隧道工程计算书

课程设计计算书课程名称：隧道工程题目：隧道选线及结构计算学院：土木工程学院课题组：交通土建专业：土木工程专业班级：09级土木工程9班学号：09300913姓名：韦天柱起讫日期：2013.1.7—2013.1.18指导教师：岳峰、张红英-17- 目录1设计依据-----------------------------------------------------------------------------22计原始资料--------------------------------------------------------------------------23设计步骤及过程--------------------------------------------------------------------23.1平面位置确定---------------------------------------------------------------------23.2纵断面设计------------------------------------------------------------------------23.3横断面设计------------------------------------------------------------------------34.二次衬砌结构计算-----------------------------------------------------------------34.1基本参数----------------------------------------------------------------------------34.2荷载确定----------------------------------------------------------------------------34.3计算位移----------------------------------------------------------------------------45解力法方程---------------------------------------------------------------------------126最大抗力值的推求------------------------------------------------------------------136.1最大抗力方向内的位移---------------------------------------------------------136.2计算衬砌总内力------------------------------------------------------------------147内力图---------------------------------------------------------------------------------168参考资料------------------------------------------------------------------------------17-17- 1、设计依据本设计根据《公路工程技术标准》（JTGB01-2003），《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）进行设计和计算。2、设计原始资料公路等级：二级公路；设计车速：60km/h；使用功能：道路双向两车道；隧道平纵曲线半径和纵坡。平纵曲线设计满足规范要求，洞口内外各有不小于3s行车速度行程长度范围内的平、纵线性保持一致。隧道结构设计标准①设计使用期：100年；②设计安全等级：一级；③结构防水等级：二级；④区域地震基本烈度为VII度区，按IX度抗震烈度进行设防。⑤1:10000地形图3、设计步骤及过程3.1平面位置确定任务所给定的地形图，隧道平、纵设计既要服从路线的总体走向，又要综合考虑隧道位置的地形、地质、地物、水文、气象、地震情况和施工条件等因素，尽可能使隧址位于地质条件较好、不良地质影响最小的底层中。隧道平面线型以直线为主，有利于通风和施工，采用不设超高的平曲线。隧道纵坡设置充分考虑通风、排水、施工方案和两端接线的要求。根据教师给定的起终点，本设计采用3条线路进行方案比选，并确定推荐线路。做出3个方案的平面图，详见地形图。3.2纵断面设计作出推荐线路的纵断面图，读取隧道的地面高程点时，应每20m读一次，而后用平滑曲线连接。-17- 3.3横断面设计隧道内轮廓应该以建筑限界为基础，充分考虑衬砌结构受力特征、工程造价、装饰厚度及富余空间、运营设施的安装空间等因素。洞身结构应根据隧道所处的工程地质条件，按新奥法原理进行设计，采用复合式衬砌，其支护衬砌参数按工程类比，结合有限元分析确定。⑴根据设计原始资料要求，作出隧道的建筑限界及内轮廓设计图。⑵根据设计原始资料要求，作出隧道紧急停车带的建筑限界及内轮廓设计图。3、二次衬砌结构计算选取IV级围岩复合式衬砌作为典型衬砌，做结构计算。4.1基本参数⑴围岩级别：IV级；⑵围岩容重：；⑶围岩弹性抗力系数：；⑷衬砌材料为C25混凝土，弹性模量，容重。4.2荷载确定4.2.1围岩垂直均布荷载按矿山法施工的隧道围岩荷载为：（公式4-1）考虑到初期支护承担大部分围岩压力，而二次衬砌一般作为安全储备，故对围岩压力进行折减，对本隧道按照45%折减，取为70。4.2.2围岩水平均布压力（公式4-2）-17- 4.3计算位移4.3.1单位位移：（所有尺寸见图4-1）图4-1二次衬砌结构计算图半拱线轴线长度，将半拱轴长度等分为8段，则计算衬砌的几何要素，拱部各截面与垂直轴之间的夹角和截面中心垂直坐标见表1-1。单位位移值用新普生法近似计算，公式如下：（公式4-3）（公式4-4）-17- （公式4-5）单位位移计算表4-1注：1.I—截面惯性矩，，b取单位长度。2.不考虑轴力作用。单位位移值用新普生法近似计算，计算如下：计算精度校核为：闭合差4.3.2载位移—主动荷载在基本结构中引起的位移（1）每一楔块上的作用力：竖向力：（公式4-6）侧向力：（公式4-7）-17- 侧向力：（公式4-8）式中——衬砌外缘相邻两截面之间水平投影长度，由图1-1中量得；——衬砌外缘相邻两截面之间竖直投影长度，由图1-1中量得；——接缝i的衬砌截面厚度。作用在各楔块上的力均列入表1-2中。载位移计算表表4-2（2）外荷载在基本结构中产生的内力内力按下式计算：弯矩：（公式4-9）轴力：（公式4-10），的计算见表1-3，表1-4。载位移计算表表4-3载位移计算表表4-4-17- （2）主动荷载位移计算结果见表1-5主动荷载位移计算表表1-5则按下列公式计算：（公式4-11）（公式4-12）（公式4-13）计算结果：计算精度校核：-17- 4.3.3载位移-单位弹性抗力图及相应的摩擦力引起的位移（1）各接缝处的抗力强度抗力上零点假定在接缝2处，:；最大抗力值假定在接缝4处，；最大抗力值以上各截面抗力强度按下式计算：（公式4-14）算的结果为：算出：，，；最大抗力值以下各截面抗力强度按下式计算：（公式4-15）式中：—所考察截面外缘点到h点的垂直距离；—墙脚外缘点到h点的垂直距离。由图1-1量得：，，，-17- 按比例将所求得的抗力绘在分块图上。（2）各楔块上抗力集中力按下式近似计算：（公式4-16）式中：—楔块i外缘长度。（3）抗力集中力于摩擦力的合成：（公式4-17）式中：—围岩与衬砌间的摩擦系数，此处取。，其作用方向与抗力集中力的夹角。由于摩擦阻力的方向与衬砌位移的方向相反，其方向向上。将的方向延长，使之交于竖直轴，量取夹角（自竖直轴反时针方向量度），将分解为水平和竖向两个分力：以上计算结果列入表4-6中。弹性抗力及摩擦力计算表表4-6-17- （2）计算单位抗力及其相应的摩擦力在基本结构中产生的内力。弯矩：（公式4-18）轴力：（公式4-19）式中：为力至接缝中心点K的力臂,计算结果见表1-7和表1-8。计算表表-7计算表表4-8（3）单位抗力及相应摩擦力产生的载位移计算见表4-9-17- 单位抗力及相应摩擦力里产生的载位移计算表表4-9计算公式如下：（公式4-20）（公式4-21）计算结果如下：校核为：4.3.4墙底（弹性地基上的刚性梁）位移单位弯矩作用下的转角：主动荷载作用下的转角：单位抗力及相应摩擦力作用下的转角-17- 5、解力法方程（1）衬砌计算矢高计算力法方程的系数：以上将单位抗力图及相应摩擦力产生的位移乘以倍，即为被动荷载的载位移。求解方程为：式中：；式中：；（2）计算主动荷载和被动荷载分别产生的衬砌内力-17- 计算公式为：（公式5-1）（公式5-2）计算过程见表1-10和1-11。主被动荷载作用下衬砌弯矩计算表表5-1主被动荷载作用下衬砌轴力计算表表5-26、最大抗力值的推求6.1最大抗力方向内的位移考虑到接缝4的径向位移与水平方向有一定的偏移，因此修正后如下：（公式6-1）-17- （公式6-2）计算过程见表1-12。最大抗力位移修正计算表表6-1位移值为：最大抗力值为6、2计算衬砌总内力按下式计算衬砌总内力：（公式6-3）计算过程见表6-2。-17- 衬砌总内力计算表表1-13计算精度的校核：根据拱顶切开点的相对转角和相对水平位移应为零的条件来检查6.2.1相对转角的校核按下式计算：（公式6-4）由表1-13得，闭合差6.2.2相对水平位移的校核按下式计算（公式6-5）闭合差6.2.3衬砌截面强度检算检算几个控制截面（1）拱顶（截面0）故偏心距符合规范要求。又有：，符合规范要求。，可得：-17- 式中：—混凝土极限抗压强度，取。符合规范要求。（1）墙底（截面8）偏心检查符合规范要求。其它截面偏心距均小于0.45d。7、内力图将内力计算结果按比例尺绘制弯矩图M及轴力图N,如图7-1所示。7-1二次衬砌内力图8、参考资料-17- 1、中华人民共和国行业标准《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004），北京：人民交通出版社，2004年．2、《公路隧道施工技术规范》（JTGF60-2009）北京：人民交通出版社，2009年．3、中华人民共和国行业标准《公路工程技术标准》（JTGB01—2003）4、中华人民共和国行业标准《公路隧道勘测规程》（JTJ063—85）5、夏永旭主编，《隧道结构力学计算》，北京：人民交通出版社，2004年6、王毅才，《隧道工程》，北京：人民交通出版社，2001.77、孙家驷等著，《公路勘测设计》，重庆：重庆大学出版社，1995.58、张雨化，《道路勘测设计》，北京：人民交通出版社，2003.79、李宁军，曹文贵，刘生等．《隧道设计与施工百问》[M]．北京．人民交通出版社，2004．10、陈秋南主编，《隧道工程》，北京：机械工业出版社，2008年11、相关图纸-17-