第五章隧道衬砌结构检算
5.1结构检算一般规定
为了保证隧道衬砌结构的安全，需对衬砌进行检算。隧道结构应按破损阶段法对构件截面强度进行验算。结构抗裂有要求时，对混凝土应进行抗裂验算。5.2 隧道结构计算方法
本隧道结构计算采用荷载结构法。其基本原理为：隧道开挖后地层的作用主要是对衬砌结构产生荷载，衬砌结构应能安全可靠地承受地层压力等荷载的作用。计算时先按地层分类法或由实用公式确定地层压力，然后按照弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌结构的内力，并进行结构截面设计。
5.3 隧道结构计算模型
本隧道衬砌结构验算采用荷载—结构法进行验算，计算软件为ANSYS10.0。
取单位长度（1m）的隧道结构进行分析，建模时进行了如下简化处理或假定：
①衬砌结构简化为二维弹性梁单元（beam3），梁的轴线为二次衬砌厚度中线位置。
②围岩的约束采用弹簧单元（COMBIN14），弹簧单元以铰接的方式支撑在衬砌梁单元之间的节点上，该单元不能承受弯矩，只有在受压时承受轴力，受拉时失效。计算时通过多次迭代，逐步杀死受拉的COMBIN14单元，只保留受压的COMBIN14单元。
图5-1 受拉弹簧单元的迭代处理过程
③衬砌结构上的荷载通过等效换算，以竖直和水平集中力的模式直接施加到梁单元节点上。
④衬砌结构自重通过施加加速度来实现，不再单独施加节点力。
⑤衬砌结构材料采用理想线弹性材料。
⑥衬砌结构单元划分长度小于0.5m。
隧道结构计算模型及荷载施加后如图5-2所示。
5.4 结构检算及配筋
本隧道主要验算明洞段、Ⅴ级围岩段和Ⅳ级围岩段衬砌结构。根据隧道规范深、浅埋判定方法可知，Ⅴ级围岩段分为超浅埋段、浅埋段和深埋段。Ⅳ级围岩段为深埋段。根据所给的材料基本参数和修改后的程序，得出各工况下的结构变形图、轴力图、建立图和弯矩图。从得出的结果可知，Ⅴ级围岩深埋段，所受内力均较大，故对此工况进行结构检算。 5.4.1 材料基本参数 (1)Ⅴ级围岩
围岩重度318.5/kN m γ=，弹性抗力系数300/k MPa m =，计算摩擦角
045?=o ，泊松比u=0.4。 (2) C25钢筋混凝土
容重325/kN m γ=，截面尺寸 1.00.6b h m m ?=?，弹性模量29.5Pa E G =。轴心抗压强度：12.5cd a f MP =；弯曲抗压强度：13.5cmd a f MP =；轴心抗拉强度:
1.33cd a f MP =;泊松比u=0.2；
(3) HPB235钢筋物理力学参数
密度：37800/s kg m ρ=； 抗拉抗压强度：188std scd a f f MP ==； 弹性模量：
210s a E GP =；
5.4.2 结构内力图和变形图（Ⅴ级围岩深埋段） 5.4.3 结构安全系数
从上面的轴力图和弯矩图可知，需要对截面8、11、21、47、73进行检算，
而根据对称性可知只需要对截面8、11、47进行检算。 （1）配筋前检算
混凝土和砌体矩形截面轴心及偏心受压构件的抗压强度应按下式计算：
a KN R bh ?α≤ （式5-1）
式中：a R —混凝土或砌体的抗压极限强度（C25取19a MP ）；
K —安全系数； N —轴向力； h —截面厚度（m ）；
b —截面宽度，取1m ；
?—构件纵向弯曲系数，取1；
α
—轴向力偏心系数系数；
按抗裂要求，混凝土矩形截面偏心受压构件的抗拉强度应按下式计算：
101.75/(6/1)KN R bh e h ?≤- （式5-2） 1R —混凝土的抗拉极限强度（C25取2a MP ）
按照式5-1和5-2，可求出安全系数如下表：
而隧道设计规范规定，混凝土和砌体结构的强度安全系数如表5-1：
表5-1 混凝土和砌体结构的强度安全系数
故需要对截面进行配筋。 （2）配筋后检算
根据隧道设计规范规定及工程类比，截面配筋情况为：每延米受拉钢筋：4
根Φ22，每延米受压钢筋数量：4根Φ22，为对称配筋，且混凝土保护层为5cm 。 检算原理如下：
隧道衬砌结构属于偏心受压矩形构件，根据钢筋混凝土结构偏心受压构件强度计算原理，求解结构的安全系数。其步骤如下： (1) 计算偏心距0e
N M e /0= （式5-3）
式中：M —弯矩；
N —轴向力。 (2) 确定截面受压区高度x
先假设衬砌截面受拉钢筋和受压钢筋面积分别为s A 和s A '，按下列公式计算出受压区高度x ，即可以确定截面中性轴位置。
)2/()(0x h e bx R e A e A R w s
s g +-=''μ （式5-4） 解方程得：
)()/()(2)(020h e b R e A e A R h e x w s
s g --''+-=μ （式5-5） 式中：e —轴向力到受拉钢筋重心的距离，)2/(0a h e e -+=；
e '—轴向力到受压钢筋重心的距离，'0/2e h e a '=--；
a —钢筋s A 的重心到截面受拉边缘的距离；
a '—钢筋s A '的重心到截面受压边缘的距离； g R —钢筋的抗拉计算强度标准值（取235a MP ）
； w R —混凝土弯曲抗压极限强度标准值（取18.5a MP ）； 0h —混凝土受压区边缘到受拉钢筋重心的距离；
b —衬砌计算截面宽度，取1m 。
当轴向力N 位于作用于钢筋s A 和s A '重心之间时，式（5-4）和式(5-5)中取正值；当N 作用于两重心以外时，则取负号。
(3) 确定截面大小偏心类型
如果x ≤0.550h ，矩形截面为大偏心受压构件，否则为小偏心受压构件。 (4) 强度检算
1) 大偏心受压构件
如果a x '≥2，按下式进行强度检算：
)(s s
g b A A R bx R KN -'+≤ （式5-6） 否则a x '<2，按下式进行强度检算：
)(0a h A R e KN s g '-≤' （式5-7） 2) 小偏心受压构件 按下式进行强度检算：
)(5.002
0a h A R bh R KNe s
g a '-'+≤ （式5-8） 如果轴向力N 位于钢筋s A 的重心与钢筋As 的重心之间的情况下，还应符合下列式子：
)(5.002
0a h A R bh R e KN s g a -+≤' （式5-9）
根据以上步骤求得检算截面受力的相关参数如下表5-2： 表5-2 检算截面相关参数
5.5 结论
《公路隧道设计规范》中钢筋混凝土结构的强度安全系数，见表5-3：
表5-3 钢筋混凝土结构的强度安全系数[
通过比较表5-2和表5-3可知，Ⅴ级围岩二次衬砌所配钢筋符合要求，比较经济合理。
第3章区间隧道衬砌结构设计 3.1地下铁道线路上部建筑 钢轨、联接零件、道床、轨枕、防爬设备及道岔共同组成地下铁道线路上部建筑。地铁的特点有运量较大、快速迅捷、安全、准时、不污染环境，同时地铁可以修建在建筑物较多而且不便于发展地面交通的地方。 3.1.1 钢轨 选定钢轨类型的主要因素是年通过量、速度、选定的轴负载、延长检修周期、检修工作量和振动噪声。 （1）钢轨类型 综合国内外地铁钢轨类型和南昌轨道交通的实际情况，宜选用60kg/m的钢轨。 （2）钢轨铺设 中山西路站至子固路站区间为直线段，在地下铁道内由于阳光不受影响，温度变化相对较小，铺设无缝线路。对于无缝线路，采用换铺法进行施工，对于长轨条的焊接，采用基地焊接与工地焊接相结合的施工方式。基地焊选用接触焊，工地焊可以选用铝热焊或移动式气压焊。 3.1.2扣件 地下铁道的钢轨扣件有刚性扣件及弹性扣件两种，考虑到中子区间地段线路采用整体式道床，因此扣件采用全弹性分开式扣件。因为全弹性分开式扣件在垂直和横向均具有良好地弹性，相比而言更加适合整体式道床。 3.1.3道床 一般情况下有碎石道床和整体道床两种道床。整体道床的类型较多，随着轨枕方式的不同，有短轨枕式整体道床、长枕式整体道床、纵向浮置板式整体道床等。结合南昌铁路交通的实际情况，利用短轨枕整体道床设计区间，道床稳定、耐久性强、结构简单、造价低、施工简单。钢筋混凝土短轨枕的预制混凝土采用C50，嵌入在混凝土道床，采用C30混凝土道床，布设中心沟，在单层钢筋网的内，钢筋网作为一个杂散电流排水加固。 3.1.4道岔 道岔有单开道岔和双开道岔等形式。中山西路站至子固路站区间采用9号单开道岔。
隧道设计衬砌计算范例(结构力学方法) 1.1工程概况 川藏公路二郎山隧道位于四川省雅安天全县与甘孜泸定县交界的二郎山地段, 东距成都约260km , 西至康定约97 km , 这里山势险峻雄伟, 地质条件复杂, 气候环境恶劣, 自然灾害频繁, 原有公路坡陡弯急, 交通事故不断, 使其成为千里川藏线上的第一个咽喉险道, 严重影响了川藏线的运输能力, 制约了川藏少数民族地区的经济发展。 二郎山隧道工程自天全县龙胆溪川藏公路K2734+ 560 (K256+ 560)处回头, 沿龙胆溪两侧缓坡展线进洞, 穿越二郎山北支山脉——干海子山, 于泸定县别托村和平沟左岸出洞, 跨和平沟经别托村展线至K2768+ 600 (K265+ 216) 与原川藏公路相接, 总长8166km , 其中二郎山隧道长4176 m , 别托隧道长104 m ,改建后可缩短运营里程2514 km , 使该路段公路达到三级公路标准, 满足了川藏线二郎山段的全天候行车。 1.2工程地质条件 1.2.1 地形地貌 二郎山段山高坡陡,地形险要,在地貌上位于四川盆地向青藏高原过渡的盆地边缘山区分水岭地带,隶属于龙门山深切割高中地区。隧道中部地势较高。隧址区地形地貌与地层岩性及构造条件密切相关。由于区内地层为软硬相间的层状地层,构造为西倾的单斜构造,故地形呈现东陡西缓的单面山特征。隧道轴线穿越部位,山体浑厚,东西两侧发育的沟谷多受构造裂隙展布方向的控制。主沟龙胆溪、和平沟与支沟构成羽状或树枝状,横断面呈对称状和非对称状的“v ”型沟谷,纵坡顺直比降大,局部受岩性构造影响,形成陡崖跌水。 1.2.2 水文气象 二郎山位于四川盆地亚热带季风湿润气候区与青藏高原大陆性干冷气候区的交接地带。由于山系屏障,二郎山东西两侧气候有显著差异。东坡潮湿多雨,西坡干燥多风,故有“康风雅雨”之称。全年分早季和雨季。夏、秋两季受东进的太平洋季风和南来的印度洋季风的控制,降雨量特别集中；冬春季节,则受青藏高原寒冷气候影响,多风少雨,气候严寒。
第五章隧道衬砌结构检算 5.1结构检算一般规定 为了保证隧道衬砌结构的安全，需对衬砌进行检算。隧道结构应按破损阶段法对构件截面强度进行验算。结构抗裂有要求时，对混凝土应进行抗裂验算。 5.2隧道结构计算方法 本隧道结构计算采用荷载结构法。其基本原理为：隧道开挖后地层的作用主要是对衬砌结构产生荷载，衬砌结构应能安全可靠地承受地层压力等荷载的作用。计算时先按地层分类法或由实用公式确定地层压力，然后按照弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌结构的力，并进行结构截面设计。 5.3隧道结构计算模型 本隧道衬砌结构验算采用荷载—结构法进行验算，计算软件为ANSYS10.0。取单位长度（1m ）的隧道结构进行分析，建模时进行了如下简化处理或假定： ①衬砌结构简化为二维弹性梁单元（beam3 ），梁的轴线为二次衬砌厚度中线位置。 ②围岩的约束采用弹簧单元（COMBIN14 ），弹簧单元以铰接的方式支撑在衬砌梁单元之间的节点上，该单元不能承受弯矩，只有在受压时承受轴力，受拉时失效。计算时通过多次迭代，逐步杀死受拉的COMBIN14 单元，只保留受压的COMBIN14 单元。
图5-1受拉弹簧单元的迭代处理过程 ③衬砌结构上的荷载通过等效换算，以竖直和水平集中力的模式直接施加到梁单元节点上。 ④衬砌结构自重通过施加加速度来实现，不再单独施加节点力 ⑤衬砌结构材料采用理想线弹性材料。 ⑥衬砌结构单元划分长度小于0.5m。 隧道结构计算模型及荷载施加后如图5-2所示。
5.4结构检算及配筋 本隧道主要验算明洞段、V级围岩段和W级围岩段衬砌结构。根据隧道规深、浅埋判定方法可知，V级围岩段分为超浅埋段、浅埋段和深埋段。W级围岩段为深埋段。根据所给的材料基本参数和修改后的程序，得出各工况下的结构变形图、轴力 图、建立图和弯矩图。从得出的结果可知，V级围岩深埋段，所受力均较大，故对此工况进行结构检算。 5.4.1 材料基本参数 (1)V级围岩 围岩重度 1 8.5kN /m3，弹性抗力系数 k 300MPa /m ，计算摩擦角 o，泊松比u=0.4 。 0 45 (2)C25 钢筋混凝土 容重25kN / m3，截面尺寸 b h 1.0m 0.6m ，弹性模量E 29.5G Pa 。 轴心抗压强度：f ed 12.5MP a ；弯曲抗压强度：f cmd 13.5MP a ；轴心抗拉强度：f cd 1. 33 M P a ;泊松比u=0.2 ； (3)HPB235钢筋物理力学参数 密度：s 7800kg / m3；抗拉抗压强度： f std f sed 188MP a；弹性模量： E s 210GP a； 5.4.2结构力图和变形图(V级围岩深埋段) 5.4.3 结构安全系数 从上面的轴力图和弯矩图可知，需要对截面8、11、21、47、73进行检算，而根据对称性可知只需要对截面8、11、47进行检算
隧道衬砌结构检算 5.1结构检算一般规定 为了保证隧道衬砌结构的安全，需对衬砌进行检算。隧道结构应按破损阶段法对构件截面强度进行验算。结构抗裂有要求时，对混凝土应进行抗裂验算。5.2 隧道结构计算方法 本隧道结构计算采用荷载结构法。其基本原理为：隧道开挖后地层的作用主要是对衬砌结构产生荷载，衬砌结构应能安全可靠地承受地层压力等荷载的作用。计算时先按地层分类法或由实用公式确定地层压力，然后按照弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌结构的内力，并进行结构截面设计。 5.3 隧道结构计算模型 本隧道衬砌结构验算采用荷载—结构法进行验算，计算软件为ANSYS10.0。 取单位长度（1m）的隧道结构进行分析，建模时进行了如下简化处理或假定： ①衬砌结构简化为二维弹性梁单元（beam3），梁的轴线为二次衬砌厚度中线位置。 ②围岩的约束采用弹簧单元（COMBIN14），弹簧单元以铰接的方式支撑在衬砌梁单元之间的节点上，该单元不能承受弯矩，只有在受压时承受轴力，受拉时失效。计算时通过多次迭代，逐步杀死受拉的COMBIN14单元，只保留受压的COMBIN14单元。
图5-1 受拉弹簧单元的迭代处理过程 ③衬砌结构上的荷载通过等效换算，以竖直和水平集中力的模式直接施加到梁单元节点上。 ④衬砌结构自重通过施加加速度来实现，不再单独施加节点力。 ⑤衬砌结构材料采用理想线弹性材料。 ⑥衬砌结构单元划分长度小于0.5m。 隧道结构计算模型及荷载施加后如图5-2所示。
5.4 结构检算及配筋 本隧道主要验算明洞段、Ⅴ级围岩段和Ⅳ级围岩段衬砌结构。根据隧道规范深、浅埋判定方法可知，Ⅴ级围岩段分为超浅埋段、浅埋段和深埋段。Ⅳ级围岩段为深埋段。根据所给的材料基本参数和修改后的程序，得出各工况下的结构变形图、轴力图、建立图和弯矩图。从得出的结果可知，Ⅴ级围岩深埋段，所受内力均较大，故对此工况进行结构检算。 5.4.1 材料基本参数 (1)Ⅴ级围岩 围岩重度318.5/kN m γ=，弹性抗力系数300/k M P a m =，计算摩擦角 045?= ，泊松比u=0.4。 (2) C25钢筋混凝土 容重325/kN m γ=，截面尺寸 1.00.6b h m m ?=?，弹性模量29.5P a E G =。轴心抗压强度：12.5cd a f M P =；弯曲抗压强度：13.5cm d a f M P =；轴心抗拉强度: 1.33cd a f M P =;泊松比 u=0.2； (3) HPB235钢筋物理力学参数 密度：37800/s kg m ρ=； 抗拉抗压强度：188std scd a f f M P ==； 弹性模量： 210s a E GP =； 5.4.2 结构内力图和变形图（Ⅴ级围岩深埋段） 5.4.3 结构安全系数 从上面的轴力图和弯矩图可知，需要对截面8、11、21、47、73进行检算， 而根据对称性可知只需要对截面8、11、47进行检算。 （1）配筋前检算 混凝土和砌体矩形截面轴心及偏心受压构件的抗压强度应按下式计算： a K N R bh ?α≤ （式5-1）
重庆交通大学教案 第6章隧道结构计算 6.1 概述 6.1.1 引言 隧道结构工程特性、设计原则和方法与地面结构完全不同，隧道结构是由周边围岩和支护结构两者组成共同的并相互作用的结构体系。各种围岩都是具有不同程度自稳能力的介质，即周边围岩在很大程度上是隧道结构承载的主体，其承载能力必须加以充分利用。隧道衬砌的设计计算必须结合围岩自承能力进行，隧道衬砌除必须保证有足够的净空外，还要求有足够的强度，以保证在使用寿限内结构物有可靠的安全度。显然，对不同型式的衬砌结构物应该用不同的方法进行强度计算。 隧道建筑虽然是一门古老的建筑结构，但其结构计算理论的形成却较晚。从现有资料看，最初的计算理论形成于十九世纪。其后随着建筑材料、施工技术、量测技术的发展，促进了计算理论的逐步前进。最初的隧道衬砌使用砖石材料，其结构型式通常为拱形。由于砖石以及砂浆材料的抗拉强度远低于抗压强度，采用的截面厚度常常很大，所以结构变形很小，可以忽略不计。因为构件的刚度很大，故将其视为刚性体。计算时按静力学原理确定其承载时压力线位置，检算结构强度。 在十九世纪末，混凝土已经是广泛使用的建筑材料，它具有整体性好，可以在现场根据需要进行模注等特点。这时，隧道衬砌结构是作为超静定弹性拱计算的，但仅考虑作用在衬砌上的围岩压力，而未将围岩的弹性抗力计算在内，忽视了围岩对衬砌的约束作用。由于把衬砌视为自由变形的弹性结构，因而，通过计算得到的衬砌结构厚度很大，过于安全。大量的隧道工程实践表明，衬砌厚度可以减小，所以，后来上述两种计算方法已经不再使用了。进入本世纪后，通过长期观测，发现围岩不仅对衬砌施加压力，同时还约束着衬砌的变形。围岩对衬砌变形的约束，对改善衬砌结构的受力状态有利，不容忽视。衬砌在受力过程中的变形，一部分结构有离开围岩形成“脱离区”的趋势，另一部分压紧围岩形成所谓“抗力区”，如图6-1所示。在抗力区内，约束着衬砌变形的围岩，相应地产生被动抵抗力，即“弹性 94
XXXXXXXXXX引水隧道项目衬砌台车计算书 编制： 校核： 审核： 2017年10月
xxxxx项目衬砌台车计算书 1、《xxxxx施工图设计》 2、《衬砌台车结构设计图》 3、《钢结构设计规范》(GB 50017-2003) 4、《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2002) 2. 概况 xxxxx隧道衬砌模板系统及台车布置图如下图。隧道二衬模板由一顶模、两侧模组成，模板均由6mm钢板按照二衬外轮廓线卷制而成。顶模模板拱架环向主肋采用I10工字钢,加工成R=1447mm，L=3650mm的圆弧拱形，拱架环向肋板间距1m，拱架纵肋采用∠45*45*6的角钢，间距30cm；侧模模板拱架环向肋板采用1524mm长的I14工字钢，侧模环向肋板在隧洞腰线以上部分加工成加工成R=1447mm，L=527mm的圆弧拱形，腰线以下加工成R=3327mm，L=997mm的圆弧拱形，拱架环向肋板间距1m，拱架纵肋采用∠45*45*6的角钢，间距30cm。 衬砌台车由顶拱支撑、台车门架结构、走行系统、顶升系统及侧模支撑系统组成，纵向共9m长。顶拱支撑采用H200×200×立柱，纵向焊接通长的∠45*45*6的角钢组成钢桁架，焊接于台车门市框架主横梁上，支撑顶模。衬砌台车门式框架立柱采用H200×200×型钢、横梁、纵梁均采用I20a工字钢焊接组成，其节点处焊接1cm厚的三角连接钢板缀片进行加固。本衬砌台车与顶拱支撑焊接为一个整体。进行顶模的安装及拆除时，在轨道两侧支垫20*20*60cm的枕木，枕木上安放千斤顶进行台车和顶拱支撑系统的整体升降。侧模支撑系统的螺旋丝杆，每断面设置4个。下部螺旋丝杆水平支承于台车的I20a纵梁上，上部螺旋丝杆水平支撑于台车的I20a立柱上。三角板与构件之间焊接为满焊,焊脚高度10mm；焊缝不允许出现咬边、未焊透、裂纹等缺陷。模板系统及台车构件均采用Q235普通型刚。
第五章隧道衬砌结构检算 5、1结构检算一般规定 为了保证隧道衬砌结构的安全,需对衬砌进行检算。隧道结构应按破损阶段法对构件截面强度进行验算。结构抗裂有要求时,对混凝土应进行抗裂验算。 5、2 隧道结构计算方法 本隧道结构计算采用荷载结构法。其基本原理为:隧道开挖后地层的作用主要就是对衬砌结构产生荷载,衬砌结构应能安全可靠地承受地层压力等荷载的作用。计算时先按地层分类法或由实用公式确定地层压力,然后按照弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌结构的内力,并进行结构截面设计。 5、3 隧道结构计算模型 本隧道衬砌结构验算采用荷载—结构法进行验算,计算软件为ANSYS10、0。 取单位长度(1m)的隧道结构进行分析,建模时进行了如下简化处理或假定: ①衬砌结构简化为二维弹性梁单元(beam3),梁的轴线为二次衬砌厚度中线位置。 ②围岩的约束采用弹簧单元(COMBIN14),弹簧单元以铰接的方式支撑在衬砌梁单元之间的节点上,该单元不能承受弯矩,只有在受压时承受轴力,受拉时失效。计算时通过多次迭代,逐步杀死受拉的COMBIN14单元,只保留受压的COMBIN14单元。 图5-1 受拉弹簧单元的迭代处理过程
③衬砌结构上的荷载通过等效换算,以竖直与水平集中力的模式直接施加到梁单元节点上。 ④衬砌结构自重通过施加加速度来实现,不再单独施加节点力。 ⑤衬砌结构材料采用理想线弹性材料。 ⑥衬砌结构单元划分长度小于0、5m。 隧道结构计算模型及荷载施加后如图5-2所示。
5、4 结构检算及配筋 本隧道主要验算明洞段、Ⅴ级围岩段与Ⅳ级围岩段衬砌结构。根据隧道规范深、浅埋判定方法可知,Ⅴ级围岩段分为超浅埋段、浅埋段与深埋段。Ⅳ级围岩段为深埋段。根据所给的材料基本参数与修改后的程序,得出各工况下的结构变形图、轴力图、建立图与弯矩图。从得出的结果可知,Ⅴ级围岩深埋段,所受内力均较大,故对此工况进行结构检算。 5、4、1 材料基本参数 (1)Ⅴ级围岩 围岩重度318.5/kN m γ=,弹性抗力系数300/k MPa m =,计算摩擦角045?=o ,泊松比u=0、4。 (2) C25钢筋混凝土 容重325/kN m γ=,截面尺寸 1.00.6b h m m ?=?,弹性模量29.5Pa E G =。轴心抗压强度:12.5cd a f MP =;弯曲抗压强度:13.5cmd a f MP =;轴心抗拉强度: 1.33cd a f MP =;泊松比u=0、2; (3) HPB235钢筋物理力学参数 密度:37800/s kg m ρ=; 抗拉抗压强度:188std scd a f f MP ==; 弹性模量:210s a E GP =; 5、4、2 结构内力图与变形图(Ⅴ级围岩深埋段) 5、4、3 结构安全系数 从上面的轴力图与弯矩图可知,需要对截面8、11、21、47、73进行检算,而 根据对称性可知只需要对截面8、11、47进行检算。 (1)配筋前检算 混凝土与砌体矩形截面轴心及偏心受压构件的抗压强度应按下式计算: a KN R bh ?α≤ (式5-1)
工程概况 川藏公路二郎山隧道位于四川省雅安天全县与甘孜泸定县交界的二郎山地段, 东距成都约 260km , 西至康定约 97 km , 这里山势险峻雄伟, 地质条件复杂, 气候环境恶劣, 自然灾害频繁, 原有公路坡陡弯急, 交通事故不断, 使其成为千里川藏线上的第一个咽喉险道, 严重影响了川藏线的运输能力, 制约了川藏少数民族地区的经济发展。 二郎山隧道工程自天全县龙胆溪川藏公路K2734+ 560 (K256+ 560)处回头, 沿龙胆溪两侧缓坡展线进洞, 穿越二郎山北支山脉——干海子山, 于泸定县别托村和平沟左岸出洞, 跨和平沟经别托村展线至K2768+ 600 (K265+ 216) 与原川藏公路相接, 总长 8166km , 其中二郎山隧道长4176 m , 别托隧道长104 m ,改建后可缩短运营里程2514 km , 使该路段公路达到三级公路标准, 满足了川藏线二郎山段的全天候行车。 工程地质条件 1.2.1 地形地貌 二郎山段山高坡陡,地形险要,在地貌上位于四川盆地向青藏高原过渡的盆地边缘山区分水岭地带,隶属于龙门山深切割高中地区。隧道中部地势较高。隧址区地形地貌与地层岩性及构造条件密切相关。由于区内地层为软硬相间的层状地层,构造为西倾的单斜构造,故地形呈现东陡西缓的单面山特征。隧道轴线穿越部位,山体浑厚,东西两侧发育的沟谷多受构造裂隙展布方向的控制。主沟龙胆溪、和平沟与支沟构成羽状或树枝状,横断面呈对称状和非对称状的“ v ”型沟谷,纵坡顺直比降大,局部受岩性构造影响,形成陡崖跌水。 1.2.2 水文气象 二郎山位于四川盆地亚热带季风湿润气候区与青藏高原大陆性干冷气候区的交接地带。由于山系屏障,二郎山东西两侧气候有显著差异。东坡潮湿多雨,西坡干燥多风,故有“康风雅雨”之称。全年分早季和雨季。夏、秋两季受东进的太平洋季风和南来的印度洋季风的控制,降雨量特别集中；冬春季节,则受青藏高原寒冷气候影响,多风少雨,气候严寒。 据沪定、天全两县21年（1960-1980年）气候资料,多年平均气温分别为16.6℃和15.1℃,沪定略高于天全，多年平均降雨量分别为636.8 mm和
衬砌计算 9．2．1 深埋隧道中的整体式衬砌通常用于自成拱能力差的Ⅵ级围岩，浅埋隧道中的衬砌及明洞衬砌上方的覆盖层通常不能形成卸载拱，故均应按荷载结构模型设计。程序软件方面，国内自行研制的专用软件有“GeoFBA”、“2D-σ”、“3D-σ”等。 复合式衬砌的二次衬砌理论上应按地层结构法计算，然而由于以往有对其采用荷载结构法计算的经验，因而本条提出也可采用荷载结构法计算。 9．2．2 模型试验及理论分析表明，隧道衬砌承载后的变形受到围岩的约束，从而改善了衬砌的工作状态，提高了衬砌的承载能力，故在计算衬砌时，应考虑围岩对衬砌变形的约束作用。 采用荷载结构模型设计时，规定通过设置弹性抗力考虑围岩对衬砌变形的约束作用。 弹性抗力、粘结力均属围岩对衬砌的约束力。鉴于迄今对粘结力作用的研究不多，故通常仅按弹性抗力计算，而将粘结力对衬砌结构的有利作用视为安全储备。 为简化计算，弹性抗力的摩擦力对衬砌内力的影响也不考虑，即也视为衬砌结构的安全储备。 9．2．3 基底围岩过于松软时，有先做仰拱稳定坑道底部，然后再建边墙的施工方法，这时应考虑仰拱对隧道衬砌结构内力的影响。如果仰拱在边墙之后修建，一般不需计算仰拱的作用。但若遇到在隧道竣工后，围岩压力增长仍较显著的地层，则亦需考虑仰拱对结构内力的影响。 模筑衬砌考虑仰拱对结构内力的影响时，仰拱按弹性地基上的曲梁计-箅。 9．2．4 表9．2．4—l和表9．2．4-2所列数值主要参照《铁路隧道没计规范》(TBJ 10003)，这些安全系数是以我国41条已建及新建的近400座铁路隧道的调查及实践经验为基础提出的，且结构基本上是安全的。因此，可以认为，在结构计算理论和材料指标没有较大变动的情况下，这些安全系数值基本上是合适的。特别是根据地下建筑的特点(如衬砌施工条件差、质量不易保证、作用变异大、结构计算简图与实际受力状态有出入等)，结构强度安全系数的取值应较地面结构略有提高，以保证隧道建筑物在正常设计施工条件下具有必要的安全储备。 检算施工阶段强度时，因隧道衬砌和明洞结构处于施工阶段的时间比使用阶段短得多，围岩压力等荷载一般不会立即达到使用阶段的最大值，且在检算施工阶段强度的计算假定中，受力较好的空间结构常被简化为内力较大的平面结构，一些对衬砌受力有利的因素，如工作缝的粘结强度、围岩的阻抗及衬砌与围岩的粘结作用等常忽略或取很小的数值，故本规范规定对施工阶段安全系数可按使用阶段的值乘以折减系数0．9后采用。 9．2．5 由于岩土体介质的性质通常具有明显的不确定特征，岩土工程问题分析中经验常起主导作用，因而本规范规定I～Ⅴ级围岩中复合式衬砌的初期支护主要按工程类比法设计，即参照已往工程实例确定支护参数。 经验表明，I-Ⅲ级围岩具有较强的自支承能力，对其施作薄层喷射混凝土和少量锚杆后即可保持稳定，因而不必计算；IV、Ⅴ级围岩则在根据经验选定支护参数后仍需进行检验计算。 对Ⅳ、Ⅴ级围岩中的初期支护，采用连续介质力学的有限元方法，按地层结构设计模型
1.1工程概况 川藏公路二郎山隧道位于四川省雅安天全县与甘孜泸定县交界的二郎山地段, 东距成都约260km , 西至康定约97 km , 这里山势险峻雄伟, 地质条件复杂, 气候环境恶劣, 自然灾害频繁, 原有公路坡陡弯急, 交通事故不断, 使其成为千里川藏线上的第一个咽喉险道, 严重影响了川藏线的运输能力, 制约了川藏少数民族地区的经济发展。 二郎山隧道工程自天全县龙胆溪川藏公路K2734+ 560 (K256+ 560)处回头, 沿龙胆溪两侧缓坡展线进洞, 穿越二郎山北支山脉——干海子山, 于泸定县别托村和平沟左岸出洞, 跨和平沟经别托村展线至K2768+ 600 (K265+ 216) 与原川藏公路相接, 总长8166km , 其中二郎山隧道长4176 m , 别托隧道长104 m ,改建后可缩短运营里程2514 km , 使该路段公路达到三级公路标准, 满足了川藏线二郎山段的全天候行车。 1.2工程地质条件 1.2.1 地形地貌 二郎山段山高坡陡,地形险要,在地貌上位于四川盆地向青藏高原过渡的盆地边缘山区分水岭地带,隶属于龙门山深切割高中地区。隧道中部地势较高。隧址区地形地貌与地层岩性及构造条件密切相关。由于区内地层为软硬相间的层状地层,构造为西倾的单斜构造,故地形呈现东陡西缓的单面山特征。隧道轴线穿越部位,山体浑厚,东西两侧发育的沟谷多受构造裂隙展布方向的控制。主沟龙胆溪、和平沟与支沟构成羽状或树枝状,横断面呈对称状和非对称状的“v ”型沟谷,纵坡顺直比降大,局部受岩性构造影响,形成陡崖跌水。 1.2.2 水文气象 二郎山位于四川盆地亚热带季风湿润气候区与青藏高原大陆性干冷气候区的交接地带。由于山系屏障,二郎山东西两侧气候有显著差异。东坡潮湿多雨,西坡干燥多风,故有“康风雅雨”之称。全年分早季和雨季。夏、秋两季受东进的太平洋季风和南来的印度洋季风的控制,降雨量特别集中；冬春季节,则受青藏高原寒冷气候影响,多风少雨,气候严寒。 据沪定、天全两县21年（1960-1980年）气候资料,多年平均气温分别为16.6℃和15.1℃,沪定略高于天全，多年平均降雨量分别为636.8 mm和1730.0mm，多
隧道衬砌计算
第五章隧道衬砌结构检算 5.1结构检算一般规定 为了保证隧道衬砌结构的安全，需对衬砌进行检算。隧道结构应按破损阶段法对构件截面强度进行验算。结构抗裂有要求时，对混凝土应进行抗裂验算。 5.2 隧道结构计算方法 本隧道结构计算采用荷载结构法。其基本原理为：隧道开挖后地层的作用主要是对衬砌结构产生荷载，衬砌结构应能安全可靠地承受地层压力等荷载的作用。计算时先按地层分类法或由实用公式确定地层压力，然后按照弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌结构的内力，并进行结构截面设计。 5.3 隧道结构计算模型 本隧道衬砌结构验算采用荷载—结构法进行验算，计算软件为 ANSYS10.0。 取单位长度（1m）的隧道结构进行分析，建模时进行了如下简化处理或假定： ①衬砌结构简化为二维弹性梁单元（beam3），梁的轴线为二次衬砌厚度中线位置。 ②围岩的约束采用弹簧单元（COMBIN14），弹簧单元以铰接的方式支撑在衬砌梁单元之间的节点上，该单元不能承受弯矩，只有在受压时承受轴力，受拉时失效。计算时通过多次迭代，逐步杀死受拉的COMBIN14单元，只保留受压的COMBIN14单元。
图5-1 受拉弹簧单元的迭代处理过程 ③衬砌结构上的荷载通过等效换算，以竖直和水平集中力的模式直接施加到梁单元节点上。 ④衬砌结构自重通过施加加速度来实现，不再单独施加节点力。 ⑤衬砌结构材料采用理想线弹性材料。 ⑥衬砌结构单元划分长度小于0.5m。 隧道结构计算模型及荷载施加后如图5-2所示。
5.4 结构检算及配筋 本隧道主要验算明洞段、Ⅴ级围岩段和Ⅳ级围岩段衬砌结构。根据隧道规范深、浅埋判定方法可知，Ⅴ级围岩段分为超浅埋段、浅埋段和深埋段。Ⅳ级围岩段为深埋段。根据所给的材料基本参数和修改后的程序，得出各工况下的结构变形图、轴力图、建立图和弯矩图。从得出的结果可知，Ⅴ级围岩深埋段，所受内力均较大，故对此工况进行结构检算。 5.4.1 材料基本参数 (1)Ⅴ级围岩 围岩重度318.5/kN m γ=，弹性抗力系数300/k MPa m =，计算摩擦角 045?=，泊松比u=0.4。 (2) C25钢筋混凝土 容重325/kN m γ=，截面尺寸 1.00.6b h m m ?=?，弹性模量 29.5Pa E G =。轴心抗压强度：12.5cd a f MP =；弯曲抗压强度： 13.5cmd a f MP =；轴心抗拉强度: 1.33cd a f MP =;泊松比u=0.2； (3) HPB235钢筋物理力学参数 密度：37800/s kg m ρ=； 抗拉抗压强度：188std scd a f f MP ==； 弹性模量：210s a E GP =； 5.4.2 结构内力图和变形图（Ⅴ级围岩深埋段） 5.4.3 结构安全系数 从上面的轴力图和弯矩图可知，需要对截面8、11、21、47、73进行检算，而根据对称性可知只需要对截面8、11、47进行检算。
第四章隧道衬砌荷载计算 4.1围岩压力 4.1.1围岩压力的概念 地下硐室不同于地面建筑，位于岩体介质中，因此应当把围岩视为支护结构的共同承载部分，也就是说，应由支护结构（无论是临时的或永久的）和围岩共同组成静力承载体系。围岩的静力作用是十分重要的，如果没有这种作用，硐室的施工将是十分困难或者是不可能的。实际上在岩体中开挖硐室，出现围岩二次应力，同时硐室相应的产生变形和位移。不同的地质条件和工程条件下，硐室围可能出现两种情况：①硐室的变形属于弹性变形，在无支护情况下仍然能够维持稳定；②硐室的变形属于非弹性变形，由于围岩继续变形导致其破坏，甚至出现大量的塌落，这时就需要支护结构来约束围岩变形的继续扩展，因而支护结构受到围岩变形时产生的压力。围岩二次应力全部作用称为围岩压力。围岩二次应力的作用在无支护硐室中出现在硐室周围的部分区域内；在有支护结构（临时的或永久性支护）的硐室中表现为围岩和支护结构的相互作用。目前一般工程认为的围岩压力是指由二次应力使围岩产生变形或破坏所引起的作用在衬砌上的压力，这种概念实际上是属于狭义的围岩压力。 4.1.2围岩压力的形成 关于围岩压力的形成机理以及随时间发生、发展的过程可用奥地利腊布塞维奇教授的剪切滑移破坏理论来说明。若围岩没有受到其他硐室的影响，且开挖爆破过程中没有受到破坏，则硐室周围的围岩压力随着时间的发展可以分为三个阶段，只讨论在岩体内最大压应力为垂直方向的情况。 在第一阶段，由于岩体的变形，在硐室的周围边界上产生一般的挤压。同时，在两侧岩石内形成楔形岩块，在两个楔形岩块有向硐室内部滑移的趋势，从而侧向产生压力，这种楔形岩块是由于两侧岩石剪切破坏而形成的。 在第二阶段，在侧向楔形块体发生某种变形以后，硐室的跨度似乎增大。因此，在岩体内形成了一个垂直椭圆形的高压力区，在椭圆曲线与硐室周界线间的岩体发生了松动。 在第三个阶段，硐顶和硐底的松动岩体开始变形，并向硐内移动，硐顶松动岩石在重力作用下有掉落的趋势，围岩压力逐渐增加。 4.1.3围岩压力的分类 围岩压力可分为四种：松动压力、塑形变形压力、冲击压力和膨胀压力。4.1.4围岩压力的确定方法 隧道开挖前，地层中各点的应力保持着相对的平衡，地层处于相对静止状态，称为原始应力状态。它是由上覆地层自重、地壳运动的残余应力及地下水活动等因素决定的。 为了研究方便，仅考虑由上覆地层自重所形成的原始应力，并取深度H处得一个单元体来做应力分析。该单元体受到三对大小相同、方向相反的压力作用，因此该单元体处于力的平衡状态和变形运动的相对静止状态。
主体结构计算书 赵东平 2010-2-10
目录 1 参考规范............................................................................................................... - 1 - 2 计算模型............................................................................................................... - 1 - 3 计算参数............................................................................................................... - 2 - 4 荷载计算............................................................................................................... - 3 - 4.1 结构自重............................................................................................................ - 3 - 4.2 围岩压力............................................................................................................ - 3 - 5 结构内力及安全系数........................................................................................... - 3 - 6 衬砌配筋及裂缝验算........................................................................................... - 8 - 7 结论....................................................................................................................... - 9 -
第五章隧道衬砌结构检算 5.1 结构检算一般规定 为了保证隧道衬砌结构的安全，需对衬砌进行检算。隧道结构应按破损阶段法对构件截面强度进行验算。结构抗裂有要求时，对混凝土应进行抗裂验算。 5.2 隧道结构计算方法 本隧道结构计算采用荷载结构法。其基本原理为：隧道开挖后地层的作用主要是对衬砌结构产生荷载，衬砌结构应能安全可靠地承受地层压力等荷载的作用。计算时先按地层分类法或由实用公式确定地层压力，然后按照弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌结构的内力，并进行结构截面设计。 5.3 隧道结构计算模型 本隧道衬砌结构验算采用荷载—结构法进行验算，计算软件为ANSYS10.0 。 取单位长度（1m）的隧道结构进行分析，建模时进行了如下简化处理或假 定： ①衬砌结构简化为二维弹性梁单元（beam3）,梁的轴线为二次衬砌厚度中线位置。 ②围岩的约束采用弹簧单元（COMBIN 1 4 ），弹簧单元以铰接的方式支撑在衬砌梁单元之间的节点上，该单元不能承受弯矩，只有在受压时承受轴力，受拉时失效。计算时通过多次迭代，逐步杀死受拉的COMBIN14 单元，只保留受压的COMBIN14 单元。
图5-1受拉弹簧单元的迭代处理过程 ③衬砌结构上的荷载通过等效换算，以竖直和水平集中力的模式直接施加到梁单元节点上。 ④衬砌结构自重通过施加加速度来实现，不再单独施加节点力。 ⑤衬砌结构材料采用理想线弹性材料。 ⑥衬砌结构单元划分长度小于0.5m。 隧道结构计算模型及荷载施加后如图5-2所示。
5.4 结构检算及配筋 本隧道主要验算明洞段、V级围岩段和W级围岩段衬砌结构。根据隧道规范深、浅埋判定方法可知，V级围岩段分为超浅埋段、浅埋段和深埋段。W级围岩段为深埋段。根据所给的材料基本参数和修改后的程序，得出各工况下的结构变形图、轴力图、建立图和弯矩图。从得出的结果可知，V级围岩深埋段，所受内力均较大，故对此工况进行结构检算。 5.4.1 材料基本参数 (1) V级围岩 围岩重度18.5kN/m3，弹性抗力系数k 300MPa/m，计算摩擦角 0 45o，泊松比u=0.4。 ⑵C25钢筋混凝土 容重25kN /m3，截面尺寸b h 1.0m 0.6m ，弹性模量E 29.5G Pa。轴心抗压强度：f cd 12.5 M P a ；弯曲抗压强度：f cmd 13.5M P a ；轴心抗拉强度: f cd 1.33MP a ;泊松比u=0.2； (3) HPB235钢筋物理力学参数 密度：s 7800kg /m3；抗拉抗压强度：f std f scd 188M P a ；弹性模量： E s 210GP a ； 5.4.2结构内力图和变形图(V级围岩深埋段) 5.4.3 结构安全系数 从上面的轴力图和弯矩图可知，需要对截面8、11、21、47、73进行检算，而根据对称性可知只需要对截面8、11、47 进行检算。 ( 1 )配筋前检算 混凝土和砌体矩形截面轴心及偏心受压构件的抗压强度应按下式计算：
隧洞衬砌结构计算书 项目名称_____________日期_____________ 设计者_____________校对者_____________ 一、示意图： 二、基本资料： 1．依据规范及参考书目： 《水工隧洞设计规范》（DL/T 5195-2004，以下简称《规范》） 《水工混凝土结构设计规范》(SL 191-2008)，以下简称《砼规》 《隧洞》（中国水利水电出版社，熊启钧编著） 《水工隧洞和调压室水工隧洞部分》（水利电力出版社，潘家铮编著）2．几何参数： 半跨宽度L1＝2.000 m；顶拱半中心角α＝60.00° 拱顶厚度D1＝0.400 m；拱脚厚度D2＝0.600 m 侧墙厚度D3＝0.600 m；侧墙高度H2＝4.000 m 隧洞衬砌断面形式：圆拱直墙形 底板厚度D4＝0.600 m 3．荷载信息： 内水压力水头H i＝0.00 m 外水压力水头Ho ＝6.00 m；外水压力折减系数β＝0.40 顶部山岩压力端部值Q1＝70.00kN/m；顶部山岩压力中间值Q2＝70.00kN/m 侧向山岩压力上侧值Q3＝40.00kN/m；侧向山岩压力下侧值Q4＝50.00kN/m 底部山岩压力端部值Q5＝0.00kN/m；底部山岩压力中间值Q6＝0.00kN/m 顶拱围岩弹抗系数K1＝500.0 MN/m3 侧墙围岩弹抗系数K2＝500.0 MN/m3 底板围岩弹抗系数K3＝500.0 MN/m3
顶拱灌浆压力P d＝0.00 kPa；P d作用半中心角αp＝0.00° 其他部位灌浆压力P e＝0.00 kPa 4．分项系数： 建筑物级别：1级；荷载效应组合：基本组合； 钢筋混凝土构件的承载力安全系数K ＝1.35 衬砌自重分项系数γQ1＝1.10；山岩压力分项系数γQ2＝1.00 内水压力分项系数γQ4＝1.00；外水压力分项系数γQ5＝1.00 灌浆压力分项系数γQ3＝1.00 5．材料信息： 混凝土强度等级：C25 轴心抗压强度标准值f ck＝16.70 N/mm2；轴心抗拉强度标准值f tk＝1.78 N/mm2 轴心抗压强度设计值f c＝11.90 N/mm2；轴心抗拉强度设计值f t＝1.27 N/mm2 混凝土弹性模量E c＝2.80×104 N/mm2 纵向受力钢筋种类：Ⅱ级 钢筋强度设计值f y＝300 N/mm2；弹性模量E s＝2.00×105 N/mm2 钢筋合力点到衬砌内、外边缘的距离a ＝0.050 m 三、内力计算： N --衬砌计算截面的轴向力，kN，以拉为正； Q --衬砌计算截面的剪力，kN，以逆时针转动为正； M --衬砌计算截面的弯矩，kN·m，以内边受拉为正 u --衬砌计算截面的切向位移，mm； v --衬砌计算截面的法向位移，mm； ψ--衬砌计算截面的转角位移，度； k --衬砌计算截面的围岩抗力，kPa 计算节点编号顺序为： 底板或底拱、底圆按照从左到右编号； 顶板板或顶拱、顶圆按照从右到左编号； 其余部位按照从下到上编号； 1．承载能力极限状态下的内力计算： 经过3次迭代运算后,各点设定抗力条件和法向位移一致。
隧道工程结构计算书 计算： 复核： 审核：
目录 1 工程概况 ....................................................................................................... - 1 - 2 计算内容和计算依据 ................................................................................... - 1 - 2.1 计算内容............................................................................................................... - 1 - 2.2 计算依据............................................................................................................... - 1 - 3 基于荷载-结构法的隧道结构静力计算分析.............................................. - 1 - 3.1 荷载取值和计算模型........................................................................................... - 1 - 3.2 二次衬砌受力分析............................................................................................... - 7 - 3.3 二次衬砌配筋量及强度安全系数计算............................................................. - 10 - 3.3.1 二次衬砌配筋量安全系数计算...................................................................... - 10 - 3.3.2 二次衬砌强度安全系数计算.......................................................................... - 11 - 3.4 中隔墙受力分析................................................................................................. - 13 - 4基于地层-结构法的隧道施工过程模拟分析（二维）............................. - 14 - 4.1 概述..................................................................................................................... - 14 - 4.2 计算模型............................................................................................................. - 14 - 4.3 围岩位移场和应力场分析................................................................................. - 16 - 4.4 中隔墙及其基础力学性态分析......................................................................... - 18 - 4.5 锚杆受力分析..................................................................................................... - 18 - 4.6 临时支护受力分析............................................................................................. - 19 - 4.7 初期支护受力分析............................................................................................. - 20 - 4.8 二次衬砌受力分析............................................................................................. - 21 -