1.1 工程概况
川藏公路二郎山隧道位于省天全县与甘孜泸定县交界的二郎山地段, 东距约 260km , 西至约 97 km , 这里山势险峻雄伟, 地质条件复杂, 气候环境恶劣, 自然灾害频繁, 原有公路坡陡弯急, 交通事故不断, 使其成为千里川藏线上的第一个咽喉险道, 严重影响了川藏线的运输能力, 制约了川藏少数民族地区的经济开展。
二郎山隧道工程自天全县龙胆溪川藏公路K2734+ 560 (K256+ 560)处回头, 沿龙胆溪两侧缓坡展线进洞, 穿越二郎山北支山脉——干海子山, 于泸定县别托村和平沟左岸出洞, 跨和平沟经别托村展线至K2768+ 600 (K265+ 216) 与原川藏公路相接, 总长 8166km , 其中二郎山隧道长4176 m , 别托隧道长104 m ,改建后可缩短运营里程2514 km , 使该路段公路到达三级公路标准, 满足了川藏线二郎山段的全天候行车。
1.2 工程地质条件
地形地貌
二郎山段山高坡陡,地形险要,在地貌上位于盆地向青藏高原过渡的盆地边缘山区分水岭地带,隶属于龙门山深切割高中地区。隧道中部地势较高。隧址区地形地貌与地层岩性及构造条件密切相关。由于区地层为软硬相间的层状地层,构造为西倾的单斜构造,故地形呈现东陡西缓的单面山特征。隧道轴线穿越部位,山体浑厚,东西两侧发育的沟谷多受构造裂隙展布方向的控制。主沟龙胆溪、和平沟与支沟构成羽状或树枝状,横断面呈对称状和非对称状的 " v 〞型沟谷,纵坡顺直比降大,局部受岩性构造影响,形成陡崖跌水。
水文气象
二郎山位于盆地亚热带季风湿润气候区与青藏高原大陆性干冷气候区的交接地带。由于山系屏障,二郎西两侧气候有显著差异。东坡潮湿多雨,西坡枯燥多风,故有 "康风雅雨〞之称。全年分早季和雨季。夏、秋两季受东进的太平洋季风和南来的印度洋季风的控制,降雨量特别集中；冬春季节,则受青藏高原寒冷气候影响,多风少雨,气候严寒。
据沪定、天全两县21年〔1960-1980年〕气候资料,多年平均气温分别为16.6℃和15.1℃,沪定略高于天全，多年平均降雨量分别为636.8 mm和
1730.0mm，多年平均蒸发量分别为1578.6和924.2mm，每年8级以上大风日数分别为14天和3天,沪定相对大风更多、更强烈。据调查访问,二郎坡季节冰冻线约在海拔2200m以上,积雪线海拔1900m左右,积雪时限11月上旬至次年4月,西坡季节冰冻线约为海拔2600m-2800m季节积雪线海拔2300m-2500m左右。
二郎西两侧分别属于青衣江和眠江支流一大渡河两大水系。东坡龙胆溪为青衣江支流天全河发源地,西坡沟,属大渡河支流。本区溪沟均受大气降水〔雨、雪〕和地下水的补给,其中主要为大气降水补给。因而,亦具有一般山区沟河 "易涨易落〞之特点。
地质状况
隧道穿越地层以志留系、泥盆系浅海—滨海相碳酸盐和碎屑岩为主,出口端上覆地层为崩坡积层, 黄灰、黑灰色块石土或块石、碎石土, 由山前滑坡、崩塌等坡积、崩积物及少量坡面洪流形成的洪积物组成, 主要成份为岩屑砂砾、角砾、亚粘土等。
由于区岩层软硬相间, 故地形呈东陡西缓的单面山特征, 东坡为逆向坡, 西坡为顺向坡。二郎山断裂带从隧址区西北侧通过, 距隧道出口约350~400m , 该断裂是龙门山断裂带的南西延长局部,为区控制性主干断裂, 在其影响下区沿其旁侧发育一系列次级分支羽状断裂, 在隧道轴线上共穿越断层11条, 多属压性—压扭性质, 断层带不宽, 影响带较小, 胶结较好。隧址区地震根本烈度为8 度。
1.3 隧址区初始应力条件
通过采用水压致裂法在7 个钻孔中的地应力测量, 得出隧道最大水平主应力(σma* )的总体方向为N 74°W , 与隧道轴线夹角 31°左右, 隧址区地应力场具有以下分布特征:
(1)大约位于标高2200 m 处, 为山体应力与构造应力的分界限, 分界限以上垂直应力(Rv )占主导地位; 分界限以下水平主应力值明显增加并占主导地位, 隧道顶板正好位于分界限偏下。
(2)水平地应力(σHma*、σhmin )在垂直方向上的分布随深度增加而增大, 在横向上由隧道两端向山体部逐渐增加, 即隧道中部地应力最大, σHma*
=54.37M Pa。
(3)在同一深度硬质岩类显示高应力值, 软岩类显示低应力值。
二郎山隧道(主洞)长4176 m , 以II、III类围岩为主,长3004 m,占71.93%; IV类围岩长821 m , 占19.66%; V类围岩长351 m,占8.41%。
2 隧道设计
2.1 设计标准
设计行车速度: 40 km/ h (三级公路) ;
隧道建筑限界: 隧道净宽 9.0 m (7.5 m + 2×0.75 m) , 限高5 m
设计荷载: 汽车—20 级, 挂车—100;
设计小时交通量: 441辆/h;
行车方式: 单洞双向行驶;
卫生标准: 正常运营CO允许浓度为150×10- 6, 阻塞及救灾短时间(15 min)为250×10- 6;
烟雾允许浓度0.009 m - 1。
2.2 平面线形、纵断面设计
平面线形
隧道的平面线形应根据地质、地形、路线走向、通风等因素确定隧道的平曲线线形。直线便于施工；曲线段施工难度较大，除测量上难度加大以外，例如模板台车载曲线段施工很困难，有超高时就更困难。
结合隧址区地形、地貌及工程地质与水文地质条件、地应力大小与方向、经济性, 确定出了隧道轴线位置, 同时还兼顾了两端接线的衔接，隧道平面线形确定为直线型。隧道设计里程 K259+ 036～ K263+ 212, 长 4 176 m，进口标高2 180.31 m , 出口标高 2182.01 m。
纵断面设计
隧道纵断面线形应考虑行车平安性、营运通风规模、施工作业效率和排水要求，隧道纵坡不应小于0.3%，一般情况不应大于3%；受地形等跳警限制时，高速公路、一级公路的中、短隧道可适当加大，但不宜大于4%；短于100m的隧道纵坡可与该公路隧道外路线的指标一样。隧道的纵坡形式，一般采用单向坡；当地下水发育的长隧道、特长隧道可采用双向坡。纵坡变更的凸形竖曲线和凹形竖曲线
的最小半径和最小长度应符合规规定〔"公路隧道设计规"JTGD70-2004，表〕。
二郎山隧道属特长隧道，因此纵坡形式采用"人〞字坡式，进口侧上坡, 坡度0.5% (长2000 m ) , 出口侧下坡, 坡度0.41% (长2176 m )。
2.3 横断面设计
建筑限界
隧道横断面设计主要是对隧道净空的设计。隧道净空是指隧道衬砌的轮廓线所包围的空间。隧道净空是根据"建筑限界〞确定的。"限界〞是一种规定的轮廓线，这种轮廓线以的空间是保证车辆平安运行所必需的，是建筑物不得侵入的一种限界。公路隧道建筑限界包括车道、路肩、路缘带、人行道等的宽度及车道、人行道的净高。以下图为公路隧道建筑限界横断面组成宽度。
根据 "公路工程技术标准", 隧道建筑限界采用净宽9.0 m , 限高4.5m。隧道轮廓经过比选确定采用单心圆断面, 隧道总高度6.1m。
紧急停车带
长、特长隧道应在行车方向的右侧设置紧急停车带。双向行车隧道，其紧急停车带应双侧交织设置。紧急停车带的宽度，包含右侧向宽度应取 3.5m，长度应取40m，其中有效长度不得小于30m。紧急停车带的设置间距不宜大于750m。停车带的路面横坡，长隧道可取水平，特长隧道可取0.5%~1.0%或水平。
二郎山隧道应设紧急停车带，双向交织布置，紧急停车带间距700m，有效长度30m，横向坡度取1%。紧急停车带的建筑限界、宽度和长度见图2-3.2。
图2-3.1 建筑界〔单位：cm〕
a〕宽度构成及建筑限界〔单位：cm〕
b〕长度〔单位：cm〕
图2-3.2 紧急停车带的建筑限界、宽度和长度
轮廓设计
隧道轮廓设计除符合隧道建造限界的规定外，还应满足洞路面、排水设施、装饰的需要，并为通风、照明、消防、监控、营运管理等设施提供安装控件，同时考虑围岩变形、施工方法影响的预留富裕量，使确定的断面形式及尺寸符合平安、经济、合理的原则。
二郎山隧道轮廓采用单心圆方案，半径R1=4.8m，R2=1m，R3=9.6m，θ1=108°，
θ2=67°，θ3=12°，IV、V级围岩设置仰拱，轮廓线如图2-3.3。
a〕一般轮廓线
b) 含紧急停车带轮廓线
图2-3.3 轮廓线〔单位：m〕
3 洞门设计
"公路隧道设计规"〔JTGD70-2004〕对洞门有如下规定：
1．洞口位置应根据地形、地质条件，同时结合环境保护、洞外有关工程及施工条件、营运要求，通过经济、技术比拟确定；
2．隧道应遵循"早进洞、晚出洞〞的原则，不得大挖大刷，确保边坡及仰坡的稳定；
3．洞口边坡、仰坡顶面及其周围，应根据情况设置排水沟，并和路基排水系统综合考虑布置。
3.1 洞门位置选择
"公路隧道设计规"〔JTGD70-2004〕规定洞口位置确实定应符合以下要求：1．洞口的边坡及仰坡必须保证稳定。有条件时，应贴壁进洞；条件限制时，边坡及仰坡的设计开挖最大高度可按表2-4.1控制。
表2-4.1 洞口边、仰坡控制高度
注：设计开挖高度系从路基边缘算起
2．洞口位置应设于山坡稳定、地质条件好处。
3．位于悬崖陡壁下的洞口，不宜切削原山坡；应防止在不稳定的悬崖陡壁下进洞。
4．跨沟或沿沟进洞时，应考虑水文情况，结合防排水工程，充分比选确定。
5．漫坡地段的洞口位置，应结合洞外路堑地质、弃渣、排水及施工等因素综合分析确定。
6．洞口设计应考虑与附近的地面建筑及地下埋设物的相互影响，必要时采取防措施。
7．洞口边坡、仰坡应根据实际情况加固防护措施，有条件时应优先采用绿化护坡。
8．当洞口处有塌方、落石、泥石流等时，应采取清刷、延伸洞口、设置明洞或支挡构造物等措施。
3.2 洞门形式选择标准
洞门形式的选择应适应地形、地质的需要，同时考虑施工方法和施工需要。一般地形等高线与线路中线斜交角度在45。～65。之间，地面横坡较陡，地质条件好，无落石掉块现象时，可选择斜交洞门；当斜交角度大于65。时，地面横坡较陡，或一侧地形凸出，可考虑用台阶洞门；当斜交角度小于45。时，地面横坡较陡，边仰坡刷方较高，有落石掉块掉块威胁运营平安时，考虑接长明洞。
3.3 洞门确定
二郎山隧道穿越地层以志留系、泥盆系浅海—滨海相碳酸盐和碎屑岩为主,出口端上覆地层为崩坡积层, 黄灰、黑灰色块石土或块石、碎石土, 由山前滑坡、崩塌等坡积、崩积物及少量坡面洪流形成的洪积物组成, 主要成份为岩屑砂砾、角砾、亚粘土等。
因此洞门采用翼墙式洞门。
4隧道构造设计与计算
4.1 初期支护
二郎山隧道采用复合式衬砌支护，初期支护采用喷锚支护，由喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架等支护形式组合使用，根据不同围岩级别区别组合。锚杆支护采用全长粘结锚杆。由工程类比法，结合"公路隧道设计规"〔JTG D70-2004〕，初期支护喷射混凝土材料采用C20级混凝土，支护参数取值如表2-5.1。
表4-1.1初期支护参数
4.2 二次衬砌
二次衬砌采用现浇模筑钢筋混凝土，混凝土采用C25级，钢筋采用HRB335级刚，利用荷载构造法进展衬砌力计算和验算。二次衬砌厚度设置如表2-5.2。表4-1.2二次衬砌混凝土厚度〔单位：cm〕
4.3 Ⅳ围岩衬砌力计算
"规"〔JTGD70-2004〕规定：I-V级围岩中，复合式衬砌的初期支护应主要按工程类比法设计。其中IV、V级围岩的支护参数应通过设计确定，计算方法为
地层构造法。所以取IV 级围岩为计算对象。
拟定衬砌尺寸
图2-5.1 IV 围岩衬砌拟定图
轮廓线半径8.41=r 外轮廓线半径3.51=R m ， C25级防腐钢筋混凝土拱墙35cm ，预留变形量5cm ，C20喷射混凝土防腐混凝土厚14cm,
拱顶截面厚0.5m ，墙底截面厚0.5m 。
衬砌材料参数
围岩为IV 级，根据"公路隧道设计规"表-1取值得：围岩重度3
kN/m 21=γ，围
岩的弹性抗力系数m /MPa 350=K ，
K
K 5.21a =。
衬砌材料采用钢筋混凝土，根据"公路隧道设计规"表，表5.2.2，表5.2.4取值
得：重度3
h m /kN 25=γ，弹性模量.5G Pa 29c =E ，轴线抗压强度标准值
MPa
17ck =f ，轴心抗拉强度标准值
.0MPa
2ctk =f 。
轮廓半径m 80.41=γ，m 00.12=γ
径所画圆曲线的终点截面与竖直轴的夹角 0706.1091=ϕ 6036.1172=ϕ 外轮廓半径m R 30.51=，m R 50.12= 拱轴线半径m 05.501=γ，m 25.102=γ
拱轴线各段圆弧中心角： 0706.1091=θ， 00.452=θ
荷载确定
1〕围岩竖向均布压力：
ω1s 245.0q -⨯=〔4.2〕
式中:s---围岩类别,此处s=4;
γ---围岩容重,此处γ=21KN/m 3
ω---跨度影响系数, ω=1+i(lm-5),毛洞跨度L m =10.60+2×0.05=10.70m ，其中0.05m
为一侧平均超挖量. L m =5～15m
时,i=0.1,此处
ω=1+0.1×(10.70-5)=1.570。
所以，有q=0.45×24-1×21×1.570＝118.6920kpa 此处超挖回填层重忽略不计。 2〕围岩水平均布压力：
e ＝0.25q ＝0.25×118.6920＝29.6730kpa
半拱轴线长度S 及分段轴心线长△S
.1.计算半拱轴线长度S 级分块轴线长度△S 。〔单位m 〕
分段长度：323721.18
==
∆s
s m .2.各分块接缝〔截面〕中心几何要素
1.与竖直夹角
校核： 角度闭合差0=∆，因墙底面水平，计算衬砌力时用
908=ϕ
2. 接缝中心点坐标计算
表2-3 各截面中心几何要素
图2-5 衬砌构造计算图示
计算位移
.1.单位位移
用用辛普生法近似计算，按计算列表进展。单位位移的计算见表2-4。
单位位移值计算如下：
校核：
()
6
6 22
12
11
10
5403
.
898
10
9660
.
622
4025
.
118
2
7693
.
38
-
-
⨯
=
⨯
+
⨯
+
=
+
+δ
δ
δ
闭合差△≈0计算结果正确。
.2. 载位移——主动荷载在根本构造中引起的位移
A.每一楔块上的作用力
竖向力：
式中 b i——衬砌外缘相邻两截面之间的水平投影长度，由图2.5量得：水平压力：
式中：h i ——衬砌外缘相邻两截面之间的竖直投影长度，由图2-5量得：
自重力：
式中：d i ——接缝i 的衬砌截面厚度。 注：计算G 8时，应使第8个楔块的面积乘γh 。
作用在各楔块上的力均列人表2-5，各集中力均通过相应图形的形心。
表2-5 单元集中作用力
B ．外荷载在根本构造中产生的力
楔块上备集中力对下一接缝的力臂由图2-5中量得，分别记为e g q a a a ,,。力按下式计算(见图2-6)
图2-6 单元主动荷载
弯矩：w e q
1
1
p 1-i 0ip )(a W a E a
Q E y W Q x M M i i i
i i
i i ---∆-+∆-=∑∑--）（ 〔m kN ⋅〕
轴力：∑∑-+=i
i
i
i E W Q N cos )(sin 0
p ϕ
式中：i x ∆、i y ∆—相邻两截面中心点的坐标增量，按下式计算：
表2-6 0
p i M 计算过程表〔一〕
M计算过程表〔二〕表2-7 0
p i
N计算过程表表2-8 0
p i
根本构造中，主动荷载产生弯矩的校核为： 另一方面．从附表5.2中得到08p M ＝—1934.9969 闭合差：%22.0%1009969
.1934321
.19399969.1934=⨯-=
∆
C.主动荷载位移 计算过程见表2-9。
经校核-621106-266866.00⨯=∆+∆p p ,闭合差0≈∆
表2-9 p 1∆、p 2∆计算过程
.3载位移——单位弹性抗力及相应的摩擦力引起的位移
A.各接缝处的抗力强度
抗力上零点假定在接缝3，α3=45.0785°=αb ； 最大抗力值假定在接缝5，α5=75.1308°=αh ； 最大抗力值以上—各截面抗力强度按下式计算： 查表2-3，算得：
3σ=0 4σ=0.5781h σ5σ=h σ
最大抗力值以上各截面抗力强度按下式计算： 式中：'i y ——所考察截面外缘点到h 点的垂直距离；
'h
y ——墙脚外缘点到h 点的垂直距离。 由图2-5中量得：
'6
y =1.3104m ，'7y =2.684m ， '8y =3.673m 则：
按比例将所求得的抗力绘于图2-5上 B.各楔块上抗力集中力R i ’ 按下式近似计算：
式中：外i S ∆——楔块i 缘长度，可通过量取夹角，用弧长公式求得，'i R 的方向
垂直于衬砌外缘，并通过楔块上抗力图形的形心。
C.抗力集中力与摩接力的合力R i 按下式计算：
2'1μ+=i i R R 〔5.62〕
式中：μ——一围岩与衬砌间的摩擦系数，此处取μ＝0.2。 则：
'2'0198.12.01i i i R R R =+=〔5.63〕
其作用方向与抗力集中力'i R 的夹角β=arctan β=11.3099°。由于摩擦阻力的方向与衬砌位移的方向相反，其方向向上。画图时，也可取切向：径向＝1：5的比例求出合力'i R 的方向。'i R 的作用点即为'i R 与衬砌外缘的交点。
将'i R 的方向线延长，使之交于竖直轴，量取夹角ψK ，将'i R 分解为水平与竖直两个分力：
k
i V k i H R R R R ψψcos sin ==〔5.64〕
以上计算列入表2-10。
表2-10 弹性抗力及摩擦力计算
D.计算单位抗力及其相应的摩接力在根本构造中产生的力 弯矩：ji j i r R M ∑-=-
0σ
轴力：∑∑-=-H i V i i R R N αασcos sin 0
式中：r ji ——力R j 至接缝中心点A j 的力臂，由图2-5量得。 计算见表2-11及表2-12。
-
Nσ0
. z.
E. 单位抗力及相应摩擦力产生的载位移 计算见表2-13。
6
70
011107704.119-2669.16381095.2323721.1-⨯=⨯⨯-=∆≈=∆∑⎰
I M E s ds I E M M h s
h σσσ6
7
022106673.777- 8308.733011095.2323721.1-⨯=⨯⨯-=∆≈=∆∑⎰
I M y E s ds I E M M h s
h σσσ6
6611104377.897106673.777107704.119----⨯-=⨯-⨯=∆+∆σσ67
1043772.897-19999.994610
95.2323721
.1)1(-⨯=⨯⨯-=+∆=∆∑I M y E s h s σσ
闭合差
0=∆。
.4 墙底〔弹性地基上的刚性梁〕位移计算
单位弯矩作用下墙底截面产生的转角 主动荷载作用下墙底截面产生的转角 单位抗力及相应摩擦力作用下的转角
解力法方程
衬砌矢高，m y f 4271.78== 计算力法方程的系数为：
66122112101772.1422105429.1754271.74025.118--⨯=⨯⨯+=+==）（a f a a βδ6
6222222102309.10306105429.1754271.79660.622--⨯=⨯⨯+=+=）（a f a βδ
6
66010
110103143.23933439.38653710)5439.22737704.1197(108899.3396744540.46862)(---⨯+-=⨯+-⨯+-=⨯+∆++∆=）（）（h h h
a ap p a σσσββσσ6
66020220105052.17663927.274280210)5439.22734271.76673.777(108899.3396744271.7552.220003)(---⨯+-=⨯⨯+-⨯⨯+-=⨯+∆++∆=）（）（h h h
a ap p f f a σσσββσσ以上将单位抗力及相应摩擦力产生的位移乘以h σ，即为被动荷载的载位移 解得：
()()
h
h h a a a a a a a X σσσ4419.27992.4452309
.103063122.2141772.14225052.17663927.27428021772.14223143.23933439.3865372309.10306222
1121220
1210221-=⨯---⨯---⨯=
--=
式中：4419.2,7992.44511-==-σX X P
其中：0508.2,6138.20422==-σX X P
计算主动荷载和被动荷载(σh=1)分别产生的衬砌力
计算公式为：⎪⎩
⎪⎨⎧+=++=o
ip 2p ip 0
ip
2p 1p ip cos N X N M X y X M i i ϕ⎪⎩⎪⎨⎧+=++=o
i 2i 0
21i cos σ
σσσ
σσσαN X N M X y X M i i 计算过程见表2-13和表2-14。
-
主、被动荷载作用下衬砌弯矩计算表表2-13
主、被动荷载作用下衬砌轴力计算表表2-14
. z.
-
4.3.8最大抗力值的求解
首先求出最大抗力方向的位移。考虑到接缝5的径向位移与水平方向有一定的偏离，因
此修正后有：⎪⎪⎩
⎪⎪⎨⎧-∆==-∆=
=∑∑555h 555hp sin )(sin )(αδδαδδσ
σσi h i p h
p y y I M E s y y I M E s
计算过程列入表2-15，位移值为： 最大抗力值为：1367.16610
0306.641035025.11105754.110171
6
3
6
=⨯+⨯⨯⨯=-=
--σδδσh hp
h K
计算衬砌总力
按下式计算衬砌总力：⎪⎩
⎪⎨⎧+=+=σσ
σσN N N M M M h p h p
计算过程列入表2-16和表2-17
衬砌力计算表2-16
第一章绪论 1. 隧道:构筑在离地面一定深度的岩层或土层中用作通到底建筑物 2. 隧道分类:按周围介质分：岩石隧道和土层隧道;按用途不同分：交通隧道和市政工程隧道 3. 公路隧道：穿越公路路线障碍物的交通隧道 4. 公路隧道的主要特点:(1)断面形状复杂：宽而扁，高：宽<=1.; 常有特殊构造：岔洞，紧急停车带回车区，以及双连拱隧道，小间距隧道，双层隧道;(2) 荷载形式单一：主要是围岩压力，方向不会改变;(3)附属设施多：通风,照明,交通信号,消防,监控设施 5. 断面几何形状:考虑功能和经济的两方面:马蹄形,圆形(盾构开挖),拱形(山岭隧道),双连拱 (浅埋土层,地形受限),矩形(沉管法,城市隧道) 6.. 衬砌的结构类型分为四类:整体式砼衬砌;装配式衬砌;锚喷支护衬砌;复合式衬砌 7.. 整体式砼衬砌又可分为:半衬砌;厚拱薄墙衬砌;直墙拱形衬砌;曲墙拱形衬砌 (1)半衬砌:适用于岩石较坚硬并且整体稳定或基本稳定的围岩; 对于侧压力很大的较软岩层 或土层,为避免直墙承受较大压力,采用落地拱(2)厚拱薄衬砌:适用于水平压力很小的情况,拱脚较厚,边墙较薄(3) 直墙拱形衬砌:铁路隧道常用,竖向压力较大,水平侧压力不大(4)曲墙拱形衬砌:地质条件差,岩石破碎松散和易于坍塌地段 8. 装配式衬砌:用于盾构法施工,深埋法施工,TBM 法施工 9. 锚喷支护衬砌:喷混凝土和加锚杆两方法的统称。常用方法：喷混凝土，钢筋网喷混凝土，锚杆喷混凝土，钢筋网锚杆混凝土，钢纤维喷混凝土;特点：有很强时效性，新奥法和挪威 法 10. 复合式衬砌：主要应用于含水量较多的地段，外层为锚喷支护，中间有一层防水层，内层多为整体式衬砌，新奥法多采用 11. 初始地应力场由两种力系组成:自重应力分量;构造应力分量 影响因素：一类是和地壳的运动，地下水的变化以及人类活动等因素有关 12. 构造应力场：区域性明显，测试方法：解析反演法，原位测试法(1)地质的构造过程不公 改变了地质的重力应力场，而且还有一总分残余在岩体内(2) 构造应力场在一定深度内普遍存在且多为水平分量(3)构造应力具有明显的区域性和时间性 13. 作用在隧道结构上的荷载分为三类:主要荷载(就是长期作用的荷载,包括地层压力,围岩弹 性抗力,结构自重力,回填岩土重力，地下静水压力及使用荷载); 附加荷载(指非经常作用的 荷载，包括施工荷载，灌浆压力，局部落石以及有温度变化或砼收缩引起的温度应力和收缩用力) ;特殊荷载(一些偶然发生的荷载，如炮弹冲击力和爆炸时产生激波压力，地震力，车祸时冲撞力) 14. 形变压力: 由岩体变形所产生的挤压力; 15. 松散压力: 岩体坠落、滑移、坍塌所产生的重力 16. 围岩压力：形变压力和松散压力统称为围岩压力 17. 影响围岩压力的因素：a岩土的重力b岩体的结构c.地下水的分布d.隧道洞室的形状和尺寸e. 初始地应力 18•确定围岩压力的方法：a•现场量测b•理论估算c工程类比法 19•常用的围岩分类方法：a岩石坚固系数分类法b•太沙基理论c•铁路围岩分类法d•人工岩石洞室围岩分类法e.水工隧道围岩分类法 20. 隧道结构计算的任务：就是采用数学力学的方法，计算分析在隧道修筑的整个过程中 (包 括竣工，运营)a.隧道围岩及衬砌的强度 b.刚度和稳定性，为隧道的设计及施工提供具体设计参数
1.1工程概况 川藏公路二郎山隧道位于四川省雅安天全县与甘孜泸定县交界的二郎山地段, 东距成都约260km , 西至康定约97 km , 这里山势险峻雄伟, 地质条件复杂, 气候环境恶劣, 自然灾害频繁, 原有公路坡陡弯急, 交通事故不断, 使其成为千里川藏线上的第一个咽喉险道, 严重影响了川藏线的运输能力, 制约了川藏少数民族地区的经济发展。 二郎山隧道工程自天全县龙胆溪川藏公路K2734+ 560 (K256+ 560)处回头, 沿龙胆溪两侧缓坡展线进洞, 穿越二郎山北支山脉——干海子山, 于泸定县别托村和平沟左岸出洞, 跨和平沟经别托村展线至K2768+ 600 (K265+ 216) 与原川藏公路相接, 总长8166km , 其中二郎山隧道长4176 m , 别托隧道长104 m ,改建后可缩短运营里程2514 km , 使该路段公路达到三级公路标准, 满足了川藏线二郎山段的全天候行车。 1.2工程地质条件 1.2.1 地形地貌 二郎山段山高坡陡,地形险要,在地貌上位于四川盆地向青藏高原过渡的盆地边缘山区分水岭地带,隶属于龙门山深切割高中地区。隧道中部地势较高。隧址区地形地貌与地层岩性及构造条件密切相关。由于区内地层为软硬相间的层状地层,构造为西倾的单斜构造,故地形呈现东陡西缓的单面山特征。隧道轴线穿越部位,山体浑厚,东西两侧发育的沟谷多受构造裂隙展布方向的控制。主沟龙胆溪、和平沟与支沟构成羽状或树枝状,横断面呈对称状和非对称状的“v ”型沟谷,纵坡顺直比降大,局部受岩性构造影响,形成陡崖跌水。 1.2.2 水文气象 二郎山位于四川盆地亚热带季风湿润气候区与青藏高原大陆性干冷气候区的交接地带。由于山系屏障,二郎山东西两侧气候有显著差异。东坡潮湿多雨,西坡干燥多风,故有“康风雅雨”之称。全年分早季和雨季。夏、秋两季受东进的太平洋季风和南来的印度洋季风的控制,降雨量特别集中；冬春季节,则受青藏高原寒冷气候影响,多风少雨,气候严寒。 据沪定、天全两县21年（1960-1980年）气候资料,多年平均气温分别为16.6℃和15.1℃,沪定略高于天全，多年平均降雨量分别为636.8 mm和1730.0mm，多
地下结构课程设计 姓名：*** 班级：地下122 学号:*********
二次衬砌内力计算 1.1基本资料 γ,围岩的弹性结构断面图如图1所示。围岩级别为V级，容重3 = kN 18m / 抗力系62 0.1510/ =⨯，衬砌材料为C45混凝土，弹性模量为 K kN m .3⨯ =容重3 35 E7 10 Kpa γ KN = / 25m 图1.1 结构断面图 2.计算作用在衬砌结构上的主动荷载 2.1隧道深浅埋的确定
坍落拱高度按下式计算：[])5(1245.01-+⨯⨯=-t s q B i h Ⅴ级围岩，s=5；B>5，i=0.1 []m h q 299.14)586.14(1.01245.04=-⨯+⨯⨯= 浅埋隧道分界深度：m h H q P 748.355.2=⨯= 因为m H m H m h p q 748.3534299.14=<=<=，所以是浅埋隧道 2.2竖直和水平荷载 垂直力：取00246.0,40,86.14,34=====g g t m B m H φθφ 744.2445 .0839.0839 .0)1704.0(839.0tan tan tan )1(tan tan tan 2=-⨯++ =-++ =θ φφφφβg g g g [ ] 283.0tan tan )tan (tan tan 1tan tan tan =+-+-= θ φθφββφβλg g g m kN B H H q t /567.435)445.0283.086 .14341(3418)tan 1(=⨯⨯-⨯⨯=⨯⨯- ⨯=θλγ水平力： m kN H e /196.173283.034181=⨯⨯==λγ()m kN h e /094.238283.03474.12182=⨯+⨯==λγ ()()m kN e e e /645.205094.238196.1732 1 2121=+⨯=+⨯= 3.半拱轴线长度 3.1衬砌的几何尺寸 内轮廓线半径：m r m r 5.265.621 ==，
附件1： 课程设计 题目 学院 专业 班级 姓名 指导教师 年月日
《隧道工程》课程设计任务书 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 某公路隧道隧道结构设计与计算 初始条件： 某高速公路隧道通过II 类围岩(即V 级围岩)，埋深H=50m ，隧道围岩天然容重γ=20 KN/m 3，计算摩擦角ф=25o , 变形模量E=1.5GPa ，采用矿山法施工。 隧道洞身设计资料：衬砌材料采用C25喷射混凝土，材料容重3 m /h 22KN =γ，变形模 量 GPa E h 25= 要求完成的主要任务: 计算书部分： 1. 确定公路建筑界限 ； 2.根据公路等级及围岩类别用工程类比法确定支护方法及衬砌 材料； 2. 拟定隧道结构的界面尺寸（包括轮廓线半径及厚度）； 4. 隧道围岩压力计算（包括竖向力及水平力）； 5. 隧道结构内力计算、并画出弯矩图和轴力图。 图纸部分： 1. 插图：隧道内轮廓限界图；结构抗力图；内利图（弯矩图和轴力图）。 2. 图纸（A3图纸）：衬砌结构图（比例1：100）；隧道开挖方案（比例1：100） 时间安排： 指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日
1 设计目的 通过课程设计，使学生掌握公路隧道支护结构的基本计算方法， 熟悉矿山法在公路隧道施工中的工艺，掌握公路隧道施工设计的基本方法。 2 设计计算书 隧道洞身设计 隧道建筑界限及内轮廓图的确定 行车道 7.5m 路缘带宽度 0.5m （每侧） 采用新奥法施工，衬砌厚度为0·5m 余宽 0.5m(每侧） 检修道宽度 0.75m 内轮廓半径为m m r r .5.5,00.721 == 内径 r 1 和 r 2 所画圆曲线的终点截面与竖直轴的夹角为 ︒=︒=45.11240.81α α2 1 ， 外轮廓线半径为 m m r 0.6,5.721 r == 采用等截面拱圈衬砌。设计行车速度100KM/h 3拱形曲墙式衬砌结构计算 基本资料： 公路等级 山岭重丘高速公路 围岩级别 Ⅴ级 围岩容重 γS =20KN/m 3 弹性抗力系数 K=0.18×106 KN/m 变形模量 E=1.5GPa 衬砌材料 C25喷射混凝土 材料容重 γh =22 KN/m 3 变形模量 E h =25GPa 二衬厚度 d=0.50m
隧道结构力学计算第二版课程设计 一、设计背景 隧道建设是现代城市发展的重要组成部分，其安全性和稳定性对人们生活和财产安全有着重要的影响。在现代隧道工程中，使用计算机辅助设计和分析，已经成为不可或缺的工具。掌握隧道结构力学计算方法，是隧道工程师必备的基本技能之一。 二、设计目标 本课程设计主要目标是帮助学生掌握隧道结构力学计算的基本方法和技巧，了解隧道结构的受力机理和破坏机理，能够独立完成隧道结构的分析和设计计算。 三、设计内容 1. 隧道结构受力分析 1.1 隧道结构基本概念 1.2 隧道结构荷载分析 1.3 隧道结构受力计算方法 2. 隧道结构设计计算 2.1 隧道结构设计的基本原则 2.2 隧道结构设计计算的基本步骤 2.3 隧道结构设计中的重要问题 3. 隧道结构施工过程中的力学计算 3.1 隧道结构施工中的力学问题
3.2 隧道结构施工过程中的力学计算方法 3.3 隧道结构施工中需要注意的问题 四、设计实施 4.1 设计工具的选择 本课程设计将使用MATLAB和ANSYS两种工具进行隧道结构力学计算和分析。对于MATLAB，我们将使用其编程和计算功能进行力学计算；对于ANSYS，我们将使用其有限元分析功能进行结构分析。 4.2 设计步骤 本课程设计将按照以下步骤进行： 步骤一：选择隧道结构模型 根据课程要求，选择一个隧道结构模型进行力学分析和计算。 步骤二：进行荷载分析 根据隧道结构的实际情况，进行荷载分析，确定模型的受力情况。 步骤三：进行力学计算 利用MATLAB编程和ANSYS有限元分析功能，进行隧道结构力学计算。 步骤四：检验分析结果 对力学计算结果进行检验，判断分析结果是否合理。 步骤五：优化设计方案 对于分析结果存在问题的隧道结构，进行优化设计方案，提出更加合理的设计方案。 步骤六：上传报告
半拱形隧道衬砌结构的计算模型 隧道是连接两个地点的地下通道，隧道的衬砌结构起着支撑和保护的作用。其中，半拱形隧道衬砌结构是常用的一种设计方案。本文将从计算模型的角度，探讨半拱形隧道衬砌结构的设计原理和计算方法。 一、半拱形隧道衬砌结构的设计原理 半拱形隧道衬砌结构是指隧道内壁呈半圆形的设计方案。其设计原理是利用半圆形的形状来分散地下水和土压力，提高隧道的稳定性和承载能力。半拱形隧道衬砌结构的设计要考虑以下几个因素： 1. 地质条件：地质条件对隧道衬砌结构的设计有重要影响。需要了解地下水位、土壤类型、地层稳定性等信息，以确定衬砌的尺寸和材料选择。 2. 荷载计算：隧道衬砌结构需要能够承受来自地面、车辆和地下水等荷载的作用。根据设计标准和实际情况，进行荷载计算，确定衬砌的强度和尺寸。 3. 结构设计：半拱形隧道衬砌结构的设计应考虑到结构的受力特点和相应的力学原理。通过合理的结构形式和材料选择，使衬砌结构具有足够的刚度和承载能力。 二、半拱形隧道衬砌结构的计算模型
半拱形隧道衬砌结构的计算模型是为了确定衬砌结构的尺寸和材料，以满足设计要求和工程实际。常用的计算模型包括以下几个方面： 1. 土压力计算：根据土壤力学原理，计算隧道衬砌结构所受的土压力。考虑到土壤的侧压力和水平荷载，以及隧道衬砌的摩擦力和垂直荷载等因素。 2. 水压力计算：对于地下水位较高的隧道，需要考虑水压力对衬砌结构的影响。根据水力学原理，计算水压力的大小和作用方向，以确定衬砌的防水措施和材料选择。 3. 结构强度计算：根据材料的力学性能和结构的受力特点，计算衬砌结构的强度和刚度。考虑到不同部位的受力差异，进行应力和变形的计算，以保证衬砌的结构安全性和稳定性。 4. 施工阶段计算：在隧道的施工过程中，需要进行施工阶段的计算。考虑到土体的变形和支护结构的安全性，进行隧道衬砌结构在施工过程中的力学计算和变形分析。 三、半拱形隧道衬砌结构的计算方法 半拱形隧道衬砌结构的计算方法是根据计算模型，采用相应的数学方法和工程经验进行计算。常用的计算方法包括以下几个方面： 1. 解析法：利用解析解的方法，根据土力学和结构力学原理，推导出衬砌结构的应力和变形表达式。通过合适的边界条件和材料参数，
隧道衬砌抗拉强度计算公式 隧道是地下工程中常见的一种结构形式，其衬砌是隧道内部的一种重要构造， 用于支撑和保护隧道的内壁。在设计隧道衬砌时，抗拉强度是一个重要的参数，它影响着衬砌的稳定性和安全性。因此，对于隧道衬砌抗拉强度的计算公式的研究具有重要的理论和实际意义。 隧道衬砌抗拉强度的计算公式可以通过材料力学和结构力学的理论推导得到， 其基本原理是根据材料的物理性质和结构的力学特性来确定。一般来说，隧道衬砌材料的抗拉强度可以通过以下公式计算： σ = F/A。 其中，σ表示材料的应力，单位为N/m²或Pa；F表示受力，单位为N；A表 示受力面积，单位为m²。 在实际工程中，隧道衬砌的抗拉强度计算公式可以根据具体的材料和结构形式 进行修正和补充。例如，对于混凝土材料的隧道衬砌，其抗拉强度计算公式可以根据混凝土的抗拉强度和衬砌的结构形式来确定。一般来说，混凝土的抗拉强度可以通过以下公式计算： f_t = F/A。 其中，f_t表示混凝土的抗拉强度，单位为N/m²或Pa；F表示受力，单位为N；A表示受力面积，单位为m²。 隧道衬砌的抗拉强度计算公式还可以考虑到材料的弹性模量和应力-应变关系，以更准确地描述材料的力学性能。在考虑材料的弹性模量和应力-应变关系时，抗 拉强度计算公式可以表示为： σ = Eε。
其中，σ表示材料的应力，单位为N/m²或Pa；E表示材料的弹性模量，单位 为N/m²或Pa；ε表示材料的应变，无量纲。 在实际工程中，隧道衬砌的抗拉强度计算公式还需要考虑到结构的几何形状和 受力情况。例如，对于圆形隧道衬砌，其抗拉强度计算公式可以根据圆形截面的受力情况进行修正。一般来说，圆形隧道衬砌的抗拉强度可以通过以下公式计算：σ = M/S。 其中，σ表示材料的应力，单位为N/m²或Pa；M表示受力矩，单位为N·m；S表示受力臂，单位为m。 综上所述，隧道衬砌抗拉强度的计算公式是根据材料力学和结构力学的理论推 导得到的，其基本原理是根据材料的物理性质和结构的力学特性来确定。在实际工程中，隧道衬砌的抗拉强度计算公式可以根据具体的材料和结构形式进行修正和补充，以更准确地描述材料的力学性能。希望随着科学技术的不断发展，对隧道衬砌抗拉强度计算公式的研究能够取得更多的进展，为隧道工程的设计和施工提供更为科学的依据。
第三章隧道二次衬砌结构计算3.1基本参数 围岩级别：Ⅴ级 围岩容重：γ s =18.53 /m kN 围岩弹性抗力系数：K=1.5×1053 /m kN 衬砌材料为C25混凝土，弹性模量E h =2.95×107kPa,容重γ h =233 /m kN. 3.2荷载确定 3.2.1围岩垂直均布压力 按矿山法施工的隧道围岩荷载为： q s =0.45×21-sγω =0.45×21-sγ[1+i(B-5)] =0.45×24×18.5×[1+0.1×(13.24-5)] =242.96(2 /m kN) 考虑到初期支护承担大部分围岩压力，而对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30%折减，取为1702 /m kN . 3.2.2 围岩水平均布压力 e=0.4q=0.4×170=68 2 /m kN 3.3计算位移 3.3.1单位位移 所有尺寸见下图1：
半拱轴线长度s=11.4947(m) 将半拱轴线长度等分为8段，则∆s=s/8=1.4368(m) ∆s/ E h =0.4871×107-（1- ⋅kPa m） 计算衬砌的几何要素，详见下表3.1. 单位位移计算表 表3.1
注：1.I —截面惯性矩，I=3 bd /12,b 取单位长度。 2.不考虑轴力影响。 单位位移值用新普生法近似计算，计算如下： 11δ=⎰ s h ds I E M 0 1≈∑∆I E s 1 =0.4871×107-×864.0000=4.2085×105- 12δ=21δ=⎰s h ds I E M M 0 21.≈∑I y E s ∆=0.4871×107-×2643.1776=1.2875×104- 22δ=⎰ s h ds I E M 0 2 2≈∑∆I y E s 2 =0.4871×107 -×14338.9160=6.9845× 104- 计算精度校核为： 11δ+212δ+22δ=(0.42085+2×1.2875+6.9845) ×104-=9.9803×104- ss δ=∑+∆I y E s 2)1(=0.4871×107-×20489.2712=9.9803×104- 闭合差∆=0 3.3.2载位移—主动荷载在基本结构中引起的位移 （1） 每一楔块上的作用力 竖向力：Q i =i qb 侧向力：E i =eh i 自重力：G i = h i i s d d γ⨯∆⨯+-2 1 算式中:b i 和h i 由图1中量得 d i 为接缝i 的衬砌截面厚度 作用在各楔块上的力均列入下表3.2：
隧道的计算模型及数值法在隧道计算模型中的应用 摘要：本文介绍了地下工程中常用的四种设计模型：经验设计法、收敛-约束法、载荷-结构模型及连续介质模型。重点阐述了隧道设计计算方法的两种常用方法：载荷-结构法和地层-结构法，并利用ABAQUS有限元软件分别对两种计算方法下的模型进行了数值模拟和结果分析，得到了一些有意义的结论。 关键词：设计模型、载荷-结构法、地层-结构法、ABAQUS 1 隧道结构设计发展历程及现状 地下结构的计算理论发展较晚。在一定时期内，地下结构物只是作为一种特殊的结构物来处理，主要依靠经验进行建设。随着地上结构计算理论的发展，部分理论才开始应用于地下结构。然而经过长时间的实践探索，人们逐渐认识到地下结构的受力与地面结构完全不同，特别是地层抗力概念的引入，地下结构计算理论才真正开始建立。隧道结构的设计理念的发展经历了刚体力学、弹性力学、粘弹性力学、弹塑性力学和粘-弹-塑性力学几个发展阶段。 早期的地下建筑多采用以砖石为主要建筑材料的拱形结构，因而计算方法主要采用拱桥的设计理念，采用压力线理论将地下结构视为刚性的三铰拱结构。以此为代表的主要有海姆（A. Haim）理论、朗肯（W. J. M. Rankine）理论[1]。这些方法将地下结构置于极限平衡状态，可按静力学原理进行计算。但刚性设计方法比较保守，没有考虑围岩自身的承受能力。十九世纪后期，随着钢筋混凝土材料大量应用于建筑结构，将超静定计算方法引入地下结构计算。O. Kommerell（1910）在整体式隧道衬砌的计算中首次引入弹性抗力概念，将衬砌边墙所受抗力假设为直线分布，并将拱圈视为无铰拱结构[2]。Hewett 和Johason （1922）在此基础上将弹力抗性分布假设为更接近实际情况的梯形，并以衬砌水平直径处的位移等于零为条件来确定衬砌抗力幅值[3]。H. Schmid和R.Windels（1926）利用连续介质弹性理论分析了地层和圆形衬砌间的相互作用[4]。Bodrov（1939）在考虑结构与地层的相互作用时用刚性链杆代替物质间的直接作用[5]。l960年日本土木工程协会（JSCE）提出不考虑管片柔性接头的设计方法，这一方法将地层抗力假设按三角形规律分布，分布范围为沿水平方向正负45°以内[6]。S.Schulze和H.Duddek（1964）在研究结构与土层的相互作用时同时考虑了径向变形和切向变形对结构的影响[7]。侯学渊（1982）结合弹-塑-粘性理论提出了地层压力与衬砌刚度的本构关系[8]。周小文（1997）等利用隧道离心模型试验研
有限元基础理论与 ANSYS应用 —隧道结构力学分析 专业： 姓名： 学号： 指导教师： 2014年12月
隧道结构力学分析
目录 目录 (2) 1. 问题的描述........................................................... 错误!未定义书签。 2. 建模....................................................................... 错误!未定义书签。 2.1 定义材料......................................................................... 错误!未定义书签。 2.2 建立几何模型................................................................. 错误!未定义书签。 2.3 单元网格划分 (5) 3. 加载与求解 (6) 3.1 施加重力加速度 (6) 3.2 施加集中力、荷载位移边界条件 (6) 4. 后处理 (8) 4.1 初次查看变形结果 (8) 4. 2 除去受拉弹簧网格.............. (9) 4.3 除去弹簧单元网格 (10) 4. 4 查看内力和变形结果 (11) 4. 5 绘制变形图 (12) 5. 计算结果对比分析 (14) 6. 结语 (14) 7. 在做题过程中遇到的问题及解决方法 (16) 8. 附录 (16)
山岭隧道结构力学分析 1.问题的描述 已知双线铁路隧道总宽为13.3米，高为11.08米，以III级围岩深埋段为例，隧道而衬厚度为35cm，带仰拱，采用钢筋混凝土C30，其重度为=25kN/m3，弹性模量为31GPa，泊松比为0.2，。该段该隧道的埋深为5米，围岩平均重度为23kN/m3,侧压力系数为0.3，计算围岩高度为6.588m，地层弹性抗力系数为500MPa/m。 试分析结构的应力和变形 图1双线铁路隧道断面（cm）
压力隧洞衬砌计算方法 压力隧道是一种在地下开挖的隧道，通常用于输送水、油、气等介质。隧道的衬砌是保证其稳定性和安全性的重要组成部分。本文将介绍压力隧道衬砌的计算方法。 一、压力隧道衬砌的分类 压力隧道衬砌按照材料分为混凝土衬砌和钢衬砌。混凝土衬砌又可分为预制混凝土衬砌和现浇混凝土衬砌。钢衬砌又可分为钢板衬砌和钢筋混凝土衬砌。 二、压力隧道衬砌的设计参数 1.压力 压力是压力隧道衬砌设计的重要参数。压力隧道衬砌的设计应根据隧道内介质的压力来确定。压力分为内压和外压，内压是介质对衬砌内侧的压力，外压是土层对衬砌外侧的压力。在设计中应考虑内压和外压的影响。 2.温度 温度是影响压力隧道衬砌设计的另一个重要参数。随着温度的变化，材料的体积会发生变化，这会影响衬砌的稳定性。在设计中应考虑温度的影响。 3.地质条件 地质条件是影响压力隧道衬砌设计的另一个重要参数。地质条件包括地层的性质、地质构造、地下水位等。在设计中应考虑地质条件的影响。
三、压力隧道衬砌的计算方法 压力隧道衬砌的计算方法通常分为静力计算和动力计算两种。 1.静力计算 静力计算是指在不考虑地震、爆炸等外力的情况下，根据介质压力、温度、地质条件等参数计算衬砌的稳定性和安全性。静力计算包括梁式计算、板式计算和弹性理论计算等。 2.动力计算 动力计算是指在考虑地震、爆炸等外力的情况下，根据介质压力、温度、地质条件等参数计算衬砌的稳定性和安全性。动力计算包括地震响应谱法、有限元法等。 四、压力隧道衬砌的施工方法 压力隧道衬砌的施工方法包括预制和现浇两种。 1.预制 预制是指在厂房内制作衬砌构件，然后运到现场进行组装。预制衬砌的优点是质量稳定、施工速度快。缺点是需要有足够的场地进行制作和存放。 2.现浇 现浇是指在现场进行衬砌的施工。现浇衬砌的优点是适用范围广、可以根据现场情况进行调整。缺点是施工周期长、质量受现场环境影响。 五、压力隧道衬砌的质量控制 压力隧道衬砌的质量控制是保证其稳定性和安全性的关键。质量
水工与施工 西北水电·2004 年·第 1 期 文章编号: 1006—2610( 2004) 01—0015—03 15 AN SYS 在隧道衬砌结构分析中的应用 石广斌 ( 国家电力公司西北勘测设计研究院, 西安 710065) 关键词: 局部变形理论; 隧道衬砌; AN SY S; 稳定分析 ; 边值法 摘 要: 根据局部变形理论, 把隧道衬砌简化成合理的 计算力学模型, 在 A NSY S 数值模拟 环境中, 按边值法的分析 思路, 对其进行结构分析。该数值分析结果已得到了边值法验证, 是可行的。 中图分类号: T V 672. 1 文献标识码: B Application of ANSYS in structural analysis of tunnel lining SHI Guang-bin ( China Hydr o No rt hw est Invest igat ion , Design & Resear ch Inst it ut e , Xi'an 710065, China ) Key Words: local def ormat ion t heo ry; t unnel lining; ANSYS; stability analysis; method bound Abstract: F ollo wing t he l ocal defo rmat ion t heor y , tunnel lining is simplif ied t reaso nable co mput at io nal mechanics model. In t he enviro nm ent of ANASYS dig it al mo delling , it s st ruct ural an sis is carried out in line wit h t he co ncept of method of bound. T he results of digit al analy sis hav e been v e ied by t he met ho d of bound and are pr act ical. 目前, 用于水工、铁路、公路、矿山隧洞以及城市 地下空间结构等衬砌的内力计算方法大致可以分为 3 大类: 第一 类是, 基于地 层压力理论的 荷载结构 法; 第二类是, 基于地层应力理论的地层结构法; 第 三类是, 基于洞周位移量测值反馈设计衬砌结构的 收敛限制法。 2 类方法, 由于存在较多的随机因素后 和对操作人员要求较高等原因, 一般很少被工程设 计人员所采用, 而第一类方法, 计算参数内涵简单而 明了, 所涉及的不确定因素相对较少, 常常易被设计 人员所接受; 事实上, 在工程中应用最多最普遍的方 法也是第一类荷载结构法。过去分析衬砌的结构常 用规范 推荐的结构力学法, 其实随着有限元计算 方法和技术的提高, 某些方法的分析思路可以在数 值模拟环境中实现, 如规范中的边值法就可行。下面 就阐述该过程及其在某穿山隧道衬砌结构分析中的 应用[ 1] [ 2] [ 3] 。 [ 3] 1 数值模拟方案 根据局部变形理论, 隧道的衬砌结构强度分析 可以简化为图 1 所示的内力计算力学模型。该力学 模型可以在西北勘测设计研究院引进的大型有限元 程序 ANSYS 上实现平面和三维内力或应力计算。 若用平面有限元计算, 可以用 AN SYS 单元库里的 梁 单 元 BEAM 3 或 平 面 实 体 单 元 P L AN2 和 P L AN42 来模拟衬砌; 若用三维有 限元计算, 可以 用 ANSYS 单 元 库 里 的 壳 单 元 SHELL 63 或 SHEL L 93 来 模 拟 衬 砌, 也 可 用 三 维 实 体 单 元SOL ID45 等来模拟衬砌。如果用实体单元 P L AN2 或 SOLID 45 等来模拟衬砌, 配 筋时可按应力 法配 筋, 也可把应力转化为内力, 再用内力配筋。文章只 介绍用梁单元计算衬砌内力结果。图 1 力学模型中 的弹性支座施加的位置是依据隧洞轮廓变形趋势。 通常方法是在拱座附近和直墙段加若干 个弹性支 座, 并且设法保证所施加的弹性支座始终处于受压 收稿日期: 2003-06-29 作者简介: 石广斌( 1968— ) , 男, 安徽省和县人, 工程硕 士, 工程 师, 现主要从事水工结构和岩土工程设计与计算方法研究. 状态( 即不考虑衬砌与围岩壁的粘结力) , 而不能处 于受拉状态, 从而实现围岩只贡献弹性抗力的功能。 根据笔者经验, 一般情况下, 也即无内水压力的情况
《地下建筑结构课程设计》 ----软土地区地铁盾构隧道 一、设计资料 如图1所示，为一软土地区地铁盾构隧道的横断面，衬砌外径为6200mm，厚度为350mm，混凝土强度为C55，环向螺栓为5.8级。管片裂缝宽度允许值为0.2mm，接缝张开允许值为3mm。地面超载为20KPa。 图1 隧道计算断面土层分布图
二、设计要求 盾构隧道衬砌的结构计算采用自由变形的弹性均质圆环法并考虑土壤介质侧向弹性抗力来计算圆环内力。试计算衬砌内力，画出内力图，并进行管片配筋计算、隧道抗浮、管片局部抗压、裂缝、接缝张开等验算。 三、计算原则及采用规范 计算原则： （1）设计服务年限100年； （2）工程结构的安全等级按一级考虑； （3）取上覆土层厚度最大的横断面计算； （4）满足施工阶段，正常运营阶段和特殊情况下强度计算要求； （5）接缝变形在接缝防水措施所能适应的范围内； （6）成型管片裂缝宽度不大于0.2mm； （7）隧道最小埋深处需满足抗浮要求； 采用规范： （1）《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）； （2）《地下工程防水技术规范》（GB50108-2001）； （3）《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299-1999）； （4）《建筑工程施工质量验收统一标准》（GB50300-2001）； （5）《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》（GB50308-1999）； （6）《盾构法隧道施工与验收规范》（GB50446-2008）； （7）《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）。
《地下建筑结构课程设计》----软土地区地铁盾构隧道 计算书 姓名： 班级： 学号： 指导教师： 北方工业大学土木工程学院 地空系 2015年5月
理正岩土隧道衬砌说 明
理正岩土隧道衬砌说明 第一章功能概述理正岩土隧道衬砌计算软件采用衬砌的边值问题及数值解法：将衬砌结构的计算化为非线性常微分方程组的边值问题，采用初参数数值解法，并结合水工隧洞的洞型和荷载特点，以计算水工隧洞衬砌在各主动荷载及其组合作用下的内力、位移及抗力分布。无须假定衬砌上的抗力分布，程序经迭代计算自动得出。一、衬砌断面类型：⑴圆形⑵拱形⑶圆拱直墙形⑷圆拱直墙形⑸圆拱直墙形⑹马蹄形⑺马蹄形⑻马蹄形⑼高壁拱⑽渐变段
⑾矩形⑿圆拱直墙形⒀直墙三心圆拱形⒁三心圆拱形二、支座类型 ⑴固定⑵简支⑶弹性三、荷载情况⑴围岩压力⑵自重⑶灌浆压力⑷外水压力⑸内水压力四、输出的结果 计算书及图形结果：⑴轴力图⑵剪力图⑶弯矩图⑷变形图⑸切向位移图⑹法向位移图⑺转角位移图⑻抗力分布图等第二章快速操作指南 操作流程水工隧洞衬砌分析软件的操作流程如图，每一步骤都有相对应的菜单操作。图操作流程 快速操作指南选择工作路径 设置工作路径，既可以调入已有的工作目录，也可在输入框中键入新的工作目
录，后面操作中生成的所有文件均保存在设置的工作目录下。图指定工作路径注意：此处指定的工作路径是所有岩土模块的工作路径。进入某一计算模块后，还可以通过按钮【选工程】重新指定此模块的工作路径。 增加计算项目点击【工程操作】菜单中的【增加项目】菜单或“增”按钮来新增一个计算项目。图工程操作界面编辑原始数据 图数据交互对话框注意： 1. 集中的参数交互界面，即把几乎所有的参数置于一个界面上，操作简单，大大提高了人机交互的效率，这是理正岩土系列软件的一个共性特征。 2. 同时
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：土木工程学院系：土木工程系 课题组：岩土与地下工程 专业：土木工程专业岩土与地下工程方向 班级：土木工程十一班 组员学号： 09301126 组员姓名：陈祥 起讫日期： 2013.1.7—2013.1.18 指导教师：岳峰
目录 第一部分设计任务 (1) 一、设计依据 (1) 二、设计资料 (1) 1.设计等级 (1) 2.设计车速 (1) 3.围岩级别 (1) 4.折减系数 (1) 5.使用功能 (1) 6.隧道平纵曲线半径和纵坡 (1) 7.隧道结构设计标准 (1) 8.1:10000地形图. (1) 第二部分隧道方案比选说明 (1) 一、平面位置的确定 (1) 二、纵断面设计 (4) 三、横断面设计 (4) 第三部分二次衬砌结构计算 (5) 一、基本参数 (5) 二、荷载确定 (6) 三、计算衬砌几何要素 (7) 四、位移计算 (7) 1.单位位移 (9) 2.载位移—主动荷载在基本结构中引起的位移 (9) 3.载位移—单位弹性抗力及相应的摩擦力引起的位移 (12) 4.墙底（弹性地基梁上的刚性梁）位移 (20) 五、解力法方程 (20) 六、计算主动荷载和被动荷载分别产生的衬砌内力 (21) 七、最大抗力值的求解 (23) 八、计算衬砌总内力 (20) 九、衬砌截面强度检算 (23) 十、内力图 (24)
第一部分设计任务 一、设计依据 本设计根据《公路工程技术标准》（JTG B01-2003）,《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）进行设计和计算。 二、设计资料 1.设计等级：高速公路； 2.设计车速：80km/h； 3.围岩级别：V级 4.折减系数：50% 5.使用功能：道路双向四车道，隧道左、右线单向各两车道； 6.隧道平纵曲线半径和纵坡 平纵曲线设计满足规范要求，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形保持一致。 7.隧道结构设计标准 (1).设计使用期：100年； (2).设计安全等级：一级； (3).结构防水等级：二级； 8.1:10000地形图见《隧道平面设计图》（图S1-1）. 第二部分隧道方案比选说明 一、平面位置的确定 任务所给定的地形图为甘肃省礼县永坪镇的地图，该地区素有“三沟四梁”之称，属梁