隧道计算书

第1页共16页一、设计资料1、工程概况：安徽省铜汤高速公路要穿越黄山的焦家山，在该山建一隧道。隧道址区属构造剥蚀低山区，海拔105.2m—231.1m，相对高差125.9m。山脊走向35度左右，隧道轴线与山脊走向基本垂直。2、地形地质等条件工作区属亚热带湿润季风气候区，梅雨区40天左右，年平均气温为15.2—17.3度，最高日平均气温为42度，最低日平均气温为－20度。七、八月气温最高，一月气温最低。区内雨量充沛，多年平均年降雨量为1673.5mm，最大为2525.7mm，最小为627.9mm，多锋面雨及地形雨，山区冬季风速较大，一般为4～5级。地层岩性主要为志留系畈村组粉砂岩（fnS2）和第四系全新统崩坡积成因碎石土（14deQ）。3、设计标准设计等级：高速公路双向四车道；地震设防烈度：7级4、计算断面资料：桩号：K151+900.00；地面高程：205.76m；设计高程：138.673m；围岩类别：Ⅲ类；复合式衬砌类型：Ⅲ类；工程地质条件及评价：该段隧道通过微风化粉砂岩地段，节理裂隙不发育，埋置较深，围岩稳定性较好。5、设计计算内容（1）确定隧道开挖方式及隧道断面布置图；（2）围岩压力计算；（3）隧道支护设计图；（4）隧道衬砌设计图。6、设计依据（1）《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）；（2）《公路隧道施工技术规范》（JTJ042-94）；（3）《隧道工程》王毅才主编人民交通出版社；（4）《地下结构静力计算》天津大学建筑工程系地下建筑工程教研室编中国建筑工业出版社。二、隧道断面布置本公路设计等级为高速公路双向四车道，由《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）4.3.2有：高速公路、一级公路的隧道应设计为上、下行分离的独立双洞。对于Ⅲ类围岩，分离式独立双洞间的最小净距为2.0B，B为隧道开挖断面的宽度。本隧道入口处桩号为：K151+818,出口处桩号为：K151+986，全长168米，为短隧道，不需设紧急停车带。因围岩条件较好，选隧道断面形式为直墙式。公路隧道建筑限界：第2页共16页本高速公路位于皖南山区，取设计时速为hkmVk/100，则建筑限界高度H＝5.0m。且当hkmVk/100时，检修道J的宽度不宜小于1.00m，取m00.1右左JJ，检修道高度h＝0.5m。设检修道时，不设余宽，即：C=0。取行车道宽度W=3.75m×2＝7.5m，侧向宽度为：mLLRL00.1，建筑限界顶角宽度为：mEERL00.1，隧道纵坡不应小于0.3％，不应大于3％，本处取2％。具体建筑限界见图一所示。图一公路隧道建筑限界（单位：cm）由《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）4.4.6有：上、下行分离式独立双洞的公路隧道之间应设置横向通道。本隧道长168m，设置一处人行横道即可，人行横通道的断面建筑限界如下图二所示。图二人行横通道的断面建筑限界（单位：mm）故：隧道限界净宽为：11.5m；其中：行车道宽度：W=3.75m×2＝7.5m；侧向宽度为：mLLRL00.1；检修道宽度：m00.1右左JJ；隧道限界净高：5m；第3页共16页内轮廓形式：单心圆R=6.8m；净高：7m；净宽：11.7m；向外取衬砌厚度0.4m，则：隧道开挖宽度mBt5.12；隧道开挖高度：mHt4.7；取两分离式洞口之间左右间距为40m；该段隧道的埋深H＝67.087m。洞口的开挖方式见施工组织设计。三、围岩压力计算7.1592.05.124.7ttBH隧道支护结构的垂直均布压力：hq1s245.0h其中：s=3，为安全起见，取35.2mt，B5m,取i＝0.1，75.155.121.01)5(1）＝（Bi，21s875.775.15.2445.0245.0mthq＝，荷载等效高度：mqhq15.35.2875.7；深、浅埋隧道分界深度：mHmhHqp087.67875.715.35.25.2＝，故为深埋隧道。水平均布围岩压力：qe15.0，取2279.07875.0875.710.0mtmte＝。三、隧道初支查看《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004），则：由8.1.1有：公路隧道应作衬砌，根据隧道围岩地质条件、施工条件和使用要求可分别采用喷锚衬砌、整体式衬砌、复合式衬砌。高速公路应采用复合式衬砌。8.4.1有：复合式衬砌是由初期支护和二次衬砌及中间夹放水层组合而成的衬砌形式。复合式衬砌设计应复合下列规定：1、初期支护宜采用锚喷支护，即由喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架等支护形式单独或组合使用，锚杆支护宜采用全长粘结锚杆。2、二次衬砌宜采用模筑混凝土或模筑钢筋混凝土结构，衬砌截面宜采用连接圆顺的等厚衬砌断面，仰拱厚度宜与拱墙厚度相同。由8.4.2有：复合式衬砌可采用工程类比法进行设计，并通过理论分析进行验算。初期支护及二次衬砌的支护参数可参照表8.4.2-1选用。由表8.4.2-1，对于Ⅲ级围岩，有：初期支护：拱部、边墙的喷射混凝土厚度为8～12cm，拱、墙锚杆长度为2.0～3.0m，第4页共16页间距1.0～1.5m；钢筋网：局部@25×25；二次衬砌厚度：拱、墙混凝土厚度为35cm。本隧道大部分地段为深埋隧道。深埋隧道外层支护，根据《规范》规定，采用锚喷支护，锚杆采用水泥砂浆全长粘结锚杆，规格22×2500mm，间距1.0～1.5m，锚喷混凝土厚度120mm；钢筋网：局部@25×25。四、隧道衬砌设计与计算因围岩稳定性较好，二衬作为安全储备，按构造要求设计，采用直墙式衬砌，拱顶采用单心圆。取衬砌中线为计算线，则：隧道计算宽度为12.3m，计算高度为7.2m。1、已知资料：顶拱和边墙的厚度均为0.4m，宽度为1.0m，跨度l＝12.3m，拱的矢高f＝3.7m，垂直均布压力2875.7mtq，侧向均布压力279.0mte＝，衬砌选用C30混凝土，其弹性模量E=31GPa，围岩弹性抗力系数3310200mtK。图三隧道衬砌计算模型（单位：m）2、拱顶的计算（1）几何尺寸R=6.8m，'5362onQ，sinnQ＝0.8902，cosnQ＝0.4556，536101653.0124.010＝＝EJ，边墙的弹性标值：319.1101653.0410244554＝EJK75.262.45.3319.1＝＝h（边墙属于长梁）。（2）计算各项特征数值（计算过程参考《地下结构静力计算》一书）（a）拱的单位变位第5页共16页由式（3-18）与附表53，得：5511104692.900996.1101653.08.62－＝，5522112107049.1162086.0101653.08.62－＝＝，3522526.80.0696264.7848100.165310－＝；（b）拱的载变位由式（3-19）与附表54，得：050531102012.6611738.0101653.08.62qqp－，050542101209.14460559.0101653.08.62qqp－；（c）拱的弹性抗力变位由式（4-8）与附表57，得：nn5531103261.50014.0101653.08.62－，nnp5541101088.180007.0101653.08.62－；（d）墙顶（拱脚）的单位变位边墙属于长梁，按式（4-15）计算墙顶的单位变位。5531105895.4102319.14－＝，55221107398.1102319.12－＝＝，55210319.1102319.12－＝；因为边墙属于长梁，且不承受水平荷载，故：033nene。（e）左半拱上的荷载引起墙顶处的竖向力、水平力和力矩由于竖向均布荷载0q：200000npnp06.056.05018.30132npqVqQMq；；＝，第6页共16页由于弹性抗力：按式（4-7a）与附表57，得：nn06011.08.60884.0＝nV，nn0n9234.08.61358.0＝Q，nn20n7953.08.60172.0＝M；以上各项力的正负见下图所示。将以上算出的各项数值代入式（4-4）中，则得：5511106482.99105895.424692.90－－＝A，552112101468.154105895.47.37398.127049.116－－＝AA，25522264.784821.31943.71.739823.74.598510418.832410A－－＝＝510n0nn50n661.2012q5.3261218.3013q0.795320.92341.739810829.1889q14.473410PA＝520n0nn50nn50n1446.1209q18.1088218.3013q0.79531.739820.92341.3191023.718.3013q0.79534.589523.70.92341.7398102131.3563q62.263610PA＝＝（3）求解多余力21xx和将以上算出得各A值代入式（4-3），得：12099.6482154.1468829.188914.47340nxxq，120154.1468418.83242131.356362.62360nxxq，解出：101.04310.1998nxq，204.70490.2237nxq；第7页共16页下面求弹性抗力n。由式（4-2）的第二式求出墙顶（拱脚）的水平位移0为500050501.04310.19981.73984.7049q0.22311.3191.73983.71018.30130.79531.73980.92341.319106.46661.218810nnnnnqqq＝代入式（4-6）：5502106.46661.2188100.8902nnq解得：02.1561nq因此，得多余力1x和2x如下：10001.65420.08271.04310.19982.15610.61234.8219nxqqqtm，20005.76220.27324.70490.22372.15615.187240.8492nxqqqt；（4）求拱顶的内力由于对称关系，将左半拱分为四等段，计算0～4各截面的弯矩M和轴力N，见图4-10（a），按下式计算：20122iiqxMxxyM；20cossinsincosiiiNxqxVH式中iMii、V、H按式（4-7）与附表57计算，结果见表1所示。表1iMii、V、H数值表截面iViHiM093.120027.2742108.4028142.207024.995838.315328.771720.44607.502530.194719.69060.1877410.158130.441913.2841坐标尺寸的计算见表2，弯矩iM的计算见表3，轴力iN的计算见表4。第8页共16页表2拱轴线的坐标截面sincosxy00'0000000.00001.00000.00000.000010'1543150.27100.96261.84280.254320'3126300.52160.85323.54690.998230'4709450.73330.6799