隧道通风课程毕业设计(兰理工)

第2章用收敛——约束法验算初期支护2.1确定计算参数（1）根据《公路隧道设计规范JTGD702004》确定的支护参数见表2.1表1支护参数表围岩级别喷层厚度（cm）锚杆钢筋网二次衬砌厚度（cm）直径（mm）长度（m）间距（m×m）直径（mm）间距（m×m）Ⅴ262540.6×1820×2050（2）隧道的几何尺寸及围岩的计算参数见表2.2表2.2隧道的几何尺寸及围岩的计算参数表围岩级别隧道当量半径α（cm）埋深H（m）容重γ（3/kNm）粘结C/Cr（MPa）内摩擦角（/r）变形模量E（MPa）泊松比μ初始应0p（MPa）Ⅴ781100200.5/0.230/19.1110000.352注：①其中0pH，为围岩的容重，H为隧道埋深；②表中隧道当量半径a为将隧道形状视为圆形时圆的半径，对马蹄形隧道，其计算当量半径a可用下公式（2.1）求得:22()22BFaF（2.1）式中：F——隧道开挖高度，cm；B——隧道开挖宽度，cm。代入数值得：22()22BFaF=1100211002142622=781cmFB（3）初期支护材料的力学性能C20喷射混凝土极限抗压强度csR取10MPa（喷射混凝土抗压强度龄期为3天）；C20喷射混凝土极限应变0.3%s；砂浆与围岩之间的抗剪强度MPag4.0；V级围岩单轴极限抗压强度R=20MPa。2.2计算隧道周边设计支护阻力ip与径向位移i通过查阅相关资料可知，对于Ⅴ级围岩，其径向松弛主要在距洞壁2.5m深的范围内，马蹄形隧道围岩发生松弛时，其等代圆的计算当量半径pR（塑性区的塑性半径）可用下式（2.2）计算：222()()22()pBWFWRFW（2.2）式中：W——为隧道围岩松弛范围对Ⅴ级围岩，W=250cm；代入数值计算可得：222()()22()pBWFWRFW=101825011002250110022502142622当假定隧道为圆形，围岩视为各向同性、均匀、连续、初始地应力只考虑围岩的自重应力，侧压力系数1。根据弹塑性理论和莫尔-库伦强度准则，可导出：（1）隧道围岩塑性区半径pR和周边支护阻力ip的关系见式（2.3）：1sin2sin0(1sincoscot)()cotrrprrirrRpCCapC（2.3）式中：pR——塑性区半径；a——隧道当量半径；0p——隧道围岩的自重应力；ip——隧道的设计支护阻力，即隧道围岩开挖后达到弹塑性应力平衡时，必须在洞壁上施加的径向支护力；rrCC、、、——隧道围岩在弹性状态和塑性状态的粘聚力和内摩擦角。（2）隧道周边的径向位移i和隧道围岩塑性区半径pR的关系式：当假定塑性区围岩体积不变时，i可近似的按式（2.4）计算：2i0(1)()(sincos)pRapCEa（2.4）式中：i——隧道设计位移，即隧道围岩开挖后达到弹塑性应力平衡时，产生的塑性径向位移；E、——隧道围岩的弹性模量和泊松比。分别代入相关数值，求得：1sin2sin0(1sincoscot)()cotrrprrirrRpCCapC可得01sin2sin(1sin)coscotcotrrrrirrppCCpCRa1sin19.112sin19.112(1sin30)0.5cos300.2cot19.110.2cot19.111018781ip=0.884-0.577=0.307MPa20(1)()(sincos)piRapCEa=2781(10.35)1.294(2sin300.5cos30)1000=3.198cm将所求结果列入表2.3。表2.3()acm()pRcm/pRa()ipMPa()icm78110181.2940.3073.198查《公路隧道设计规范》第9.2.8条可知，V级围岩埋深在50~300m时允许洞周围相对收敛值为0.6~1.6%，即隧道周边的径向位移(0.6%~1.6%)(0.6%~1.6%)14268.56~22.82iBcm，由此可见，表3中数值i=3.198cm符合规范要求。2.3计算初期支护能提供的总支护阻力wp和允许隧道洞壁产生的总径向位移w（1）喷射混凝土层的支护阻力sp和允许洞壁产生的径向位移s的计算施工中，喷层单层厚度按5~6cm施工，总厚度为26cm，需喷5层，利用公式（2.5）、（2.6）得计算结果（见表2.4）2i21122.52()2.6nniiscsiinnssiiiattpRaat（）（）式中：iiat、——第i喷层的半径和厚度；csR——喷射混凝土的极限抗压强度，一般可取10MPa，即喷射后第三天的强度；s——喷射混凝土的极限应变，一般可取0.3%。表2.4分层项目1776acm15tcm2771acm25tcm3766acm35tcm4761acm45tcm5755acm56tcm()sipMPa0.0640.0640.0650.0650.079()sicm2.3132.2982.2832.2682.247()nspMPa0.337()nscm11.409（2）砂浆锚杆所提供的支护阻力gp和锚杆允许洞壁产生的径向位移g的计算见公式2.6（）、2.7（）假定砂浆锚杆对洞壁提供的支护阻力受砂浆与围岩之间的抗剪强度所控制，并且在其接触面上的剪应力分布是均匀的，则：ggggdlpei（2.6）式中：gp——砂浆锚杆所提供的支护阻力；g——砂浆与围岩间的抗剪强度，对于软弱围岩，一般按围岩单轴抗压强度的10~20%取值；gd——锚杆孔的直径；gl——锚杆的计算长度，取洞壁至承载环边缘的距离，cm；e、i——锚杆纵横向间距。假定锚杆设置后洞壁的弹性变形已全部完成。同时，围岩的最大塑性区（锚杆约束围岩变形后形成的）取决于锚杆加固后承载环厚度，则uuugagae（2.7）式中：20(1)u()(sincos)gagRaEpCEa分层项目0(1)u(sincos)aeaEpCEgR——锚杆约束后围岩的塑性区半径。计算过程中，锚杆的计算长度参考表2.5确定。表2.5锚杆的计算长度参考表/Li321.33/gLL5/62/35.5/10注：①表中L表示锚杆的实际长度；②表中i表示锚杆纵横向平均间距；③表中gL表示锚杆计算长度，参照表2.6确定；④锚杆玉树后围岩的塑性区半径gR按式（2.8）确定：222()()22()gggBLFLRFL（2.8）代入相关数据得：222()()22()gggBLFLRFL=2214262400()(980460)22(980460)=1150cm473.17811150agRggggdlpei=0.42.54600.2416010020(1)u()(sincos)gagRapCEa=2781(10.35)1.473(2sin300.5cos30)1000=3.2780(1)u(sincos)aeapCE=781(10.35)(2sin300.5cos30)1000=1.511uuugagae=3.278-1.511=1.767计算结果列入表2.6表2.6a()cmgL()cmgR()cm/gRagp()MPaag()cmae()cmg()cm78146011501.4730.2413.2781.5111.767（3）初期支护能提供的总支护阻力wp和初期支护允许隧道洞壁产生的径向位移w的计算通过以上计算可得：nwsgpppuuunsg式中：wp——初期支护能提供的总支护阻力；w——柔性的初期支护允许隧道洞壁产生的径向位移。代入数据得：nwsgppp=0.337+0.241=0.578MPauuunwsg=11.409+1.767=13.176cm2.4初期支护总阻力和位移的校核由以上计算可知，wp=0.578MPa，ip=0.307MPa，显然wpip;同时，uw=13.176cm，i=3.198cm，显然，wi。此结果表明支护有足够的强度能满足隧道稳定；支护有足够柔性可以允许围岩有一定变形即可以充分发挥围岩的自承能力，因此表1中的设计参数是合理的。