3秦山隧道二襯結構計算

3.1基本參數(shù)

1.二襯參數(shù)表

二次襯砌采用現(xiàn)澆模筑混凝土，利用荷載結構法進行襯砌內(nèi)力巾算和驗算。

二次襯砌厚度設置見表3.1。

表3.1二次襯砌參數(shù)表

圍巖級別拱墻厚度h/cm仰拱厚度h/cm硅級別鋼筋種類鋼筋直徑

II3535C30HRB33514

III4045C30IIRB33520

IV4045C30HRB33520

20

V5055C35HRB335

22（加強）

V級加強圍

巖（下穿鳳6070C35HRB33525

凰臺路）

2.計算斷面參數(shù)確定

隧道高度h=內(nèi)輪廓線高度+襯砌厚度+預留變形量

隧道跨度b二內(nèi)輪廓線寬度+襯砌厚度+預留變形量

各圍巖級別計算斷面參數(shù)見表3.2。

表3.2計算斷面參數(shù)（單位：m）

圍巖級別隧道高度H隧道寬度B預留變形量/cm開挖高度開挖寬度

II10.8112.86410.8412.90

III11.1413.32711.2113.39

IV11.3113.46911.4013.55

V11.6313.601211.7513.72

V級加強11.9613.861412.1014.00

圍巖(下穿

鳳凰臺路)

3.設計基本資料

圍巖容重：八二20.5AN/"/

二襯材料：C30、C35混凝土

彈性抗力系數(shù)：K=25000供N/W

3

材料容重：yh=25kN/m

彈性模量：Eh=3xl^kPa

二襯厚度：35/40/45/50/55/60/65/70cm

鐵路等級：客運專線

行車速度：200km/h

隧道建筑眼界：雙線，按200km/h及以上的客運專線要求設計

線間距：4.4m

曲線半徑：1800m,4000m

牽引種類：電力

列車類型：動車組

列車運行控制方式：自動控制

運輸調度方式：綜合調度集中

3.2各級圍巖的圍巖壓力計算

按深埋隧道，《規(guī)范》公式

垂直圍巖壓力q=/0.45x2'-,vv

w=l+Z(B-5)]

水平圍巖壓力有垂直圍巖壓力乘以水平圍巖壓力系數(shù)可得，水平圍巖壓力系數(shù)見表

3.30

各部位垂直圍巖壓力和水平圍巖壓力計算結果見表3.4。

表3.3水平圍巖壓力系數(shù)

圍巖級別IIIIIIVV

水平圍巖壓力

00.130.20.4

系數(shù)

表3.4垂直圍巖壓力及水平圍巖壓力計算表

圈巖拱頂垂直圍巖拱底垂直困巖拱頂水平圍巖墻底水平圍巖寬度影哺

開挖寬度B到拱底高乩到結底高H'容重Y

援別壓力qv壓力qv壓力qh壓力qh系數(shù)w

kN//kN/m'kN/mJkN/m"mmmkN/ms

II33.0255101.57050012.91.793.498.5620.5

III67.8591140.22418.14309229.32369213391.8393.538.6120.5

IV136.899210.49427.379862.844813551.8553.598.6520.5

V276.3072350.7222110.52288181.7808813721.8723.638.6920.5

V線加強

圍巖（下穿280.44356.085112.176183.68141.93.698.7220.5

鳳縣臺路）

注：二材按承擔70%的囤省壓力進行計算.

圍巖級別拱頂垂直用巖壓力qv./kN/m2拱底垂直圖巖壓力qv/kN/m2拱頂水平圍巖壓力qh/kN/m'墻底水平圍巖壓力qh/kN/m"

II23.11785103.4778500

III47.50137127.861375.700164422.5241044

IV95.8293176.189319.1658647.20576

V193.41504273.7750477.366016133.445816

V級加強圍巖（下穿

196.308276.66878.5232134.603

風鬼臺路）

3.3襯砌內(nèi)力計算

襯砌內(nèi)力計算的原理采用荷載結構法。該方法用有限元軟件MIDAS/GTS實現(xiàn)。

3.3.1計算簡圖

藁山隧道襯砌結構為復合式襯砌，二襯結構為帶仰拱的三心圓曲墻式襯砌。典型的

計算圖式如圖3.1所示，荷載結構模型計算圖式如圖3.2所示。圍巖用彈簧代替，用彈

簧單元模擬，結構用梁單元模擬。

圖3.1三心圓曲墻式襯砌結構

01

圖3.2荷載結構模型計算圖式

3.3.2計算過程

下面以n級圍巖為例進行說明。

1.生成分析數(shù)據(jù)

生成屬性

主菜單里選擇模型〉特性〉屬性…

屬性窗口如圖3.3、圖3.6所示。

圖3.3梁截面輸入窗口

圖3.4模型材料窗口

添加/修改線屬性區(qū)）

圖3.5屬性匯總窗口1

圖3.6模型屬性匯總窗口2

2.二維幾何建模

二維幾何建模參數(shù)見表3.5。

表3.5三心圓帶仰拱二維幾何建模參數(shù)

拱墻混凝仰拱混凝有限元建模半徑

圍巖級別

i/cmi/cmRl/mAl/度R2/mA2/度R3/mA3/度

II35356.205606.2054813.32519.13

III40456.23606.234813.37519.13

IV40456.23606.234813.37519.13

V50556.28606.284813.42519.13

V級加強60706.33606.334813.5019.13

圍巖（下

穿鳳凰臺

路）

主菜單里選擇幾何〉曲線》在工作平面上建立》二維隧道（線組）…

隧道類型選擇'三心圓仰拱'

輸入?yún)?shù)見表3.5。

3,生成二維網(wǎng)格

主菜單里選擇網(wǎng)格〉自動劃分網(wǎng)格＞線…

對側墻wall、拱圈crown、仰拱invert、墻腳corner進行劃分網(wǎng)格，自動網(wǎng)格線

劃分窗口如圖3.8所示:，

隧道軸線化劃分的網(wǎng)格如圖3.9所示。

顯示截面后的隧道有限元網(wǎng)格模型如圖3.10所示。

自動網(wǎng)格線區(qū)■自動岡格線

話選擇線應1請選擇線

播種方法

I分割數(shù)量3

分割數(shù)量

|20_|

r對稱播種

r手動分割增量一

連接單元坐標軸

Bet魂：90[Deg]回

屬性

1|T：""lining-▼」圓回

網(wǎng)格組_____________________

名稱|crown

______________高級選項...

gg]確u?取消||[逾心|厘）國確認|取消||￡適用二耳

圖3.8自動網(wǎng)格線劃分窗口

圖3.9隧道軸線劃分網(wǎng)格

圖3.10顯示截面后的隧道有限元網(wǎng)格模型

4.邊界條件

利用曲面彈簧功能定義模型的邊界條件。選擇賦予地基彈簧的節(jié)點后輸入相應的地

基反力系數(shù)，程序會考點選中的節(jié)點間的距離自動按各節(jié)點計算彈簧系數(shù)。由于隧道的

開挖部分的下部土體不能抗拉所以地基彈簧使用只受壓單元(Compression-only)進行

邊界非線性分析。

主菜單里選擇模型》單元》建立曲面彈簧…

在邊界組對話框的名稱處輸入*GroundSpring'

曲面彈簧建立窗口如圖3.11所示。圍巖彈性抗力系數(shù)為250000kN/m3o建立曲面彈

簧后的隧道模型如圖3.12所示。

圖3.11曲面彈簧建立窗口

圖3.12建立曲面彈簧后的隧道模型

5.荷載

定義模型的荷載工況。此模型里作用的荷載為結構自重、水平土壓和豎直土壓力三

種。程序中定義如圖3.13所示。

圖3.13荷載工況定義

(1)自重主菜單力選擇模型)荷載》自重…

荷載組力輸入'Self肥ight',自重系數(shù)的Y處輸入'T',如圖3.14所示。

自重區(qū)）

有期值139

自重系數(shù)

X0.0000

Y-70000

Z0.0000

畫圖取消I適用I

圖3.14自重輸入

（2）水平圍巖壓力

輸入水平土壓力。

主菜單力選擇模型）荷載》連續(xù)梁單元荷載….水平圍巖壓力輸入如圖3.15所示。

連續(xù)梁單元有教區(qū)|連續(xù)梁單元有我區(qū)|

荷載犯|水平湖巖壓力3國荷載組I垂直困巖壓力三］國

視式模式

俗添加「替換r刪除G添加「替換C刪除

廠僅適用于未分配對象r僅適用于未分配對象

選擇單元選擇單元

I選中的單元3I選中的單元3

3

修選中的節(jié)點Q選擇第一節(jié)點

*選中的節(jié)點C選擇第二節(jié)點

R已選擇18個單元選擇單元

G力匚彎矩力匚彎矩

J?分布￡集中G分布二集中

方向|整體X三I方向|整體丫二|

投影"是「否投影"是「否

數(shù)值數(shù)值

與比率r長度C比率C長度

xl|0wl|0kN/mxl|0wl|-23.1kN/m

x2|rw2I0kN/mx2|fw2|-73.2kN/m

畫國蹩人版理I；適用4回國確這版色|籃用斗

圖3.15水平圍巖壓力輸入圖3.16垂直圍巖壓力輸入

（3）垂直圍巖壓力

主菜單：選擇模型〉荷載》連續(xù)梁單元荷載….垂直圍巖壓力輸入如圖3.16所示。

6.荷載組合

在進行分析以前利用組合荷載組為新組的功能將要查看的荷載組合變換為一個靜

力荷載組。

做截面設計時要使用的荷載組合如下。

LCB1：1.54自重+1.8水平土壓+1.4豎直土壓

LCB2：1.54自重+0.9水平土壓+1.4豎直土壓

主菜單里選擇模型）荷載》組合荷載組為新組…，荷載組合窗口如圖3.17所示。

圖3.17荷載組合窗口

7.分析工況

定義分析工況。主菜單里選擇分析》分析工況…，分析工況定義窗口如圖3.18所

不O

添加/修改分析工況

名稱二村分析

敘述

分析類型外性靜在三］分析兗制圖

分析模型

初始單元；G全部1無r其他|3I3

初始邊界；6全部「無「其胞|3「

添加或修改初均桎型

組目錄激活鈍化

三窗單元-施單元而單元

電數(shù)IA網(wǎng)格逅則I默認網(wǎng)格俎*邊界

邳3的|WM11

簿crown期crown

時nv?rt期invert

期c,rn?r期corner

時由面彈策的曲面彈法

日4邊界二，邊界

49。曲＜1spring?groundspring

三?有裁-?荷裁

⑵目重

北平圍青壓力⑼水平圉巖壓力

垂直困巖壓力(2)垂直圉巖壓力

LCB1I(;)LCB1

(;)LCB2

r獨立計篁各荷我組確u|取消?|研

圖3.18分析工況定義窗口

8.分析

主菜單里選擇分析》分析…。

m~v級圍巖計算過程同上。

3.3.3計算結果

1.II級圍巖

關鍵截面內(nèi)力見表3.6。

LCB1和LCB2荷載組合下的內(nèi)力圖及位移圖如圖3.19所示。

因H級圍巖水平圍巖壓力為0,故LCB1和LCB2荷載組合計算結果相同。

表3.6II級圍巖各荷載組合下的內(nèi)力(kN、kNm)

鍵截面

拱頂邊墻墻腳仰拱底

荷載組

軸力彎矩軸力彎矩軸力彎矩軸力彎矩

LCBl54.685.023.238.525.84.60287.00.015

LCB254.685.023.238.525.84.60287.00.015

a

IDELBMENTFC?CE

Fx

UNIT(kN)

?$460l0c*001

?332501C*001

?118^264001

?9.451&3e*000

-3.06CD5e*O0l

.5.2l5Me*OOI

-735(M2e*O01

-9.4855le*001

-1.163Xe*O02

-1.37S57e*002

-158906e*002

-180259e*002

-2.0l6D9e*002

3-222960e*002

■——-2.4431ie*002

67%

—.2?02B4002

----------2.87013e*002

(a)軸力圖

IDELEMENTFOfCT

LNT(kN*m)

.,,*84?44e*00i

?757362x001

34%

",4651816001

^y^>572599e*00l

…M80618e400l

*38?36e*00l

''+296455—81

1.7%

…MMR9OOI

6o%

*11X92e*001

16.9%

*19910364000

上??7.22712c@0

119%

.164453e*OO1

34%

…-2.56G34e*OO1

6

—-348816e*001

34%

，>4.40^76*001

j^--513179a^01

-6.25360e*001

uv

IDELWENTFORCE

Fz

UNIT(kN)

772583002

?107264002

*99398e*001

16%

-?766162001

16%

二%46.293264001

：［^^5969964001

.3的466e.001

^-?153233^001

—^?000000e*000

zo2*X>

-1f3233e*OO1

-3C6466e*001

56%

-4S699e*001

32%

?6.l2932e@l

?7.66166?*001

-9W98e*001

——-1C7263c@2

O.B%

-1；2586e*002

(c)剪力圖

C#SFLAC€MBJT

DXYZ

2?Mn：ooooooe+ooo?255l92e4)03

oD8Jboe+ooo：06%

、±Min000000e*000*239242e-O03

ibooe+ooo'2%.22329結003

ooooooe+ooo

06%

lOOOOe+OOOO.OOOOOe+OOO——*207343?33

12%

--?1.913946.003

.0000064000O.OOOOOe+OOO06'，，