隧道工程课程设计说明书The structural design of the Tunnel作者姓名：黄浩刘彦强专业、班级：道桥1002班道桥1003班学号： 311007020711 311007020815 指导教师：陈峰宾设计时间： 2014/1/9河南理工大学Henan Polytechnic University目录一．课程设计题目 (1)二．隧道的建筑限界 (1)三．隧道的衬砌断面 (1)四．荷载确定 (2)4.1围岩压力计算 (2)4.2围岩水平压力 (3)4.3浅埋隧道荷载计算 (3)五．结构设计计算 (4)5.1计算基本假定 (4)5.2内力计算结果 (5)5.3 V级围岩配筋计算 (6)5.4偏心受压对称配筋 (7)5.5受弯构件配筋 (8)5.6箍筋配筋计算 (8)5.7强度验算 (8)5.8最小配筋率验算： (10)六．辅助施工措施设计 (10)6.1双侧壁导坑施工方法 (10)6.2开挖方法 (10)6.3施工工序 (11)隧道工程课程设计一．课程设计题目某单车道时速350Km/h高速铁路隧道Ⅴ级围岩段结构及施工方法设计二．隧道的建筑限界根据《铁路隧道设计规范》有关条文规定，隧道的建筑限界高度H取6.55m，宽度取8.5m，如图所示。
三．隧道的衬砌断面拟定隧道的衬砌，衬砌材料为C25混凝土，弹性模量Ec=2.95*107kPa，重度γh=23kN/m3，衬砌厚度取50cm，如图所示。
四．荷载确定4.1围岩压力计算根据围岩压力计算公式：10.452s z σγω-=⨯计算围岩竖向均布压力：10.452s q γω-=⨯ 式中：s ——围岩类别，此处s=5；γ——围岩容重，此处γ=22KN/m3；ω——跨度影响系数 1(5)i B ω=+-毛洞跨度8.5B m =B =8.5m5,0.1B m i >=B>5m ，i =0.1，此处1(5)10.1(8.55) 1.35i B ω=+-=+⨯-=所以有：40.452 1.359.72h m =⨯⨯= 2.524.320p H h m m ==> 所以此隧道为浅埋隧道。
4.2围岩水平压力围岩水平均布压力：0.250.259.722253.46e hq KMPa ==⨯⨯= 4.3浅埋隧道荷载计算(1)作用在支护结构上的垂直压力由于q ph H H <<，为便于计算，假定岩土体中形成的破裂面是一条与水平成β角的斜直线，如图5.1所示。
EFGH 岩土体下沉，带动两侧三棱体（图中FDB 和ECA ）下沉，整个岩土体ABDC 下沉时，又要受到未扰动岩土体的阻力；斜直线AC 或BD 是假定的破裂面，分析时考虑内聚力c ，并采用了计算摩擦角cϕ；另一滑面FH 或EG 则并非破裂面，因此，滑面阻力要小于破裂面的阻力。
该滑面的摩擦系数θ为36.5度。
查询铁路隧道设计相关规范，取计算摩擦角40c ϕ=。
浅埋隧道荷载计算简图如上图所示，隧道上覆岩体EFGH 的重力为W ，两侧三棱岩体FDB 或ECA 的重力为1W ，未扰动岩体整个滑动土体的阻力为F ，当EFHG 下沉，两侧受到阻力T 或'T ，作用于HG 面上的垂直压力总值Q 浅为：'22sin 2Q W T W T =-=-浅(2-4)其中，三棱体自重为：112tan h W hγβ=(2-5)式中：h 为坑道底部到地面的距离(m)；β为破裂面与水平的交角(°)。
由图据正弦定理可得1sin()sin[90()]T W βϕβϕθ-=︒--+(2-6)由于GC 、HD 与EG 、EF 相比往往较小，而且衬砌与岩土体之间的摩擦角也不同，当中间土块下滑时，由FH 及EG 面传递，考虑压力稍大些对设计的结构也偏于安全，因此，摩阻力不计隧道部分而只计洞顶部分，在计算中用H 代替h ，有：2(tan 1)tan tan tan tan tan c cc c ϕϕβϕϕθ+=+- (2-7)tan tan 0.397tan [1tan (tan tan )tan tan ]cc c βϕββϕθϕθλ-=+-+=(2-8)2(1tan )218.80/ttQ H q H KN m B B γλθ==-=浅浅(2-9)埋深为20m 时，土压力值为218.80/m2。
式中： λ——侧压力系数；tB ——坑道宽度（m ）；cϕ——围岩的计算摩擦角（°）；q 浅——作用在支护结构上的均布荷载（kN/m2）。
(2)作用在支护结构两侧的水平侧压力0.250.259.722253.46e hq KMPa ==⨯⨯=Ⅴ级围岩荷载分布如下图所示。
作用在支护结构上的均布荷载五．结构设计计算5.1计算基本假定因隧道是一个狭长的建筑物，纵向很长，横向相对尺寸较小。
隧道计算取每延米作为计算模型，此类问题可以看作平面应变问题来近似处理。
考虑围岩与结构的共同作用，采用荷载结构模型。
隧道计算采用荷载结构模式按有限杆单元，采用MIDAS/GTS进行计算分析。
基本假定：假定所有衬砌均为小变形弹性梁，把衬砌为离散足够多个等厚度梁单元。
用布置于各节点上的弹簧单元来模拟围岩与初期支护、衬砌的相互约束；假定弹簧不承受拉力，即不计围岩与衬砌间的粘结力；弹簧受压时的反力即为围岩对衬砌的弹性抗力。
假定初期支护与主体结构之间只传递径向压力。
考虑到在非均匀分布的径向荷载作用下，衬砌结构一部分将发生向着围岩方向的变形，而地层具有一定的刚度，会对衬砌结构产生被动的弹性抗力，设计计算时采用弹性地基梁单元模拟。
5.2内力计算结果计算荷载基本组合：结构自重＋围岩压力，为了计算保证计算的可靠性，采用MIDAS/GTS 进行计算。
Midas/GTS计算结果如下：MIDAS/GTS计算弯矩图MIDAS/GTS计算轴力图MIDAS计算内力表5.1名称轴力（KN）剪力(KN) 弯矩(KN*m)1 -2340.162 4.683 51.9812 -2340.263 -2.779 51.9813 -1624.809 -186.971 -34.4124 -1580.398 -185.861 33.3395 -1437.516 -10.739 293.8436 -1434.129 99.214 293.8437 -2331.265 -23.050 67.7318 -2337.056 8.644 61.4779 -2339.056 9.460 55.58210 -2334.536 -14.017 66.954由内力图可知，结构所受弯矩为293.843KN•m，对应轴力为-1437.516KN。
5.3 V级围岩配筋计算整个断面存在正负相反方向的弯矩，又弯矩较大，按偏心受压对称配筋和受弯构件配筋分别进行计算。
5.4偏心受压对称配筋根据Midas 计算结果进行结构配筋计算，取弯矩293.843KN •m ，对应轴力-1437.516KN 为最不利截面控制内力。
衬砌混凝土采用C25，钢筋采用HRB335，由混凝土和钢筋等级查表知系数1 1.0α=，0.8β=，界限受压区高度0.55b ξ=。
按双面对称配筋进行计算。
2210/, 1.13/,335c t y f N mm f N mm f MPa === 有效高度：050050450h mm =-= 偏心距：0293.843*10001437.5204.416M e mm N === 附加偏心距：20a e mm=初始偏心距：0224.4i a e e e mm =+= 修正系数：10.50.510100010.51.739 1.01437.516c f A N ζ⨯⨯⨯⨯===≥，取1 1.0ζ=。
02.015l h=<， 所以取2 1.0ζ= 偏心距增大系数：2201211100011+11=1.0057224.450014001400450i l e h h ηζζ⎛⎫⎛⎫=+=⨯⨯ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭01.0057224.4225.6790.3135i e h mm η=⨯=≥=，所以可先按大偏心受压情况计算。
225.67925050425.6792i s he e a mm η=+-=+-=11437.51143.711160c N x mm f b α===⨯⨯ 0143.70.3190.55450b x h ξξ===<=，故假定按照大偏心受压是正确的。
钢筋截面面积:()10202550.35c s s y sx Ne f bx h A A mm f h a α⎛⎫-- ⎪⎝⎭'===''-最小配筋截面面积：2min min00.0021000450900sA bh mmρ==⨯⨯=，故按最小配筋率配筋，选取320的Ⅱ级钢筋，实际配筋面积为2942s A mm =实际。
5.5受弯构件配筋计算配筋过程62210293.843100.1451.010*******s c M a f bh α⨯===⨯⨯⨯10.1570.55ξ==<，满足要求1-0.51-0.50.157=0.9215s γξ==⨯ 故：620293.843102115.25mm 3350.9215450s y s MA f h γ⨯===⨯⨯选用622的Ⅱ级钢筋，实际配筋面积为22281s A mm =实。
5.6箍筋配筋计算对于箍筋，0max max0.07186.971,4.2112a R bh Q KN Q ==>，因此只需按照构造配箍，选用12@200（纵方向）和10@250（横断面）。
5.7强度验算为了保证衬砌结构强度的安全性，需要在算出结构内力之后进行强度验算。
目前我国国内公路隧道设计规范规定，隧道衬砌和明洞按破坏阶段验算构件截面强度。
即根据混凝土和石砌材料的极限强度，计算出偏心受压构件的极限承载力，与构件实际内力相比较，计算出截面的抗压（或抗拉）强度安全系数K 。
检查是否满足规范所要求的数值，即：jx gfN K K N=≥式中：jxN ——截面的极限承载能力；N ——截面的实际内力（轴向力）；gfK ——规范所规定的强度安全系数。
当h N M e 2.0≤=时，由抗压强度控制，jx a N R b hϕα=⋅⋅⋅⋅当h N M e 2.0≥=时，截面由抗拉强度控制，即：1.7561l R b hN e h ϕ⋅⋅⋅=-jx其中：ϕ——构件纵向系数，隧道衬砌取1；a R ——混凝土极限抗压强度； lR ——混凝土极限抗拉强度；α——轴力的偏心影响系数，按以下经验公式确定：h e ⋅-=5.11αb ——截面宽度，取1m ； h ——截面厚度；钢筋混凝土结构的强度安全系数在计算永久荷载加基本可变荷载时取2.0（受压）或2.4（受拉）。