河南理工大学隧道课程设计

《隧道工程》课程设计说明书作者姓名：专业、班级：学号：指导教师：设计时间：2014.1.14河南理工大学HenanPolytechnicUniversityI目录1.课程设计题目....................................................................................................................................................-1-2.拟定隧道的断面尺寸........................................................................................................................................-1-2.1隧道的建筑限界....................................................................................................................................-1-2.2隧道的衬砌轮廓断面............................................................................................................................-2-3.隧道衬砌结构计算............................................................................................................................................-3-3.1基本资料................................................................................................................................................-3-3.2荷载确定.................................................................................................................................................-3-3.3浅埋隧道荷载计算.................................................................................................................................-4-(1)作用在支护结构上的垂直压力.............................................................................................................-4-4.结构设计计算....................................................................................................................................................-6-4.1计算基本假定.........................................................................................................................................-6-4.2内力计算结果.........................................................................................................................................-6-5.MIDAS计算内力表.........................................................................................................................................-9-6.IV级围岩配筋计算.........................................................................................................................................-12-6.1偏心受压对称配筋...............................................................................................................................-12-6.2受弯构件配筋.......................................................................................................................................-13-6.3箍筋配筋计算.......................................................................................................................................-14-6.4最小配筋率验算...................................................................................................................................-14-6.5裂缝宽度验算.......................................................................................................................................-14-主要参考文献：.................................................................................................................................................-15-II-1-《隧道工程》课程设计任务书1.课程设计题目某高速铁路隧道IV级围岩段衬砌结构设计2.拟定隧道的断面尺寸2.1隧道的建筑限界根据《公路隧道设计规范》(JTGD-2004)有关条文规定，隧道的建筑限界高度H取5.5m，宽度取8.5m，如图2-1所示建筑界限图-2-2.2隧道的衬砌轮廓断面根据《公路隧道设计规范》(JTGD-2004)有关条文规定，拟定隧道的衬砌，衬砌材料为C20混凝土，弹性模量72.810EckPa，重度322hkNm，衬砌厚度取50cm，如图2-2所示。隧道衬砌图-3-3.隧道衬砌结构计算3.1基本资料某高速铁路隧道，结构断面如图2-1所示。围岩级别为IV级，埋深H=19m，隧道围岩天然容重322kNm，衬砌材料为C20混凝土，弹性模量72.810EckPa，重度322hkNm。3.2荷载确定3.2.1围岩压力计算根据围岩压力计算公式：10.452Sz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3=22kNm—跨度影响系数，=1+-i（B5）毛洞跨度B=8.5m，因为B大于5m，所以i=0.1，此处=1+-i（B5）=1+0.1（8.5-5）=1.35m所以有：40.4521.359.72hm，2.524.3pHhm，因为24.3m大于20m,所以此隧道为浅埋隧道。3.2.2围岩水平压力围岩水平均布压力：0.250.259.722253.46ehqkMPa-4-3.3浅埋隧道荷载计算(1)作用在支护结构上的垂直压力由于qphHH，为便于计算，假定岩土体中形成的破裂面是一条与水平成角的斜直线，如图5.1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c；另一滑面FH或EG则并非破裂面，因此，滑面阻力要小于破裂面的阻力。该滑面的摩擦系数为36.5度。查询铁路隧道设计相关规范，取计算摩擦角040c。浅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W，两侧三棱岩体FDB或ECA的重力为1W，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T或'T，作用于HG面上的垂直压力总值Q浅为：'22sin2QWTWT浅(2-4)其中，三棱体自重为：112tanhWh(2-5)式中：h为坑道底部到地面的距离(m)；为破裂面与水平的交角(°)。由图据正弦定理可得1sin()sin[90()]TW(2-6)-5-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(tan1)tantantantantancccc(2-7)tantan0.397tan[1tan(tantan)tantan]ccc(2-8)2(1tan)213.29/ttQHqHKNmBB浅浅(2-9)埋深为23m时，土压力值为2213.29kNm。式中：——侧压力系数；tB——坑道宽度（m）；c——围岩的计算摩擦角（°）；q浅——作用在支护结构上的均布荷载（2kNm）。(2)作用在支护结构两侧的水平侧压力0.250.259.722253.46ehqKMPaⅤ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-6-4.结构设计计算4.1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，采用大型商用有限元程序ANSYS计算分析，并取纵向1m的标准段为一个计算单元。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；衬砌结构的另一部分则会背离