隧道工程课程设计2014

3车道 高速 公路车速120km/h Ⅴ围岩段隧道设计

一、工程概况

某公路隧道通过，埋深H=30m，隧道围岩天然容重γ=23 KN/m3，计算摩擦角为35°，变形模量为6GPa，采用矿山法施工；衬砌材料采用C25混凝土，材料容重为22kN/m3，变形模量为25GPa。 二、设计要求

（1）隧道纵横断面设计，包括隧道建筑限界、隧道净空、纵断面和横断面图等。设计三车道高速公路车速为120km/h隧道的纵横断面：

①隧道纵横断面设计的各种参数取值，以及取值的依据； ②衬砌所受围岩压力的计算过程。

（2）采用ANSYS软件及给定命令流，计算衬砌结构内力，绘制Ansys计算出的弯矩图和轴力图，并对衬砌截面强度进行检算。 三、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》JTG D62-2004,人民交通出版社，2004年；

（3）夏永旭，《隧道结构力学计算》，2004，人民交通出版社； （4）彭立敏，《交通隧道工程》，2003，中南大学出版社； （5）朱永全，《交通隧道工程》，2007，中南铁道出版社； （6）有关隧道设计图纸。 四、横断面设计

1.建筑限界

隧道建筑限界是为了保证隧道内各种交通正常运行与安全而规定在一定宽

度和高度范围内不得有任何障碍物的空间限界。

根据《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)有关条文规定隧道建筑限界由行

车道宽度W，侧向宽度L，人行道R或检修道J等组成。

本设计中隧道设计要求为80km/h高速公路，根据原始资料，本隧道为山隧

道，高速公路标准单向两车道，设计车速为80km/h，根据《公路隧道设计规范》，确定的建筑限界取值如下。

行车道宽度：W：W=3×3.75=11.25m 余宽：C=0m

左侧向宽度LL：LL=0.75m, 右侧向宽度LR：LR=1.25m 检修道宽度J：J=0.75m 检修道高度h：h=0.5m

左顶角宽度EL：EL=LL=0.75m，右顶角宽度ER：当LR＞1m时，ER=1m 隧道建筑限界高度H：H=5.0m

隧道建筑限界净宽：11.25m+0.75m+1.25m+0.75m+0.75m=14.75m 隧道建筑限界示意图如下，隧道内横向采用单向坡坡度为2%。

图1 隧道建筑限界 （单位：mm）

2. 隧道衬砌标准内轮廓设计

根据《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）规定，隧道的内轮廓线标准拱部

为单心半圆R1=8470.16mm，侧墙为小半径弧R2=2743.16mm。仰拱圆弧半径

R4=15000mm，设计的内轮廓线图如下：

图2 隧道V=120Km/h内轮廓标准断面 （单位：mm）

绘图方法：参照隧道工程三心圆做法——曲墙式轮廓线绘制步骤

做一下修改：第一步：在G点上方找一点H，HG=2.5m，将ab左移0.1m大概找出AB

的位置，连接BH，作BH的垂直平分线与隧道几何中线的交点就是O2圆心的大概位置，然后再作ab垂直平分线，与BO2的交点就是O1点的大概位置，然后再按照PPT第8页第一步的步骤作出三心圆。。。。

3.行人横洞设计

由《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）4.4.6有：上、下行分离式独立双

洞的公路隧道之间应设置横向通道。人行横通道的设置间距可取250m，并不大于500m。人行横通道的断面建筑限界如下图二所示。

图3人行横通道的断面建筑限界（单位：mm）

4.衬砌断面设计

根据《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)有关条文规定，拟定隧道的衬砌，

衬砌材料为C25混凝土，弹性模量Eh=2.5×107kPa，重度γh=22kN/m3，埋深h=30m。

隧道采用复合式衬砌形式，衬砌厚度取60cm，配筋采用Ф22@200mm，钢材采用HRB335，钢筋保护层厚度50mm。 五、衬砌结构计算

1.基本资料

某高速公路隧道，结构断面如上图所示。围岩级别为Ⅴ级，埋深H=30m，隧道围岩天然容重γ=23kN/m3，计算摩擦角φ=350，衬砌材料为C25混凝土，弹性模量Eh=2.5×107kPa，重度γh=22kN/m3。

隧道内轮廓线净宽度B=15.578m， 净高Ht=9.537m。

2.判断隧道深、浅埋

①Ⅴ级围岩深埋和浅埋的分界，按荷载等效高度值，并结合地质条件，施工方法等因素综合判断，按等效荷载高度计算公路如下：

HP=（2~2.5）hq

式中Hp：隧道深浅埋的边界高度

hq：等效荷载高度： hqq:垂直均布压力：KN/m3

q

②在矿山法施工条件下，Ⅳ—Ⅵ级围岩取Hp=2.5hq，Ⅰ—Ⅲ级围岩取Hp=2hq，所以本隧道取Hp=2.5hg。 又因为qhq0.452S1 式中：S：围岩级别S=5

γ:围岩重度:γ=23KN/m3 w:宽度影响系数:w=1+i（B-5） B：隧道宽度，前面已算出B=15.578m

i以B=5m为基础，B每增加1m时，围岩压力增减率，当B＜5m时，取i=0.2；当B＞5m时，取i=0.1，因为B为15.578m，所以i取0.1

③将数据代入式qhq0.452S1得

q=0.45×25-1×23000×[1+0.1(15.578-5)]=340771.68N/m hq=q/r=340771.68/23000=14.81616m

Hp=2.5hq=2.5×14.81616=37.0404m 所以，h﹤Hp，属浅埋隧道。

并且，h﹥hq，因此在计算围岩压力时，必须考虑滑面上阻力的影响。

3.荷载确定

①求围岩垂直均布松动压力q，参见教材P95页，公式5-2-22：

qQhtanh1hK BBhtan B

式中，K——压力折减系数，K1

B——隧道开挖宽度，15.578m h——洞顶岩体覆盖层厚度，30m ——侧压力系数，tantan0

tan1tantan0tantan0tan其中0=35°，由规范，取=0.60=21° 且又，tantan0所以，=0.3495

tan01tan0=2.51641785

tan0tan2因此，q=23000×30×(1-30×0.3495×0.38386/15.578)=511729.827 N/m ②求围岩水平均布松动压力，见教材P96，公式5-2-23

由e1=h=23000×30×0.3495=241155 N/m，

e2=H=23000×(30+9.5375)×0.3495=317822.194 N/m

所以e=1/2(e1+ e2)=279488.597 N/m

六、ANSYS计算结果衬砌内力

finish !退出当前处理程序 /clear !清除以前数据,重新开始一个新的分析

/COM,Structural !定义分析类型,结构分析(热分析、流体分析等) /prep7 !进入前处理器

*AFUN,deg !定义角度单位为度（缺省为弧度，RAD）

! 定义建模及材料参数的一些变量值

*set,Py,5.117298e5 !定义垂直围岩压力大小（若有地表荷载加地表荷载值） *set,px1,0.2794886e6 *set,px2,0.2794886e6

*set,cylxsh,0.3 !定义侧压力系数 *set,cyl,Py*cylxsh !水平侧压力

*set,CQHD,0.65 !定义初支或二衬厚度

*set,CQDYCD,0.17 !定义梁单元长度参数及弹簧单元面积（梁单元长度与弹簧单元面积相等）

*set,CQETXML,25e9 !定义衬砌（初支或二衬）的弹性模量 *set,CQUBSB,0.2 !定义衬砌的泊松比

*set,WYTXKL,100e6 !定义围岩的弹性抗力系数 *set,WYMD,2300 !定义围岩的密度 *set,CQMD,2200 !定义衬砌的密度

!定义单元类型及材料属性及单元实常数

et,1,beam3 !定义1号单元为梁单元

mp,ex,1,CQETXML !定义1号材料的弹性模量 mp,prxy,1,CQUBSB !定义1号材料的泊松比 mp,dens,1,CQMD !定义1号材料的密度

R,1,CQHD,1/12*CQHD*CQHD*CQHD,CQHD !1-实常数号；第一个参数为梁截面的面积； !第二个参数为梁单元的转动惯量；第三个参数为梁高。

!---------------------------------------------------------------------------- !建立几何模型 !创建关键点

k,1,0,-3.7875454, !k-点命令；1-点号；坐标（x,y,z) k,2,3.8418837,-3.2871981, k,3,6.6153092,-2.250, k,4,7.7141139,-0.6376559, k,5,7.4631106,1.2972918, k,6,0,5.7617572,

k,7,-7.4631106,1.2972918, k,8,-7.7141139,-0.6376559, k,9,-6.6153092,-2.250,

k,10,-3.8418837,-3.2871981,

!--------------------------------------------------------------------------- !二衬轴线

larc,1,3,2 !三点画圆弧：起点-终点—中间点 最好全按逆时针画，弯矩及轴力的方向一致 larc,3,5,4 larc,5,7,6 larc,7,9,8 larc,9,1,10

!----------------------------------------------------------------------------- !设置线单元材料属性，划分单元(初支单元)

lsel,s,,,1,5 !LSEL,Type,Item,Comp,VMIN, VMAX,VINC 选中上步生成的线：16/2=8 lATT,1,1,1 !给线单元付材料号、实常数、单元类型号 LATT, MAT, REAL, TYPE, ESYS MSHKEY,1 !设置单元为映射单元（单元比较规则）

lesize,1,CQDYCD !LESIZE, NL1, SIZE, ANGSIZ, NDIV, SPACE对选中的线设置网格单元大小

lesize,2,CQDYCD lesize,3,CQDYCD lesize,4,CQDYCD lesize,5,CQDYCD

!lesize,all,CQDYCD lsel,all

lmesh,all !划分线单元

nummrg,all,,,,low !所有号数从1开始 对实体进行合并 numcmp,node,eord !压缩节点号并排序

!---------------------------------------------------------------------------- !!!!!!需要显示单元编号，确实共有多少个梁单元

!施加水平弹簧支撑单元（在梁单元的每个节点上分别产生水平方向弹簧单元）

a1=abs(ny(238)-ny(2))*WYTXKL !计算节点1（第一个单元）上的弹性抗力 kx=a1/2

PSPRNG,1,TRAN,kx,0.2,,,,

*do,i,2,119 !do循环，要对应下面一个*EDNDO

a1=abs(ny(i-1)-ny(i+1))*WYTXKL !计算节点i-1和节点i+1之间y的变化量*弹性抗力 kx=a1/2

PSPRNG,i,TRAN,kx,0.2,,,, !PSPRNG, NLOC, TYPE, K, DX, DY, DZ, ELEM

!定义弹簧单元,节点号,类型为平移,弹性系数,弹簧水平长度 产生水平弹簧 *enddo

*do,i,120,237 !do循环，要对应下面一个*EDNDO

a1=abs(ny(i-1)-ny(i+1))*WYTXKL !计算节点i-1和节点i+1之间y的变化量*弹性抗力 kx=a1/2

PSPRNG,i,TRAN,kx,-0.2,,,, !PSPRNG, NLOC, TYPE, K, DX, DY, DZ, ELEM

!弹簧单元,节点号,平移,弹性系数,弹簧水平长度 产生水平弹簧 *enddo

a1=abs(ny(237)-ny(1))*WYTXKL !计算节点238（最后一个单元）上的弹性抗力 kx=a1/2

PSPRNG,238,TRAN,kx,-0.2,,,,

!--------------------------------------------------------------------------

!施加竖直弹簧支撑单元（在梁单元的每个节点上分别产生竖直方向弹簧单元）

b1=abs(nx(238)-nx(2))*WYTXKL !计算节点1上的弹性抗力 ky=b1/2

PSPRNG,1,TRAN,ky,,-0.2,,,

*do,i,2,58 !do循环，要对应下面一个*EDNDO

b1=abs(nx(i-1)-nx(i+1))*WYTXKL !计算节点i-1和节点i+1之间x的变化量*弹性抗力 ky=b1/2

PSPRNG,i,TRAN,ky,,-0.2,,, !PSPRNG, NLOC, TYPE, K, DX, DY, DZ, ELEM

!弹簧单元,节点号,平移,弹性系数,弹簧水平长度 产生竖向弹簧 *enddo

*do,i,59,180 !do循环，要对应下面一个*EDNDO

b1=abs(nx(i-1)-nx(i+1))*WYTXKL !计算节点i-1和节点i+1之间x的变化量*弹性抗力 ky=b1/2

PSPRNG,i,TRAN,ky,,0.2,,, !PSPRNG, NLOC, TYPE, K, DX, DY, DZ, ELEM

!弹簧单元,节点号,平移,弹性系数,弹簧水平长度 产生竖向弹簧 *enddo

*do,i,181,237 !do循环，要对应下面一个*EDNDO

b1=abs(nx(i-1)-nx(i+1))*WYTXKL !计算节点i-1和节点i+1之间x的变化量*弹性抗力 ky=b1/2

PSPRNG,i,TRAN,ky,,-0.2,,, !PSPRNG, NLOC, TYPE, K, DX, DY, DZ, ELEM

!弹簧单元,节点号,平移,弹性系数,弹簧水平长度 产生竖向弹簧 *enddo

b1=abs(nx(237)-nx(1))*WYTXKL !计算节点238（最后一个单元）上的弹性抗力 ky=b1/2

PSPRNG,238,TRAN,ky,,-0.2,,,

!------------------------------------------------------------------------------ !施加边界条件与围岩压力

/solu !!!!!进入求解器计算

!nsel,s,,,1 !选择约束的节点,仰拱中间节点 !d,all,ux !施加水平方向的约束 allsel

fcum,add,, !一定要，使荷载能叠加

!竖向荷载（y方向压力，最大跨度以上节点施加竖向荷载，换算成节点荷载，在节点上施加）

*do,i,59,180 !在59—180号节点施加竖向围岩压力

a=-Py*0.5*abs(nx(i-1)-nx(i+1)) !计算作用在节点上的节点力 f,i,fy,a *enddo

!水平向荷载（X方向压力，全部节点施加水平荷载，换算成节点荷载，在节点上施加） a=(px1+(px2-px1)/(ny(119)-ny(1))*(ny(119)-ny(1)))*abs(nY(238)-nY(2))*0.5 f,1,fX,a

*do,i,2,119 !在2—119号节点施加水平围岩压力

a=-(px1+(px2-px1)/(ny(119)-ny(1))*(ny(119)-ny(i)))*abs(nY(i-1)-nY(i+1))*0.5 f,i,fX,a *enddo

*do,i,120,237 !在120—237号节点施加水平围岩压力

a=(px1+(px2-px1)/(ny(119)-ny(1))*(ny(119)-ny(i)))*abs(nY(i-1)-nY(i+1))*0.5 f,i,fX,a *enddo

a=(px1+(px2-px1)/(ny(119)-ny(1))*(ny(119)-ny(238)))*abs(nY(237)-nY(1))*0.5 f,238,fX,a

!设定重力加速度

ACEL,0,9.8,0, !重力加速度以向下位置，不用加负号 ALLSEL,ALL finish

!删除轴力为拉力的弹簧单元 /prep7

*do,i,239,261 EDELE,i NDELE,i *enddo

*do,i,297,418 EDELE,i NDELE,i *enddo

*do,i,452,476 EDELE,i NDELE,i *enddo

!!!!!进入求解器计算

/solu

time,1 !定义时间步 OUTRES,ALL,LAST, !设置输出选项

solcontrol,0,0 !设置是否为非线性求解 nlgeom,1 !大变形开关 PIVCHECK,1 !如果不收敛，计算退出

neqit,100, !非线性求解，平衡力最大迭代次数 autots,1 !自动步长 nsubst,5 !子步数

kbc,0 !指定荷载按线性增加 ESEL,ALL NSEL,ALL

solve !求解

save,jg,db !将第一时间步的计算结果保存

!进入后处理器，对结果进行后处理 /POST1

ESEL,s,TYPE,,1 !选中类型号为1的单元 NSLE,s,ALL

etabel,ni,smisc,1 !定义梁i节点的轴力 etabel,nj,smisc,7 !定义梁j节点的轴力 etabel,mi,smisc,6 !定义梁i节点的弯矩 etabel,mj,smisc,12 !定义梁j节点的弯矩 etable,Qi,smisc,2 !定义梁i节点的剪力 etable,Qj,smisc,8 !定义梁j节点的剪力

/rgb,index,100,100,100,0 !变换白色背景 /rgb,index,80,80,80,13 /rgb,index,60,60,60,14 /rgb,index,0,0,0,15

plls,ni,nj,1,0

/IMAGE,SAVE,N-zhouli,bmp

plls,mi,mj,1,0

/IMAGE,SAVE,M-wanju,bmp

plls,Qi,Qj,1,0

/IMAGE,SAVE,Q-jianli,bmp

!ESEL,s,TYPE,,2

!etabel,tanhuangzhouli,smisc,1 !plls,ni,nj,1 !plls,mi,mj,-1

七、计算结果

衬砌内力弯矩图（N·m）

衬砌内力轴力图（N）

衬砌内力剪力图（N）

八、衬砌截面强度检算

（1）隧道结构截面抗压验算：见教材P104页，公式5-3-4

KNRabh

式中：K——安全系数，按表5-3-3取2.4 N——轴力（MN）

Ra——混凝土抗压极限强度（MPa） ——构件纵向弯曲系数，取=1.0 α——轴向力偏心影响系数，可由e0/h值查《公路隧道设计规范》得到

（2）偏心受压构件的抗拉强度验算

1.75R1bh KN6e01h 式中： R1——混凝土极限抗拉强度

注：当e0≤0.2h，由抗压强度控制承载能力，不必验算抗裂；当e0>0.2h，由抗拉强度控制承载能力，不必验算抗压。

eo = M / N = 242548/1.54E7 = 0.016＜0.2h = 0.2×0.60 =0.12 由抗压强度控制承载能力, 不必验算抗裂。

（3）验算最大压力截面

由eo = M / N = 242548/1.54E7 = 0.016， e0/h=0.016/0.60=0.027，查上表取α=1.0； 由KNRabh，

KN=2.4×1.54 E7=36960000N

Rabh=1.0×1.0×12.5 E6×1.0×0.6=7500000 N

则KN>Rabh,所以衬砌不满足截面抗压要求。