1、土木工程学院 2011 级道桥系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作 者 姓 名： 专业、班级 ： 道桥 班 学 号 ： 指 导 教 师： 设 计 时 间： 土木工程学院 2011 级道桥系隧道工程课程设计目录一课程设计题目 .1二隧道的建筑限界 .1三隧道的衬砌断面 .1四荷载确定 .24.1 围岩压力计算 .24.2 围岩水平压力 34.3 深埋隧道荷载计算 3五结构设计计算 .45.1 计算基本假定 45.2 内力计算结果 55.3 V 级围岩配筋计算 65.4 偏心受压对称配筋 75.5 受弯构件配筋 85.6
2、箍筋配筋计算 85.7 强度验算 85.8 最小配筋率验算： .10六辅助施工措施设计 106.1 双侧壁导坑施工方法 .106.2 开挖方法 .106.3 施工工序 .11土木工程学院 2011 级道桥系隧道工程课程设计0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)2隧道的建筑限界2.1 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6.55m，行车道宽度取 4.25 m，如图所示2土木工程学院 2011 级道桥系隧道工程课程设计1三隧道的衬砌断面拟定隧道
3、的衬砌，衬砌材料为 C25 混凝土，弹性模量 Ec=2.95107kPa，重度h=23kN/m3，衬砌厚度取 50cm，如图所示。四荷载确定4.1 围岩压力计算计算围岩竖向均布压力： 10.452sq式中：s围岩类别，此处 s=5；围岩容重，此处 =22KN/m3；跨度影响系数1(5)iB毛洞跨度 =8.5m8.m土木工程学院 2011 级道桥系隧道工程课程设计2，此处5,0.1Bmi(5)10.(85)1.3iB所以有： 因是松软围岩，故 42.39.72hm mH1273.4h5.2p所以此隧道为深埋隧道。围岩竖向均布压力 =0.45 221.35=213.84KN.sq1-54.2 围岩
4、水平压力围岩水平均布压力： m106.92)KN/(4.50.3.eq取其平均值 mKNq/584.3 深埋隧道荷载计算 (1)作用在支护结构上的垂直压力由于 ，为便于计算，假定岩土体中形成的破裂面是一条与水平成 角的斜直qphH 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 ；另一滑面 FH 或 EG 则并非破裂面，因此，滑面阻力要c小于破裂面的阻力。该滑面的摩擦系数 为 36.5 度。查询铁路隧道设计相关规范，取计算
5、摩擦角 。04c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 ，两侧三棱岩体 FDB 或 ECA 的重力为 ，W1W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 或 ，作用于 HG 面上T的垂直压力总值 为：Q浅(2-4)2sinQT浅其中，三棱体自重为：土木工程学院 2011 级道桥系隧道工程课程设计3(2-5)12tanhW式中： 为坑道底部到地面的距离(m)；h为破裂面与水平的交角()。由图据正弦定理可得(2-6)1sin()90TW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
6、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：(2-7)2(tan1)ttantccc(2-8)tt 0.397tan1(an)tanccc(2-9)2(t)218./tQHqKNmB浅浅埋深为 127m 时，土压力值为 1384.3KN/m2。式中： 侧压力系数；坑道宽度（ m） ；tB围岩的计算摩擦角（） ；c作用在支护结构上的均布荷载（kN/m2） 。q浅(2)作用在支护结构两侧的水平侧压力KN46.5372.95.0h2.e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土木工程学院 2011 级道桥系
7、隧道工程课程设计4五结构设计计算5.1 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
8、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。5.2 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 计算弯矩图土木工程学院 2011 级道桥系隧道工程课程设计5MIDAS/GTS 计算轴力图土木工程学院 2011 级道桥系隧道工程课程设计6MIDAS 计算内力表 5.1名称 轴力（KN） 剪力(KN) 弯矩(KN*m)1 -2340.162 4.683 51.9812 -2340.263 -2.
9、779 51.9813 -1624.809 -186.971 -34.4124 -1580.398 -185.861 33.3395 -1437.516 -10.739 293.8436 -1434.129 99.214 293.8437 -2331.265 -23.050 67.7318 -2337.056 8.644 61.4779 -2339.056 9.460 55.58210 -2334.536 -14.017 66.954由内力图可知，结构所受弯矩为 293.843KNm，对应轴力为-1437.516KN。5.3 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
10、受压对称配筋和受弯构件配筋分别进行计算。土木工程学院 2011 级道桥系隧道工程课程设计75.4 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 293.843KNm，对应轴力-1437.516KN为最不利截面控制内力。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 ， ，界限受压区高度 。按双面对称配筋进行计算。1.0.80.5b22/,13/,3ct yfNmfNmfMPa有效高度： 0540h偏心距： 9.8*1372.46Me附加偏心距： 2a初始偏心距： 0.iaem修正系数： ，取 。1.510.51739.0437.6cfAN1.
11、0， 所以取02.lh2偏心距增大系数： 2 201101+1=.05724.54ileh，所以可先按大偏心受压情况计0.572.5.679.3iehm算。 .245.6792isha1437.51.60cNxmfb，故假定按照大偏心受压是正确的。0.9.5bh钢筋截面面积: 1022.3csysxNefhAma 最小配筋截面面积： ，故按最小配筋率配筋，mini0.14509sb土木工程学院 2011 级道桥系隧道工程课程设计8选取 3 20 的级钢筋，实际配筋面积为 。294sAm实 际5.5 受弯构件配筋计算配筋过程 62 21093.8410.45scMafbh，满足要求.57.s-.
12、-1=092s故： 62023.8415.m5sysMAfh选用 6 22 的级钢筋，实际配筋面积为 。8sA实5.6 箍筋配筋计算对于箍筋， ，因此只需按照构造配箍，选用 12200（纵0maxmax.7186.9,4.21RbhQKNQ方向）和 10250（横断面） 。5.7 强度验算为了保证衬砌结构强度的安全性，需要在算出结构内力之后进行强度验算。目前我国国内公路隧道设计规范规定，隧道衬砌和明洞按破坏阶段验算构件截面强度。即根据混凝土和石砌材料的极限强度，计算出偏心受压构件的极限承载力，与构件实际内力相比较，计算出截面的抗压（或抗拉）强度安全系数 K。检查是否满足规范所要求的数值，即：j
13、xgfN式中： 截面的极限承载能力；jxN截面的实际内力（轴向力） ；规范所规定的强度安全系数。gfK当 时，由抗压强度控制 ，hMe2.0土木工程学院 2011 级道桥系隧道工程课程设计9jxaNRbh当 时，截面由抗拉强度控制，即 ：hMe2.01.756lehjx其中： 构件纵向系数，隧道衬砌取 1；混凝土极限抗压强度；aR混凝土极限抗拉强度；l轴力的偏心影响系数，按以下经验公式确定 ：he5.1截面宽度，取 1m；b截面厚度；h钢筋混凝土结构的强度安全系数在计算永久荷载加基本可变荷载时取 2.0（受压）或2.4（受拉） 。在计算安全系数时，弯矩和轴力只取大小，即全是正值。表 5.2 V
14、 级围岩大变形地段安全系数计算表弯矩 轴力 偏心距 极限承载力名称 (KNm) (N) （m ） (N)安全系数是否安全1 51.981 -2340.162 0.0587 5356363 9.58702 是2 51.981 -2340.263 0.478 246446 3.21670 是3 -34.412 -1624.809 0.013 85367433.4 17.7442 是4 33.339 -1580.398 0.2755 2743531 3.02662 是5 293.843 -1437.516 0.145 6745322.6 7.15745 是6 293.843 -1434.129 0.
15、0333 3032654 6.32212 是5.8 最小配筋率验算：取 ，有 满足规范要求.50sam9420.29%105sAbha六辅助施工措施设计双侧壁导坑法土木工程学院 2011 级道桥系隧道工程课程设计10采用双侧壁导坑法进行开挖，双侧壁导坑法是将隧道断面分成左右两个侧壁导坑和上下台阶四大部分开挖。6.1 双侧壁导坑施工方法双侧壁导坑法又称眼睛工法，在软弱围岩中，当隧道跨度更大或因环境要求，对地表沉陷需严格控制时，可考虑采用双侧壁导坑法。现场实测表明，双侧壁导坑法所引起的地表沉陷仅为断台阶法的 1|2。导坑尺寸拟定的原则同前，但原则不宜超过断面最大宽度的三分之一。左右侧壁导坑应错开开
16、挖，以避免在同一断面上同时开挖而不利于围岩稳定，错开的距离根据后行导坑引起的围岩应力重分布不影响已成导坑的原则确定，亦可工程类比之，一般去 7-10m。6.2 开挖方法双侧壁导坑法虽然开挖断面分块多一点，对围岩的扰动次数增加，且初期支护全断面闭合的时间延长，但每个分块都是在开挖之后立即闭合对的，所以在施工期间变形几乎不发展。该施工方法安全，但进度慢，成本高。双侧壁导坑预留核心土法施工工序图土木工程学院 2011 级道桥系隧道工程课程设计116.3 施工工序开挖一侧导坑，及时将初期围护闭合。相隔一段距离后开挖另一侧导坑，将初期围护闭合。开挖上部核心土，施做拱部初期支护，拱脚支承在两侧壁导坑的初期
17、支护上。开挖下台阶，施做底部的初期支护，是初期支护全断面闭合。拆除导坑临空部分的初期支护。待隧道周边变形基本稳定后，施做二次模注混凝土衬砌。6.4 裂缝宽度验算经验算所有的裂缝宽度均满足公路隧道设计规范 （JTG D70-2004）要求。主要参考文献：1JTG D70-2004. 公路隧道设计规范.北京: 人民交通出版社, 20042 钱东升.公路隧道施工技术. 北京：人民交通出版社，20033 黄成光.公路隧道施工. 北京：人民交通出版社，20014 朱汉华，尚岳全.公路隧道设计与施工新法. 北京：人民交通出版社，2002 5 朱永权，宋玉香.隧道工程.北京：中国铁道出版社，2007 6 黄成光.隧道工程.北京：人民交通出版社，20087 章元爱.TBM 隧道围岩稳定和支护结构受力特性研究.北京:铁道科学研究院，20068 戴旭光.新奥法在软弱围岩隧道施工中的应用. 浙江水利科技，20089 朱汉华 ，杨建辉 ，尚岳全.隧道新奥法原理与发展.隧道建设，2008土木工程学院 2011 级道桥系隧道工程课程设计1210 张洋.隧道工程软弱围岩大变形控制体系研究.成都：西南交通大学，2006
