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1、课程设计计算书课程名称：隧道工程题目：隧道选线及结构计算学院： 土木工程学院课 题 组： 交通土建专业： 土木工程专业班级： 09 级土木工程 9 班学号： 09300913 姓名： 韦天柱起讫日期：指导教师：岳峰、张红英精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 18 页- 1 - 目录1 设计依据-2 2 计原始资料-2 3 设计步骤及过程-2 -2 -2 -3 -3 -3 -3 -4 5 解力法方程-12 6 最大抗力值的推求-13 -13 -14 7 内力图-16 8 参考资料-17精选学习资料 - - - - - - -
2、- - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 18 页- 2 - 1、设计依据本设计根据公路工程技术标准JTG B01-2003， 公路隧道设计标准JTG D70-2004进行设计和计算。2、设计原始资料公路等级：二级公路；设计车速： 60km/h；使用功能：道路双向两车道；隧道平纵曲线半径和纵坡。平纵曲线设计满足标准要求，洞口内外各有不小于3s 行车速度行程长度范围内的平、纵线性保持一致。隧道结构设计标准设计使用期： 100年；设计安全等级：一级；结构防水等级：二级；区域地震基本烈度为VII 度区，按 IX 度抗震烈度进行设防。1:10000 地形图3、设计步骤及过程任务所
3、给定的地形图，隧道平、纵设计既要服从路线的总体走向，又要综合考虑隧道位置的地形、地质、地物、水文、气象、地震情况和施工条件等因素，尽可能使隧址位于地质条件较好、不良地质影响最小的底层中。隧道平面线型以直线为主，有利于通风和施工，采用不设超高的平曲线。隧道纵坡设置充分考虑通风、排水、施工方案和两端接线的要求。根据教师给定的起终点，本设计采用3 条线路进行方案比选，并确定推荐线路。做出 3 个方案的平面图，详见地形图。作出推荐线路的纵断面图，读取隧道的地面高程点时，应每20m读一次，而后用平滑曲线连接。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3
4、 页，共 18 页- 3 - 隧道内轮廓应该以建筑限界为基础，充分考虑衬砌结构受力特征、工程造价、装饰厚度及充裕空间、运营设施的安装空间等因素。洞身结构应根据隧道所处的工程地质条件，按新奥法原理进行设计，采用复合式衬砌，其支护衬砌参数按工程类比，结合有限元分析确定。根据设计原始资料要求，作出隧道的建筑限界及内轮廓设计图。根据设计原始资料要求，作出隧道紧急停车带的建筑限界及内轮廓设计图。4、二次衬砌结构计算选取 IV 级围岩复合式衬砌作为典型衬砌，做结构计算。围岩级别： IV 级；围岩容重：3520 kN/m.；围岩弹性抗力系数：351003kN/m.K；衬砌材料为 C25混凝土，弹性模量kPa
5、.Eh710852，容重323kN/mh。按矿山法施工的隧道围岩荷载为：.qs-s12450公式 4-1）（5124501sB-i.qs-）（5-11.91 .015 .20245.032722.124kN/m考虑到初期支护承担大部分围岩压力，而二次衬砌一般作为安全储备，故对围岩压力进行折减，对本隧道按照45% 折减，取为 702kN/m。q.e30公式 4-2精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 18 页- 4 - 2/21703. 030mkNq.e4.3.1 单位位移：所有尺寸见图4-1图 4-1 二次衬砌结构计算图半拱
6、线轴线长度ms0713.9，将半拱轴长度等分为 8 段，则ms1.13938/0713.98s/177013979.01085.21.1393-hkPamEs计算衬砌的几何要素，拱部各截面与垂直轴之间的夹角和截面中心垂直坐标见表1-1。单位位移值用新普生法近似计算，公式如下：IEs dIEMssh10111公式 4-3IyEs dIEMMssh02121公式 4-4精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 18 页- 5 - IyEs dIEMssh202222公式 4-5单位位移计算表 4-1 截面惯性矩，123bdI，b 取单
7、位长度。 2. 不考虑轴力作用。单位位移值用新普生法近似计算，计算如下：4-7-0111100023. 19504.2518109793.01IEs dIEMssh4-7-0212121102017.23224.5335109793. 0IyEs dIEMMssh4-7-202222107171.87644.21907109793 .0IyEs dIEMssh计算精度校核为：-4-4221211101228.14107171. 82017. 220023.12）（4-7-2ss101228.143598.35493103979.0y1IEs）（闭合差0主动荷载在基本结构中引起的位移1每一楔块上
8、的作用力：竖向力：iiqbQ公式 4-6侧向力：iiehE公式 4-7精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 18 页- 6 - 侧向力：hii-isddG21公式 4-8式中ib衬砌外缘相邻两截面之间水平投影长度，由图1-1 中量得；ih衬砌外缘相邻两截面之间竖直投影长度，由图1-1 中量得；id接缝 i 的衬砌截面厚度。作用在各楔块上的力均列入表1-2 中。载位移计算表表 4-2（2）外荷载在基本结构中产生的内力内力按下式计算：弯矩：11010)(iegqyiixiiipEaGaQaEGQMM公式 4-9轴力：iiiiipE
9、GQNcos)(sin0公式 4-100ipM，0ipN的计算见表 1-3，表 1-4。载位移计算表0ipM表 4-3 载位移计算表0, piN表 4-4 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 18 页- 7 - （3）主动荷载位移计算结果见表 1-5 主动荷载位移计算表表 1-5 则按以下公式计算：IMESdIEMMPshPp0s0011公式 4-11IyMESdSIEMMPShPp00022公式 4-12IMyESPh0sp)1(公式 4-13计算结果：0757.0008.19033571085.21399.1700011
10、IMESdSIEMMPhshPp2838. 02759.71332351085. 21399.1700022IyMESdSIEMMPShPp计算精度校核：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 18 页- 8 - 3595.02838.00757.021PP3595.02844.90365921085.21399.1)1(70spIMyESPh1各接缝处的抗力强度抗力上零点假定在接缝2 处，b25.22: ；最大抗力值假定在接缝4 处，h445；最大抗力值以上各截面抗力强度按下式计算：hhbibi2222coscoscoscos
11、公式 4-14算的结果为：hhbibi2222coscoscoscoshi)45cos5.22coscos5.22cos(2222hi)3536.0cos4140.2(2算出：02，h4588. 03，h4；最大抗力值以下各截面抗力强度按下式计算：hhiiyy)1(22公式 4-15式中：iy所考察截面外缘点到h 点的垂直距离；hy墙脚外缘点到 h 点的垂直距离。由图 1-1 量得：9016.05y，9303. 16y，0465. 37y，2073.48yh2259541.0)2073.49016.01 (hh2267895.0)2073.49303.11(h精选学习资料 - - - - -
12、- - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 18 页- 9 - h2274757.0)2073.40465.31 (h08按比例将所求得的抗力绘在分块图上。（2）各楔块上抗力集中力iR按下式近似计算：外iiiiSR)2(1公式 4-16式中：外iS楔块 i 外缘长度。（3）抗力集中力于摩擦力的合成iR：21iiRR公式 4-17式中：围岩与衬砌间的摩擦系数，此处取2.0。i0198.1RRi，其作用方向与抗力集中力的夹角3099.11arctan。由于摩擦阻力的方向与衬砌位移的方向相反，其方向向上。将iR的方向延长，使之交于竖直轴，量取夹角k自竖直轴反时针方向量度，
13、将iR分解为水平和竖向两个分力：kHRRsinikVRRcosi以上计算结果列入表4-6 中。弹性抗力及摩擦力计算表表 4-6 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 18 页- 10 - （4）计算单位抗力及其相应的摩擦力在基本结构中产生的内力。弯矩：jijiprRM0公式 4-18轴力：HiViipRRNcossin0公式 4-19式中：kir为力iR至接缝中心点 K的力臂 , 计算结果见表 1-7 和表 1-8。0ipM计算表表-7 0ipN计算表表 4-8 （5）单位抗力及相应摩擦力产生的载位移计算见表 4-9 精选学
14、习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 18 页- 11 - 单位抗力及相应摩擦力里产生的载位移计算表表 4-9 计算公式如下：IMESdSIEMMhSh00011公式 4-20IyMESdSIEMMShh00022公式 4-21计算结果如下：4700011108439. 34034.96601085. 21339.1IMESdSIEMMhSh4700022109923.171028.452181085.21339.1IyMESdSIEMMShh校核为：6421108362.2110)9923.178439. 3(470108362
15、.215091.548781085.21339. 1)1(IMyEShS4.3.4 墙底弹性地基上的刚性梁位移单位弯矩作用下的转角：458103294.98834.27910311KI主动荷载作用下的转角：5570.1103294.93024.16904080papM单位抗力及相应摩擦力作用下的转角0136.0103294.96129.144080Ma精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 18 页- 12 - 5、解力法方程1衬砌计算矢高myf7752.58计算力法方程的系数：441111103317.1010)3294.
16、90023.1 (a3412121060809.510)3294.97752.52017. 2(fa24222222101988. 310)3294. 97752.57171. 8(fahaapp)(a010110h40140. 06527. 10136. 0108439. 3577. 10757.0）（haappff)(a020220hh40803.03913.90136.07752.5109923.175770. 17752.52838.0）（以上将单位抗力图及相应摩擦力产生的位移乘以h倍，即为被动荷载的载位移。求解方程为：2211212201210221aaaaaaaX03199.010
17、3317.1000561.0)0803.03913.9(00561.0)014.06527.1(03199.042hhh8744.19962.113式中：8744.1,9962.11311XXp；2211212101220112aaaaaaaX031988.0103317.1000560809.0)014.06527.1(00560809.0)0803.03913.9(103317.10424hhh7842. 27270.271式中：7842.2,7270.27122XXp；2计算主动荷载和被动荷载分别产生的衬砌内力精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - -
18、 - - -第 13 页，共 18 页- 13 - 计算公式为：02102cosPppPpppMyXXMNXN公式 5-102102cosMyXXMNXN公式 5-2计算过程见表 1-10 和 1-11。主被动荷载作用下衬砌弯矩计算表表 5-1 主被动荷载作用下衬砌轴力计算表表 5-2 6、最大抗力值的推求最大抗力方向内的位移考虑到接缝 4 的径向位移与水平方向有一定的偏移，因此修正后如下：4i4phpsinyy）（JMES公式 6-1精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 18 页- 14 - 4i4hsinyy）（JMES
19、公式 6-2计算过程见表 1-12。最大抗力位移修正计算表表 6-1 位移值为：0041. 08005. 07113.101786103979.07p6hp576106189.68005.0448.1663103979.0h最大抗力值为9739.58106189.610310041. 0155hhphK6、2 计算衬砌总内力按下式计算衬砌总内力：ihpihpMMMNNN公式 6-3计算过程见表 6-2。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 18 页- 15 - 衬砌总内力计算表表 1-13计算精度的校核：根据拱顶切开点的相对
20、转角和相对水平位移应为零的条件来检查6.2.1 相对转角的校核按下式计算：0ahIMES公式 6-4由表 1-13 得，37100797.251.52266103979.0IMESh448100797. 2103294.923.2Ma闭合差00yafIMES公式 6-537103879.539.135408103979.0yIMES34a103879. 5103294.97752. 5f闭合差0检算几个控制截面（1）拱顶截面 0mdme1575.045.00079.0故偏心距符合标准要求。又有：memd0079.007.02.0，符合标准要求。0226.035.00079.0de，可得：精选学
21、习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 18 页- 16 - 9661.00226.05 .115 .11de4.27379.149221.43535.01109.19661.04NbdRka式中：aR混凝土极限抗压强度，取a109.14kP。符合标准要求。（2）墙底截面 8偏心检查mde0875.0435.040038.0符合标准要求。其它截面偏心距均小于0.45d。7、内力图将内力计算结果按比例尺绘制弯矩图M及轴力图 N,如图 7-1 所示。7-1 二次衬砌内力图8、参考资料精选学习资料 - - - - - - - - - 名师
22、归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 18 页- 17 - 1、中华人民共和国行业标准公路隧道设计标准JTGD70-2004 ，北京：人民交通出版社， 2004年2、公路隧道施工技术标准JTG F60-2009北京：人民交通出版社，2009年3、中华人民共和国行业标准公路工程技术标准JTG B01 20034、中华人民共和国行业标准公路隧道勘测规程JTJ 063855、夏永旭主编，隧道结构力学计算，北京：人民交通出版社，2004年6、王毅才，隧道工程，北京：人民交通出版社，200 7、孙家驷等著，公路勘测设计，8、张雨化，道路勘测设计，北京：人民交通出版社，200 9、李宁军，曹文贵，刘生等隧道设计与施工百问 M 北京人民交通出版社， 200410、陈秋南主编，隧道工程，北京：机械工业出版社，2008年 11、相关图纸精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 18 页