隧道结构计算书

隧道工程结构计算书目录1工程概况.......................................................................................................-1-2计算内容和计算依据...................................................................................-1-2.1计算内容...............................................................................................................-1-2.2计算依据...............................................................................................................-1-3基于荷载-结构法的隧道结构静力计算分析..............................................-1-3.1荷载取值和计算模型...........................................................................................-1-3.2二次衬砌受力分析...............................................................................................-6-3.3二次衬砌配筋量及强度安全系数计算...............................................................-9-3.3.1二次衬砌配筋量安全系数计算........................................................................-9-3.3.2二次衬砌强度安全系数计算..........................................................................-11-3.4中隔墙受力分析.................................................................................................-12-4基于地层-结构法的隧道施工过程模拟分析（二维）.............................-13-4.1概述.....................................................................................................................-13-4.2计算模型.............................................................................................................-14-4.3围岩位移场和应力场分析.................................................................................-15-4.4中隔墙及其基础力学性态分析.........................................................................-18-4.5锚杆受力分析.....................................................................................................-18-4.6临时支护受力分析.............................................................................................-19-4.7初期支护受力分析.............................................................................................-20-4.8二次衬砌受力分析.............................................................................................-21-隧道结构计算书-1-1工程概况某隧道工程属宝带西路延伸段改建工程的一部分,穿越七子山西北侧凤凰公墓区，隧址区为一小山体。该隧道工程分一期和二期工程进行建设，一期工程为一座连拱隧道。连拱隧道全长175m，起讫桩号分别为K1+985和K2+160,其中明暗洞分界桩号为K2+001及K2+144，暗洞段长143m，属短隧道。隧道最大埋深23m，埋深小于10m的暗洞长度占整个暗洞的比例约为34％，属典型浅埋隧道。根据地质报告，隧址区地质条件较差，基本为Ⅴ级围岩，隧道最大开挖跨度32.2m，属软弱围岩大跨隧道。因此，连拱隧道属软弱围岩中浅埋大跨隧道，施工具有较大难度。按照《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）的要求，需要对隧道结构进行受力计算。2计算内容和计算依据2.1计算内容（1）基于荷载-结构法的连拱隧道结构静力计算分析；（2）基于地层-结构法的连拱隧道施工过程模拟分析（二维）；2.2计算依据《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）；《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）；3基于荷载-结构法的隧道结构静力计算分析3.1荷载取值和计算模型由于《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）没有规定连拱隧道荷载的计算方法，且至今也没有统一的计算方法，各地方经常根据各地的工程经验总结相关的连拱隧道荷载计算方法。“国家西部交通建设科技项目（200231800022）”研究确定的一种连拱隧道荷载计算方法（主要参考文献“丁文其等，连拱隧道设计荷载的确定方法，中国公路学报，2007，20(5)：78-82”）提出了一种整体式中墙连拱隧道的荷载和结构受力计算方法。此方法与公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）对单洞隧道的荷载计算方法原理一致，可操作性较强。但本隧道为复合式中墙连拱隧道，其中墙处的荷载传递方式明显不同于整体式连拱隧道。整体隧道结构计算书-2-式连拱隧道的中墙是初期支护和二次衬砌受力的支撑点，初期支护和二次衬砌的力通过中墙传递至中墙下的围岩基础。而复合式中墙连拱隧道，中墙只是初期支护受力的支撑点，二次衬砌与中墙通过防水板分割，只能传递压力，不能传递拉力、弯矩和剪力。迄今为止，对复合式连拱隧道的荷载和结构受力的计算方法还没有较为统一的方法。本计算书主要参考《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）对单洞隧道的荷载计算方法以及其他相关的文献，对复合式中墙连拱隧道的荷载和受力进行计算。本工程中V级围岩段最大埋深处为连拱隧道结构受力最不利的位置，因此本计算书针对V级围岩段隧道二次衬砌进行计算分析。首先计算V级围岩段隧道所受的最大荷载。根据V级围岩浅埋隧道的荷载计算方法：浅埋和深埋隧道的分界，按荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素综合判定。按荷载等效高度的判定公式为2.5pqHh式中：Hp—浅埋隧道分界深度(m)；hq—荷载等效高度(m)，按下式计算：qqh式中，为围岩重度(kN/m3)；q为V级围岩深埋隧道围岩垂直均布压力(kN/m2)，10.452sqh式中，s为围岩级别，为宽度影响系数，1(0.55)iB，B为连拱隧道宽度(m)；i为B每增减1m时的围岩压力增减率，以B5m时，取i=0.1。由上述计算过程计算V级围岩浅埋和深埋隧道的分界高度pH：B＝32.22m，s=5，i=0.12.5pqHhqqh隧道结构计算书-3-5115.200.45215.201(0.55)2.255qhqhhmiB所以有：15.202.52.538.0pqHhm15.20qhqrm故浅埋和深埋的分界高度为38.0m，由于隧道V级围岩段的最大埋深小于38.0m，所以本工程V级围岩段隧道均为浅埋。隧道V级围岩浅埋段埋深最大处为隧道结构受力最不利的位置，因此本计算说明书只对V级围岩最大埋深处隧道结构的静力进行计算分析。h'=4.1m43eee43eqze'1e'22ee1q21q地面B=32.22mh=11.58mH2=17mH1=25mmq图3-1浅埋连拱隧道荷载计算示意图图3-1所示为连拱隧道V级围岩浅埋段最大埋深处隧道二次衬砌结构荷载计算示意图。从图中看出，左侧洞室埋深大于右侧洞室，存在偏压现象。隧道结构主要受地层竖向土压力荷载12qq、，地层侧向土压力12ee、和12ee、，中墙顶至隧道拱顶高度为h’的竖向土压力zq，侧向土压力34ee、。由于hqH1≤Hp和hqH2≤Hp，所以此处作用在隧道支护结构上的竖向均布荷载（12zqqq、和）为：浅埋连拱隧道顶部竖向压力12qq和为：隧道结构计算书-4-1111tanHqHB2221tanHqHB中隔墙顶部三角形块体自重荷载为：zqh作用在衬砌上的隧道两侧水平围岩压力为：1121()eHeHh1222()eHeHh作用在衬砌上的中隔墙顶两侧水平围岩压力为：1231242()2HHeHHeh作用在中墙顶部的围岩竖向压力mq为：12121tan22mzHHHHqqB代入参数：3350.62111.54.125/cchmhmkNm(围岩内摩擦角)，（隧道高度）得：2(tan1)cccctantan=tantantan＝2.52tantantan1tan(tantan)tantanccc＝0.35111251tan252510.350.38432.22HqHB＝560kPa隧道结构计算书-5-222171tan251710.350.38432.22HqHB＝395kPa254.1zqh=103kPa11210.352525219()0.3525(2511.5)320eHkPaeHhkPa＝12220.352517149)0.3525(1711.5)250eHkPaeHhkPa（＝12312425170.3525184222517()0.3525(4.1)22022HHekPaHHehkPa1212251725171tan2510.350.384103222232.22mzHHHHqqB＝582kPa隧道的围岩、初期支护和二次衬砌共同承担荷载，《公路隧道设计规范》规定隧道初期支护根据工程类比并辅以必要的理论分析确定。本计算书主要计算二次衬砌的受力及配筋。为安全起见，可按二次衬砌承担总荷载的70%计算其受力和配筋。即作用于二次衬砌上的竖向和侧向土压力为：011q=560×0.7＝392kPa21q=395×0.7＝277kPa1zq=1