石家莊鐵道大學(xué)20XX-20XX學(xué)年201X級《隧道工程課程設(shè)計》專業(yè)：土木工程學(xué)院方向：地下工程班級：姓名：學(xué)號：任課老師：201X年12月30日1工程概況1.1隧道概況中苛隧道進(jìn)口里程DK135+080，出口里程DK135+580，全長500m。隧道位于R＝7000的曲線上，隧道內(nèi)坡度為4‰下坡隧道所處地形為圓形沙丘，丘頂局部石灰?guī)r裸露，大部被土覆蓋，植被較發(fā)育，山丘山坡較平緩，四周較平坦，地表多辟為耕地。1.2工程地質(zhì)及水文地質(zhì)〔一〕工程地質(zhì)表覆第四系上更新統(tǒng)坡洪積新黃土及第四系中更新統(tǒng)坡洪積,下伏奧陶系中統(tǒng)上馬家溝三段組，石灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r。新黃土：黃褐色，硬塑～堅硬，含少量姜石，具大孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育，厚5.0-20.0m。老黃土：棕紅色、硬塑～堅硬，含大量姜石，厚大于40m。石灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r：深灰色，灰色，薄層-厚層狀，弱風(fēng)化-微風(fēng)化，節(jié)理發(fā)育，塊狀砌體結(jié)構(gòu)，具弱溶蝕現(xiàn)象。(二)水文地質(zhì)條件：隧道處地下水類型主要為第四系孔隙潛水，主要受大氣降水補(bǔ)給，地下水較發(fā)育，隧道內(nèi)含少量地下水，雨季水量豐富，滲透系數(shù)K=1.6m/d。2隧道深淺埋判定及圍巖壓力的計算2.1深淺埋隧道的判定原那么深、淺埋隧道分界深度至少應(yīng)大于坍方的平均高度且有一定余量。根據(jù)經(jīng)驗，這個深度通常為2~2.5倍的坍方平均高度值，即：式中，—深淺埋隧道分界的深度；—等效荷載高度值系數(shù)2~2.5在松軟的圍巖中取高限，在較堅硬圍巖中取低限。當(dāng)隧道覆蓋層厚度時為超淺埋，時為淺埋，時為深埋。2.2圍巖壓力的計算方法(1)當(dāng)隧道埋深h小于或等于等效荷載高度hq〔即〕時，為超淺埋隧道，圍巖壓力按全土柱計算。圍巖垂直均布壓力為：式中，r—圍巖容重，見表2-1；h—隧道埋置深度。圍巖水平均布壓力e按朗金公式計算表2-1圍巖壓力相關(guān)計算參數(shù)圍巖級別容重r〔kN/m3〕彈性反力系數(shù)K〔MPa/m〕巖體兩側(cè)摩擦系角θ(°)計算摩擦角φ0(°)=4\*ROMANIV20~23200~500(0.7~0.9)φ050~60(2)當(dāng)隧道埋深h大于等效荷載高度hq且小于深淺埋分界深度〔〕時，為一般淺埋隧道，圍巖壓力按謝家休公式計算：圍巖垂直均布壓力為：式中，B—坑道跨度；r—圍巖的容度；h—洞頂覆土厚度；—巖體兩側(cè)摩擦角，見表2-1；—側(cè)壓力系數(shù)；—圍巖計算摩擦角，見表2-1；—產(chǎn)生最大推力時的破裂角；圍巖水平壓力按下式計算：隧道頂部水平壓力：隧道底部水平壓力：(3)當(dāng)隧道埋深h大于或等于深淺埋分界深度Hp〔即〕時，為深埋隧道，圍巖壓力按自然拱內(nèi)巖體重量計算：單線鐵路隧道按概率極限狀態(tài)設(shè)計時的垂直壓力為：單線、雙線及多線鐵路隧道按破壞階段設(shè)計時垂直壓力為：式中，hq—等效荷載高度值；s—圍巖級別，如級圍巖s=3；r—圍巖的容重w—寬度影響系數(shù)，其值為：其中，B—坑道寬度；i—B每增加1m時，圍巖壓力的增減率〔以B=5m為基準(zhǔn)〕，當(dāng)B<5m時，取i=0.2，B>5m時，取i=0.1。圍巖的水平均布壓力e按表2-2計算求得。表2-2圍巖水平均布壓力圍巖級別=1\*ROMANI~=2\*ROMANII=3\*ROMANIII=4\*ROMANIV=5\*ROMANV=6\*ROMANVI水平均布壓力0<0.15q(0.15~0.3)q(0.30~0.5)q(0.5~1.0)q2.3Ⅳ級圍巖計算2.3.1Ⅳ級圍巖深淺埋的判定偏于平安考慮，取隧道開挖最大輪廓尺寸進(jìn)行圍巖壓力的計算。開挖輪廓：B=15.46m，=12.34m等效荷載高度：深淺埋分界深度：由于圍巖為Ⅳ級，極為軟弱破碎且節(jié)理發(fā)育，故深淺埋分界深度取為。由隧道縱斷面圖可知，Ⅳ級圍巖中，隧道的最小埋深，故處于Ⅳ級圍巖的隧道均為深埋隧道。2.3.2Ⅳ級圍巖壓力的計算根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》推薦的方法：垂直均布松動壓力：水平均布松動壓力：3襯砌內(nèi)力計算與檢算3.1Ansys的加載求解過程在襯砌內(nèi)力計算中，首先擬定襯砌結(jié)構(gòu)厚度及參數(shù)值，然后再Ansys程序中建立模型并添加約束，進(jìn)行加載，最后求得各單元內(nèi)力值。Ansys加載求襯砌內(nèi)力過程：進(jìn)入前處理，定義單元類型、材料屬性、實常數(shù)。建模：建立關(guān)鍵點，連接關(guān)鍵點生成二襯軸線設(shè)置線單元屬性，劃分單元施加水平、豎向彈簧支撐施加邊界條件施加圍巖壓力，與重力加速度求解進(jìn)入后處理，定義軸力、彎矩單元表，顯示軸力、彎矩圖3.2襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢算原理隧道襯砌為雙線復(fù)合襯砌，參照《鐵路隧道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》按破損階段法及容許應(yīng)力法檢算隧道結(jié)構(gòu)截面。隧道結(jié)構(gòu)截面抗壓強(qiáng)度按下式計算：式中，K—平安系數(shù)，見表3-1；N—軸向力〔MN〕；Ra—混凝土或砌體的抗壓極限強(qiáng)度〔Mpa〕，見表3-2；—構(gòu)件縱向彎曲系數(shù)，對于隧道襯砌，可取=1.0b—截面寬度；h—截面厚度；—軸向力偏心影響系數(shù)，查標(biāo)準(zhǔn)可得，計算公式如下：且1.000表3-1混凝土何砌體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度平安系數(shù)K圬工種類混凝土砌體荷載組合主要荷載主要荷+附加荷載主要荷載主要荷+附加荷載破壞原因混凝土或砌體達(dá)到抗壓極限強(qiáng)度2.42.02.72.3混凝土到達(dá)抗拉極限強(qiáng)度3.63.0——表3-2混凝土的極限強(qiáng)度〔Mpa〕強(qiáng)度種類符號混凝土強(qiáng)度等級C15C20C25C30C40C50抗壓Ra12.015.519.022.529.536.5彎曲抗壓Rw15.019.424.228.136.945.6抗拉R11.41.72.02.22.73.1注：1片石混凝土的抗壓極限強(qiáng)度可采用表中數(shù)據(jù)；2表中彎曲抗壓極限強(qiáng)度Rw=1.25Ra換算。從抗裂要求出發(fā)，混凝土矩形截面偏心受壓構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度按下式計算：式中，R1—混凝土的抗拉極限強(qiáng)度；e0—檢算截面偏心距；其他符號同前。對混凝土矩形構(gòu)件，按《鐵路隧道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的平安系數(shù)及材料強(qiáng)度豎直計算結(jié)果說明，當(dāng)e0≤0.2h時，有抗壓強(qiáng)度控制承載能力，不必檢算抗裂；當(dāng)e0＞0.2h時，由抗拉強(qiáng)度控制承載能力，不必檢算抗壓。3.3=4\*ROMANIV級圍巖襯砌內(nèi)力計算與強(qiáng)度檢算=4\*ROMANIV級圍巖中的隧道都為深埋隧道，取如下斷面襯砌進(jìn)行強(qiáng)度的檢算。結(jié)構(gòu)及圍巖容重(kN/m3)彈性抗力系數(shù)(Mpa/m)彈性模量〔Gpa〕泊松比C25混凝土23—29.50.2=4\*ROMANIV級圍巖22350——利用ansys求解，得到襯砌的變形圖、彎矩圖及軸力圖如下：圍巖軸力圖圍巖彎矩圖圍巖變形圖強(qiáng)度驗算：1—抗壓合格2—抗壓不合格3—抗拉合格4—抗拉不合格4襯砌截面配筋計算4.1截面配筋原理參見《鐵路隧道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中對鋼筋混凝土矩形截面強(qiáng)度的計算公式，對檢算未通過截面進(jìn)行對稱配筋設(shè)計。對稱配筋時，(1)當(dāng)受壓區(qū)高度時，為大偏心受壓構(gòu)件假設(shè)，那么按下式計算：或假設(shè)，那么按下式計算：其中，K—平安系數(shù)；Rw—混凝土彎曲抗壓極限強(qiáng)度，Rw=1.25Ra按表采用；Rg—鋼筋的抗拉或抗壓計算強(qiáng)度；Ag，A’g—受拉和受壓區(qū)鋼筋的截面面積〔m2〕；a，a’—自鋼筋或的重心分別至截面最近邊緣的距離〔m〕；h—截面高度〔m〕；h0—截面的有效高度〔m〕，h0=h-a；x—混凝土受壓區(qū)高度〔m〕；b—矩形截面的寬度或T形截面的肋寬〔m〕。(2)當(dāng)時，為小偏心受壓構(gòu)件，遠(yuǎn)離縱向力一邊的鋼筋不屈服。那么矩形截面小偏心受壓構(gòu)件的鋼筋截面面積，可按下式計算：當(dāng)軸向力N作用于鋼筋與的重心之間時，尚應(yīng)符合以下要求：4.2=4\*ROMANIV級圍巖配筋計算單元彎矩軸力高h(yuǎn)偏心距e0軸力偏心距影響系數(shù)α強(qiáng)度檢算44-1.02E+06-1.74E+050.41.55E-011.00E-00不合格45-1.16E+06-1.77E+050.41.53E-017.66E-01不合格46-1.10E+06-1.51E+050.41.26E-019.31E-01不合格單元46配筋計算：矩形截面：，荷載產(chǎn)生的最大軸力設(shè)計值為