隧道工程课程设计设计题目：公路隧道结构设计与计算1课程设计任务书1.1目的和要求1、课程设计是《隧道工程》课程教学的重要实践性环节，是使学生熟练掌握隧道设计计算原理和计算方法的重要内容。
要求每个学生高度重视，必须认真按时完成。
1.2 时间安排根据高等学校土木工程专业《隧道工程》课程教学大纲要求：本课程安排一周的课程设计，采取集中进行的方式。
按照本学期本课程教学的实际教学情况，对课程设计工作做如下安排：1、根据教学进度，将课程设计任务布置给学生；2、学生在学期的第二周内完成课程设计内容；3、课程设计计算书完成后，在第三周交任课老师1.3 课程设计题目及资料1、课程设计题目：公路隧道结构设计与计算某高速公路隧道（双向四车道，隧道长：250m）通过Ⅲ级围岩，埋深H=20m，隧道围岩天然容重γ=24KN/m3，计算摩擦角ф=45 ,采用钻爆法施工。
要求按高速公路设计速度100km/h 考虑公路隧道建筑限界的横断面：1) 按公路隧道要求对隧道衬砌进行结构设计（拟定结构尺寸）；2) 按规范确定该隧道的竖向均布压力和侧向分布压力；3) 计算衬砌结构的内力（画出弯矩图和轴力图）；4) 对衬砌结构进行配筋验算。
2、参考资料：（1）中华人民共和国行业标准《公路隧道设计规范》JTG D70-2004,人民交通出版社，2004年9月；（2）中华人民共和国行业标准《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTGD62-2004,人民交通出版社，2004年；（3）夏永旭编著《隧道结构力学计算》，人民交通出版社，2004年；（4）有关《隧道工程》教材；（5）有关隧道设计图纸；（6）公路隧道、世界隧道、岩石力学与工程学报等期刊。
1.4 课程设计做法指导1、根据题目要求，按照《公路隧道设计规范》JTG D70-2004拟定隧道结构的截面尺寸，包括轮廓线半径和厚度等；2、按照比例（例如1：100）绘制横断面图；3、按照04年发布的《公路隧道设计规范》JTG D70-2004确定隧道围岩竖向压力和水平压力；4、隧道结构内力计算，要求写出计算过程，并画出内力图；5、每位学生提交的课程设计成果（计算书）：（1）按上述要求进行的计算过程和计算结果；（2）按比例绘制的隧道结构设计图纸一张（包括隧道横断面图、断面配筋图、支护设计图）。
2.隧道断面尺寸2.1隧道建筑限界根据《公路隧道设计规范》(JTG D-2004)有关条文规定，隧道的建筑限界高度H取5m，行车道宽度取3.75*2m，左侧向宽度L L取0.5m，右侧向宽度L R取1m，检修道宽度J取0.75m，检修道高度d取0.5m，建筑限界顶角宽度E L取0.5m,E R 取1m，如图2-1所示。
图2-1 设计速度为100km/h 的公路隧道建筑限界2.2 隧道的衬砌断面根据《公路隧道设计规范》(JTG D-2004)有关条文规定，拟定隧道的衬砌，衬砌材料为C20混凝土，弹性模量Eh =2.6*107kPa，重度γh=20kN/m3，衬砌厚度取70cm，如图2-2所示。
3.隧道衬砌结构计算3.1 基本资料某一级公路隧道，结构断面如图2-2所示。
围岩级别为Ⅲ级，埋深H=20m，图2-2 隧道结构衬砌断面隧道围岩天然容重γ=24kN/m 3，计算摩擦角φ=450，衬砌材料为C20混凝土，弹性模量E h =2.6*107kPa ，重度γh =20kN/m 3。
3.2荷载确定3.2.1. 围岩竖向均布压力 h q =q/γ=0.45×2s -1ω式中： s —围岩级别，此处s=3； γ—围岩重度，此处γ=24kN/m3ω—跨度影响系数，ω=1+i （l m -5），毛洞跨度l m =13+2×0.06=13.12m ， 其中0.06为一侧平均超挖量，l m =5～15m 时，i=0.1，此处ω=1+0.1⨯（13.12-5）=1.812。
所以有h q =q/γ=0.45×23-1×1.812=3.2616mpq p H H m h H >=⨯==154.82616.35.25.2故该隧道属于深埋隧道，围岩竖向均布压力kPa q s 28.78812.124245.0245.0131=⨯⨯⨯=⨯=--γω 此处超挖回填层重度忽略不计。
3.2.2 围岩水平均布压力侧向压力e ，按均布考虑是，γ其值为 e= 0.25q=0.25⨯78.28=19.57kPa3.3 衬砌几何要素3.3.1·衬砌几何尺寸内轮廓线半径r 1=5.8m ，r 2=8.7m ；内径r 1、r 2所画圆曲线与竖直轴的夹角φ1=900，φ2=1070； 采用等截面衬砌，衬砌厚度d=0.7m ； 外轮廓半径R 1=r 1+d=5.8+0.70=6.5m R 2=r 2+d=8.7+0.70=9.4m 拱轴线半径'1r =r 1+0.5d=5.8+0.35=6.15m '2r =r 2+0.5d=8.7+0.35=9.05m 拱轴线各段圆弧中心角 1θ=902θ=1703.3.2·半拱线长度S 及分段轴长△S 分段轴线长度S 1=01180θπ'1r =66.915.614.31809000=⨯⨯m 022180S θ=π'2r =68.205.914.31801700=⨯⨯m 半拱轴线长度为S=S 1+S 2=9.66+2.68=12.34m 将半拱轴线等分为8段，每段轴线长为 △S=m S54.1834.128==3.3.3各分块接缝中心几何要素 与竖直轴夹角i απθα0'111180⨯∆=∆=r S =00347.1418015.654.1=⨯π0000'112694.2818015.654.1347.14180r S =⨯+=⨯∆+=ππαα001560145000134000123082.86347.14735.71735.71347.14388.57388.57347.14041.43041.43347.14694.28=+=∆+==+=∆+==+=∆+==+=∆+=θααθααθααθααm12.166.954.17S S 7S 11=-⨯=-∆=∆00'2117091.9718005.912.190180S =⨯+=⨯∆+=ππθαr00'22750.918005.954.1180r S =⨯=⨯∆=∆ππθ 000278841.106750.9091.97=+=∆+=θαα 另一方面，0002181071790=+=+=θθα 角度闭合差0≈∆（注：因墙底水平，计算衬砌内力时用0890=φ） 接缝中心点坐标计算090cos )15.605.9(cos )(a 01'1'21=⨯-=-=θr r m r r a 9.2sin )(1'1'22=-=θma r x m a r x mr x m r x mr x mr x m r x m r x mr a H 762.59.2841.106sin 05.9sin 081.69.2091.97sin 05.9sin 136.6082.86sin 15.6sin 840.5735.71sin 15.6sin 180.5388.57sin 15.6sin 198.4041.43sin 15.6sin 953.2694.28sin 15.6sin 524.1347.14sin 15.6sin 15.6028'28027'2706'1605'1504'1403'1302'1201'11'111=-⨯=-==-⨯=-==⨯===⨯===⨯===⨯===⨯===⨯===+=ααααααααm r H y m r H y m r H y m r H y m r H y m r H y m r H y m r y 772.8841.106cos 05.915.6cos 267.7091.97cos 05.915.6cos 730.5082.86cos 15.615.6cos 223.4735.71cos 15.615.6cos 835.2388.57cos 15.615.6cos 655.1041.43cos 15.615.6cos 755.0694.28cos 15.615.6cos 192.0)347.14cos 1(15.6)cos 1(08'21807'21706'11605'11504'11403'11302'11201'11=⨯-=-==⨯-=-==⨯-=-==⨯-=-==⨯-=-==⨯-=-==⨯-=-==-⨯=-=αααααααα3.4位移计算 3.4.1单位位移用辛普生发近似计算，按计算列表进行。
单位位移的计算见表3-167S0h 11110382.18347.310106.254.11E M -⨯=⨯⨯=∆≈=∑⎰I E S dS I h δ6721211210191.64759.1083106.254.1-⨯=⨯⨯=∆≈==∑⎰I y E s dS I E M M h Sh δδ图3-1 衬砌结构计算示意图672S0222210754.391036.6614106.254.1-⨯=⨯⨯=∆≈=∑⎰I y E S dS I E M h hδ 计算精度校核6622121110518.53810）754.391191.642382.18（2--⨯=⨯+⨯+=++δδδ672SS 1052.538898.9091106.254.1)1(S-⨯=⨯⨯=+∆=∑Iy E hδ 闭合差0≈∆表3-1单位位移计算表注：1.I —截面惯性矩，123bd I =,b 取单位长度。
2.不考虑轴力影响。
3.4.2载位移—主动荷载在基本结构中引起的位移 （1）每一楔块上的作用力 竖向力i i qb Q =式中：i b —衬砌外缘相邻截面之间的水平投影长度，由图3-1量得。
)校核(500.62485.60,312.0,698.0,039.1,315.1,510.1,611.17654321∑=≈========m Bm b b m b m b m b m b m b m b i水平压力i i eh E =式中：h i —衬砌外缘相邻两截面之间的竖直投影长度，由图3-1量得。
)校核(248.9223.9563.1,604.1,593.1,466.1248.1,951.0,595.0,203.087654321m H m h m h m h m h m h mh m h m h m h i ∑=≈========= 自重力h i VS d γ⨯⨯=G 式中：d —衬砌截面厚度。