隧道衬砌计算
压力隧洞衬砌计算方法
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。
隧道设计衬砌计算范例(结构力学方法)
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。
《隧道衬砌详尽计算》课件
软件应用案例及效果展示
某高速公路隧道施工过程中，采用有 限元分析软件对衬砌结构进行了详尽 的计算和分析，确保了隧道的施工安 全和质量。
此外，该软件还应用于其他多个隧道 工程中，均取得了良好的效果和效益 ，证明了其在隧道衬砌计算中的重要 性和优势。
CHAPTER
有限元分析软件介绍
1
有限元分析软件是一种广泛应用于工程领域的计 算工具，它能够模拟复杂的结构和现象，提供详 尽的分析结果。
2
在隧道衬砌计算中，有限元分析软件能够模拟衬 砌结构的受力状态、变形情况以及稳定性等，为 设计提供重要的参考依据。
3
常见的有限元分析软件包括ANSYS、ABAQUS、 SAP等，这些软件具有强大的计算能力和广泛的 应用领域。
3
有限元法
通过有限元分析软件，模拟衬砌结构的稳定性。
04 隧道衬砌计算的实例分析
CHAPTER
某隧道工程概况
隧道长度：10km
隧道名称：某高速公路隧道
01
隧道断面：矩形断面，宽度
20m，高度5m
02
03
工程地质：隧道穿越山岭地 区，地质条件复杂，包括岩
石、土壤和地下水等
04
05
施工环境：隧道施工难度较 大，需考虑通风、water supply and drainage等
面限制等。
计算结果的分析与评价
受力分析
分析衬砌结构在施工过程中的受力状态，包括衬砌内力、外力和 变形等。
安全评价
根据计算结果，评价衬砌结构的安全性，判断衬砌是否满足设计 要求和施工安全。
优化建议
根据计算和分析结果，提出衬砌结构的优化建议，提高隧道施工 的安全性和可靠性。
006第六章隧道衬砌结构计算
刚性链杆 弹性固定支座
§6.3.3 半被覆结构的内力计算
半被覆结构内力计算可归结为一个弹性固定无铰 拱的力学分析问题（结构力学超静定问题） 一、对称问题的解 二、非对称问题解 三、拱顶单位变位与载变位的计算 四、用辛普生法计算变位 五、拱脚变位的计算 六、计算多余未知力 七、拱圈内力及计算结果校核
目前，无论是初期支护材料还是永久支护材料 ，基本都是以混凝土材料为主。初期和二期的 支护系统基本是超静定结构，因此设计和计算 时多以超静定结构进行考虑，其中衬砌拱部结 构以结构力学中无铰拱理论计算，墙部和仰拱 结构以弹性地基梁理论计算。
Hale Waihona Puke 6.2 隧道衬砌上的荷载与分类
地下结构所承受的荷载，按其作用特点及其使用中可能出现的情况分为 以下三类，即：主要荷载，附加荷载和特殊荷载。
l 2
(A
B) A
B
0
又因反对称力未知力X1产生的变位
13 31 23 32
“拱顶单位位移与载变位的计算”和用“辛普 生法计算变位”和“拱铰变位”的详细求解请
参考“徐干成，白洪才等，地下工程支护结构
，中国水利水电出版社，2002”；
6.4 曲墙式衬砌结构结构计算
在衬砌结构承受较大的垂直方向和水平方向的围岩压力时，常 常采用曲墙式衬砌形式。它由拱圈﹑曲边墙和地板组成，有向 上的底部压力时设仰拱。曲墙式衬砌常用于Ι ～ Ⅲ类围岩中。
2)围岩水平压力的计算： P207按表9-1经验公式计算， 适用条件同式(9—3)
(三)普氏地压理论
两个基本假定： 第一个假定，认为由于地层中有许多节理、裂隙以及各种夹层等
软弱结构面，破坏了地层的整体性，因此，整个岩体在一定程度上 可视为松散体。在坚硬岩层中，岩层颗粒之间实际上存在着粘结力， 为了考虑这种粘结力的影响，普氏建议加大颗粒问摩擦系数的方法 予以考虑，此系数称为“似摩擦系数”。所以，普氏把所有地层(包
隧道衬砌结构知识、原理和衬砌计算及设计公式
隧道衬砌结构知识、原理和衬砌计算及设
计公式
简介
隧道衬砌结构是用于支撑和保护隧道壁面的一种结构。
衬砌的设计和计算是确保隧道的安全和稳定性的重要步骤。
衬砌结构类型
隧道衬砌结构通常包括以下几种类型：
1. 塑料管衬砌：使用塑料管来加固和保护隧道壁面。
2. 预制混凝土片衬砌：使用预制混凝土片来支撑和保护隧道壁面。
3. 钢筋混凝土衬砌：使用钢筋混凝土结构来加固和保护隧道壁面。
衬砌计算及设计公式
在进行隧道衬砌的计算和设计时，需要考虑以下因素：
1. 隧道直径：隧道的直径是确定衬砌结构尺寸和类型的关键因素。
2. 地层情况：地层的稳定性和承载能力将影响衬砌的安全性和设计方法。
3. 水压情况：如果隧道处于水下或水土压力较大的地区，需要考虑水压对衬砌的影响。
根据以上因素，可以使用以下公式进行衬砌计算和设计：
1. 隧道衬砌尺寸计算公式：根据隧道直径和地层参数计算衬砌的合适尺寸。
2. 衬砌材料选择公式：根据地层情况和环境条件选择合适的衬砌材料。
3. 衬砌厚度计算公式：根据地层情况和水压情况计算衬砌的合适厚度。
结论
隧道衬砌结构的知识、原理和衬砌计算及设计公式对于确保隧道的安全和稳定性至关重要。
根据隧道的直径、地层情况和水压情况等因素，可以选择合适的衬砌结构类型，并使用相应的公式进行计算和设计。
隧道衬砌计算
隧道衬砌计算隧道衬砌是隧道工程中的重要部分，它承担着保护隧道结构、增强隧道稳定性和延长使用寿命的重要任务。
隧道衬砌的计算是确定隧道衬砌结构所需材料和尺寸的过程，下面将介绍隧道衬砌计算的相关内容。
隧道衬砌计算需要确定衬砌的材料。
常用的隧道衬砌材料有混凝土、钢筋混凝土和预制板等。
根据隧道的使用环境、地质条件和设计要求等因素，选择合适的材料进行衬砌计算。
隧道衬砌计算需要确定衬砌的尺寸。
衬砌的尺寸包括衬砌厚度、衬砌宽度和衬砌高度等。
衬砌厚度的确定需要考虑隧道的使用要求和地质条件，以保证衬砌的强度和稳定性。
衬砌宽度的确定需要考虑隧道的截面形状和使用要求，以保证衬砌的稳定性和使用功能。
衬砌高度的确定需要考虑隧道的设计要求和地质条件，以保证衬砌的稳定性和使用寿命。
隧道衬砌计算还需要考虑衬砌的受力情况。
隧道衬砌在使用过程中会受到地压力、水压力、温度变化和地震等外力的作用。
衬砌的受力分析是衬砌计算的重要内容，它可以通过有限元分析或经验公式等方法进行。
隧道衬砌计算还需要考虑衬砌的稳定性。
隧道衬砌在使用过程中需要保持稳定，不受地下水、岩层移动和地震等因素的影响。
衬砌的稳定性分析是衬砌计算的重要内容，它可以通过有限元分析或经验公式等方法进行。
隧道衬砌计算需要进行结构设计。
隧道衬砌的结构设计包括衬砌的布置方式、连接方式和支撑方式等。
衬砌的结构设计需要考虑隧道的使用要求和地质条件，以保证衬砌的稳定性和使用寿命。
隧道衬砌计算是确定隧道衬砌结构所需材料和尺寸的过程，它涉及衬砌材料的选择、衬砌尺寸的确定、衬砌受力情况的分析、衬砌稳定性的考虑和衬砌结构的设计等内容。
隧道衬砌计算的准确性和科学性对于保证隧道工程的安全稳定和使用寿命具有重要意义。
隧道衬砌设计与计算
式中： ik
---单位变位，即在基本结构上，因 X k 1 作用时，在
X
方向上所产
i
生的变位ip ---荷载变，即基本结构因外荷载作用，在 Xi方向的变位；
f-----拱圈的矢高；
a , ua ----拱脚截面的最终转角和水平位移。
4、单位变位及荷载变位的计算
由结构力学求变位的方法（轴向力与剪力影响忽略不计）得知：
1
Ma Wa
6 bha2
图5-6
根据温克尔假定，拱脚内（外）边缘的最大沉降������1为： 由于拱脚截面绕中心点转过一个角度������1 ，中心点不产 生水平位移，因此有:
式中： ������������ ----拱脚截面惯性矩������������=bℎ������3/12
⑵ 单位水平力作用时
均匀沉陷时拱脚截面不发生转动，则有：
u2
2
c os a
cos2 a
kabha
2 0
图5-7
（3） 外荷载作用时
在外荷载作用下，基本结构中拱脚点处产生弯矩
M
0 和轴向
ap
力
N
0 ap
，如图5-8所示，拱脚截面的转角
0 ap
和水平位移ua0p
为：
0 ap
M
0 ap
1
H
0 ap
(1) 以参照过去隧道工程实践经验进行工程类比为主 的经验设计法;
(2) 以现场量测和试验为主的实用设计方法;
(3) 荷载一结构模型。将围岩对结构的作用简化为荷 载作用于结构上进行计算;
(4) 连续介质模型，将围岩和结构作为整体进行计算。 包括解析法和数值法，数值计算法前主要是有限 单元法，也可利用各种有限元软件来计算。
铁路隧道衬砌受力计算公式
铁路隧道衬砌受力计算公式隧道是铁路线路中重要的组成部分，它可以穿越山脉、河流等地形障碍，使铁路线路更加通畅。
而隧道的衬砌是保证隧道结构安全稳定的重要组成部分。
在设计和施工隧道衬砌时，需要对其受力情况进行合理的计算，以保证其安全可靠。
在铁路隧道衬砌的受力计算中，需要考虑到多种因素，包括隧道的地质情况、地表荷载、车辆荷载等。
为了准确计算隧道衬砌的受力情况，需要使用一定的公式和方法。
首先，我们来看一下隧道衬砌的受力计算公式：1. 地表荷载的计算公式：地表荷载是指地表以上的荷载，包括建筑物、交通载荷等。
在铁路隧道衬砌的设计中，需要考虑地表荷载对衬砌的影响。
地表荷载的计算公式为：P = qA。
其中，P为地表荷载，q为单位面积的地表荷载值，A为地表面积。
2. 车辆荷载的计算公式：铁路隧道是铁路线路的一部分，车辆荷载是指通过隧道的列车对隧道衬砌的荷载。
车辆荷载的计算公式为：P = qL。
其中，P为车辆荷载，q为单位长度的车辆荷载值，L为车辆长度。
3. 地质荷载的计算公式：地质荷载是指地下岩层对隧道衬砌的荷载。
地质荷载的计算公式为：P = γh。
其中，P为地质荷载，γ为岩层的密度，h为岩层的厚度。
在实际的隧道衬砌设计中，需要综合考虑地表荷载、车辆荷载和地质荷载对隧道衬砌的影响，进行合理的受力计算，以保证隧道衬砌的安全可靠。
除了上述的受力计算公式外，还需要考虑到隧道衬砌的材料和结构形式对受力的影响。
隧道衬砌的材料通常为混凝土、钢筋混凝土等，其受力性能需要通过实验和理论分析进行评定。
而隧道衬砌的结构形式包括单壁式、双壁式、拱形等，不同结构形式对受力的分布和传递方式有所不同，需要进行详细的计算和分析。
在进行隧道衬砌受力计算时，还需要考虑到温度变化、地震荷载等外部因素对隧道衬砌的影响。
温度变化会导致隧道衬砌的膨胀和收缩，地震荷载会对隧道衬砌产生冲击和振动，这些外部因素需要进行合理的考虑和计算。
总之，铁路隧道衬砌受力计算是一个复杂的工程问题，需要考虑多种因素的综合影响。
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第五章隧道衬砌结构检算
5.1结构检算一般规定
为了保证隧道衬砌结构的安全，需对衬砌进行检算。
隧道结构应按破损阶段法对构件截面强度进行验算。
结构抗裂有要求时，对混凝土应进行抗裂验算。
5.2 隧道结构计算方法
本隧道结构计算采用荷载结构法。
其基本原理为：隧道开挖后地层的作用主要是对衬砌结构产生荷载，衬砌结构应能安全可靠地承受地层压力等荷载的作用。
计算时先按地层分类法或由实用公式确定地层压力，然后按照弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌结构的内力，并进行结构截面设计。
5.3 隧道结构计算模型
本隧道衬砌结构验算采用荷载—结构法进行验算，计算软件为ANSYS10.0。
取单位长度（1m）的隧道结构进行分析，建模时进行了如下简化处理或假定：
①衬砌结构简化为二维弹性梁单元（beam3），梁的轴线为二次衬砌厚度中线位置。
②围岩的约束采用弹簧单元（COMBIN14），弹簧单元以铰接的方式支撑在衬砌梁单元之间的节点上，该单元不能承受弯矩，只有在受压时承受轴力，受拉时失效。
计算时通过多次迭代，逐步杀死受拉的COMBIN14单元，只保留受压的COMBIN14单元。
图5-1 受拉弹簧单元的迭代处理过程
③衬砌结构上的荷载通过等效换算，以竖直和水平集中力的模式直接施加到梁单元节点上。
④衬砌结构自重通过施加加速度来实现，不再单独施加节点力。
⑤衬砌结构材料采用理想线弹性材料。
⑥衬砌结构单元划分长度小于0.5m。
隧道结构计算模型及荷载施加后如图5-2所示。
5.4 结构检算及配筋
本隧道主要验算明洞段、Ⅴ级围岩段和Ⅳ级围岩段衬砌结构。
根据隧道规范深、浅埋判定方法可知，Ⅴ级围岩段分为超浅埋段、浅埋段和深埋段。
Ⅳ级围岩段为深埋段。
根据所给的材料基本参数和修改后的程序，得出各工况下的结构变形图、轴力图、建立图和弯矩图。
从得出的结果可知，Ⅴ级围岩深埋段，所受内力均较大，故对此工况进行结构检算。
5.4.1 材料基本参数 (1)Ⅴ级围岩
围岩重度318.5/kN m γ=，弹性抗力系数300/k MPa m =，计算摩擦角
045ϕ=，泊松比u=0.4。
(2) C25钢筋混凝土
容重325/kN m γ=，截面尺寸 1.00.6b h m m ⨯=⨯，弹性模量29.5Pa E G =。
轴心抗压强度：12.5cd a f MP =；弯曲抗压强度：13.5cmd a f MP =；轴心抗拉强度:
1.33cd a f MP =;泊松比u=0.2；
(3) HPB235钢筋物理力学参数
密度：37800/s kg m ρ=； 抗拉抗压强度：188std scd a f f MP ==； 弹性模量：
210s a E GP =；
5.4.2 结构内力图和变形图（Ⅴ级围岩深埋段） 5.4.3 结构安全系数
从上面的轴力图和弯矩图可知，需要对截面8、11、21、47、73进行检算，
而根据对称性可知只需要对截面8、11、47进行检算。
（1）配筋前检算
混凝土和砌体矩形截面轴心及偏心受压构件的抗压强度应按下式计算：
a KN R bh ϕα≤ （式5-1）
式中：a R —混凝土或砌体的抗压极限强度（C25取19a MP ）；
K —安全系数； N —轴向力； h —截面厚度（m ）；
b —截面宽度，取1m ；
ϕ—构件纵向弯曲系数，取1；
α
—轴向力偏心系数系数；
按抗裂要求，混凝土矩形截面偏心受压构件的抗拉强度应按下式计算：
101.75/(6/1)KN R bh e h ϕ≤- （式5-2） 1R —混凝土的抗拉极限强度（C25取2a MP ）
按照式5-1和5-2，可求出安全系数如下表：
而隧道设计规范规定，混凝土和砌体结构的强度安全系数如表5-1：
表5-1 混凝土和砌体结构的强度安全系数
故需要对截面进行配筋。
（2）配筋后检算
根据隧道设计规范规定及工程类比，截面配筋情况为：每延米受拉钢筋：4
根Φ22，每延米受压钢筋数量：4根Φ22，为对称配筋，且混凝土保护层为5cm 。
检算原理如下：
隧道衬砌结构属于偏心受压矩形构件，根据钢筋混凝土结构偏心受压构件强度计算原理，求解结构的安全系数。
其步骤如下： (1) 计算偏心距0e
N M e /0= （式5-3）
式中：M —弯矩；
N —轴向力。
(2) 确定截面受压区高度x
先假设衬砌截面受拉钢筋和受压钢筋面积分别为s A 和s A '，按下列公式计算出受压区高度x ，即可以确定截面中性轴位置。
)2/()(0x h e bx R e A e A R w s
s g +-='' （式5-4） 解方程得：
)()/()(2)(020h e b R e A e A R h e x w s
s g --''+-= （式5-5） 式中：e —轴向力到受拉钢筋重心的距离，)2/(0a h e e -+=；
e '—轴向力到受压钢筋重心的距离，'0/2e h e a '=--；
a —钢筋s A 的重心到截面受拉边缘的距离；
a '—钢筋s A '的重心到截面受压边缘的距离； g R —钢筋的抗拉计算强度标准值（取235a MP ）
； w R —混凝土弯曲抗压极限强度标准值（取18.5a MP ）； 0h —混凝土受压区边缘到受拉钢筋重心的距离；
b —衬砌计算截面宽度，取1m 。
当轴向力N 位于作用于钢筋s A 和s A '重心之间时，式（5-4）和式(5-5)中取正值；当N 作用于两重心以外时，则取负号。
(3) 确定截面大小偏心类型
如果x ≤0.550h ，矩形截面为大偏心受压构件，否则为小偏心受压构件。
(4) 强度检算
1) 大偏心受压构件
如果a x '≥2，按下式进行强度检算：
)(s s
g b A A R bx R KN -'+≤ （式5-6） 否则a x '<2，按下式进行强度检算：
)(0a h A R e KN s g '-≤' （式5-7） 2) 小偏心受压构件 按下式进行强度检算：
)(5.002
0a h A R bh R KNe s
g a '-'+≤ （式5-8） 如果轴向力N 位于钢筋s A 的重心与钢筋As 的重心之间的情况下，还应符合下列式子：
)(5.002
0a h A R bh R e KN s g a -+≤' （式5-9）
根据以上步骤求得检算截面受力的相关参数如下表5-2： 表5-2 检算截面相关参数
5.5 结论
《公路隧道设计规范》中钢筋混凝土结构的强度安全系数，见表5-3：
表5-3 钢筋混凝土结构的强度安全系数[
通过比较表5-2和表5-3可知，Ⅴ级围岩二次衬砌所配钢筋符合要求，比较经济合理。