隧道结构设计检算

第3章隧道结构设计检算

3.1 隧道结构设计检算方法

隧道结构的设计检算包括对初期支护和二次衬砌的设计检算，本章只介绍对二次衬砌的设计检算，初期支护由工程类比法确定，不对其进行检算。二次衬砌的设计检算采用荷载-结构模型，将全部荷载施加到衬砌结构上，根据求得的衬砌内力对已拟定配筋的衬砌进行检算，并对检算未通过的衬砌调整截面配筋，直到检算通过为止。整个设计检算过程如下：

(1)由隧道的纵断面图，确定隧道的围岩级别及相应埋深；

(2)根据围岩级别和衬砌内轮廓尺寸，由工程类比法初步拟定隧道的支护和衬砌参数，绘制复合式衬砌断面图；

(3)由《铁路隧道设计规范》，计算围岩压力并确定典型计算断面；

(4)采用荷载-结构模型，利用ANSYS建模进行衬砌内力的计算；

(5)由计算求得的弯矩、轴力进行衬砌结构配筋的检算。

3.2 隧道衬砌荷载计算

3.2.1 各级围岩段基本情况

根据大瑶山隧道的纵断面图，可得该隧道的围岩级别及长度、隧道埋深等数据，见表3-1所示：

表3-1 大瑶山隧道各围岩段情况

围岩级别长度（m）隧道埋深（m）Ⅱ320 281.60～363.74

Ⅲ7425 26.06～650.00

Ⅳ1880 7.24～554.28

Ⅴ703 0～27.63 大瑶山隧道为时速250km/h的客专双线铁路隧道，设计所给的建筑限界及衬砌内轮廓是相同的，但由于隧道所处围岩级别的不同，其采用的复合式衬砌的形式和厚度也会有所不同，从而导致各围岩段隧道开挖轮廓线的不同。各级围岩段隧道的开挖净高和净宽初步拟定见表3-2所示。

表3-2 隧道开挖净高和净宽

围岩级别开挖净高(m) 开挖净宽(m)

Ⅳ 12.13 14.42 Ⅴ

12.48

14.62

3.2.2 荷载计算方法

(1)隧道深浅埋的判定原则

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= (3-1)

式中，p H ――深浅埋隧道分界的深度(m)； q h ――等效荷载高度值(m)；

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)当隧道埋深h 小于或等于等效荷载高度h q （q h h ≤）时，为超浅埋隧道，围岩压力按隧道顶部全土柱重量计算。

围岩垂直均布松动压力为：

h q γ= (3-2)

式中，γ――围岩容重(kN/m 3)，见表3-3； h ――隧道埋置深度(m)； 围岩水平压力e 按朗金公式计算：

隧道顶部水平压力： ⎪⎭⎫ ⎝⎛

-=245tan 0021φq e (3-3a)

隧道底部水平压力： ()⎪⎭⎫ ⎝

⎛

-+=245tan 0022φγt H q e (3-3b)

表3-3 围岩压力相关计算参数取值

围岩级别 容重

γ(kN/m 3) 弹性反力系数 K (MPa/m)

岩体两侧摩擦系角

θ(°

) 计算摩擦角

0φ(°)

IV 21.5 350 0.80φ 55 V

18.5

150

0.60φ

45

(3)当隧道埋深h 大于等效荷载高度h q 且小于深浅埋分界深度（p q H h h <<）时，为一般浅埋隧道，围岩压力按谢家烋公式计算：

围岩垂直均布松动压力为：

⎪⎭

⎫ ⎝⎛-==

B h h B Q q θλγtan 1 (3-4) ()[]

θφθφββφβλtan tan tan tan tan 1tan tan tan 000

+-+-=

(3-5)

()θ

φφφφβtan tan tan 1tan

tan tan 00

02

0-++

= (3-6)

式中，B ――坑道跨度(m)；

γ――围岩的容度(kN/m 3)； h ――洞顶覆土厚度(m)； θ――岩体两侧摩擦角(°

)，见表3； λ――侧压力系数；

0φ――围岩计算摩擦角(°)，见表3； β――产生最大推力时的破裂角(°

)； t H ――隧道开挖高度(m)。

围岩水平压力按梯形分布，由下式确定：

隧道顶部水平压力： λγh e =1 (3-7a) 隧道底部水平压力： ()λγt H h e +=2 (3-7b) (4)当隧道埋深h 大于或等于深浅埋分界深度H p （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、双线及多线铁路隧道按破坏阶段设计，垂直均布压力为：

γωγ⨯⨯==-1245.0S q h q (3-8)

式中，q h ――等效荷载高度值(m)；

S ――围岩级别，如III 级围岩3=S ； γ――围岩的容重(kN/m 3)；

ω――宽度影响系数，其值为：

()51-+=B i ω (3-9)

式中，B ――坑道宽度(m)；

i ――B 每增加1m 时，围岩压力的增减率(以5=B m 为基准)，当B <5m

时，取2.0=i ，B >5m 时，取1.0=i 。

围岩的水平均布松动压力按表3-4计算求得。

表3-4 围岩水平均布压力

围岩级别 IV V 水平均布压力

0.2q

0.2q

3.2.3 各围岩段荷载计算

3.2.3.1 Ⅳ级围岩压力的计算

(1)隧道深浅埋的判定

Ⅳ级围岩的开挖轮廓尺寸：B =14.42m ，t H =12.13m

等效荷载高度：()[]m 7542.141.01245.0245.031=-⨯+⨯⨯=⨯⨯=-w h S q 深浅埋分界深度：()()m 5.17145.22-=-=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 5.175.2==q p h H 。

由隧道纵断面图可知，Ⅳ级围岩中，隧道的最小埋深h=7.24m ，故处于Ⅳ级围岩的隧道当p q H h h <<时为浅埋，当p H h ≥时为深埋。。

(2)Ⅳ级围岩压力的计算

①对于埋深p q H h h <<的一般浅埋隧道，选取里程DK1908+060～DK1908+120，取里程为DK1908+94.8处，即一般浅埋段隧道最大埋深

m 5.17==p H h 处的围岩压力进行计算。

一般浅埋隧道围岩压力按谢家烋公式计算： 对于Ⅳ级围岩，计算摩擦角

428.1tan ，则448.0，5500000====φφθφ，tan 0.966θ=

0tan tan 3.065β=ϕ=

()0

00tan tan 0.1407tan 1tan tan tan tan tan β-ϕλ=

=β+βϕ-θ+ϕθ⎡⎤⎣⎦

垂直均布松动压力：