第頁隧道支護襯砌設計案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u21145隧道支護襯砌設計案例分析 1240401.1總體設計原則 1100581.2初期支護驗算 4100221.3圍巖壓力及襯砌計算 9311601.3襯砌結構計算 964051.3.1計算參數(shù) 935261.3.2深淺埋判定 9124051.3.3隧道襯砌安全系數(shù)確定 1168471.4襯砌內力計算 1295531.4.1斷面1：Ⅴ級圍巖淺埋 12102351.4.2斷面2：Ⅴ級圍巖深埋 19319501.4.3斷面3Ⅳ級圍巖深埋 25235751.5配筋計算 321.1總體設計原則隧道采用“新奧法”原理設計，擬定的支護參數(shù)參見表5-1。襯砌應具有足夠的強度與穩(wěn)定性，保證隧道長期安全使用。根據(jù)工程技術標準，采用以新奧法為基礎的復合式襯砌，以系統(tǒng)錨桿、噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、格柵鋼架、工字鋼鋼架等組成的初期支護與二次模筑混凝土相結合。支護結構分期施作，以達到最佳的經濟效果。二次襯砌在初次支護基本穩(wěn)定后施作，初次支護承受主要荷載，二次襯砌承受部分荷載，主要作為安全儲備作用，二者之間還有一層防水層，起防水作用（實際內力計算時假設荷載完全由二次襯砌承擔）。表5-1隧道復合式襯砌的設計參數(shù)圍巖級別初期支護二次襯砌厚度（cm）噴射混凝土厚度（cm）錨桿（m）鋼筋網(wǎng)鋼架拱墻混凝土仰拱混凝土拱部邊墻仰拱位置長度間距Ⅰ5-局部2.030-Ⅱ5-8-局部2.0-2.530-Ⅲ8-12-拱、墻2.0-3.01.0-1.5局部@25*25-35-Ⅳ12-15-拱、墻2.5-3.01.0-1.2拱墻@25*25拱、墻3535Ⅴ15-25-拱、墻3.0-4.00.8-1.2拱墻@20*20拱、墻、仰拱4545Ⅵ通過實驗、計算確定初期支護采用錨噴支護，由噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)與鋼架等支護形式組合使用，初期支護必須與周圍巖體大面積牢固接觸，保證支護-圍巖作為一個統(tǒng)一的支護體系而共同工作。因此應允許圍巖與初期支護結構產生有限的變形，以充分發(fā)揮圍巖的承載作用而減少支護結構的受力，對圍巖的變形進行監(jiān)控量測及時調整和修正支護參數(shù)與施工方法，適應不斷變化的圍巖，根據(jù)圍巖的變形情況及時施作。二次襯砌采用模筑混凝土，襯砌截面采用連接圓順的等厚襯砌斷面，仰拱厚度與拱墻厚度相同。采用工程類比法進行設計，并通過計算進行驗算。隧道復合式襯砌參數(shù)以及預留變形量按下表選?。罕?-2預留變形量（mm）圍巖級別雙車道隧道三車道隧道四車道隧道ⅠⅡ-10-5030-80Ⅲ30-5050-8080-120Ⅳ50-8080-120120-150Ⅴ80-120100-150150-250Ⅵ現(xiàn)場監(jiān)測確定表5-3隧道復合式襯砌設計參數(shù)圍巖級別初期支護二次襯砌現(xiàn)澆混凝土厚度噴射混凝土厚度（cm）錨桿（m）鋼筋網(wǎng)鋼架間距（cm）拱、墻仰拱拱、墻仰拱位置長度縱向間距Ⅵ通過試驗計算確定Ⅴ20-2515-20拱、墻3.0-3.50.6-0.820*2060-8045（鋼筋混凝土）20-255-10拱、墻3.0-3.50.8-1.020*2080-10045Ⅳ20-22-拱、墻2.5-3.00.8-1.020*20100-1204018-20-拱、墻2.5-3.01.0-1.220*20120-1504015-18-拱、墻2.5-3.01.0-1.225*25局部35-Ⅲ10-12-拱、墻2.5-3.01.0-1.225*25-35-8-10-拱、墻2.5-3.01.2-1.525*25-35-Ⅱ5-8-局部2.0-2.5-局部-30-Ⅰ530-最終設計選用如表：表5-4襯砌結構設計選用參數(shù)表圍巖等級初期支護二次襯砌預留變形量Ⅳ級圍巖深埋段φ20藥卷錨桿L=3.0m，φ6.5鋼筋網(wǎng)25cm*25cm，格柵拱架間距120cm，20cm厚度C25噴射混凝土C30防水鋼筋混凝土，襯砌厚40cm7cmⅤ級圍巖淺埋段φ25中空注漿錨桿L=3.5m，φ6.5鋼筋網(wǎng)20cm*20cm，I20b型鋼拱架間距60cm，28cm厚度C25噴射混凝土C30防水鋼筋混凝土，襯砌厚50cm12cmⅤ級圍巖深埋段φ25中空注漿錨桿L=3.5m，φ6.5鋼筋網(wǎng)20cm*20cm，I18型鋼拱架間距80cm，21cm厚度C25噴射混凝土C30防水鋼筋混凝土，襯砌厚50cm10cm防水層均選用無紡土布與防水板。1.2初期支護驗算根據(jù)隧道圍巖的地質條件，按最不利v級圍巖進行：φ25中空注漿錨桿L=3.5m，φ6.5鋼筋網(wǎng)20cm*20cm，I18型鋼拱架間距80cm，21cm厚度C25噴射混凝土，Ⅴ級圍巖的松弛范圍W=220cm:（1）隧道圍巖塑性半徑Rp與周邊支護阻力Pi的關系：(1)其中：塑性區(qū)半徑又知：B=1187cm=11.87mF=872cm=8.72m（隧道高度）則又已知：則公式（1）右邊又隧道當量半徑其中W=0則公式（1）轉化為計算得：隧道周邊的徑向位移和隧道圍巖塑性區(qū)半徑的關系：當假定塑性區(qū)圍巖體積不變時，可近似的按下式計算：（2）已知：故（3）隧道周邊設計與支護阻力與隧道周邊的徑向位移的關系：由式（1）和式（2），將（1）式代入（2）中得到式（3）由已知數(shù)據(jù)：整理得：由該式可知，隧道周邊徑向位移的大小與支護阻力的關系：當增大時，周邊徑向位移減??；當減小時，周邊徑向位移增大，也就是說荷載值與圍巖的變形成反比。3.計算初期支護能提供的支護阻力和允許隧道洞壁產生的總徑向位移。計算噴射混凝土提供的支護阻力和噴層允許洞壁產生的徑向位移。支護阻力按薄壁圓筒計算：當噴射混凝土為多層時（分三層噴）：1）噴射第一層混凝土時，，則：2）噴射第二層混凝土時，，則：3）噴射第三層混凝土時，，則：（2）計算砂漿錨桿（系統(tǒng)錨桿）所提供的支護阻力和錨桿允許洞壁產生的徑向位移。假定砂漿錨桿對洞壁提供的支護阻力受砂漿與圍巖之間的抗剪強度所控制，并且在其接觸面上的剪應力分布是均勻的，則：假定錨桿設置后洞壁彈性變形已全部完成，同時圍巖的最大塑性區(qū)取決于錨桿加固后承載環(huán)厚度。錨桿約束后圍巖的塑性區(qū)半徑按下式計算確定：式中：B=11.87mF=8.75m則則：（3）鋼支撐能提供的支護阻力和鋼支撐允許洞壁產生的位移的計算按受等距離分布集中荷載的薄壁圓筒原理來計算。1）計算支護阻力：查閱資料得知：χ=0.65cm選定鋼材為HRB335型鋼則:s=0.75m=75cmtB=2cm則：又查得：鋼材彈性模量ES=2.0×105MPa取墊塊彈性模量EB=2.8×104MPa鋼支撐翼緣寬度W=4.38cm則鋼支撐剛度：鋼支撐最大位移：由以上各式可得：4.校核：（1）初期支護提供的總支護阻力應大于或等于隧道的設計支護阻力Pi：滿足要求（2）初期支護允許洞壁產生的徑向位移應大于或等于圍巖達到設計塑性區(qū)時洞壁產生的塑性位移：滿足要求1.3圍巖壓力及襯砌計算1.3襯砌結構計算1.3.1計算參數(shù)圍巖的物理力學參數(shù)根據(jù)規(guī)范按圍巖取值，如表5-5，本鐵路隧道圍巖計算斷面為Ⅴ級，按平均值取值，水平壓力系數(shù)見表5-6所示取值。表5-5各級巖質圍巖的基本物理力學參數(shù)表5-6圍巖水平壓力圍巖級別ⅣⅤⅥ水平均布壓力(0.15～0.3)q(0.30～0.5)q(0.5～1.0)q1.3.2深淺埋判定（1）隧道深淺埋判定(1.1)式中：；；考慮預留變形量和超挖的影響，坑道寬度B按14m計算。本隧道Ⅳ級圍巖：Ⅴ級圍巖：本公路隧道Ⅳ級圍巖最大埋深必大于臨界深度，按深埋隧道考慮；進口段Ⅴ級圍巖埋深小于Hp，大于hq，按淺埋圍巖壓力計算；洞身段Ⅴ級圍巖埋深按大于Hp，按深埋圍巖壓力計算。1）斷面2：Ⅴ級圍巖深埋隧道圍巖壓力計算①解得：②2）斷面3：Ⅳ級圍巖深埋隧道圍巖壓力計算：①解得：②3）斷面1：Ⅴ級圍巖淺埋隧道（洞口段）圍巖壓力計算①垂直壓力產生最大推力時的破裂角側壓力系數(shù)則垂直壓力：②側向壓力按公式計算為內外側任意點到實際地面高度隧道圍巖的平均壓力為：1.3.3隧道襯砌安全系數(shù)確定一般來說，隧道襯砌的內力求出后，安全系數(shù)計算根據(jù)《公路隧道設計規(guī)范》（JTGD3370.1—2018）規(guī)定，按下式檢算。當由抗壓強度控制，即QUOTEe=MN≤0.2h時式中：K——混凝土結構強度安全系數(shù)；N——軸向力，kN；φ——構件的縱向彎曲系數(shù)，對于隧道襯砌，可取φ=1；α——軸向力的偏心影響系數(shù),按附注多項式計算得到；b——截面寬度，m（通常取1m）；h——截面厚度；e——計算截面的偏心距（m），e=My——計算截面重心至受壓邊緣的距離（m）；——混凝土抗壓極限強度，kPa。當由抗拉強度控制，即QUOTEe=MN≥0.2h時式中：——混凝土抗拉極限強度，kPa。1.4襯砌內力計算1.4.1斷面1：Ⅴ級圍巖淺埋1.建模取隧道二次襯砌中軸線，等分為80個單元，80個節(jié)點。2.定義材料（1）定義單元類型荷載-結構模型中的二次襯砌采用梁單元，本隧道設計計算采用Beam3單元類型，計算后可直接讀取彎矩與軸力。（2）設置單元實常數(shù)；；。（3）定義材料特性；；。（4）施加約束對于圍巖彈性反力進行模擬，施加徑向桿單元，選擇Link10單元，長度為1m，彈性模量，將桿單元外端采用固端約束。通過計算得出的襯砌內力，將垂直、水平的面荷載轉換為節(jié)點荷載并將荷載施加到模型中，如下表所示：表5-7Ⅴ級圍巖淺埋節(jié)點荷載序號fx（N）fy（N）113668.7358561.05222729.3755536.1934510.0853879.9046290.7851931.9058064.7149019.9069828.8644774.20711594.0140279.68813351.3938498.97915094.2134604.21017029.4429502.141118554.5324082.271225248.6719634.401340178.5917037.211454501.9811601.791561594.696104.161663529.9258561.051764206.4355536.191864789.6353879.901965450.59-2400.62064704.09-8330.0822163724.32-15507.872261251.55-21761.432361998.04-29731.432462417.95-37534.382558561.05-43270.812655536.19-48864.212753879.90-55909.972851931.90-62667.662949019.90-65956.483044774.20-72570.133140279.68-78799.693238498.97-80864.213334604.2-84969.233429502.14-89566.383524082.27-93227.303619634.40-95671.913717037.21-94704.673811601.79-98604.64396104.16-101977.484058561.05-100154.034155536.19-99732.924253879.90-99600.8943-11889.50-98928.7244-16461.79-96936.2245-20971.87-94831.7046-25380.86-92231.0547-29657.66-89158.2848-33764.39-85594.3949-36788.25-82748.6850-41446.08-77144.2851-45870.62-71117.7752-48242.30-67060.7653-51267.16-61491.3654-54019.87-55574.8955-56694.81-49512.3756-58669.92-42910.7257-60334.98-36081.0158-62071.80-29347.3359-63288.86-22301.5760-64171.32-15159.7861-64719.64-7934.9862-64921.82-2148.5363-64781.8558561.0564-64291.9655536.1965-63471.4853879.9066-61368.1951931.9067-53891.4549019.9068-39214.3644774.2069-24852.0940279.6870-18452.4438498.9771-16726.1734604.272-14992.1229502.1473-13250.3024082.2774-11500.7019634.4075-9731.5517037.2176-7962.6211601.7977-6632.926104.1678-4416.7658561.0579-2181.0555536.1980-864.1353879.90將荷載添加到每個單元：圖1.1節(jié)點荷載圖4.求解及計算結果分析（1）變形圖圖1.2變形圖（2）軸力圖圖1.3軸力圖(N)（3）剪力圖圖1.4剪力圖(N)（4）彎矩圖圖1.5彎矩圖(N?m)查詢計算的襯砌軸力，仰拱底部為軸力最大部位，其大小為1732kN，拱頂為軸力最小部位，其值為1184.6kN，軸力總體上可看做從拱底至拱頂逐漸減小的變化趨勢。分析襯砌彎矩，拱頂為正彎矩最大部位，其值為202kN?m，負彎矩最大部位為拱肩，為-310kN?m。（內側拉為正，壓為負）各節(jié)點軸力及彎矩見下表：挑選具有代表性的襯砌受力如拱底、拱頂?shù)冗M行分析及計算，得到以下結果：表5-8典型節(jié)點內力、安全系數(shù)表位置單元混凝土結構厚度（m）軸力（kN）彎矩（kN?m）安全系數(shù)拉壓控制是否安全拱頂40C300.5-1184.62021.69拉否拱肩30C300.5-1220-201.379.59壓是邊墻20C300.5-1521.211.458.55壓是拱腳10C300.5-1637134.457.97拉是拱底1C300.5-173254.727.51壓是由以上結果可知，隧道襯砌拱頂?shù)陌踩禂?shù)小于規(guī)范規(guī)定值，受拉控制，因此應進行配筋來保證安全系數(shù)，以保證結構安全。1.4.2斷面2：Ⅴ級圍巖深埋1.建模取隧道二次襯砌中軸線，等分為80個單元，80個節(jié)點。2.定義材料（1）定義單元類型荷載-結構模型中的二次襯砌采用梁單元，本隧道設計計算采用Beam3單元類型，計算后可直接讀取彎矩與軸力。（2）設置單元實常數(shù)；；。（3）定義材料特性；；。4.施加約束模擬圍巖彈性反力，施加徑向桿單元，選擇Link10單元，長度為1m，彈性模量，將桿單元外端采用固端約束。通過計算得出的襯砌內力，將垂直、水平的面荷載轉換為節(jié)點荷載并將荷載施加到模型中，見下表4-9所示：表5-9Ⅴ級圍巖深埋節(jié)點荷載序號fx(N)fy(N)136696.80-20034.98216619.51-21828.83326676.12-24592.62436732.72-27217.98546784.71-28621.2565832.09-30420.1076879.47-32054.4587922.23-33640.6798951.77-34812.631010104.66-35800.021111009.00-36834.561214981.65-37554.341323840.53-38079.341432339.52-38402.321536547.49-38522.281637696.38-38439.231738097.79-38148.551838444.84-37664.081938836.03-2306.882038394.09-8004.872137811.73-14902.442236344.47-20911.862336787.42-28570.702437036.57-36068.062534748.03-41581.512632954.18-46956.542731970.40-53727.232830816.90-60221.102929086.65-63381.523026567.41-69736.983123900.52-75724.333222844.91-77707.253320532.3-81652.013417501.51-86069.693514289.55-89587.683611650.35-91940.703710109.27-91006.41386884.08-94751.09393621.99-97996.26401361.13-96244.0341-1421.11-95839.3242-4267.95-95712.4543-7054.80-95066.5244-9767.83-93151.8145-12444.95-91134.2946-15060.09-88630.3247-17597.79-85677.5248-20034.98-82251.8049-21828.83-79518.1550-24592.62-74131.5851-27217.98-68341.3252-28621.25-64442.6953-30420.10-59090.7354-32054.45-53404.2755-33640.67-47579.456-34812.63-41231.4857-35800.02-34672.4058-36834.56-28201.6059-37554.34-21430.9160-38079.34-14567.9461-38402.32-7624.2362-38522.28-2064.6563-38439.23-20034.9864-38148.55-21828.8365-37664.08-24592.6266-36414.68-27217.9867-31979.63-28621.2568-23268.40-30420.1069-14746.34-32054.4570-10949.02-33640.6771-9924.71-34812.6372-8891.79-35800.0273-7862.25-36834.5674-6824.10-37554.3475-5776.72-38079.3476-4724.73-38402.3277-3931.74-38522.2878-2620.75-38439.2379-1296.53-38148.5580-512.15-37664.08將荷載添加到每個單元后計算得到：4.求解及計算結果分析（1）變形圖圖1.6變形圖（2）軸力圖圖1.7軸力圖(N)（3）剪力圖圖1.8剪力圖(N)（4）彎矩圖圖1.9彎矩圖(N?m)分析襯砌軸力，仰拱底部為軸力最大部位，其大小為1692.1kN，拱頂為軸力最小部位，其值為1024.1kN，軸力總體上可看做從拱底至拱頂逐漸減小的變化趨勢。分析襯砌彎矩，拱頂為正彎矩最大部位，其值為244.53kN?m，負彎矩最大部位為拱肩，為-290.35kN?m。（內側拉為正，壓為負）挑選具有代表性的襯砌受力如拱底、拱頂?shù)冗M行分析及計算，得到以下結果：表5-10典型節(jié)點內力、安全系數(shù)表位置單元混凝土結構厚度（m）軸力（kN）彎矩（kN?m）安全系數(shù)拉壓控制是否安全拱頂40C300.5-1024.10244.530.84拉否拱肩30C300.5-1271.20-168.291.95拉否邊墻20C300.5-1508.9040.967.75壓是拱腳10C300.5-1564.10-141.841.78拉是拱底1C300.5-1624.3024.697.20壓是由以上結果可知，明洞襯砌拱頂?shù)陌踩禂?shù)小于規(guī)范規(guī)定值，受拉控制，因此應進行配筋來保證安全系數(shù)，以保證結構安全。1.4.3斷面3Ⅳ級圍巖深埋1.4.3.1Ⅳ級圍巖深埋手算（結構力學方法）1.建模取隧道二次襯砌中軸線，等分為80個單元，80個節(jié)點。2.定義材料（1）定義單元類型荷載-結構模型中的二次襯砌采用梁單元，本隧道設計計算采用Beam3單元類型，計算后可直接讀取彎矩與軸力。（2）設置單元實常數(shù)單元截面面積：；截面慣性矩：；截面高度：。（3）定義材料特性C30混凝土彈性模量；泊松比；材料密度：。3.施加約束模擬圍巖彈性反力，施加徑向桿單元，選擇Link10單元，長度為1m，彈性模量，將桿單元外端采用固端約束。通過計算得出的襯砌內力，將垂直、水平的面荷載轉換為節(jié)點荷載并將荷載施加到模型中，如下表所示：表5-11Ⅳ級圍巖深埋節(jié)點荷載序號fx(N)fy(N)115509.59-50341.17245547.31-48962.44315539.15-47331.21413330.98-45438.73513321.55-43928.56616310.84-40952.84713900.13-37754.1821848.14-35600.36924473.61-32643.751024790.93-29502.361130440.71-26284.51241437.97-22779.9136584.82-19154.23148932.26-15579.541510094.52-11839.171610411.84-50341.171710522.72-48962.441810618.30-47331.211910726.62-1274.42010604.28-4422.162110443.70-8232.622210038.44-11552.432310160.79-15783.442410229.60-19921.24259597.50-22971.06269101.76-25940.41278830.31-29680.77288511.71-33268.21298033.81-35014.14307337.99-38521.11316601.39-41832.18326309.55-42928.16335671.08-45107.38344831.07-47547.86353946.81-49491.32363217.86-50791.21372792.21-50271.08381901.40-52341.98391000.40-54136.5140371.94-53167.9641-392.51-52944.9442-1178.82-52874.8543-1948.55-52518.0244-2697.90-51460.2745-3437.05-50341.1746-4159.64-48962.4447-4860.56-47331.2148-5533.44-45438.7349-6029.18-43928.5650-6792.55-40952.8451-7517.68-37754.152-7906.37-35600.3653-8402.11-32643.7554-8853.25-29502.3655-9291.65-26284.556-9611.34-22779.957-9888.06-19154.2358-10173.53-15579.5459-10372.34-11839.1760-10517.62-8047.8361-10606.83-4211.8962-10639.96-1140.5863-10617.02-50341.1764-10536.73-48962.4465-10402.92-47331.2166-10057.56-45438.7367-8832.86-43928.5668-6426.79-40952.8469-4072.98-37754.170-3024.15-35600.3671-2741.23-32643.7572-2457.04-29502.3673-2171.57-26284.574-1884.83-22779.975-1591.54-19154.2376-1304.98-15579.5477-1087.06-11839.1778-723.85-50341.1779-358.10-48962.4480-141.45-47331.21將荷載添加到每個單元。4.求解及計算結果分析（1）變形圖圖1.10變形圖（2）軸力圖圖1.11軸力圖(N)（3）剪力圖圖1.12剪力圖(N)（4）彎矩圖圖1.13彎矩圖(N?m)分析襯砌軸力，仰拱底部為軸力最大部位，其大小為567.54kN，拱頂為軸力最小部位，其值為960.45kN，軸力總體上可看做從拱底至拱頂逐漸減小的變化趨