曲墙式衬砌计算 2

拱形曲墙式衬砌结构计算一、基本资料某一级公路隧道，结构断面如下图，围岩级别为Ⅴ级，围岩容重γ=20KN/m3，围岩的弹性抗力系数K=0.2×106 kN/m，衬砌材料C20混凝土，弹形模量E h =2.6×107kPa，重度γh=23 KN/m3。

衬砌结构断面（尺寸单位：cm）二、荷载确定1、根据《公路隧道设计规范》的有关计算公式，围岩竖向均布压力：q=0.45 × 2S-1 γω式中：S——围岩级别，此处S=5；γ——围岩容重，此处γ=20 kN/m3；ω——跨度影响系数，ω=1+i (B-5)，毛洞跨度lm=11.81+2×0.1=12.01m，式中0.1为一侧平均超挖量;lm=5～15m时，i=0.1,此处ω=1+0.1×（12.01-5）=1.701所以，有：q=0.45×25-1×20×1.701=244.944(kPa) 此处超挖回填层重忽略不计。

2、围岩水平均布压力：e=0.25q=0.25×244.944=61.236（kPa）三、衬砌几何要素1、衬砌几何尺寸内轮廓线半径： r=5.4039m内径r所画圆曲线的终点截面与竖直轴的夹角：φ=113⁰拱顶截面厚度d=0.5 m ；拱底截面厚度dn=0.5m。

外轮廓线半径： R=r+d=5.9039m拱轴线半径： r′=r+0.5d=5.6539m拱轴线各段圆弧中心角：θ=113⁰2、半拱轴线长度S及分段轴长△SS =θ r′/180⁰=113⁰×3.14×5.6539/180⁰=11.1451（m）将半拱轴长度等分为8段，每段轴长为：△S=S/8=11.1451/8=1.3931（m）3、各分块接缝（截面）中心几何要素（1）与竖直轴夹角ɑiɑ1=Δθ=θ/8=113⁰/8=14.125⁰ɑ2=ɑ1+Δθ=14.125⁰+14.125⁰=28.25⁰ɑ3=ɑ2+Δθ=28.25⁰+14.125⁰=42.375⁰ɑ4=ɑ3+Δθ=42.375⁰+14.125⁰=56.5⁰ɑ5=ɑ4+Δθ=56.5⁰+14.125⁰=70.625⁰ɑ6=ɑ5+Δθ=70.625⁰+14.125⁰=84.75⁰ɑ7=ɑ6+Δθ=84.75⁰+14.125⁰=98.875⁰ɑ8=ɑ7+Δθ=98.875⁰+14.125⁰=113⁰（2）接缝中心点坐标计算X 1=r′sinɑ1=5.6539×sin14.125⁰=1.3798(m)X 2=r′sinɑ2=5.6539×sin28.25⁰=2.6761(m)X 3=r′sinɑ3=5.6539×sin42.375⁰=3.8106(m)X 4=r′sinɑ4=5.6539×sin56.5⁰=4.7147(m)X 5=r′sinɑ5=5.6539×sin70.625⁰=5.3337(m)X 6=r′sinɑ6=5.6539×sin84.75⁰=5.6302(m)X 7=r′sinɑ7=5.6539×sin98.875⁰=5.5862(m)X 8=r′sinɑ8=5.6539×sin113⁰=5.2044(m)y 1=r′(1-cosɑ1)=5.6539×(1-cos14.125⁰)=0.1709(m)y 2=r′(1-cosɑ2)=5.6539×(1-cos28.25⁰)=0.6734(m)y 3=r′(1-cosɑ3)=5.6539×(1-cos42.375⁰)=1.4771(m)y 4=r′(1-cosɑ4)=5.6539×(1-cos56.5⁰)=2.5333(m)y 5=r′(1-cosɑ5)=5.6539×(1-cos70.625⁰)=3.7782(m)y 6=r′(1-cosɑ6)=5.6539×(1-cos84.75⁰)=5.1366(m)y 7=r′(1-cosɑ7)=5.6539×(1-cos98.875⁰)=6.5262(m)y 8=r′(1-cosɑ8)=5.6539×(1-cos113⁰)=7.8631(m)当然也可以在下图中直接量出xi 、yi衬砌结构计算图示四、计算位移1、单位位移用辛普生法近似计算，按计算列表进行，单位位移的计算见表1。

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：γs =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γh =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-s γω=0.45×21-s γ[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/ Eh =0.4871×107-（1-⋅kPam）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=3bd /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=⎰sh ds IE M 01≈∑∆I E s 1=0.4871×107-×864.0000=4.2085×105-12δ=21δ=⎰sh ds IE M M 021.≈∑I yE s ∆=0.4871×107-×2643.1776=1.2875×104-22δ=⎰sh ds IE M 022≈∑∆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=∑+∆Iy E s2)1(=0.4871×107-×20489.2712=9.9803×104-闭合差∆=03.3.2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 ii s d d γ⨯∆⨯+-21 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：载位移计算表 表3.2（2） 外荷载在基本结构中产生的内力 内力按下算式计算弯矩：0ip M =0,1p i M --e g q i i i i Ea Ga Qa E y G Q x ---∆-+∆∑∑--11)(轴力：0ip N =sin iϕ∑∑-+iiiE G Q ϕcos )(0ip M ，0ip N 的计算结果见下表3.3.表3.4：载位移计算表p i M ,0表3.3载位移计算表ip N 0 表3.4（3）主动荷载位移 计算结果见表3.5：主动荷载位移计算表 表3.5则：p 1∆=⎰sh pds IE M M 01.≈∑∆IM E sp 0= -0.4871×710-×2300881.6426 = -0.1121 p 2∆=⎰sh pds IE M M 02.≈∑∆IyM E sp 0= -0.4871×710-×11795777.616 = -0.5746 计算精度校核：p 1∆+p 2∆= -0.1121-0.5746=-0.6867 sp∆=∑+∆I M y Esp 0)1(=-0.4871×710-×14096659.259=-0.6867闭合差：∆=03.3.3载位移—单位弹性抗力图及相应的摩擦力引起的位移 （1）各接缝处的弹性抗力强度抗力上零点假设在接缝3处，3ϕ=38.7715=b ϕ； 最大抗力值假定在接缝6处，6ϕ=77.5430=h ϕ； 最大抗力值以上各截面抗力强度按下式计算：i σ=h hb ib σϕϕϕϕ]cos cos cos cos [2222--=h iσϕ]5430.77cos 7715.38cos cos 7715.38cos [2222-- =h iσϕ]5614.0cos 6079.0[2- 算出: 3σ=0, 4σ=0.3985h σ, 5σ=0.7556h σ, 6σ=h σ; 最大抗力值以下各截面抗力强度按下式计算： i σ=h hi yy σ]1[2'2'-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。

3拱形曲墙式衬砌结构计算3.1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γ=20KN/m3S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=22 KN/m3材料容重γh=25GPa变形模量 Eh二衬厚度 d=0.45m图2 衬砌结构断面（单位：cm）3.2荷载确定：3.2.1围岩竖向压力根据《公路隧道设计规范》的有关计算公式及已知的围岩参数，代入公式q=0.45 × 2S-1 ×γ×ω其中：S——围岩的级别，取S=5；γ——围岩容重，取γ=20 KN/m3；ω——宽度影响系数，由式ω=1+i (B-5)计算，其中，B为隧道宽度，B=11.93+2×0.45+2×0.10=13.03m，式中0.10为一侧平均超挖量;B>5时，取i =0.1，ω=1+0.1*(13.03-5)=1.803所以围岩竖向荷载（考虑一衬后围岩释放变形取折减系数0.4）q=0.45×16×20×1.803*0.4＝259.632*0.43k /m N =103.853k /m N3.2.2计算衬砌自重g=1/2*(d 0+d n ) *γh =1/2×(0.45+0.45) ×22=9.9 3k /m N根据我国复合式衬砌围岩压力现场量测数据和模型实验，并参考国内外有关资料，建议Ⅴ级围岩衬砌承受80%-60%的围岩压力，为安全储备这里取：72.70 3k /m N1）全部垂直荷载q= 72.70+g=82.603k /m N 2）围岩水平均布压力e=0.4×q=0.4×82.60=33.043k /m N3.3衬砌几何要素3.3.1衬砌几何尺寸内轮廓线半径： r 1 =7.000 m , r 2 = 5.900 m 内径r 1，r 2所画圆曲线的终点截面与竖直轴的夹角：α1=70.3432°， α2 =108.7493°拱顶截面厚度d 0 =0.45 m ,拱底截面厚度d n =0.45m 。

曲墙式衬砌结构计算步骤1. 确定断面形状；截面厚度；2. 确定弹性抗力区的范围及分布规律： 1） 按照拱顶圆弧圆心确定b ϕ位置；2） 按照ab 32确定最大抗力h σ位置，以该点的法线与隧道断面的平分线的交点为基准点o ，连接ob ，此时ob 与隧道平分线的夹角作为抗力计算的实际b ϕ，h i b ϕϕϕ≤≤。

3. 计算主动荷载作用下的内力：1） 由主动荷载的分布在去掉多余约束后，单独考虑主动荷载引起的结构内力，画出内力图o ipip N M 、0。

计算模型为“悬臂曲梁”； 2） 计算墙底在单位力矩作用下的转角位移akI 11=β 3） 按照内力图，可以知道墙底弯矩oap M ，计算由此产生的墙底转角o ap β=1βo ap M 。

轴力oipN 引起竖向位移，由于结构对称，不影响结构内力计算（不考虑）；4） 计算拱顶单位未知力引起的结构内力1M 、2M ，画出弯矩图； 5） 计算位移系数ik δ和自由项ip ∆，其中 ds EI M M ⎰=1111δ≈∑∆IE s 1（1） ds EI M M ⎰==212112δδ≈∑∆IyE s （2） ds EI M M ⎰=2222δ≈∑∆Iy E s 2（3）ds EI M M oipp ⎰=∆11≈∑∆IM E s oip（4） ds EIM M o ipp ⎰=∆22≈∑∆IyM E s oip（5）6） 按照基本方程的泛函形式)()(0)()(021222212110111221111=+∆++++=+∆++++ap p p p ap p p p f f X f X f X X ββδβδββδβδ （6）计算出基本未知力p X 1、p X 2； 7） 主动荷载作用下内力计算o ipi p ip oipi p p ip N X N M y X X M +=++=φcos 221 （7）4. 计算弹性抗力引起的结构内力 1） 计算最大弹性抗力公式 σδδσh hp h k k -=1 弹性抗力的大小与hp δ、σδh 有关，计算hp δ、σδh 需要知道主动荷载作用下的ip M 、单位最大抗力作用下的σi M 和单位力单独作用下的ih M 。

衬砌结构计算一、基本资料某公路隧道，结构断面尺寸如下图，内轮廓半径为5.4m，二衬厚度为0.45m。

围岩为V 级，重度为19kN/m3，围岩弹性抗力系数为1.6×510kN/m3，二衬材料为C25 混凝土，弹性模量为28.5GPa，重度为23 kN/m3x0y二、荷载确定1.根据式（1-21），围岩竖向均布压力：q=0.45*1-s2*γ*ω式中：s---围岩级别，此处s=5；γ---围岩重度，此处γ=19KN/m ³ω---跨度影响系数，ω=1+i(m l -5),毛洞跨度m l =(5.4+0.45)*2+2*0.06=11.82m,其中0.06m 为一侧平均超挖量，m l =5—15m 时，i=0.1，此处ω=1+0.1*(11.82-5)=1.682所以，有：q=0.45*1-52*19*1.682*0.5=115.04875(kPa) 此处超挖回填层重忽略不计2.围岩水平均布压力：e=0.4q=0.4*115.04875=46.0195(kPa)三．衬砌几何要素 1.衬砌几何尺寸 内轮廓线半径1r =5.4m 外轮廓线半径1R =5.85m 拱轴线半径'1r =5.625m2.半拱轴线长度S 及分段轴长△S半拱轴线长度S=°180θπ'1r =°180°104* *5.625=10.210(m) 将半拱轴线等分为8段，每段轴长为：△S=8S =8210.10=1.27625（m)3.各分块接缝（截面）中心几何要素i α=8104ii 1y ='1r (1-cos i α) i 1x ='1r sin i αE1Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7E2E3E4E5E6E7E8G3G4G1G5G6G2G7G8R4R5R6R7R8qb1b2b3b4b5b6b7b8h1h2h3h4h5h6h7h8附图 衬砌结构计算图示四．计算位移 1.单位位移用辛普生法近似计算，按计算列表进行。

XX隧道二衬施工方案编制人： _________________ 复核人： _________________ 审核人： _________________XX隧道二次衬砌施工方案一、施工准备经过前期的洞身开挖以及初期支护，现拱顶和拱脚以及隧道的周边收敛沉降均已趋于稳定，已具备进行二次衬砌的施工条件，用于二次衬砌施工的机械设备已全部到位。

二、施工方案2.1防排水施工2.1.1防水层施工隧道喷砼与模筑砼之间设隧道专用防水卷材，铺设防水层前在喷射砼表面铺设缓冲层，缓冲层采用300g/m2 土工布，而后铺设隧道专用防水卷材。

铺设方法如下：基面检查：利用工作平台将支护裸露的锚杆、钢筋头等铁件割除，并用砂浆抹成圆曲面，以防其刺破防水板。

土工布衬层铺设及凹槽垫片设置：将土工布衬层铺设在初期支护喷射砼表面上，同时设置土工布固定条带与凹槽垫片，两者用射钉紧固，通过射钉使土工布衬层和土工布固定条带及凹槽垫片牢靠固定在喷射砼上，其中射钉与凹槽垫片之间应加设金属垫片，射钉间距按设计要求设置。

防水卷材铺设：将防水卷材吊运到作业平台上，从上到下对称地将防水卷材焊接到固定垫圈上，粘合牢固。

示意图：铺设质量检查：防水层施工完成后，对施工质量进行检查，自检合格经监理工程师检验认可后，方可进行下道工序的施工。

若检查出质量问题应进行补焊，使之达到验收标准。

防水层铺设操作要点：固定点的布置，在满足固定间距的前提下，尽量固定在喷砼面较凹处，使得防水层尽量密贴砼喷射面。

固定点间的防水层长度视施工支护面的平整情况留一定的富余量，本着宁松勿紧的原则，以防止模筑衬砌时被挤破。

每一循环的防水层铺设长度比相应衬砌段多出1.1.1目的是便于循环间的搭接，并使防水卷材接缝与衬砌工作缝错开2.0m,以确保防水效果。

防水层铺设后，应尽快进行衬砌，以确保防水层不受损伤，保证防水效果。

1.1.2本隧沉降缝处采用遇水膨胀橡胶止水带防水。

在档头板上沿二次衬砌轴线每0.5米钻一“ 12mm的孔，穿进“10的钢筋卡，并卡紧夹在档头板中的止水带的一半，另一半折成90°角，贴靠在挡头板上。

拱形曲墙式衬砌结构计算一、基本资料某一级公路隧道，结构断面如下图，围岩级别为Ⅴ级，围岩容重γ=20KN/m3，围岩的弹性抗力系数K=0.2×106 kN/m，衬砌材料C20混凝土，弹形模量E h=2.6×107kPa，重度γh=23 KN/m3。

衬砌结构断面（尺寸单位：cm）二、荷载确定1、根据《公路隧道设计规范》的有关计算公式，围岩竖向均布压力：q=0.45 × 2S-1 γω式中：S——围岩级别，此处S=5；γ——围岩容重，此处γ=20 kN/m3；ω——跨度影响系数，ω=1+i (B-5)，毛洞跨度l m=11.81+2×0.1=12.01m，式中0.1为一侧平均超挖量;l m=5～15m时，i=0.1,此处ω=1+0.1×（12.01-5）=1.701所以，有：q=0.45×25-1×20×1.701=244.944(kPa)此处超挖回填层重忽略不计。

2、围岩水平均布压力：e=0.25q=0.25×244.944=61.236（kPa）三、衬砌几何要素1、衬砌几何尺寸内轮廓线半径： r=5.4039m内径r所画圆曲线的终点截面与竖直轴的夹角：φ=113⁰拱顶截面厚度d0 =0.5 m ；拱底截面厚度d n=0.5m。

外轮廓线半径： R=r+d0=5.9039m拱轴线半径： r′=r+0.5d0=5.6539m拱轴线各段圆弧中心角：θ=113⁰2、半拱轴线长度S及分段轴长△SS =θp r′/180⁰=113⁰×3.14×5.6539/180⁰=11.1451（m）将半拱轴长度等分为8段，每段轴长为：△S=S/8=11.1451/8=1.3931（m）3、各分块接缝（截面）中心几何要素（1）与竖直轴夹角ɑiɑ1=Δθ=θ/8=113⁰/8=14.125⁰ɑ2=ɑ1+Δθ=14.125⁰+14.125⁰=28.25⁰ɑ3=ɑ2+Δθ=28.25⁰+14.125⁰=42.375⁰ɑ4=ɑ3+Δθ=42.375⁰+14.125⁰=56.5⁰ɑ5=ɑ4+Δθ=56.5⁰+14.125⁰=70.625⁰ɑ6=ɑ5+Δθ=70.625⁰+14.125⁰=84.75⁰ɑ7=ɑ6+Δθ=84.75⁰+14.125⁰=98.875⁰ɑ8=ɑ7+Δθ=98.875⁰+14.125⁰=113⁰（2）接缝中心点坐标计算X1=r′sinɑ1=5.6539×sin14.125⁰=1.3798(m)X2=r′sinɑ2=5.6539×sin28.25⁰=2.6761(m)X3=r′sinɑ3=5.6539×sin42.375⁰=3.8106(m)X4=r′sinɑ4=5.6539×sin56.5⁰=4.7147(m)X5=r′sinɑ5=5.6539×sin70.625⁰=5.3337(m)X6=r′sinɑ6=5.6539×sin84.75⁰=5.6302(m)X7=r′sinɑ7=5.6539×sin98.875⁰=5.5862(m)X8=r′sinɑ8=5.6539×sin113⁰=5.2044(m)y1=r′(1-cosɑ1)=5.6539×(1-cos14.125⁰)=0.1709(m)y2=r′(1-cosɑ2)=5.6539×(1-cos28.25⁰)=0.6734(m) y3=r′(1-cosɑ3)=5.6539×(1-cos42.375⁰)=1.4771(m) y4=r′(1-cosɑ4)=5.6539×(1-cos56.5⁰)=2.5333(m)y5=r′(1-cosɑ5)=5.6539×(1-cos70.625⁰)=3.7782(m) y6=r′(1-cosɑ6)=5.6539×(1-cos84.75⁰)=5.1366(m) y7=r′(1-cosɑ7)=5.6539×(1-cos98.875⁰)=6.5262(m) y8=r′(1-cosɑ8)=5.6539×(1-cos113⁰)=7.8631(m)当然也可以在下图中直接量出x i、y i衬砌结构计算图示四、计算位移1、单位位移用辛普生法近似计算，按计算列表进行，单位位移的计算见表1。

填空题：1.我国现行公路（铁路）隧道围岩分类的依据：结构特征和完整状态为表征的围岩稳定性2.新奥法运用锚喷作为初期支护的理论依据：充分发挥与加强围岩的自承效能3.洞口地质一般不稳定，选定洞门位置（确定隧道长度）的原则早进晚出4. 拱形明洞的主要形式有：路堑对称型，路堑偏压型，半路堑偏压型，半路堑单压型判断题：1、影响喷射混凝土强度的因素是原材料的质量，而与喷射施工作业质量无关。

（╳）2、为使坑道轮廓平整、减少超欠挖、降低围岩的扰动以及锚喷支护的需要，可采用光面爆破和预裂爆破技术。

（√ ）3、施工准备阶段，应积极抓紧创造隧道开工的条件，临时工程施工可在开工令下达后再着手进行。

（╳）4、汽车专用公路隧道防排水工程质量要求达到拱部、墙部、路面、设备箱洞、车行与人行横道均不渗水（√）5、隧道衬砌外观鉴定要求混凝土表面密实，任一延米面积内蜂窝麻面面积不超过5%，深度不超过20mm（╳）6、无论哪类围岩选择支护方式时，应优先采用构件支撑作为坑道开挖的初期（临时）支护（╳）7、由于锚喷支护具有主动加固围岩、可及时施工和比较经济等特点，故广为应用。

但使用也是有一定条件的，当围岩自持能力差、有涌水及大面积淋水地段及地层特别松软处，就很难成型。

（√ ）8、洞口各项工程相互关联，故应全面考虑、妥善安排、减少干扰，进洞前尽快完成，以便为洞身施工创造条件。

（√ ）9、导坑爆破开挖时，炮眼起爆顺序为：掏槽眼—-顶眼—-侧邦眼---底眼---辅助眼。

( ╳ )10、洞内施工的特点是空间有限、工作面狭窄、光线暗、空气污浊、潮湿、噪声大，故要有良好的照明与通风条件，落实安全措施，精心组织各项作业。

同时还必须关注工人的劳动保护。

（√）11.判别深埋与浅埋隧道的分界,可按荷载等效高度值,并结合地质条件、施工方法等因素综合判定（√ ）12.隧道现场监控量测,包括隧道施工阶段与营运阶段控制测量和监控测量。

(√ )13.隧道遇到溶洞处理措施,分别以引、堵、越、绕等措施进行处理。