【文章內(nèi)容簡介】 計 設計思路 以石太客運專線太行山隧道為對象進行設計。計劃采用新奧法施工，隧道采用有仰拱形式斷面?！惰F路隧道設計規(guī)范》設計隧道橫斷面，并結合工程經(jīng)驗初步確定隧道橫斷面的具體尺寸，以及二次襯砌的設計參數(shù)。判斷深淺埋，取最不利的橫截面并計算作用在結構上的荷載。最后將荷載加到設計結構上，利用Ansys軟件計算內(nèi)力，取最不利情況配筋以及抗裂驗算。 隧道平面位置、洞口位置和縱斷面(1)中小型隧道平面位置遵照線路選線，長大隧道遵照隧道自身工程地質選定，洞口位置選擇遵循“早進晚出”、地質條件良好、地勢開闊、施工方便，技術、經(jīng)濟合理之處。(2)一般情況下隧道內(nèi)的線路最好采用直線，但是，受到某些地形的限制，或是地質的原因，往往不得不采用曲線。應盡可能采用較短的曲線，或是半徑較大的曲線，使它的影響小一些。隧道在曲線兩端應設緩和曲線時，最好不使洞口恰恰落在緩和曲線上。在一座隧道內(nèi)最好不設一個以上的曲線。尤其是不宜設置反向曲線或復合曲線。(3)鐵路隧道對于行車來說線路的坡度以平坡為最好。但是，天然地形是起伏不定的，為了能適應天然地形的形狀以減少工程數(shù)量，只好隨著地形的變化設置與之相適應的線路坡度。但依據(jù)地形設計坡度時，注意應不超過限制坡度。 隧道結構設計(1)隧道的建筑限界根據(jù)已定的車輛類型、行車速度、施工方法及地質條件等按相關規(guī)范或暫行規(guī)定確定。(2)礦山法區(qū)間隧道一般采用復合式襯砌，初期支護由型鋼格柵、鋼筋網(wǎng)與噴射混凝土組成，二次襯砌采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構。初期支護與二次襯砌間鋪設全包防水層。根據(jù)地層情況可采用的輔助性地層加固措施有：管棚超前支護，注漿小導管超前支護，鎖腳錨桿，加固注漿，回填注漿等。(3)隧道支護設計參數(shù)按工程類比選定，襯砌結構設計參數(shù)按工程類比初選，并通過結構受力檢算。 建筑限界以及內(nèi)輪廓根據(jù)《標準軌距鐵路建筑限界》GB 。本區(qū)段的建筑限界及內(nèi)輪廓設計見圖31。圖31 隧道建筑限界及內(nèi)輪廓 工程材料 混凝土和鋼筋混凝土和鋼筋混凝土結構中用混凝土的極限強度應按表31采用。表31 混凝土的極限強度(MPa)強度種類符號混凝土強度等級C15C20C25C30C40C50抗壓Ra彎曲抗壓Rw抗拉Rl混凝土的彈性模量應按表32采用?；炷恋牟此杀瓤刹捎?v=)。表32 混凝土的彈性模量Ec(GPa)混凝土強度等級C15C20C25C30C40C50彈性模量Ec262831鋼筋強度和彈性模量按表33采用。表33 鋼筋的強度和彈性模量鋼筋種類屈服強度(MPa)抗拉極限強度(MPa)抗拉或抗壓計算強度(MPa)彈性模量(GPa)延伸率(%)HPB235(Q235)24038026021025HRB335(20MnSi)34052036020016噴射混凝土的強度等級不得小于C20。噴射混凝土的彈性模量見表34。表34 噴射混凝土的彈性模量(GPa)噴射混凝土強度等級C20C25C30彈性模量212325 隧道襯砌橫截面形狀及尺寸擬定襯砌類型采用復合式襯砌，其為由初期支護和二次襯砌及中間夾防水層組合而成的襯砌形式。復合襯砌設計符合下列規(guī)定：(1)初期支護宜采用錨噴支護，即由噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼架等支護形式單獨或組合使用。(2)二次襯砌宜采用模筑混凝土或模筑鋼筋混凝土結構，襯砌界面宜采用連接園順的等厚襯砌斷面，仰拱厚度宜與拱墻厚度相同。(3)在確定開挖斷面輪廓時，還應考慮初期支護并預留適當?shù)淖冃瘟俊ｎA留變形量的大小可根據(jù)圍巖級別、斷面大小、埋置深度、施工方法和支護情況等，采用工程類比法預測。當無預測值時預留變形量可參考表35選用。表35 預留變形量（mm）圍巖級別單線隧道雙線隧道Ⅱ—10～50Ⅲ20～5050～80Ⅳ50～8080～120Ⅴ80～120100～150注：圍巖破碎取大值；圍巖完整取小值。 荷載設計 荷載計算原理采用荷載結構法原理進行隧道結構檢算時，所需計算的荷載為由巖體松動、崩塌而產(chǎn)生的豎向和水平均布壓力。豎向和水平均布壓力的計算，根據(jù)隧道的埋深不同，選擇不同的計算公式。(1)隧道深、淺埋的判定原則一般，深、淺埋隧道分界深度至少應大于坍方的平均高度且有一定余量，根據(jù)經(jīng)驗，這個深度通常為2～，即： HP =(2~)hq （31）式中，Hp——深淺埋隧道分界的深度(m)；hq——等效荷載高度值(m)。系數(shù)2～，而在較堅硬圍巖中取低限。當隧道覆蓋層厚度hHp時為深埋，hHp時即為淺埋。等效高度值按式(32)和式(33)計算： hq = 2s1 ω （32） ω=1+i（B5） （33） 式中， hq——等效荷載高度值(m)；S——圍巖級別；ω——寬度影響系數(shù)；B——隧道寬度(m)；i——B每增加1m時，圍巖壓力的增減率(以B=5m為基準)，當B5m時，取i=，B5m時，取i=。(2)深埋隧道圍巖松動壓力的計算方法(h≥Hp)雙線鐵路隧道豎直均布松動壓力按式（34)計算： q=γh （34） 式中，q——豎直均布松動壓力(kN/m)；γ——圍巖容重(kN/m3)。水平均布松動壓力e可根據(jù)豎直均布松動壓力由經(jīng)驗公式求得。水平均布壓力的經(jīng)驗公式見表36。表36 水平均布松動壓力經(jīng)驗公式圍巖級別ⅡⅢⅣⅤ水平勻布壓力e0＜(～)q(～)q(3)淺埋隧道圍巖松動壓力的計算方法:①超淺埋隧道 (h≤hq) 圍巖豎直均布松動壓力按公式(35)計算： q=γh (35)式中， q——豎直均布松動壓力(kN/m)γ——圍巖容重(kN/m3)。圍巖水平均布松動壓力按下列公式計算： (36) (37) (38) (39)式中，β——產(chǎn)生最大推力時的破裂角（176。）；φ0——圍巖計算摩擦角（176。）；θ——圍巖兩側摩擦角，超淺埋時取0；λ——側壓力系數(shù)；h——洞頂至地面高度(m)；Ht——隧道凈高(m)；B——隧道跨度(m)。②淺埋隧道 ( ) (310) (311)圍巖豎直均布松動壓力按式(312)計算： (312)圍巖水平均布松動壓力按公式(313)和公式(314)計算： (313) (314)式中，β——產(chǎn)生最大推力時的破裂角(176。)； Ht——隧道凈高(m)；φ0——圍巖計算摩擦角(176。)；B——隧道跨度(m)；θ——圍巖兩側摩擦角(176。)；λ——側壓力系數(shù)；h——洞頂?shù)孛娓叨?m)。 結構配筋計算采用破損階段法進行配筋計算，步驟如下： 檢驗是否配筋由截面內(nèi)力計算偏心距e0=M/N，比較e0/ 大小若 e0/h≤，系抗壓強度控制承載能力，按315式計算： (315)式中，Ra——混凝土的抗壓極限強度，K——安全系數(shù)，對于由抗壓強度控制承載能力時，K=；抗拉強度控制承載能力時，K=。N——軸向力(N) b——截面的寬度(m)h——截面的厚度(m)φ——構件的縱向彎曲系數(shù)，取φ=α——軸心力的偏心影響系數(shù)， (316) 若e0/h，系抗裂強度控制承載能力，按下式計算: (317) 式中，e0——截面偏心距(m)；Ri——混凝土的抗拉極限強度，；其他符號意義同前。若在不同的情況下，上面兩式滿足，則不需配筋，直接采用素混凝土；若不滿足，則需配筋。利用Excel將公式編輯，對各級圍巖進行驗算看是否需要配筋。 Ⅲ級圍巖結襯砌構內(nèi)力計算和強度驗算區(qū)段里程：DK69+230~DK69+400圍巖級別：Ⅲ級圍巖容重：24kN/m3圍巖彈性抗力系數(shù)：850MPa/m圍巖似摩擦角：70176。太行山隧道該區(qū)段洞身位于的巖層為竹葉狀灰?guī)r、泥質條帶灰?guī)r，薄至中厚層狀，弱風化，巖體較完整。呈塊狀結構，巖層平緩，拱頂易坍塌落石。初步假設洞身的初期支護為10cm，二次襯砌為35cm，初支與二襯見預留變形量為4cm。拱墻、仰拱襯砌選用C25混凝土，仰拱填充選用C20混凝土。 隧道所受圍巖壓力計算由于所選區(qū)段埋深由深埋向淺埋過渡，所以埋深選用深、淺埋分界值(h=),隧道寬度：B=，隧道高度Ht=。根據(jù)荷載計算公式(31)~(314)，結合隧道所處地理環(huán)境情況得出荷載計算結果見表37。表37 荷載計算結果隧道斷面所處區(qū)段里程計算埋深(m)深/淺埋情況垂直荷載(kN/m）水平均布荷載(kN/m)DK69+230~DK69+400淺埋 襯砌結構內(nèi)力計算C25混凝土的容重γ=25kN/m3，Ra=19MPa ，Rw=，Rl= Ec=，ν=，鋼筋采用HRB335。隧道工程建筑物是埋置于地層中的結構物，它的受力和變形與圍巖密切相關，支護結構與圍巖作為一個統(tǒng)一的受力體系相互約束，共同工作。這種共同作用正是地下結構與地面結構的主要區(qū)別。根據(jù)本工程的特點，使用階段結構安全性檢算采用“荷載－結構”模式，即將支護和圍巖分開考慮，支護結構是承載主體，圍巖作為荷載的來源和支護結構彈性支承。支護結構與圍巖的相互作用是通過彈性支承對支護結構施加約束來實現(xiàn)的。在ANSYS計算模型中，二次襯砌采用彈性平面梁單元模擬，彈性抗力以及隧道底部地基均采用彈簧單元模擬。組合荷載根據(jù)不同作用方向分別轉換成等效節(jié)點力施加在相應的單元結點上。由ANSYS建模生成的變形圖見圖32。圖32 變形圖二次襯砌計算采用采用荷載——結構模型，襯砌采用彈性梁單元模擬，初期支護與二次襯砌的約束采用無拉彈簧單元模擬，采用《》進行隧道襯砌結構的分析，將隧道襯砌模擬為置于彈性地基梁上的有限單元桿系進行分析。Ⅲ級圍巖截面計算的內(nèi)力圖如圖334。圖33 ANSYS計算彎矩圖圖34 ANSYS計算軸力圖利用ANSYS進行計算，得到的結構內(nèi)力數(shù)值如38表。表38 結構內(nèi)力數(shù)值表節(jié)點號彎矩(Nm)軸力(N)e0 (m)抗壓驗算抗裂驗算158123+05不驗算抗壓不合格253625+05不驗算抗壓不合格340729+05不驗算抗壓合格421165+05合格不驗算抗裂5+05合格不驗算抗裂625865+05合格不驗算抗裂745170+05合格不驗算抗裂855231+05不驗算抗壓合格950841+05合格不驗算抗裂1026812+05合格不驗算抗裂1121747+05合格不驗算抗裂1225642+05合格不驗算抗裂1313590+05合格不驗算抗裂14+05合格不驗算抗裂15+05合格不驗算抗裂16+05合格不驗算抗裂171157+05合格不驗算抗裂18+05合格不驗算抗裂19+05合格不驗算抗裂20+05合格不驗算抗裂21+05合格不驗算抗裂22+05合格不驗算抗裂23+05合格不驗算抗裂24+05合格不驗算抗裂25+05合格不驗算抗裂26+05合格不驗算抗裂27+05合格不驗算抗裂28+05合格不驗算抗裂2910002+05合格不驗算抗裂30+05合格不驗算抗裂31+05合格不驗算抗裂32+05合格不驗算抗裂33+05合格不驗算抗裂34+05合格不驗算抗裂35+05合格