石家庄铁道大学20XX-20XX学年201X级《隧道工程课程设计》专业：土木工程学院方向：地下工程班级：姓名：学号：任课老师：201X年12月30日1工程概况1.1 隧道概况中苛隧道进口里程DK135+080，出口里程DK135+580，全长500m 。

隧道位于R ＝7000的曲线上，隧道内坡度为4‰下坡隧道所处地形为圆形沙丘，丘顶局部石灰岩裸露，大部被土覆盖，植被较发育，山丘山坡较平缓，四周较平坦，地表多辟为耕地。

1.2 工程地质及水文地质（一）工程地质表覆第四系上更新统坡洪积新黄土及第四系中更新统坡洪积,下伏奥陶系中统上马家沟三段组，石灰岩、白云岩、白云质灰岩。

新黄土：黄褐色，硬塑～坚硬，含少量姜石，具大孔隙，垂直节理发育，厚5.0-20.0m 。

老黄土：棕红色、硬塑～坚硬，含大量姜石，厚大于40m 。

石灰岩、白云岩、白云质灰岩：深灰色，灰色，薄层-厚层状，弱风化-微风化，节理发育，块状砌体结构，具弱溶蚀现象。

(二)水文地质条件：隧道处地下水类型主要为第四系孔隙潜水，主要受大气降水补给，地下水较发育，隧道内含少量地下水，雨季水量丰富，渗透系数K=1.6m/d 。

2 隧道深浅埋判定及围岩压力的计算2.1 深浅埋隧道的判定原则深、浅埋隧道分界深度至少应大于坍方的平均高度且有一定余量。

根据经验，这个深度通常为2~2.5倍的坍方平均高度值，即：()q p h H 5.2~2= 式中，p H —深浅埋隧道分界的深度；q h —等效荷载高度值系数2~2.5在松软的围岩中取高限，在较坚硬围岩中取低限。

当隧道覆盖层厚度q h h ≤时为超浅埋，p q H h h <<时为浅埋，p H h ≥时为深埋。

2.2 围岩压力的计算方法(1) 当隧道埋深h 小于或等于等效荷载高度h q （即q h h ≤）时，为超浅埋隧道，围岩压力按全土柱计算。

围岩垂直均布压力为：rh q =式中，r —围岩容重，见表2-1；h —隧道埋置深度。

围岩水平均布压力e 按朗金公式计算⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫⎝⎛+=245tan 21002φt rH q e表2-1 围岩压力相关计算参数围岩级别 容重r （kN/m 3） 弹性反力系数 K （MPa/m ） 岩体两侧摩擦系角 θ(°) 计算摩擦角φ0(°)IV 20~23 200~500 ( 0.7~0.9 )φ050~60 (2) 当隧道埋深h 大于等效荷载高度h q 且小于深浅埋分界深度（p q H h h <<）时，为一般浅埋隧道，围岩压力按谢家休公式计算：围岩垂直均布压力为：⎪⎭⎫ ⎝⎛-==B h rh B Q q θλtan 1 ()[]θφθφββφβλtan tan tan tan tan 1tan tan tan 000+-+-=()θφφφφβtan tan tan 1tantan tan 00020-++=式中，B —坑道跨度；r —围岩的容度； h —洞顶覆土厚度；θ—岩体两侧摩擦角，见表2-1；λ—侧压力系数；0φ—围岩计算摩擦角，见表2-1；β—产生最大推力时的破裂角； 围岩水平压力按下式计算： 隧道顶部水平压力： λrh e =1 隧道底部水平压力： λrH e =2(3) 当隧道埋深h 大于或等于深浅埋分界深度H p （即p H h ≥）时，为深埋隧道，围岩压力按自然拱内岩体重量计算：单线铁路隧道按概率极限状态设计时的垂直压力为：r rh q s q ⨯⨯==79.141.0单线、双线及多线铁路隧道按破坏阶段设计时垂直压力为：rw rh q s q ⨯⨯==-1245.0式中，h q —等效荷载高度值；s —围岩级别，如级围岩s =3； r —围岩的容重w —宽度影响系数，其值为：()51-+=B i w其中，B —坑道宽度；i —B 每增加1m 时，围岩压力的增减率（以B =5m 为基准），当B <5m 时，取i =0.2，B >5m 时，取i =0.1。

围岩的水平均布压力e 按表2-2计算求得。

表2-2 围岩水平均布压力围岩级别I~II III IV V VI 水平均布压力<0.15q (0.15~0.3)q (0.30~0.5)q (0.5~1.0)q2.3 Ⅳ级围岩计算2.3.1 Ⅳ级围岩深浅埋的判定偏于安全考虑，取隧道开挖最大轮廓尺寸进行围岩压力的计算。

开挖轮廓：B =15.46m ，t H =12.34m等效荷载高度：()[]m w h s q 37.7546.151.01245.0245.031=-⨯+⨯⨯=⨯⨯=- 深浅埋分界深度：()()m 18.425-74.145.22=-=q p h H由于围岩为Ⅳ级，极为软弱破碎且节理发育，故深浅埋分界深度取为m h H q p 425.185.2==。

由隧道纵断面图可知，Ⅳ级围岩中，隧道的最小埋深m H m h p 425.1841.28=>=，故处于Ⅳ级围岩的隧道均为深埋隧道。

2.3.2 Ⅳ级围岩压力的计算根据《铁路隧道设计规范》推荐的方法：垂直均布松动压力：()[]23/14.162546.151.01245.022m kN rh q q =-⨯+⨯⨯⨯== 水平均布松动压力：2/43.2614.1322.02.0m kN q e =⨯==3 衬砌内力计算与检算3.1 Ansys 的加载求解过程在衬砌内力计算中，首先拟定衬砌结构厚度及参数值，然后再Ansys 程序中建立模型并添加约束，进行加载，最后求得各单元内力值。

Ansys 加载求衬砌内力过程：（1） 进入前处理，定义单元类型、材料属性、实常数。

（2） 建模：建立关键点，连接关键点生成二衬轴线 （3） 设置线单元属性，划分单元 （4） 施加水平、竖向弹簧支撑 （5） 施加边界条件（6） 施加围岩压力，与重力加速度 （7） 求解（8） 进入后处理，定义轴力、弯矩单元表，显示轴力、弯矩图3.2 衬砌结构强度检算原理隧道衬砌为双线复合衬砌，参照《铁路隧道设计规范》按破损阶段法及容许应力法检算隧道结构截面。

隧道结构截面抗压强度按下式计算：bh R KN a ϕα≤式中，K —安全系数，见表3-1；N —轴向力（MN ）；R a —混凝土或砌体的抗压极限强度（Mpa ），见表3-2； ϕ—构件纵向弯曲系数，对于隧道衬砌，可取ϕ=1.0 b —截面宽度； h —截面厚度；α—轴向力偏心影响系数，查规范可得，计算公式如下：()()()30200/444.15/569.12/648.0000.1h e h e h e +-+=α 且α≤1.000表3-1 混凝土何砌体结构的强度安全系数K圬工种类 混凝土 砌体荷载组合 主要荷载 主要荷+附加荷载 主要荷载主要荷+附加荷载破坏原因混凝土或砌体达到抗压极限强度 2.4 2.0 2.7 2.3混凝土达到抗拉极限强度3.6 3.0 — —表3-2 混凝土的极限强度（Mpa ）强度种类 符号 混凝土强度等级C15 C20 C25 C30 C40 C50 抗 压R a12.0 15.5 19.0 22.529.5 36.5弯曲抗压 R w 15.0 19.4 24.2 28.1 36.9 45.6 抗 拉R 1 1.4 1.7 2.0 2.2 2.7 3.1注：1 片石混凝土的抗压极限强度可采用表中数据；2 表中弯曲抗压极限强度R w =1.25R a 换算。

从抗裂要求出发，混凝土矩形截面偏心受压构件的抗拉强度按下式计算：1/675.101-≤h e bhR KN ϕ式中，R 1—混凝土的抗拉极限强度；e 0—检算截面偏心距； 其他符号同前。

对混凝土矩形构件，按《铁路隧道设计规范》规定的安全系数及材料强度竖直计算结果表明，当e 0≤0.2h 时，有抗压强度控制承载能力，不必检算抗裂；当e 0＞0.2h 时，由抗拉强度控制承载能力，不必检算抗压。

3.3 IV 级围岩衬砌内力计算与强度检算IV 级围岩中的隧道都为深埋隧道，取如下断面衬砌进行强度的检算。

结构及围岩容重(kN/m 3)弹性抗力系数 弹性模量泊松比(Mpa/m) （Gpa）C25混凝土23 —29.5 0.2 IV级围岩22 350 ——利用ansys求解，得到衬砌的变形图、弯矩图及轴力图如下：围岩轴力图围岩弯矩图围岩变形图节点轴力弯矩偏心距高h轴力偏心影响系数α抗拉抗裂强度检算1-6.37E+05-3.77E+03 5.92E-030.59.91E-011 2-6.37E+05-1.17E+03 1.84E-030.59.97E-011 3-6.37E+05-6.72E+03 1.06E-020.5 1.01E+001 4-6.38E+05-2.01E+04 3.14E-020.59.95E-011 5-6.41E+05-3.82E+04 5.95E-020.59.25E-011 6-6.48E+05-5.83E+049.01E-020.57.99E-013 7-6.62E+05-7.42E+04 1.12E-010.5 6.87E-013 8-6.89E+05-7.43E+04 1.08E-010.57.10E-013 9-7.39E+05-4.11E+04 5.56E-020.59.38E-011 10-8.19E+05-7.96E+039.72E-030.49.77E-011 11-9.13E+05-5.17E+04 5.67E-020.4 6.12E-011 12-1.00E+06-8.50E+048.48E-020.4 1.51E-011 13-1.07E+06-9.67E+049.04E-020.4 3.40E-021 14-1.11E+06-7.42E+04 6.66E-020.4 4.73E-011 15-1.15E+06-3.26E+04 2.84E-020.48.85E-011 16-1.17E+06-3.41E+03 2.93E-030.49.95E-011 17-1.16E+06-2.01E+04 1.72E-020.4 1.00E+001 18-1.16E+06-4.23E+04 3.66E-020.49.66E-011 19-1.15E+06-6.24E+04 5.43E-020.48.95E-011 20-1.15E+06-7.41E+04 6.43E-020.48.43E-011 21-1.17E+06-6.49E+04 5.53E-020.48.90E-011 22-1.23E+06-1.73E+04 1.41E-020.4 1.00E+001 23-1.20E+06-8.74E+047.28E-020.4 3.73E-011 24-1.17E+06-1.50E+05 1.29E-010.4 1.00E+001 25-1.12E+06-1.77E+05 1.58E-010.4 1.00E+001 26-1.08E+06-1.74E+05 1.61E-010.4 1.00E+004 27-1.03E+06-1.47E+05 1.43E-010.4 5.34E-014 28-9.80E+05-1.03E+05 1.05E-010.4 3.08E-014 29-9.33E+05-4.81E+04 5.16E-020.4 6.74E-011 30-8.90E+05-1.02E+04 1.15E-020.4 1.00E+001 31-8.53E+05-6.68E+047.83E-020.47.61E-011 32-8.24E+05-1.16E+05 1.41E-010.4 3.42E-011 33-8.04E+05-1.55E+05 1.93E-010.4 1.22E-014 34-7.94E+05-1.79E+05 2.26E-010.4 1.39E-014 35-7.93E+05-1.88E+05 2.37E-010.4 1.82E-014 36-8.03E+05-1.79E+05 2.23E-010.4 1.32E-014 37-8.23E+05-1.55E+05 1.88E-010.4 1.31E-014 38-8.51E+05-1.16E+05 1.37E-010.4 3.70E-014 39-8.87E+05-6.68E+047.53E-020.47.80E-014 40-9.29E+05-1.02E+04 1.10E-020.4 1.00E+001 41-9.76E+05-4.82E+04 4.93E-020.47.00E-011 42-1.02E+06-1.03E+05 1.00E-010.4 1.92E-011 43-1.07E+06-1.47E+05 1.37E-010.4 1.00E+001 44-1.02E+06-1.74E+05 1.55E-010.4 1.00E+004 45-1.16E+06-1.77E+05 1.53E-010.47.66E-014 46-1.20E+06-1.51E+05 1.26E-010.49.31E-014 47-1.22E+06-8.74E+047.16E-020.4 3.92E-011 48-1.17E+06-1.73E+04 1.48E-020.4 1.01E+001 49-1.15E+06-6.49E+04 5.67E-020.48.83E-011 50-1.14E+06-7.41E+04 6.49E-020.59.06E-011 51-1.15E+06-6.24E+04 5.43E-020.59.42E-011 52-1.16E+06-4.23E+04 3.65E-020.59.86E-011 53-1.16E+06-2.01E+04 1.74E-020.5 1.01E+001 54-1.14E+06-3.37E+03 2.95E-030.59.96E-011 55-1.11E+06-3.25E+04 2.94E-020.59.15E-011 56-1.06E+06-7.41E+04 6.96E-020.5 6.24E-011 57-9.98E+05-9.67E+049.69E-020.5 2.91E-011 58-9.09E+05-8.50E+049.36E-020.5 3.38E-011 59-8.16E+05-5.18E+04 6.35E-020.5 6.83E-011 60-7.37E+05-8.02E+03 1.09E-020.59.80E-011 61-6.87E+05-4.10E+04 5.97E-020.59.24E-011 62-6.61E+05-7.43E+04 1.12E-010.5 6.86E-011 63-6.47E+05-7.42E+04 1.15E-010.5 6.73E-011 64-6.40E+05-5.83E+049.11E-020.57.94E-013 65-6.38E+05-3.81E+04 5.98E-020.59.24E-013 66-6.37E+05-2.00E+04 3.15E-020.59.95E-013 67-6.37E+05-6.71E+03 1.05E-020.5 1.01E+001强度验算： 1—抗压合格 2—抗压不合格 3—抗拉合格 4—抗拉不合格4 衬砌截面配筋计算4.1 截面配筋原理参见《铁路隧道设计规范》中对钢筋混凝土矩形截面强度的计算公式，对检算未通过截面进行对称配筋设计。