隧道工程课程设计(铁路单洞双线)

隧道工程课程设计姓名：专业班级：学号：指导老师：目录第一章工程概况 (1)1.1 隧道概况 (1)1.2 工程地质及水文地质 (1)1.2.1工程地质 (1)1.2.2 水文地质 (1)第二章隧道深浅埋判定及围岩压力的计算 (2)2.1 深浅埋隧道的判定原则 (2)2.2 围岩压力的计算方法 (2)2.3 Ⅳ级围岩计算 (3)2.3.1 Ⅳ级围岩深浅埋的判定 (3)2.3.2 Ⅳ级围岩压力的计算 (4)2.4 Ⅴ级围岩的计算 (4)2.4.1 Ⅴ级围岩深浅埋判定 (4)2.4.2 Ⅴ级围岩压力的计算 (4)第三章衬砌内力计算与检算 (5)3.1 Ansys的加载求解过程 (5)3.2 衬砌结构强度检算原理 (5)3.3 IV级围岩衬砌内力计算与强度检算 (6)3.4 V级围岩衬砌内力计算与强度检算 (9)第四章衬砌截面配筋计算 (19)4.1 截面配筋原理 (19)4.2 IV级围岩配筋计算 (19)4.3 V级围岩配筋计算 (20)4.3.1 断面1的配筋计算 (20)4.3.2 断面2的配筋计算 (21)第一章 工程概况1.1 隧道概况太中银铁路为客货共线的双线铁路。

线路上一共建有22座隧道，其中王家庄2号隧道位于王家庄东侧，隧道进口地势较陡，此处岩石裸露，进口前方为一冲沟，冲沟内有水，地势狭窄。

出口坡度陡，为黄土覆盖，并有大量植被，出口前方为一冲沟，沟内地势平缓，沟内经过开采，原有地形已改变。

隧道进口里程DK194+082，出口里程DK194+450，全长368m 。

隧道位于半径为5000m 曲线上，隧道内坡度为7.5‰的下坡，最大埋深61.08m 。

隧道进出线间距4.49m ，DK194+340至出口线间距为4.40m 。

1.2 工程地质及水文地质1.2.1工程地质(1) 隧道洞身通过的地层为第四系中更新统洪积层老黄土，奥陶系下统灰白色石灰岩。

地层描述如下：老黄土：稍湿、坚硬状态，具垂直节理;奥陶系下统灰白色石灰岩：强风化～弱风化，节理发育，岩层产状195°∠15°。

(3) 土壤最大冻结深度：1.04m 。

(4) 地震动峰值加速度0.05g ，地震基本烈度VI 度。

1.2.2水文地质隧道洞体内土石界面有地下水。

第二章 隧道深浅埋判定及围岩压力的计算2.1 深浅埋隧道的判定原则深、浅埋隧道分界深度至少应大于坍方的平均高度且有一定余量。

根据经验，这个深度通常为2~2.5倍的坍方平均高度值，即：()q p h H 5.2~2= 式中，p H —深浅埋隧道分界的深度；q h —等效荷载高度值系数2~2.5在松软的围岩中取高限，在较坚硬围岩中取低限。

当隧道覆盖层厚度q h h ≤时为超浅埋，p q H h h <<时为浅埋，p H h ≥时为深埋。

2.2 围岩压力的计算方法(1) 当隧道埋深h 小于或等于等效荷载高度h q （即q h h ≤）时，为超浅埋隧道，围岩压力按全土柱计算。

围岩垂直均布压力为：rh q =式中，r —围岩容重，见表2-1；h —隧道埋置深度。

围岩水平均布压力e 按朗金公式计算⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫⎝⎛+=245tan 21002φt rH q eq p q 般浅埋隧道，围岩压力按谢家休公式计算：围岩垂直均布压力为：⎪⎭⎫ ⎝⎛-==B h rh B Q q θλtan 1 ()[]θφθφββφβλtan tan tan tan tan 1tan tan tan 000+-+-=()θφφφφβtan tan tan 1tantan tan 00020-++=式中，B —坑道跨度；r —围岩的容度； h —洞顶覆土厚度；θ—岩体两侧摩擦角，见表2-1； λ—侧压力系数；0φ—围岩计算摩擦角，见表2-1；β—产生最大推力时的破裂角； 围岩水平压力按下式计算： 隧道顶部水平压力： λrh e =1 隧道底部水平压力： λrH e =2(3) 当隧道埋深h 大于或等于深浅埋分界深度H p （即p H h ≥）时，为深埋隧道，围岩压力按自然拱内岩体重量计算：单线铁路隧道按概率极限状态设计时的垂直压力为：r rh q s q ⨯⨯==79.141.0单线、双线及多线铁路隧道按破坏阶段设计时垂直压力为：rw rh q s q ⨯⨯==-1245.0式中，h q —等效荷载高度值；s —围岩级别，如级围岩s =3； r —围岩的容重w —宽度影响系数，其值为：()51-+=B i w其中，B —坑道宽度；i —B 每增加1m 时，围岩压力的增减率（以B =5m 为基准），当B <5m 时，取i =0.2，B >5m 时，取i =0.1。

围岩的水平均布压力e 按表2-2计算求得。

2.3 Ⅳ级围岩计算2.3.1 Ⅳ级围岩深浅埋的判定偏于安全考虑，取隧道开挖最大轮廓尺寸进行围岩压力的计算。

开挖轮廓：B =13.44m ，t H =11.81m等效荷载高度：()[]m w h s q 64.6544.131.01245.0245.031=-⨯+⨯⨯=⨯⨯=- 深浅埋分界深度：()()m 60.1628.135.22-=-=q p h H由于围岩为Ⅳ级，极为软弱破碎且节理发育，故深浅埋分界深度取为m h H q p 60.165.2==。

由隧道纵断面图可知，Ⅳ级围岩中，隧道的最小埋深m H m h p 60.1618.30=>=，故处于Ⅳ级围岩的隧道均为深埋隧道。

2.3.2 Ⅳ级围岩压力的计算根据《铁路隧道设计规范》推荐的方法：垂直均布松动压力：()[]23/05.146544.131.01245.022m kN rh q q =-⨯+⨯⨯⨯== 水平均布松动压力：2/21.2905.1462.02.0m kN q e =⨯==2.4 Ⅴ级围岩的计算2.4.1 Ⅴ级围岩深浅埋判定隧道开挖最大轮廓尺寸：B =13.84m ，t H =12.42m等效荷载高度：()[]m w h s q 56.13584.131.01245.0245.041=-⨯+⨯⨯=⨯⨯=- 深浅埋分界深度：()()m h H q p 9.3312.275.22-=-=由于围岩为Ⅴ级，岩体软弱破碎、节理发育、强-弱风化且含地下水，故取m H p 9.33=。

由隧道纵断面图知，处于Ⅴ级围岩的隧道最小埋深0m ，最大埋深m H m h p 9.3383.32=<=，故Ⅴ级围岩中的隧道可分为超浅埋和一般浅埋隧道。

2.4.2 Ⅴ级围岩压力的计算(1) 对于埋深q h h ≤的超浅埋隧道，衬砌统一按超浅埋段隧道的最大埋深m h h q 56.13==处的围岩压力进行设计和检算。

超浅埋隧道垂直松动压力按全土柱计算：垂直均布松动压力：2/08.24456.1318m kN rh q =⨯== 水平松动压力：隧道顶部20020021/88.4124545tan 08.244245tan m kN q e =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=φ 隧道底部()()20020022/23.8024545tan 42.121808.244245tan m kN rH q e t =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯⨯+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=φ (2) 对于埋深p q H h h <<的一般浅埋隧道，衬砌统一按照一般浅埋段隧道的最大埋深m h 83.32=处的围岩压力进行设计和检算。

一般浅埋隧道围岩压力按谢家休公式计算：对于Ⅴ级围岩，计算摩擦角510.0tan 1tan 276.04500000=====θφφθφ，，则， ()()020.3510.011111tan tan tan 1tantan tan 00020=-⨯++=-++=θφφφφβ()[]224.0tan tan tan tan tan 1tan tan tan 000=+-+-=θφθφββφβλ垂直均布松动压力：2/80.430tan 1m kN Bh rh q =⎪⎭⎫ ⎝⎛-=θλ水平松动压力：隧道顶部：21/37.132224.083.3218m kN rh e =⨯⨯==λ 隧道底部：22/45.182224.025.4518m kN rH e =⨯⨯==λ第三章 衬砌内力计算与检算3.1 Ansys 的加载求解过程在衬砌内力计算中，首先拟定衬砌结构厚度及参数值，然后再Ansys 程序中建立模型并添加约束，进行加载，最后求得各单元内力值。

Ansys 加载求衬砌内力过程：（1）进入前处理，定义单元类型、材料属性、实常数。

（2）建模：建立关键点，连接关键点生成二衬轴线 （3）设置线单元属性，划分单元 （4）施加水平、竖向弹簧支撑 （5）施加边界条件（6）施加围岩压力，与重力加速度 （7）求解（8）进入后处理，定义轴力、弯矩单元表，显示轴力、弯矩图3.2 衬砌结构强度检算原理隧道衬砌为双线复合衬砌，参照《铁路隧道设计规范》按破损阶段法及容许应力法检算隧道结构截面。

隧道结构截面抗压强度按下式计算：bh R KN a ϕα≤式中，K —安全系数，见表3-1；N —轴向力（MN ）；R a —混凝土或砌体的抗压极限强度（Mpa ），见表3-2； ϕ—构件纵向弯曲系数，对于隧道衬砌，可取ϕ=1.0 b —截面宽度； h —截面厚度；α—轴向力偏心影响系数，查规范可得，计算公式如下：()()()30200/444.15/569.12/648.0000.1h e h e h e +-+=α 且α≤1.000表3-2 混凝土的极限强度（Mpa ）强度种类 符号 混凝土强度等级C15 C20 C25 C30 C40C50 抗 压 R a 12.0 15.5 19.0 22.5 29.5 36.5 弯曲抗压 R w 15.0 19.4 24.2 28.1 36.9 45.6 抗 拉R 11.4 1.72.0 2.22.73.1注：1 片石混凝土的抗压极限强度可采用表中数据；2 表中弯曲抗压极限强度R w =1.25R a 换算。

从抗裂要求出发，混凝土矩形截面偏心受压构件的抗拉强度按下式计算：1/675.101-≤h e bhR KN ϕ式中，R 1—混凝土的抗拉极限强度；e 0—检算截面偏心距； 其他符号同前。

对混凝土矩形构件，按《铁路隧道设计规范》规定的安全系数及材料强度竖直计算结果表明，当e 0≤0.2h 时，有抗压强度控制承载能力，不必检算抗裂；当e 0＞0.2h 时，由抗拉强度控制承载能力，不必检算抗压。

3.3 IV 级围岩衬砌内力计算与强度检算IV 级围岩中的隧道都为深埋隧道，取如下断面衬砌进行强度的检算。

图3-1 IV 级围岩隧道断面衬砌图表3-3 断面1的衬砌结构及围岩参数表结构及围岩容重(kN/m3) 弹性抗力系数(Mpa/m)弹性模量（Gpa）泊松比C25混凝土23 —29.5 0.2 IV级围岩22 350 ——利用ansys求解，得到衬砌的变形图、弯矩图及轴力图如下：图3-2 IV级围岩变形图图3-3 IV级围岩弯矩图图3-4 IV级围岩轴力图表3-4 IV级围岩所有点的内力计算及强度检算结果节点弯矩轴力高h 偏心距e0轴力偏心影响系数α抗压抗裂强度检算1 3.33E+03 -5.62E+05 0.5 5.92E-03 1.00E+00 12 1.35E+03 -5.63E+05 0.5 2.40E-03 1.00E+00 13 -4.75E+03 -5.64E+05 0.5 8.43E-03 1.00E+00 14 -1.52E+04 -5.66E+05 0.5 2.69E-02 1.00E+00 15 -2.96E+04 -5.71E+05 0.5 5.18E-02 9.49E-01 16 -4.53E+04 -5.81E+05 0.5 7.80E-02 8.54E-01 17 -5.62E+04 -6.00E+05 0.5 9.37E-02 7.82E-01 18 -5.10E+04 -6.33E+05 0.5 8.05E-02 8.43E-01 19 -1.29E+04 -6.94E+05 0.5 1.86E-02 1.00E+00 110 1.08E+04 -7.67E+05 0.4 1.41E-02 1.00E+00 111 2.97E+04 -8.44E+05 0.4 3.52E-02 9.70E-01 112 3.83E+04 -9.09E+05 0.4 4.22E-02 9.47E-01 113 2.73E+04 -9.59E+05 0.4 2.85E-02 9.88E-01 114 9.47E+03 -1.00E+06 0.4 9.47E-03 1.00E+00 115 3.16E+03 -1.03E+06 0.4 3.07E-03 1.00E+00 116 2.36E+03 -1.05E+06 0.4 2.26E-03 1.00E+00 117 2.31E+03 -1.04E+06 0.4 2.21E-03 1.00E+00 118 4.15E+02 -1.04E+06 0.4 4.00E-04 1.00E+00 119 -4.09E+03 -1.03E+06 0.4 3.96E-03 1.00E+00 120 -1.13E+04 -1.03E+06 0.4 1.10E-02 1.00E+00 121 -1.98E+04 -1.03E+06 0.4 1.93E-02 1.00E+00 122 -2.55E+04 -1.03E+06 0.4 2.47E-02 9.96E-01 123 -2.10E+04 -1.05E+06 0.4 2.00E-02 1.00E+00 124 3.18E+03 -1.09E+06 0.4 2.92E-03 1.00E+00 1强度验算：1—抗压合格2—抗压不合格3—抗拉合格4—抗拉不合格3.4 V级围岩衬砌内力计算与强度检算(1) 超浅埋与一般浅埋分界里程处隧道断面1的衬砌强度检算图3-5 隧道断面1衬砌图表3-5 断面1的衬砌结构及围岩参数表结构及围岩容重(kN/m3) 弹性抗力系数(Mpa/m)弹性模量（Gpa）泊松比C30混凝土25 —31 0.2 IV级围岩22 150 ——利用ansys求解，得到衬砌的变形图、弯矩图及轴力图如下：图3-6 断面1变形图图3-7 断面1弯矩图图3-8 断面1轴力图70 -6.98E+04 -1.15E+06 0.6 6.05E-02 9.53E-01 1强度验算：1—抗压合格2—抗压不合格3—抗拉合格4—抗拉不合格(2) 一般浅埋段最大埋深里程处隧道断面2的衬砌强度检算图3-9 隧道断面2衬砌图利用ansys求解，得到衬砌的变形图、弯矩图及轴力图如下：图3-10 断面2衬砌变形图图3-11 断面2衬砌弯矩图图3-12 断面2衬砌轴力图强度验算：1—抗压合格2—抗压不合格3—抗拉合格4—抗拉不合格第四章 衬砌截面配筋计算4.1 截面配筋原理参见《铁路隧道设计规范》中对钢筋混凝土矩形截面强度的计算公式，对检算未通过截面进行对称配筋设计。