1、兰州交通大学课程设计1目录一 基本资料 2二 曲线隧道净加宽值 22.1加宽原因 22.2加宽值的计算 3三 双线曲墙式衬砌的内轮廓线 4四. 衬砌结构的设计及检算 44.1 衬砌结构的设计 44.1.1 一般规定 54.1.2 衬砌设计 54.2 衬砌结构的检算 54.2.1 衬砌结构的设计 54.2.2 结构的理想化 74.2.3 衬砌内力的计算 94.2.4 衬砌截面的强度检算 12兰州交通大学课程设计2一 基本资料计算以下条件的曲线隧道净空加宽值，并画出双线曲墙式衬砌的内轮廓线，标注详细尺寸。设计该隧道的初期支护及二次衬砌的支护参数，并采用弹性链杆法检算支护强度是否满足隧道设计规范的要
2、求。双线隧道；电力牵引；行车速度 V=150km/h；曲线半径为学号最后三位数的 100 倍，即 R=2400m。围岩级别为级二 曲线隧道净加宽值2.1 加宽原因 车辆通过曲线时，转向架中心点沿线路运行，而车辆本身却不能随线路弯曲仍保持其矩形形状。故其两端向曲线外侧偏移（d 外 ） ，中间向曲线内侧偏移（d 内 1） 。由于曲线外轨超高，车辆向曲线内侧倾斜，使车辆限界上的控制点在水平方向上向内移动了一个兰州交通大学课程设计3距离（d 内 2） 。 2.2加宽值的计算（1）双线曲线隧道加宽值的计算 车辆中间部分向曲线内侧的偏移 d 内 1= l2/8R车辆两端向曲线外侧的偏移 d 外 =(L2-
3、 l2) /8R外轨超高使车体向曲线内侧倾移d 内 2= HE/150=2.7E =0.76*150*150/2400=7.125 =0.762式中 l车辆转向架中心距，可取 18m；L标准车辆长度，我国为 26m；R曲线半径（m） ；H隧道限界控制点自轨面起的高度；E曲线外轨超高值，其最大值不超过 15。（2）双线曲线隧道加宽值的计算双线曲线隧道的内侧加宽值 W1 及外侧加宽值 W2 与单线曲线隧道加宽值的计算相同。即内侧加宽 W1= d 内 1+ d 内 2= 4050/R+2.7E=4050/240+2.7*7.125=20.93（）兰州交通大学课程设计4外侧加宽 W2= d 外 = 4
4、400/ R=4400/2400=1.83（）内外侧线路中线间的加宽值 W3 按以下两种情况计算： 当外侧线路的外轨超高大于内侧线路的外轨超 W3=8450/ R+ 1.2E=8450/2400+1.2*7.125=12.07（）总加宽 W= W1+ W2+ W3 =20.93+1.83+12.07=34.83（ ）（3）曲线隧道中线与线路中线偏移距离曲线隧道内外侧加宽值不同（内侧加宽大于外侧加宽） ，断面加宽后，双线曲线隧道内侧线路中线至隧道中线的距离 d1=200（W 1W 2W 3）/2=200-(20.93-1.83-12.07)/2=196.485（） ，双线曲线隧道外侧线路中线至隧
5、道中线的距离 d2=200+（W 1W 2+ W3）/2=200+(20.93-1.83+12.07)/2=215.585（ ） 三 双线曲墙式衬砌的内轮廓线见附录 T-1四. 衬砌结构的设计及检算4.1 衬砌结构的设计隧道在一般情况下应做衬砌，其结构的型式及尺寸，可根据围岩级别、水文地质条件、埋置深度、结构工作特点，结合施工条件等，通过工程类比和结构计算确定，必要时，还应经过试验论证。隧道衬砌类型主要有以下几种：整体式模筑混凝土衬砌、装配式衬砌、喷锚支护及复合式衬砌。4.1.1 一般规定(1)隧道一般可采用整体式衬砌或复合式衬砌；在 III 级围岩短隧道中，可采用喷锚衬砌。(2)不设仰拱的隧
6、道应做底板，单线隧道其厚度不应小于 20cm。 1(3)位于曲线地段的隧道其断面要加宽。(4)衬砌拱圈可设计为等截面或边截面形式；IVVI 级围岩地段，应采用曲墙有仰拱衬砌。兰州交通大学课程设计5(5)最冷月平均气温低于-15 的地区，应根据情况设置变缝。4.1.2 衬砌设计由于隧道围岩级别为 V 级，根据铁路工程设计技术手册 隧道的相关规定，拟采用喷锚支护，复合式衬砌。初期支护时，对于 V 级围岩打入 3.0m 长的锚杆，在围岩破碎段铺设钢筋网，然后喷混凝土；二次衬砌采用全液压衬砌台车浇筑而成，厚度40cm。详细衬砌支护参数如表 4.1 所示。V 级围岩隧道衬砌结构横断面细部尺寸参照复合式衬
7、砌断面标准图来拟定，衬砌结构横断面图分别见附录一。4.2 衬砌结构的检算4.2.1 衬砌结构的设计隧道衬砌结构根据结构力学方法(荷载-结构模型)，假设衬砌结构与围岩全面、紧密地接触，采用主动荷载加被动荷载(弹性抗力)模式，按照弹性链杆法原理来计算衬砌结构的内力。表 4.1 双线隧道复合式衬砌支护参数 1初期支护喷混凝土 锚杆二次衬砌厚度(cm)围岩级别预留变形量(cm)位置 厚度(cm) 位置 长度 (m) 间距 (m) 拱墙 仰拱V 7 拱、墙、仰拱 16 拱、墙 3.0 1.0 35 404.2.2 围岩压力的确定(1)围岩压力确定公式采用容许应力法，计算单线深埋隧道衬砌时，围岩压力按松散
8、压力考虑，其水平均布压力的作用标准值可按垂直均布压力公式及表 4.2 确定。1)垂直匀布压力式(4.1)q= h式(4.2)1s0.452式中 围岩垂直均布压力( )；qkPa围岩重度( )； 3N/m围岩压力计算高度( )；h兰州交通大学课程设计6围岩级别；s宽度影响系数， ； 51Bi坑道宽度。B2)水平匀布压力表 4.2 围岩水平匀布压力 8围岩级别 I II III IV V VI水平匀布压力 0 5m,取 i0.1 ， ，4.1.91)5(1） （BiPahqs 20543.264.0245.0水平均布围岩压力： Kqe68.故可作出 V 级围岩衬砌断面受力图如 4.1 所示。兰州交
9、通大学课程设计7图 4.1 V 级围岩衬砌受力图4.2.2 结构的理想化(1)衬砌结构的理想化隧道衬砌是实体拱式结构，轴力和弯矩是主要内力，可将其离散化为一些同时承受弯矩、剪力和轴力的偏心受压等直杆单元所组成的折线形组合体。由铁路隧道设计规范可知，双线电气化铁路在进行节点化分时，要不少于 16 个单元，在本设计中，把衬砌划分为 28 个单元，节点数为 29，隧道衬砌单元划分如图 4.2 所示。兰州交通大学课程设计8123456789102314561789201234526789图 4.2 隧道衬砌单元划分示意图(2)围岩的理想化将弹性抗力作用范围内的连续围岩，离散为若干条彼此互不相关的矩形岩
10、柱，岩柱具有弹性地基的性质，采用局部变形理论的温克尔假定，把每个岩柱理想化为一个刚性支座上的弹性链杆支承于衬砌单元的节点上，它可以轴力的方式把岩柱的作用体现出来。弹性支承的设置方向应按照衬砌与围岩的接触状态来确定，本文为了简化计算，将弹性支承水平设置。围岩的理想化如图 4.3 所示。123456789102314561789201234526729图 4.3 围岩的理想化4.2.3 衬砌内力的计算按照弹性链杆法的基本原理进行衬砌结构的内力计算。本文利用给定的杆系有限元分析程序计算衬砌结构的内力。对 V 级围岩衬砌进行内力检算，在检算中，将初衬和二衬合并考虑，共同承受荷载的 100%。V 级围岩
11、数据输入：29,23,2.5e7,58.97,147.42,1.5e5,1.5e5,1.042.5563,8.4778,1,0,1,1,1.042.6364,7.7654,1,1,1,1,0.93兰州交通大学课程设计92.7165,7.0531,1,1,1,1,0.792.7965,6.3407,1,1,1,1,0.632.8766,5.6284,1,1,1,1,0.592.9380,4.9143,1,1,1,1,0.592.9471,4.1977,1,1,1,1,0.592.9031,3.4824,1,1,1,1,0.592.8062,2.7723,1,1,1,1,0.592.6354,2.
12、0771,1,1,1,1,0.592.3320,1.4290,0,1,1,1,0.591.9042,0.8553,0,1,1,1,0.591.3589,0.3935,0,1,1,1,0.590.7074,0.1003,0,1,1,1,0.59-0.0000,0.0000,0,1,1,1,0.59-0.7074,0.1003,0,1,1,1,0.59-1.3589,0.3935,0,1,1,1,0.59-1.9042,0.8553,0,1,1,1,0.59-2.3320,1.4290,0,1,1,1,0.59-2.6354,2.0771,1,1,1,1,0.59-2.8062,2.7723,1,
13、1,1,1,0.59-2.9031,3.4824,1,1,1,1,0.59-2.9471,4.1977,1,1,1,1,0.59-2.9380,4.9143,1,1,1,1,0.59-2.8766,5.6284,1,1,1,1,0.59-2.7965,6.3407,1,1,1,1,0.63-2.7165,7.0531,1,1,1,1,0.79-2.6364,7.7654,1,1,1,1,0.93-2.5563,8.4778,1,0,1,1,1.04部分程序运行结果(轴力、剪力和弯矩)NO. N(kN) Q(kN) M(kNm)1 591.231 21662.886 6.6792 581.327
14、 6480.898 -69.547兰州交通大学课程设计103 562.644 2585.680 -117.0524 546.112 524.128 -135.7355 531.730 -483.398 -125.3056 520.783 -1163.559 -95.5667 512.252 -1548.159 -63.2438 502.057 -1616.407 -27.6529 488.300 -1361.467 12.64810 469.044 -894.738 49.19411 439.238 -428.198 56.96312 399.176 -116.819 46.46713 356
15、.393 36.734 26.95714 322.291 22.882 4.05915 309.238 -20.771 -5.74016 322.291 114.015 4.05917 356.393 433.768 26.95718 399.176 870.002 46.46719 439.238 1321.585 56.96320 469.044 1597.940 49.19421 488.300 1554.296 12.64822 502.057 1173.227 -27.65223 512.252 502.857 -63.24324 520.783 -470.915 -95.56625
16、 531.730 -1624.382 -125.30526 546.112 -3617.684 -135.73527 562.644 -7221.740 -117.05228 581.327 -9433.560 -69.54729 -591.231 106.328 -6.679根据程序运行结果，作出隧道 V 级围岩初衬结构内力图如图 4.4 所示。591.2387640512.7483692.1509386.795410236.751248936.4轴 力 （ kN） 弯 矩 （ kNm)图 4.4 V 级围岩衬砌结构内力图兰州交通大学课程设计114.2.4 衬砌截面的强度检算(1)强度检算方
17、法衬砌结构内力算出后，需进行隧道衬砌截面强度检算，其强度检算按破损阶段法或容许应力法进行。隧道和明洞衬砌按破损阶段检算构件截面强度时，根据结构所受的不同荷载组合，在计算中应分别选用不同的安全系数，并不应小于表 4.3 所列数值。表 4.3 钢筋混凝土结构的强度安全系数 13荷载组合 主要荷载 主要荷载+附加荷载钢筋达到计算强度混凝土达到抗压或抗剪极限强度 2.0 1.7破坏原因混凝土达到抗拉极限强度 2.4 2.0拱形隧道衬砌属偏心受压构件，其截面强度检算根据轴力偏心距 的大小/0eMN可分为两种情况：1)抗压强度控制( )0.2ed混凝土和砌体结构的抗压强度应按下式计算：式(4.3)a Rb
18、KN式中 铁路隧道设计规范所规定的强度安全系数；K截面的实际轴力；N构件纵向弯曲系数，对于隧道衬砌， 可取 1；混凝土或砌体结构的极限抗压强度，对于 混凝土， 取 19.0 ；aR25CaRMPa截面宽度(计算长度)，取 1m；b截面厚度(衬砌厚度)；d轴力偏心影响系数，可按下式计算： 23000eee1.6481.56915.4ddd截面轴力偏心距。0e兰州交通大学课程设计122)抗拉强度控制( )0e.2d混凝土构件的抗拉强度应按下式计算：式（(4.4)10.75RbdK6e()N或 式(4.5)210.(d)式中 铁路隧道设计规范所规定的强度安全系数；K混凝土的极限抗拉强度，对于 混凝土
19、， 取 2.0 。1R25C1RMPa(2)强度检算按照上述衬砌截面强度检算方法，利用 Excel 软件进行检算，衬砌强度安全系数按照铁路隧道设计规范取 K2.4。作出隧道 V 级围岩衬砌的截面强度检算结果如表 4.4所示。兰州交通大学课程设计13表 4.4 V 级围岩衬砌截面强度检算表节点轴力（kN ）弯矩 （kNm）偏心距（m）截面厚度（m）偏心影响 系数e0/ 0.2d大小偏心安全系数 K检算 结果1 591.231 6.679 0.011297 1.04 1.005576 0.1 小偏心 33.6 安全2 581.327 -69.547 0.119635 0.93 0.908241 0
20、.6 小偏心 27.6 安全3 562.644 -117.052 0.208039 0.79 0.581048 1.3 大偏心 8.5 安全4 546.112 -135.735 0.248548 0.63 0.247679 2.0 大偏心 3.0 安全5 531.73 -125.305 0.235655 0.59 0.237743 2.0 大偏心 2.8 安全6 520.783 -95.566 0.183504 0.59 0.450335 1.6 大偏心 4.6 安全7 512.252 -63.243 0.123461 0.59 0.726739 1.0 大偏心 15.8 安全8 502.05
21、7 -27.652 0.055077 0.59 0.963523 0.5 小偏心 21.5 安全9 488.3 12.648 0.025902 0.59 1.005530 0.2 小偏心 23.1 安全10 469.044 49.194 0.104881 0.59 0.804762 0.9 小偏心 19.2 安全11 439.238 56.963 0.129686 0.59 0.699178 1.1 大偏心 14.7 安全12 399.176 46.467 0.116407 0.59 0.757187 1.0 小偏心 21.3 安全13 356.393 26.957 0.075638 0.59
22、 0.909038 0.6 小偏心 28.6 安全14 322.291 4.059 0.012594 0.59 1.008255 0.1 小偏心 35.1 安全15 309.238 -5.74 0.018562 0.59 1.008427 0.2 小偏心 36.6 安全16 322.291 4.059 0.012594 0.59 1.008255 0.1 小偏心 35.1 安全17 356.393 26.957 0.075638 0.59 0.909038 0.6 小偏心 28.6 安全18 399.176 46.467 0.116407 0.59 0.757187 1.0 小偏心 21.3
23、安全19 439.238 56.963 0.129686 0.59 0.699178 1.1 大偏心 14.7 安全20 469.044 49.194 0.104881 0.59 0.804762 0.9 小偏心 19.2 安全21 488.3 12.648 0.025902 0.59 1.005530 0.2 小偏心 23.1 安全22 502.057 -27.652 0.055077 0.59 0.963523 0.5 小偏心 21.5 安全23 512.252 -63.243 0.123461 0.59 0.726739 1.0 大偏心 15.8 安全24 520.783 -95.566
24、 0.183504 0.59 0.450335 1.6 大偏心 4.6 安全25 531.73 -125.305 0.235655 0.59 0.237743 2.0 大偏心 2.8 安全26 546.112 -135.735 0.248548 0.63 0.247679 2.0 大偏心 3.0 安全27 562.644 -117.052 0.208039 0.79 0.581048 1.3 大偏心 8.5 安全28 581.327 -69.547 0.119635 0.93 0.908241 0.6 小偏心 27.6 安全兰州交通大学课程设计1429 591.231 -6.679 0.011297 1.04 1.005576 0.1 小偏心 33.6 安全
