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2018年度西北民族大学毕业答辩答辩人：张应杰、郭漪伟、杜雷指导老师：李晓娟高级工程师专业班级：土木工程4班土木工程学院前言本次毕业设计研究的是明挖隧道衬砌结构设计。包括隧道的衬砌结构设计，衬砌结构计算，防排水设计，Midas复核等。明挖法：是指先将地面挖开，在露天的情况下修筑衬砌，然后覆盖回填的地下工程建筑的施工公法。明挖法隧道施工方法是相对暗挖法隧道施工方法而言的另一种常见的隧道施工方法，现已广泛的应用于城市道路隧道、地下通道及管道等建设中。张应杰：某浅埋明挖单层双跨矩形公路隧道结构设计郭漪伟：某黄土公路隧道明挖马蹄形断面衬砌设计杜雷：某浅埋明挖矩形公路隧道结构设计某浅埋明挖单层双跨矩形公路隧道结构设计答辩人：张应杰1、工程应用研究民大隧道线路沿即有战备路东西向赋设，位于即有战备路路面下2米处，为单层双跨矩形断面形式的双向四车道公路隧道，民大隧道结构修建完成后恢复原战备路。拟建民大隧道一旁为陇海铁路，铁路运营任务繁忙，一旁是西北民大校园，校园内受保护的古建筑群林立，地势的重要性、地形的特殊性和复杂性，决定了该工程的设计难度大、技术要求高，是南山路项目的控制性工程。民大隧道位于兰州市城关区五泉山下，处于南山路中段，东起五泉人行天桥西侧，西至规划中的安定门铁路立交东侧。左线起讫里程为NzK10+743～NzK11+960，长1217m；右线起讫里程为NyK10+682～NyK11+960.75，长1278.75m。依据隧道所处地形地貌、工程地质条件、隧道埋深情况等，通过优化对比，隧道选用左右分幅并行的矩形断面隧道，结构形式采用明挖单层双跨矩形框架结构，每跨隧道断面为单向通行双车道断面。矩形断面能充分利用结构空间，节约地下空间资源，合理的形状分布，减少了土地征用量和开挖面积，提高有效面积的使用率。明挖法施工可以多工作面施工，施工进度快，可以有效的节省工期，下部结构采用弹性地基梁进行结构设计及理论计算，充分利用弹性地基改善上部结构的受力特性，使结构内力分析更符合实际受力情况，大大减少结构尺寸和配筋数量等优点，节省工程成本。2、结构设计图1建筑限界图（cm）民大隧道位于兰州市南山路五工段，是城市快速过境路，设计行车速度是时速60km/h。隧道建筑限界及内轮廊图如下：行车道宽度：750cm左侧向宽度：50cm右侧向宽度：50cm左余宽：25cm右余宽：50cm建筑限界净宽：925cm限界高度：500cm图2内轮廓设计图（cm）图3隧道结构计算断面图本设计选取结构上覆土层为2m的断面进行结构设计及设计计算。（1）在结构计算中，先采用工程经验类比法拟定结构的初步尺寸，再根据结构内力计算校核，并进行配筋设计。（2）本工程设计中，结构顶板厚度拟采用70cm，边墙60cm，中隔墙80cm，底板70cm。（3）在进行上部结构计算时，由于中隔墙相对底板而言，刚度较小，忽略中隔墙的抗弯作用，将中隔墙简化为上下支撑于顶板、底板的二力杆。（4）上部结构包括顶板、中隔墙及侧墙按闭合矩形框架设计计算，底板按照半无限空间弹性地基上的弹性地基梁设计计算。计算模型简化图如图4所示。3、计算结构模型解析图4计算模型简化图4、上部框架结构内力计算（典型断面）取基本结构如图5所示，将A与D处的刚结点换为铰结，所以此处就存在一个多余未知力X1。并将中央的竖杆在F点割断，由于对称关系此杆只承受轴力而不引起弯矩和剪力。故只有未知力X2。这样上部框架变为两铰框架。根据变形连续条件，列出如下的力法方程：地面超载20KPa2m的覆土压力40KPa35KPa35KPa99KPa99KPa水土合力水土合力X2X1X1ABFDEC图5计算内力解析图示（cm）根据结构力学，结构力学求解器，弹性地基梁（求解两铰框架铰A、D处的角变与基础梁A、D端的角变）等方法计算出上部结构的轴力、剪力、弯矩，并绘制内力图。本设计主要采用的是半无限弹性体地基计算模型，即共同变形理论进行计算，如图6所示。该模型的理论推导较局部变形地基模型复杂，为了使该模型能方便的应用于工程设计计算，国内常用按照级数法计算编制的表格即表格法进行计算。按照半无限弹性地基梁理论进行查表计算地基沉降、基底反力、弯矩，并绘制内力图。图6弹性地基梁模型（cm）5、底板设计计算图7整体框架结构断面的弯矩图(kN·m)6、配筋设计计算根据以上结构的内力计算结果进行配筋设计计算。对于闭合式框架结构，根据内力计算值计算内力设计值后再根据设计值进行截面设计。本设计的顶板、底板及侧墙部分按承载力极限状态进行配筋设计，设计时采用对称配筋，根据正常使用状态进行截面的复核使结构满足相关的功能性要求，再根据构造要求进行箍筋、架立筋设计，结构配筋设计如图8所示。图8典型断面配筋图7、隧道防排水设计防水原则：防、排、堵、截洞内防水设计：环向排水盲管，纵、横向排水管，路基路面排水。洞外防水设计：洞顶截水，洞门防水等根据本设计的参考资料数据进行迈达斯基本建模，计算单元划分如下图9所示。图9计算单元划分8、MIDAS复核结论：根据手算结果与Midas的结果对比，由于手算的误差与其Midas计算结果稍微有点偏差，但误差很小，可以判断出手算结果满足结构设计、符合设计规范要求。图11变形云图图10弯矩内力云图示总结对于浅埋的矩形断面形式的结构，采用浅埋闭合框架进行计算，在指导老师的精心指导下，我按照地下建筑结构进行设计计算。把矩形闭合框架进行分割，上部为框架结构，按照结构力学进行内力计算；底板按弹性地基梁进行计算。充分发挥弹性地基梁的优点，充分利用弹性地基梁的特性。与公路隧道设计规范进行比较，满足设计要求和设计规范。最后通过MIDAS进行复核计算与前面的手算结果基本吻合，满足设计、符合规范要求。某黄土公路隧道明挖马蹄形断面衬砌设计答辩人：郭漪伟以兰州华林坪隧道为背景，华林坪隧道工程左线起讫里程为NzK13+023～NzK13+752，长729m；右线起讫里程NyK13+055～NyK13+769，右线隧道长714m。为城市主干道一级公路隧道，隧道穿越地层主要地质为黄土状粉土、砂夹卵石层，隧道二车道断面为隧道，地面高程1568m，隧道路面高程1551.3m,浅埋式结构，覆土层较薄，不满足成拱条件（H土(2-2.5)h1,h2为压力拱高），且南山路华林坪隧道南北方面沿工林路设置，敷设于现有道路工林路的下方，为了在南山路施工完成后隧道结构上方恢复工林路，在华林坪出口段地层与路面的高差较小不能进行暗挖结构的施作的段落采用明挖马蹄形结构，明挖里程为NyK13+665.5～NyK13+769（右线），左线为NzK13+652～NzK13+752，共203.5m。1.1地形、地貌兰州地区的地形以黄土丘陵为主，次为黄土梁峁，阶地与干沟发育。工程场地位于市区东部盆地内，工程地质条件较为简单。隧道穿越华林坪高阶地，地面标高1557.45～1592.18m。在地貌单元上属黄河南（右）岸Ⅳ级阶地，地形起伏较大。1.2地层岩性隧道沿线地层结构较为简单，主要为填土、粉土、碎石等，地层岩性分述如下：1.2.1．素填土（Q4ml）：褐黄色，粉土为主，夹碎石、角砾等，局部夹生活垃圾，人工堆填而成，局部表层为沥青路面，厚度0.50～17.0m，稍密，稍湿。地基土容许承载力σ0＝90KPa。2.地质构造及地震烈度兰州市位于祁连褶皱系中祁连加里东褶皱带的东部雾宿山隆起带内，受北西西向和北北西向活动断裂控制，形成兰州盆地。盆地内有大小断裂十几条，形成呈菱形串珠状沿现代河床分布的小盆地。工程场地位于市区东部盆地内，隧道入口远离断层，隧道出口位于雷坛河断裂的影响带内，雷坛河断裂属非全新活动断裂，可不考虑其影响。隧道进出口未发现有滑坡、坍塌等不良地质现象，其工程地质条件较为简单3.水文地质条件场区勘探深度内未见地下水。4.隧道建筑限界根据《公路隧道设计规范》（JTG-D70-2007）有关建筑限界高度的规定，本隧道为一级公路隧道，故隧道建筑限界取5.0m。设计时速60km/h。车道宽度选取3.75m,左侧侧向宽度为0.5m，右侧侧向宽度为0.75m,余宽为0.75m。净宽10.25m。隧道建筑限界设计图如下；隧道建筑限界图5.隧道内轮廓图为了有利于施工时衬砌模板的制作，以及利于洞内设施的布置，规范规定在横断面轮廓设计方面推行标准化。按照《公路隧道设计规范》（JTG-D70-2007）规范规定，隧道内轮廓要统一标准，即拱部为单心半圆，侧墙为大半径圆弧，仰拱与侧墙间用小半径圆弧连接。本工程隧道为一级公路隧道，设计时速为60km/h。根据以上设计的建筑限界，依据规范隧道内轮廓几何尺寸设计原则设计本工程的衬砌内轮廓线如图所示；隧道内轮廓图6.拟定结构断面明挖马蹄形隧道适用于里程：右线NyK13+665.5-NyK13+769，左线NyK13+652-NyK13+752，选取埋深最深Nykl3+652处断面进行结构内力计算，地面标高1567.8m,隧道路面高程1551.3m，衬砌厚度60cm,采用C35钢筋混凝土。7.曲墙高拱隧道结构的计算理论马蹄形隧道衬砌的曲墙，为一弹性地基梁上的变截面梁，目前大多采用分块求和的方法进行计算，在计算马蹄形断面内力时，选用辛普生法近似进行计算因为回填土对结构约束力差，所以本次计算只考虑主动荷载，不考虑被动荷载，这是数值求积的思想，可以有效地解决马蹄形截面内力计算问题。-26.750.99-7.979.83-21.53-42.75-11.7835.3456.05526.65546.5598.95668.931103.121257.521288.57724.04861.928.防排水的设计隧道防水等级为Ⅱ级，防水混凝土的抗渗指标为P8，隧道在拱墙铺设EVA防水板，焊缝采用热合机自动焊缝形成。两侧边墙墙脚外侧设置纵向φ80可维护塑纤排水滤管，每10m一段，接头处接直接接入隧道侧沟。纵向施工缝采用中埋式钢边止水带+背贴式止水带的复合防水构造；变形缝采用中埋橡胶止水带+背贴式止水带+嵌缝材料的复合防水结构。总结我的隧道设计经历了搜集相关资料，包括隧道处的地质情况、它的经济效应、相隧道设计的规范还有隧道方面的参考文献；然后整理并熟悉资料，对隧道的设计有初步的掌握；接着参考各种资料仔细分析、遇到困难问题时和做隧道的同学讨论或者向老师寻求帮助从而一步一步完成设计。我的设计是对明挖马蹄形截面衬砌的设计，根据《公路隧道设计规范》（JTG-D70-2007）确定隧道的建筑界限和内轮廓线，马蹄形断面设计荷载一般为拱部荷载和边墙荷载，通过结构力学的方法计算确定马蹄形闭合结构的内力，在计算结构内力时用到了《结构力学》力法方程，运用曲墙拱形计算理论，采用分块求和的思想进行衬砌计算，在内力衬砌计算结束时，进行配筋计算和防排水设计。配筋计算用到了《结构设计原理》用到了大小偏心演算，另外就是在编制ＣＡＤ工程图中温故了ＣＡＤ制图的技能。通过毕业设计，不仅温习了以上所说的知识点，最重要的是，能最终将所学知识学以致用，细化到工程设计中，明挖施工工程设计中具体方法和步骤，为成为一个合格的土木工程师打下了基础。某浅埋明挖矩形公路隧道结构设计答辩人：杜雷工程概况本课题是某浅埋明挖矩形公路隧道结构设计，依托于伏龙坪隧道（兰州市南山路五泉天桥至工林路施工段）进行设计。伏龙坪隧道入口位于兰州市城关区伏龙坪山脚，左线起讫里程NzK12+167～NzK12+828，长661m;右线起讫里程NzK12+125～NzK12+862，长647m。伏龙坪隧道左右线间距为30m，最大埋深为69m。工程场地位于市区东部盆地内，工程地质条件较为简单。隧道穿越华林坪高阶地，地面标高1557.45～1592.18m。在地貌单元上属黄河南（右）岸Ⅳ级阶地，地形起伏较大。场地内土层湿陷系数较大，湿陷性黄土状粉土层厚度大于20m，湿陷性强烈，场地内粉土层具Ⅳ级（很严重）自重湿陷性。隧道矩形断面起点里程NzK12+167，矩形断面终点里程NzK12+200。左线进口NzK12+167～NzK12+200采用明挖矩形明洞断面。矩形断面施工工艺较为成熟，对地下空间