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铜锣山隧道喇叭口洞门结构 计算报告 西南交通大学 二00四年五月 铜锣山隧道喇叭口洞门结构计算报告 一、计算模型及参数 1、计算参数 表1 计算材料物理力学指标 地层和材料名称 材 料 参 数 E/GPa μ γ（kN.m-3） 围岩 1.0 0.4 20 C25钢筋砼拱墙及仰拱 29.5 0.2 25 仰拱C15片石砼回填 15 0.2 25 2、计算模型 本次计算范围选取为：上部至地表，下部取至隧道仰拱以下30m。左右各取40m，隧道纵向40m（包括15m隧道洞身+隧道洞门喇叭口段）。计算域左右有水平约束，下部有垂直约束，地表为自由边界，前后有垂直其面的纵向约束。计算中，用平面4面体模拟围岩、衬砌、喇叭口。计算模型总单元数为354474个，总节点数为68958个。具体见下图。 图1 有限元网格划分图 图2 效果图 二、计算内容 喇叭口洞门段整体稳定性； 2-2（最大采光孔）、3-3（第二大采光孔）、4-4（最小采光孔）断面应力分布情况； 喇叭口衬砌仰拱基底应力分布情况； 三、计算结果 1、整体稳定性计算 图3 抗倾覆计算参数图 根据图3，计算结果如下： G1和G2对O点取矩，令：M1=G1×6.53＝7.2e6×6.53＝4.7e7 M2=G2×4.01＝1.9e6×4.01＝7.62e6 则：喇叭口洞门抗倾覆稳定安全系数为 k＝M1÷M2＝4.7e7÷7.62e6＝6.17 因此，喇叭口洞口段整体是稳定的、安全的。 2、各断面应力分布情况 图4 2-2断面最大主应力分布情况 图5 2-2断面最小主应力分布情况 图6 3-3断面最大主应力分布情况 图7 3-3断面最小主应力分布情况 图8 4-4断面最大主应力分布情况 图9 4-4断面最小主应力分布情况 衬砌内侧最大主应力分布情况 衬砌外侧最大主应力分布情况 图10 整体衬砌最大主应力分布情况 衬砌内侧最小主应力分布情况 衬砌外侧最小主应力分布情况 图11 整体衬砌最小主应力分布情况 通过对上图的分析，可以得出以下结论： 表2 各断面最大（小）主应力值及其位置 断面位置 2-2断面 3-3断面 4-4断面 整体情况 最大主应力 1.0Mpa 1.2Mpa 0.5Mpa 1.2Mpa 最大主应力位置 拱顶下边缘 拱顶下边缘 拱顶下边缘 第二采光孔拱部内边缘 最小主应力 -2.0Mpa -4.0Mpa -2.0Mpa -4.0Mpa 最小主应力位置 喇叭口衬砌第一采光孔下边缘 悬臂段洞口与喇叭口衬砌相交处 悬臂段第一采光孔下部内边缘 悬臂段与喇叭口衬砌相交处 由表2可以看出： 2-2断面最大主应力为1.0Mpa，出现位置为拱部下边缘；最小主应力为-2.0Mpa，出现位置为喇叭口衬砌第一采光孔下边缘。在《铜锣山隧道邻水端洞门结构设计图纸》中，喇叭口衬砌采用C25钢筋砼灌注，根据《铁路隧道设计规范》的规定，C25砼极限抗拉强度为2.0Mpa，极限抗压强度为-19.0Mpa，计算出2-2断面的应力均小于规范规定的数值，因此2-2断面是安全的，只需进行构造配筋即可满足要求。 3-3断面最大主应力为1.2 Mpa，出现位置为拱部下边缘；最小主应力为-4Mpa，出现位置为悬臂段洞口与喇叭口衬砌相交处。计算出3-3断面的应力均小于规范规定的数值，因此3-3断面是安全的，只需进行构造配筋即可满足要求。 4-4断面最大主应力为0.5 Mpa，出现位置为拱部下边缘；最小主应力为-2Mpa，出现位置为悬臂段第一采光孔下部内边缘。计算出4-4断面的应力均小于规范规定的数值，因此4-4断面是安全的，只需进行构造配筋即可满足要求。 从洞门整体结构的应力分布来看，其最大主应力为1.2Mpa，最小主应力为-4Mpa，均小于规范规定的数值，即喇叭口衬砌及悬臂段只需进行构造配筋就可以满足结构的受力要求。 3、基底应力分布情况 图12 喇叭口衬砌仰拱基底最大主应力分布情况 图13 喇叭口衬砌仰拱基底最小主应力分布情况 由图12及图13，可以看出：喇叭口衬砌仰拱基底最大主应力为-0.001Mpa，出现在喇叭口衬砌仰拱基底前方（即喇叭口衬砌与悬臂段相接的基底下方），这与前面讨论的喇叭口洞口段整体稳定性是一致的；最小主应力为-0.4Mpa出现在喇叭口衬砌仰拱基底后方。通过以上分析，可以得出：在喇叭口衬砌仰拱基底应力未出现拉应力状态，这