计规范》JTG D70-2004确定隧道围岩竖向压力和水平压力；

4、隧道结构内力计算，要求写出计算过程，并画出内力图；

5、每位学生提交的课程设计成果（计算书）：

（1）按上述要求进行的计算过程和计算结果；

（2）按比例绘制的隧道结构设计图纸一张（包括隧道横断面图、断面配筋图、支护设计图）。

2.隧道断面尺寸

2.1隧道建筑限界

根据《公路隧道设计规范》(JTG D-2004)有关条文规定，隧道的建筑限界高度H取5m，行车道宽度取3.75*2m，左侧向宽度L L取0.5m，右侧向宽度L R取1m，检修道宽度J取0.75m，检修道高度d取0.5m，建筑限界顶角宽度E L取0.5m,E R 取1m，如图2-1所示。

图2-1 设计速度为100km/h 的公路隧道建筑限界

2.2 隧道的衬砌断面

根据《公路隧道设计规范》(JTG D-2004)有关条文规定，拟定隧道的衬砌，

衬砌材料为C20混凝土，弹性模量E

h =2.6*107kPa，重度γ

h

=20kN/m3，衬砌厚度

取70cm，如图2-2所示。

3.隧道衬砌结构计算

3.1 基本资料

某一级公路隧道，结构断面如图2-2所示。围岩级别为Ⅲ级，埋深H=20m，

图2-2 隧道结构衬砌断面

隧道围岩天然容重γ=24kN/m 3，计算摩擦角φ=450，衬砌材料为C20混凝土，弹性模量E h =2.6*107kPa ，重度γh =20kN/m 3。

3.2荷载确定

3.2.1. 围岩竖向均布压力 h q =q/γ=0.45×2s -1ω

式中： s —围岩级别，此处s=3； γ—围岩重度，此处γ=24kN/m

3

ω—跨度影响系数，ω=1+i （l m -5），毛洞跨度l m =13+2×0.06=13.12m ， 其中

0.06为一侧平均超挖量，l m =5～15m 时，i=0.1，此处ω=1+0.1⨯（13.12-5）=1.812。 所以有

h q =q/γ=0.45×23-1×1.812=3.2616m

p

q p H H m h H >=⨯==154.82616.35.25.2

故该隧道属于深埋隧道，围岩竖向均布压力

kPa q s 28.78812.1242

45.0245.01

31=⨯⨯⨯=⨯=--γω 此处超挖回填层重度忽略不计。 3.2.2 围岩水平均布压力

侧向压力e ，按均布考虑是，γ其值为 e= 0.25q=0.25⨯78.28=19.57kPa

3.3 衬砌几何要素

3.3.1·衬砌几何尺寸

内轮廓线半径r 1=5.8m ，r 2=8.7m ；

内径r 1、r 2所画圆曲线与竖直轴的夹角φ1=900

，φ2=1070

； 采用等截面衬砌，衬砌厚度d=0.7m ； 外轮廓半径

R 1=r 1+d=5.8+0.70=6.5m R 2=r 2+d=8.7+0.70=9.4m 拱轴线半径

'

1r =r 1+0.5d=5.8+0.35=6.15m '

2r =r 2+0.5d=8.7+0.35=9.05m 拱轴线各段圆弧中心角 1θ=90

2θ=170

3.3.2·半拱线长度S 及分段轴长△S 分段轴线长度

S 1=0

1

180

θπ'1

r =66.915.614.31809000

=⨯⨯m 0

2

2180

S θ=π'2

r =68.205.914.31801700

=⨯⨯m 半拱轴线长度为

S=S 1+S 2=9.66+2.68=12.34m 将半拱轴线等分为8段，每段轴线长为 △S=

m S

54.1834

.128

==

3.3.3各分块接缝中心几何要素 与竖直轴夹角i α

πθα0

'111180⨯

∆=∆=r S =

00

347.1418015.654.1=⨯π

000

0'1

12

694.2818015.654.1347.14180r S =⨯+=⨯∆+=ππαα

001560

1450001340

00123082.86347.14735.71735

.71347.14388.57388.57347.14041.43041.43347.14694.28=+=∆+==+=∆+==+=∆+==+=∆+=θααθααθααθαα