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第3章隧道结构设计检算3.1 隧道结构设计检算方法隧道结构的设计检算包括对初期支护和二次衬砌的设计检算，本章只介绍对二次衬砌的设计检算，初期支护由工程类比法确定，不对其进行检算。
二次衬砌的设计检算采用荷载-结构模型，将全部荷载施加到衬砌结构上，根据求得的衬砌内力对已拟定配筋的衬砌进行检算，并对检算未通过的衬砌调整截面配筋，直到检算通过为止。
整个设计检算过程如下：(1)由隧道的纵断面图，确定隧道的围岩级别及相应埋深；(2)根据围岩级别和衬砌内轮廓尺寸，由工程类比法初步拟定隧道的支护和衬砌参数，绘制复合式衬砌断面图；(3)由《铁路隧道设计规范》，计算围岩压力并确定典型计算断面；(4)采用荷载-结构模型，利用ANSYS建模进行衬砌内力的计算；(5)由计算求得的弯矩、轴力进行衬砌结构配筋的检算。
3.2 隧道衬砌荷载计算3.2.1 各级围岩段基本情况根据大瑶山隧道的纵断面图，可得该隧道的围岩级别及长度、隧道埋深等数据，见表3-1所示：表3-1 大瑶山隧道各围岩段情况围岩级别长度（m）隧道埋深（m）Ⅱ320 281.60～363.74Ⅲ7425 26.06～650.00Ⅳ1880 7.24～554.28Ⅴ703 0～27.63 大瑶山隧道为时速250km/h的客专双线铁路隧道，设计所给的建筑限界及衬砌内轮廓是相同的，但由于隧道所处围岩级别的不同，其采用的复合式衬砌的形式和厚度也会有所不同，从而导致各围岩段隧道开挖轮廓线的不同。
各级围岩段隧道的开挖净高和净宽初步拟定见表3-2所示。
表3-2 隧道开挖净高和净宽围岩级别开挖净高(m) 开挖净宽(m)Ⅳ 12.13 14.42 Ⅴ 12.48 14.623.2.2 荷载计算方法(1)隧道深浅埋的判定原则深、浅埋隧道分界深度至少应大于坍方的平均高度且有一定余量。
根据经验，这个深度通常为2~2.5倍的坍方平均高度值，即：(3-1)式中，p H ――深浅埋隧道分界的深度(m)； q h ――等效荷载高度值(m)；系数2~2.5在松软的围岩中取高限，在较坚硬围岩中取低限。
隧道衬砌结构强度检算
课程设计任务书
一、课程设计的主要目的
通过本次课程设计，掌握隧道衬砌结构强度检算的过程，熟悉围岩压力的计算方法，了解荷载－结构模式的计算原理和计算方法，复习巩固钢筋混凝土结构的配筋计算方法，学习了解大型有限元程序ANSYS的建模、求解以及结果处理的过程，为毕业设计以及今后工作奠定基础。
二、主要任务内容
本次课程设计对象为交通隧道，具体设计内容包括：
1、荷载结构模式中围岩压力（荷载）的计算
2、利用ANSYS有限元程序建立模型，并进行求解计算
3、利用有限元计算结果对衬砌结构的强度进行检算，必要时，应进行配筋计算。
三、具体要求
1、课程设计分组进行，每人单独完成相关隧道衬砌结构的计算，隧道图纸由指导教师提供，要求每人至少完成3种断面型式的检算工作。
2、计算过程中所涉及的计算参数应参照现行相关隧道设计规范执行，但要求同一隧道小组成员之间计算参数应不同。
3、设计结束后应提交完整的检算报告，报告封面按网上学校要求的统一格式制作，一律采用A4纸书写或打印，要求页边距为2cm。
4、报告要求明确的计算分析过程和计算结果，所有工作必须独立完成。
5、报告中应附有工程概况、计算对象的横断面图、计算参数取值、计算模型图示、内力图和关键部位内力计算结果汇总表。
6、报告上交时间为2013年3月25日。
指导教师：李文江、孙星亮、韩现民。
目录一基本资料 (1)二荷载确定 (1)2.1围岩竖向均布压力 (1)2.2围岩水平均布力 (1)三衬砌几何要素 (1)3.1衬砌几何尺寸 (1)3.2半拱轴线长度S及分段轴长△S (2)3.3割分块接缝重心几何要素 (2)四计算位移 (2)4.1单位位移 (2)4.2载位移——主动荷载在基本结构中引起的位移 (2)4.3载位移——单位弹性抗力及相应的摩擦力引起的位移 (8)4.4墙低（弹性地基上的刚性梁）位移 (12)五解力法方程 (12)σ=）分别产生的衬砌内力 (13)六计算主动荷载和被动荷载（1h七最大抗力值的求解 (14)八计算衬砌总内力 (14)九衬砌截面强度检算（检算几个控制截面） (15)9.1拱顶（截面0） (15)9.2截面（7） (18)9.3墙低（截面8）偏心检查 (18)十内力图18一 基本资料高速公路隧道，结构断面如图1所示，围岩级别为V 级，容重318kN /m ϒ=，围岩的弹性抗力系数630.1510kN /K m =⨯，衬砌材料C20混凝土，弹性模量72.9510kPa h E =⨯，容重323kN /m ϒ=。
图1 衬砌结构断面二 荷载确定2.1 围岩竖向均布压力： 10.452s q ωγ-=⨯式中：s ——围岩级别，此处s=5；ϒ——围岩容重，此处ϒ=18kN/㎡；ω——跨度影响系数，ω=1+i(B m -5)，毛洞跨度B m =12.02m ，B m =5~15时，i=0.1，此处: ω=1+0.1×（12.02-5）=1.702所以，有：510.45218 1.702220.5792q kPa -=⨯⨯⨯=考虑到初期之处承担大部分围岩压力，而二次衬砌一般作为安全储备，故对围岩压力进行折减，对于本隧道按照45%折减，即q 45%0.45220.579299.2606q kPa =⨯=⨯=2.2 围岩水平均布力：e =0.4×q=0.4×99.2606=39.7043kPa三 衬砌几何要素3.1衬砌几何尺寸内轮廓半径 r 1=5.56m ；内径r 1 所画圆曲线的终点截面与竖直轴的夹角1ϕ=100°； 截面厚度d=0.45m 。
隧道衬砌设计检算
隧道衬砌设计检算是一种专门用于计算隧道衬砌的工作。
它包含对衬砌结构的检查、分析和计算，以确保衬砌的安全性能，确保衬砌的机械特性，以及确保衬砌的维护和维修方面的要求。
隧道衬砌设计检算的基本方法是通过给定衬砌材料的力学参数，根据衬砌结构的外形和尺寸，采用适当的数学方法，来计算和分析衬砌结构的承载能力。
衬砌设计检算的目的一般有2个：第一，确保衬砌结构能够抵御外界荷载；第二，确保衬砌结构的维护和维修要求。
衬砌设计检算的基本步骤主要包括：
1. 设计荷载的确定：衬砌设计的第一步就是确定设计荷载，即需要考虑的最大外部荷载，如：重力荷载、水位荷载、地震荷载等。
2. 基础模型和计算模型的确定：根据设计荷载的确定，再确定基础模型和计算模型，如线性、非线性、稳定性分析等。
3. 衬砌材料的力学参数的确定：根据衬砌材料的性能，确定衬砌材料的力学参数，如抗弯刚度、抗压强度、抗拉强度、屈服强度等。
4. 衬砌结构受力的分析：根据设计荷载和衬砌材料的力学参数，采用适当的计算模型，对衬砌结构受力情况进行分析，以及衬砌结构受力的最大值。
5. 衬砌结构的安全性能分析：根据衬砌结构受力的分析，采用适当的安全系数，确定衬砌结构的安全性能，并确定衬砌结构能够抵御外部荷载的能力。
6. 维护和维修要求的分析：根据衬砌结构的安全性能分析结果，确定衬砌的维护和维修要求，如衬砌的检测要求、衬砌的修理要求等。
隧道衬砌设计检算是隧道施工中必不可少的一个工作，其目的是确保衬砌的安全性能和维护维修要求。
在进行衬砌设计检算时，必须正确确定设计荷载、衬砌材料的力学参数及衬砌结构受力的分析，以便确保衬砌能够抵御外部荷载，保证衬砌的安全性能和维护维修要求。
一、衬砌结构的计算模型
隧道工程建筑物是埋置于地层中的结构物，它的受力和变形与围岩密切相关，支护结构与围岩作为一个统一的受力体系相互约束，共同工作。
这种共同作用正是地下结构与地面结构的主要区别。
根据本工程浅埋及松散地层的特点，使用阶段结构安全性检算采用“荷载—结构”模式，即将支护和围岩分开考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承。
支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约束来实现的。
计算模型中，二衬结构采用弹性平面梁单元模拟，弹性抗力以及隧底地基均采用弹簧单元模拟。
组合荷载根据不同作用方向分别转换成等效节点力施加在相应的单元结点上。
具体计算模型见图1。
图1 计算模型
二、荷载计算
围岩压力计算参照课本中有关我国铁路隧道推荐的方法进行确定（双线隧道）或参照《铁路隧道设计规范》，深浅埋分别计算。
三、配筋计算
结构强度检算和配筋计算应按照现行《铁路隧道设计规范》的方法进行。
四、ANSYS操作过程
1、更改路径和工作名
2、进入前处理模块（preprocessor）
(1)定义单元类型element type
(2)定义实常数real constant
(3)定义材料参数material props
(4)定义梁的截面特性sections
(5)进入modeling进行建模，生成几何模型
(6)进行网格划分meshing
a)给几何模型赋属性
meshing>mesh attribute>picked lines
(7)施加弹性约束
Model>Creat>piping models>spring support
定义弹性抗力系数K和距离所选结构节点的相对距离DX, DY, DZ。
加弹簧：
！水平,在y轴左侧为-0.3；在y轴右侧为0.3
*do,i,10,31
a=150000000
k=a*abs(ny(i+1)-ny(i-1))/2
psprng,i,tran,k, -0.3, ,
*enddo
！竖向
*do,i,10,31
a=150000000
k=a*abs(nx(i+1)-nx(i-1))/2
psprng,i,tran,k, , -0.3,
*enddo
3、进入求解器solution
(1)定义分析类型analysis type>new analysis>static
(2)定义荷载define loads
(3)设置荷载添加形式setting>replace vs add>force，按如下图示设置
(4)施加等效节点力
define loads>apply>force(编程实现)
(5)施加重力
define loads>apply>inertia>gravity>global
(6)求解计算
Solve>current LS
4、后处理（general postproc）
(1)读入结果
Read results>last set
(2)查看变形图，（plot results>deformed shape）检查弹簧约束范围是否正确（所有弹簧均应受压，即处于抗力区）否则添加或删除弹簧单元，重新计算。
(3)定义单元表
Element table>define table，出现对话框后点击add按钮，出现下列对话框：
选择by sequence num 并在右下角SMISC,后分别键入数字“6”后点击apply按钮。
重复上述操作并分别键入数字“12”和“1”和，点击OK，完成弯矩和轴力的定义。
(4)查看内力图
plot results>contour plot>line elem res，查看弯矩云图
查看轴力图
(5)存储显示图形
Plotctrls>capture image,将文件另存即可。
(6)列表显示计算结果
List results>elem table data
出现对话框，选择单元表定义的内容，点击ok。
然后将文件另存即可。
附注：加载程序示意
1.均布荷载
(1)y方向荷载施加
*do, i, 1, 10
a=q*abs(nx(i)-nx(i+1))/2
f, i, fy, a
f, i+1, fy, a
*enddo
(2)x方向荷载施加
*do, i, 1, 10
a=q*abs(ny(i)-ny(i+1))/2
f, i, fx, a
f, i+1, fx, a
*enddo
2.梯形荷载
*set,shuxiang,292608.9
*set,shangce,78149.5
*set,xiace,127057.6
!竖向荷载
*do,i,5,18
a=-shuxiang*0.5*abs(nx(i)-nx(i+1))
f,i+1,fy,a
f,i,fy,a
*enddo
!左水平荷载(11.82为梯形的高度)
！3指梯形上底对应的节点号
！12指梯形下底对应的节点号
*do,i,3,11
a=abs(ny(i)-ny(3))*(xiace-shangce)/11.82+shangce
b=abs(ny(i+1)-ny(3))*(xiace-shangce)/11.82+shangce f,i+1,fx,(a/6+b/3)*abs(ny(i)-ny(i+1))
f,i,fx,(a/3+b/6)*abs(ny(i)-ny(i+1))
*enddo
*do,i,22,26
a=abs(ny(i)-ny(12))*(xiace-shangce)/11.82+shangce
b=abs(ny(i+1)-ny(12))*(xiace-shangce)/11.82+shangce f,i+1,fx,(a/6+b/3)*abs(ny(i)-ny(i+1))
f,i,fx,(a/3+b/6)*abs(ny(i)-ny(i+1))
*enddo
a=abs(ny(1)-ny(12))*(xiace-shangce)/11.82+shangce b=abs(ny(3)-ny(12))*(xiace-shangce)/11.82+shangce f,3,fx,(a/6+b/3)*abs(ny(i)-ny(i+1))
f,1,fx,(a/3+b/6)*abs(ny(i)-ny(i+1))
a=abs(ny(1)-ny(12))*(xiace-shangce)/11.82+shangce b=abs(ny(22)-ny(12))*(xiace-shangce)/11.82+shangce f,22,fx,(a/6+b/3)*abs(ny(i)-ny(i+1))
f,1,fx,(a/3+b/6)*abs(ny(i)-ny(i+1))
!右水平荷载
*do,i,12,20
a=abs(ny(i)-ny(12))*(xiace-shangce)/11.82+shangce
b=abs(ny(i+1)-ny(12))*(xiace-shangce)/11.82+shangce f,i+1,fx,-(a/6+b/3)*abs(ny(i)-ny(i+1))
f,i,fx,-(a/3+b/6)*abs(ny(i)-ny(i+1))
*enddo
*do,i,27,31
a=abs(ny(i)-ny(12))*(xiace-shangce)/11.82+shangce
b=abs(ny(i+1)-ny(12))*(xiace-shangce)/11.82+shangce f,i+1,fx,-(a/6+b/3)*abs(ny(i)-ny(i+1))
f,i,fx,-(a/3+b/6)*abs(ny(i)-ny(i+1))
*enddo
a=abs(ny(2)-ny(12))*(xiace-shangce)/11.82+shangce b=abs(ny(21)-ny(12))*(xiace-shangce)/11.82+shangce f,21,fx,(a/6+b/3)*abs(ny(i)-ny(i+1))
f,2,fx,(a/3+b/6)*abs(ny(i)-ny(i+1))
a=abs(ny(2)-ny(12))*(xiace-shangce)/11.82+shangce b=abs(ny(32)-ny(12))*(xiace-shangce)/11.82+shangce f,32,fx,(a/6+b/3)*abs(ny(i)-ny(i+1))
f,2,fx,(a/3+b/6)*abs(ny(i)-ny(i+1))
上述程序中，i为节点号，q为竖向围岩压力，a为等效节点力计算中间值，nx(i)为i节点的水平坐标值，竖直坐标用ny(i)表示。
