石家庄铁道大学20XX-20XX学年
201X级《隧道工程课程设计》
专 业： 土木工程学院 方 向： 地下工程 班 级： 姓 名： 学 号： 任课老师：
201X年12月30日
1工程概况
1.1 隧道概况
中苛隧道进口里程DK135+080，出口里程DK135+580，全长500m。隧道位于R＝7000的曲线上，隧道内坡度为4‰下坡
隧道所处地形为圆形沙丘，丘顶局部石灰岩裸露，大部被土覆盖，植被较发育，山丘山坡较平缓，四周较平坦，地表多辟为耕地。
1.2 工程地质及水文地质
（一）工程地质
表覆第四系上更新统坡洪积新黄土及第四系中更新统坡洪积,下伏奥陶系中统上马家沟三段组，石灰岩、白云岩、白云质灰岩。
新黄土：黄褐色，硬塑～坚硬，含少量姜石，具大孔隙，垂直节理发育，厚5.0-20.0m。
老黄土：棕红色、硬塑～坚硬，含大量姜石，厚大于40m。
石灰岩、白云岩、白云质灰岩：深灰色，灰色，薄层-厚层状，弱风化-微风化，节理发育，块状砌体结构，具弱溶蚀现象。 (二)水文地质条件：
隧道处地下水类型主要为第四系孔隙潜水，主要受大气降水补给，地下水较发育，隧道内含少量地下水，雨季水量丰富，渗透系数K=1.6m/d。
2 隧道深浅埋判定及围岩压力的计算
2.1 深浅埋隧道的判定原则
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：
Hp??2~2.5?hq 式中，Hp—深浅埋隧道分界的深度；
hq—等效荷载高度值
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。
当隧道覆盖层厚度h?hq时为超浅埋，hq?h?Hp时为浅埋，h?Hp时为深埋。
2.2 围岩压力的计算方法
(1) 当隧道埋深h小于或等于等效荷载高度hq（即h?hq）时，为超浅埋隧道，
围岩压力按全土柱计算。
围岩垂直均布压力为：
q?rh
式中，r—围岩容重，见表2-1；
h—隧道埋置深度。
围岩水平均布压力e按朗金公式计算
??1???e??q?rHt?tan2?450?0?
22????表2-1 围岩压力相关计算参数
容重r弹性反力系数 岩体两侧摩擦系角 计算摩擦角 围岩级别 3（kN/m） K（MPa/m） θ(°) φ0(°) IV 20~23 200~500 50~60 ( 0.7~0.9 )φ0 (2) 当隧道埋深h大于等效荷载高度hq且小于深浅埋分界深度（hq?h?Hp）时，为一般浅埋隧道，围岩压力按谢家休公式计算：
围岩垂直均布压力为：
Q?h?tan???rh?1?? BB??tan??tan?0??
tan??1?tan??tan?0?tan???tan?0tan??q?tan??tan?0??tan?0?1?tan?0
tan?0?tan?2式中，B—坑道跨度；
r—围岩的容度； h—洞顶覆土厚度；
?—岩体两侧摩擦角，见表2-1；
?—侧压力系数；
?0—围岩计算摩擦角，见表2-1；
?—产生最大推力时的破裂角； 围岩水平压力按下式计算： 隧道顶部水平压力： e1?rh? 隧道底部水平压力： e2?rH?
(3) 当隧道埋深h大于或等于深浅埋分界深度Hp（即h?Hp）时，为深埋隧道，围岩压力按自然拱内岩体重量计算：
单线铁路隧道按概率极限状态设计时的垂直压力为：
q?rhq?0.41?1.79s?r
单线、双线及多线铁路隧道按破坏阶段设计时垂直压力为：
q?rhq?0.45?2s?1?rw
式中，hq—等效荷载高度值；
s—围岩级别，如级围岩s=3； r—围岩的容重
w—宽度影响系数，其值为：
w?1?i?B?5?
其中，B—坑道宽度；
i—B每增加1m时，围岩压力的增减率（以B=5m为基准），当B<5m时，
取i=0.2，B>5m时，取i=0.1。
围岩的水平均布压力e按表2-2计算求得。 围岩级别 水平均布压力 I~II 0 表2-2 围岩水平均布压力 III IV V VI <0.15q (0.15~0.3)q (0.30~0.5)q (0.5~1.0)q 2.3 Ⅳ级围岩计算
2.3.1 Ⅳ级围岩深浅埋的判定
偏于安全考虑，取隧道开挖最大轮廓尺寸进行围岩压力的计算。 开挖轮廓：B=15.46m，Ht=12.34m
等效荷载高度：hq?0.45?2s?1?w?0.45?23??1?0.1??15.46?5???7.37m 深浅埋分界深度：Hp??2?2.5?hq??14.74-18.425?m
由于围岩为Ⅳ级，极为软弱破碎且节理发育，故深浅埋分界深度取为Hp?2.5hq?18.425m。
由隧道纵断面图可知，Ⅳ级围岩中，隧道的最小埋深h?28.41m?Hp?18.425m，故处于Ⅳ级围岩的隧道均为深埋隧道。 2.3.2 Ⅳ级围岩压力的计算
根据《铁路隧道设计规范》推荐的方法：
垂直均布松动压力：q?rhq?22?0.45?23??1?0.1??15.46?5???162.14kN/m2 水平均布松动压力：e?0.2q?0.2?132.14?26.43kN/m2
3 衬砌内力计算与检算
3.1 Ansys的加载求解过程
在衬砌内力计算中，首先拟定衬砌结构厚度及参数值，然后再Ansys程序中
建立模型并添加约束，进行加载，最后求得各单元内力值。
Ansys加载求衬砌内力过程：
（1） 进入前处理，定义单元类型、材料属性、实常数。 （2） 建模：建立关键点，连接关键点生成二衬轴线 （3） 设置线单元属性，划分单元 （4） 施加水平、竖向弹簧支撑 （5） 施加边界条件
（6） 施加围岩压力，与重力加速度 （7） 求解
（8） 进入后处理，定义轴力、弯矩单元表，显示轴力、弯矩图
3.2 衬砌结构强度检算原理
隧道衬砌为双线复合衬砌，参照《铁路隧道设计规范》按破损阶段法及容许应力法检算隧道结构截面。
隧道结构截面抗压强度按下式计算：
KN???Rabh
式中，K—安全系数，见表3-1；
N—轴向力（MN）；
Ra—混凝土或砌体的抗压极限强度（Mpa），见表3-2； ?—构件纵向弯曲系数，对于隧道衬砌，可取?=1.0 b—截面宽度； h—截面厚度；
?—轴向力偏心影响系数，查规范可得，计算公式如下：
??1.000?0.648?e0/h??12.569?e0/h?2?15.444?e0/h?3 且??1.000
表3-1 混凝土何砌体结构的强度安全系数K 圬工种类 混凝土 砌体 主要荷+主要荷+荷载组合 主要荷载 主要荷载 附加荷载 附加荷载 混凝土或砌体达 2.4 2.0 2.7 2.3 到抗压极限强度 混凝土达到抗拉 3.6 3.0 — — 极限强度 表3-2 混凝土的极限强度（Mpa） 混凝土强度等级 C15 C20 C25 C30 12.0 15.5 19.0 22.5 破坏 原因 强度种类 抗 压 符号 Ra C40 29.5 C50 36.5