兰州交通大学土木工程毕业设计docWord文件下载.docx
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四•衬砌结构的设计及检算
4.1衬砌结构的设计
隧道在一般情况下应做衬砌，其结构的型式及尺寸，可根据围岩级别、水文地质条件、埋置深度、结构工作特点，结合施工条件等，通过工程类比和结构计算确定，必要时，还应经过试验论证。
隧道衬砌类型主要有以下几种：
整体式模筑混凝土衬砌、装配式衬砌、喷锚支护及复合式衬砌。
4.1.1一般规定
（1）隧道一般可采用整体式衬砌或复合式衬砌；
在I〜II级围岩短隧道中，可采用喷锚衬砌。
（2）不设仰拱的隧道应做底板，单线隧道其厚度不应小于20cm。
[1]
（3）位于曲线地段的隧道其断面要加宽。
（4）衬砌拱圈可设计为等截面或边截面形式；
IV〜VI级围岩地段，应米用曲墙有仰拱衬砌。
（5）最冷月平均气温低于-15C的地区，应根据情况设置变缝。
4.1.2衬砌设计
由于隧道围岩级别为V级，根据《铁路工程设计技术手册隧道》的相关规定，拟采用喷锚支护，复合式衬砌。
初期支护时，对于V
级围岩打入3.0m长的锚杆，在围岩破碎段铺设钢筋网，然后喷混凝土；
二次衬砌采用全液压衬砌台车浇筑而成，厚度35cm。
详细衬砌
支护参数如表4.1所示。
V级围岩隧道衬砌结构横断面细部尺寸参照复合式衬砌断面标准图来拟定，衬砌结构横断面图分别见附录一。
4.2衬砌结构的检算4.2.1衬砌结构的设计
隧道衬砌结构根据结构力学方法（荷载-结构模型）,假设衬砌结构与围岩全面、紧密地接触，采用主动荷载加被动荷载（弹性抗力）模式，按照弹性链杆法原理来计算衬砌结构的内力。
表4.1双线隧道复合式衬砌支护参数[1]
围岩级别
预留
变
形量
（cm）
初期支护
二次衬
砌厚度
喷混凝土
锚杆
位置
厚
长
间
拱
仰
度
（m）
距
墙
V
7
拱、墙、仰拱
16
拱、墙
3.0
1.0
35
40
4・2・2围岩压力的确定
（1）围岩压力确定公式
采用容许应力法，计算单线深埋隧道衬砌时，围岩压力按松散压力考虑，其水平均布压力的作用标准值可按垂直均布压力公式及表4.2确定。
1）垂直匀布压力
q=Yh式（4.1）
h=0.452s」«
式（4.2）
式中q——围岩垂直均布压力（kPa）;
Y――围岩重度（kN/m3）;
h围岩压力计算高度（m）;
s――围岩级别；
3——宽度影响系数，•=1iB-5;
B――坑道宽度。
2）水平匀布压力
表4.2围岩水平匀布压力[8]
围岩级别
I〜II
iii
IV
VI
水平匀布压力
<
0.15q
（0.15-0.30）q
（0.30〜0.50）q
（0.50-1.00）q
（2）衬砌围岩压力确定
V级围岩
宽度影响系数
w=1+0.1*（10.1-5）=1.51
有效宽度
h=0.45*2八（5-1）*1.5仁10.872m
竖直方向均布荷载
q=rh=20*10.872=217.44KN/m
水平方向均布荷载
q=0.3*q=65.232KN/m
4.2.2结构的理想化
（1）衬砌结构的理想化
隧道衬砌是实体拱式结构，轴力和弯矩是主要内力，可将其离散化为一些同时承受弯矩、剪力和轴力的偏心受压等直杆单元所组成的折线形组合体。
由《铁路隧道设计规范》可知，双线电气化铁路在进行节点化分时，要不少于16个单元，在本设计中，把衬砌划分为28个单元，节点数为29，隧道衬砌单元划分如图4.2所示。
20
21
图4.2隧道衬砌单元划分示意图
（2）围岩的理想化
将弹性抗力作用范围内的连续围岩，离散为若干条彼此互不相关的矩形岩柱，岩柱具有弹性地基的性质，采用局部变形理论的温克尔假定，把每个岩柱理想化为一个刚性支座上的弹性链杆支承于衬砌单元的节点上，它可以轴力的方式把岩柱的作用体现出来。
弹性支承的设置方向应按照衬砌与围岩的接触状态来确定，本文为了简化计算，将弹性支承水平设置。
围岩的理想化如图4.3所示。
1415
13
17
12
18
11
19
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28
29
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」
图4.3围岩的理想化
4.2.3衬砌内力的计算
按照弹性链杆法的基本原理进行衬砌结构的内力计算。
本文利用给定的杆系有限元分析程序计算衬砌结构的内力。
对V级围岩衬砌
进行内力检算，在检算中，将初衬和二衬合并考虑，共同承受荷载的100%。
程序检算输入INPUT为：
15,20,2.5e7,65.232,217.44,1.5e5,1.5e5,0.58
5.02,8.15,0,1,1,1,0.58
5.09,7.91,1,1,1,1,0.58
5.15,7.56,1,1,1,1,0.58
5.21,7.05,1,1,1,1,0.58
5.28,6.29,1,1,1,1,0.58
5.29,5.53,1,1,1,1,0.58
5.11,4.55,1,1,1,1,0.58
4.78,3.29,1,1,1,1,0.58
4.48,2.61,1,1,1,1,0.58
3.95,1.99,1,1,1,1,0.58
3.41,1.44,0,1,1,1,0.58
2.81,0.96,0,1,1,1,0.58
2.15,0.57,0,1,1,1,0.58
1.44,0.34,0,1,1,1,0.58
0.00,0.00,0,0,1,0,0.58
程序运行后输出结果为：
NO
NI
QI
MI
NJ
QJ
MJ
-171.176
47.227
0.361
171.176
-47.227
11.446
2
-158.866
19.751
-11.448
158.866
-19.751
18.463
3
-142.198
5.382
-18.462
142.198
-5.382
21.226
4
-120.828
-0.164
-21.226
120.828
0.164
21.100
-102.822
-2.361
-21.100
102.822
2.361
19.305
6
-91.761
-6.997
-19.305
91.761
6.997
12.333
-82.883
7.876
-12.333
82.883
-7.876
22.592
-76.422
8.911
-22.591
76.422
-8.911
29.214
9
-69.728
-6.594
-29.214
69.728
6.594
23.837
10
-58.187
-9.371
-23.836
58.187
9.371
16.613
-40.765
-17.537
-16.612
40.765
17.537
3.136
-18.052
-24.480
-3.136
18.052
24.480
-15.630
6.251
-24.613
15.631
-6.251
24.613
-34.000
14
27.910
-15.407
34.000
-27.910
15.407
-56.797
4.2.4衬砌截面的强度检算
（1）强度检算方法
衬砌结构内力算出后，需进行隧道衬砌截面强度检算，其强度检算按破损阶段法或容许应力法进行。
隧道和明洞衬砌按破损阶段检算构件截面强度时，根据结构所受的不同荷载组合，在计算中应分别选用不同的安全系数，并不应小于表4.3所列数值。
表4.3钢筋混凝土结构的强度安全系数[13]
何载组合
主要荷载
主要荷载+附加荷载
破坏原因
钢筋达到计算强度混凝土达到抗压或抗剪极限强度
2.0
1.7
混凝土达到抗拉极限强度
2.4
拱形隧道衬砌属偏心受压构件，其截面强度检算根据轴力偏心距e。
=M/N的大小可分为两种情况：
1）抗压强度控制（e^<
0.2d）
混凝土和砌体结构的抗压强度应按下式计算：
k_aRabd
式中K――《铁路隧道设计规范》所规定的强度安全系数;
N——截面的实际轴力；
「一一构件纵向弯曲系数，对于隧道衬砌，「可取
Ra――混凝土或砌体结构的极限抗压强度，对于
式（4.3）
1；
c25混凝土,
Ra取
19.0MPa;
b――截面宽度（计算长度），取1m；
d――截面厚度（衬砌厚度）;
a――轴力偏心影响系数，可按下式计算:
a10.648：
i邑-12.569：
ie15.444i邑
Id丿Id丿Id丿
e°
——截面轴力偏心距。
2）抗拉强度控制G0.2d）
混凝土构件的抗拉强度应按下式计算：
71）N
（（4.4）
k=：
_1.7®
Rbd
（
或k「475Rbd（6e。
—d）汉N（4.5）
式中K――《铁路隧道设计规范》所规定的强度安全系数;
R1混凝土的极限抗拉强度，对于C25混凝土，R1取2.0MPa。
（2）强度检算
按照上述衬砌截面强度检算方法，利用Excel软件进行检算，衬砌强度安全系数按照《铁路隧道设计规范》取K>
24作出隧道V级围岩衬砌的截面强度检算结果如表4.4所示。
表4.4V级围岩衬砌截面强度检算表
节
占
八、、
轴力
（kN）
弯矩
（kN?
m
偏心距（m）
截面
厚度
偏心影响
系数
e0/0.2d
大小
偏心
安全系数K
检算
结果
17.176
0.021017699
0.58
1.007711765
0.181187061
小偏
心
63.5474904
安全
11.448
0.07206073
0.916110309
0.621213193
53.35475207
18.462
0.12983305
0.688469967
1.119250428
大偏
41.60841583
0.175671202
0.472341913
1.514406914
43.07948389
21.1
0.205209002
0.339887823
1.76904312
36.42764979
0.210383496
0.318379465
1.81365083
38.23565249
0.148800116
0.599754832
1.282759619
79.74250747
22.591
0.295608594
0.10998642
2.548349952
12.90708173
69.228
0.42199688
0.766218443
3.637904137
8.712977615
23.836
0.409644766
0.629029327
3.531420397
10.77538673
16.612
0.407506439
0.607161394
3.512986546
15.48633864
3.316
0.183691558
0.435112689
1.583547911
124.9119442
2.50055991
1007.789569
21.55655095
13.05894538
27.916
34
1.217939533
89.94252936
10.49947873
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