【文章內(nèi)容簡介】 計 設(shè)計思路 以石太客運專線太行山隧道為對象進行設(shè)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(shè)計規(guī)范》設(shè)計隧道橫斷面，并結(jié)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(shè)計參數(shù)。判斷深淺埋，取最不利的橫截面并計算作用在結(jié)構(gòu)上的荷載。最后將荷載加到設(shè)計結(jié)構(gòu)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(zhì)選定，洞口位置選擇遵循“早進晚出”、地質(zhì)條件良好、地勢開闊、施工方便，技術(shù)、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(zhì)的原因，往往不得不采用曲線。應(yīng)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(yīng)設(shè)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(shè)一個以上的曲線。尤其是不宜設(shè)置反向曲線或復(fù)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(yīng)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(shè)置與之相適應(yīng)的線路坡度。但依據(jù)地形設(shè)計坡度時，注意應(yīng)不超過限制坡度。 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhì)條件等按相關(guān)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(fù)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(jié)構(gòu)。初期支護與二次襯砌間鋪設(shè)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(dǎo)管超前支護，鎖腳錨桿，加固注漿，回填注漿等。(3)隧道支護設(shè)計參數(shù)按工程類比選定，襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)按工程類比初選，并通過結(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)中用混凝土的極限強度應(yīng)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(yīng)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(fù)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(fù)合襯砌設(shè)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(jié)構(gòu)，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(yīng)考慮初期支護并預(yù)留適當?shù)淖冃瘟俊ｎA(yù)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(yù)測。當無預(yù)測值時預(yù)留變形量可參考表35選用。表35 預(yù)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(shè)計 荷載計算原理采用荷載結(jié)構(gòu)法原理進行隧道結(jié)構(gòu)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(yīng)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(cè)摩擦角，超淺埋時取0；λ——側(cè)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(cè)摩擦角(176。)；λ——側(cè)壓力系數(shù)；h——洞頂?shù)孛娓叨?m)。 結(jié)構(gòu)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(gòu)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(jié)襯砌構(gòu)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(zhì)條帶灰?guī)r，薄至中厚層狀，弱風(fēng)化，巖體較完整。呈塊狀結(jié)構(gòu)，巖層平緩，拱頂易坍塌落石。初步假設(shè)洞身的初期支護為10cm，二次襯砌為35cm，初支與二襯見預(yù)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(jié)合隧道所處地理環(huán)境情況得出荷載計算結(jié)果見表37。表37 荷載計算結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)物，它的受力和變形與圍巖密切相關(guān)，支護結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別。根據(jù)本工程的特點，使用階段結(jié)構(gòu)安全性檢算采用“荷載－結(jié)構(gòu)”模式，即將支護和圍巖分開考慮，支護結(jié)構(gòu)是承載主體，圍巖作為荷載的來源和支護結(jié)構(gòu)彈性支承。支護結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用是通過彈性支承對支護結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換成等效節(jié)點力施加在相應(yīng)的單元結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)內(nèi)力數(shù)值如38表。表38 結(jié)構(gòu)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