山岭隧道结构设计计算书.doc

1、地铁区间隧道结构设计计算书 1 第一章 总则 对某区间隧道进行结构检算，求出内力，并进行配筋计算。具体设计基本资料如下： 1.1 设计 条件 隧道拱顶埋深为 5 m； 隧道围岩等级为 III 级，围岩重度为 28kN/m3，围岩的内摩擦角 =60，似摩擦角 *=68，围岩侧压力系数取为 0.3。 ；采用暗挖法施工，隧道断面型式为 6 心圆马蹄形结构。 结构尺寸如图所示： 图 1 隧道尺寸示意图 地铁区间隧道结构设计计算书 2 1.2 设计原则 山岭地区的地下 工程是 包括铁路、公路、水工隧道和地下储库等位于山岭内部的地下建筑物。 对于公路隧道而言，主体规划设计主要考虑 4 个方面的问题： （

2、1） 隧道（里面、平面）线型的选择，需要考虑地表条件、地层条件、地下水条件和既有临近建筑及设施； （ 2） 隧道施工对地层的影响，需要分析地层的变形、荷载和稳定性特征，还需要考虑地下水和地层的渗透性； （ 3） 隧道断面、主体及附属结构形式的选择，需要考虑地层的变形和刚度、衬砌的变形和刚度，以及两者之间的相互作用； （ 4） 隧道防水方案，选择全封闭方案、部分封闭部分排水方案或其他防排水方案。 隧道施工方法的规划设计主要涉及 3 个方面的问题： （ 1） 地层的开挖与出渣，需要考虑地层结构和岩石硬度的变化，还要计入地下水的作用； （ 2） 地层稳定性的维持，需要考 虑地层的自稳特征和站立时间，

3、对注浆或冻结等地层处理方法的适应性； （ 3） 地下水，包括流量与流向，流砂或管涌的可能性，以及处理方法。 公路隧道 结构设计应按照相关的行业规范执行。如建筑结构荷载规范（ GBJ 50009-2001）、人民防空工程设计规范（ GB 50225-95）、 公路 隧道设计规范（ JTG D70-2004）、锚杆喷射混凝土支护技术规范（ GB 50086-2001）、混凝土结构设计规范（ GB 50010-2002）、型钢混凝土组合结构技术规程（ JGJ 138-2001）、钢结构设 计规范（ GBJ 50017-2003）、地下工程防水设计规范（ GB 50108-2001）、 公路工程技术标

4、准（ JTG B01-2003） 等。 地铁区间隧道结构设计计算书 3 图 2 隧道位置示意图 1.3 设计标准 隧道 内部尺寸设计： 结构净宽 16.56m 结构 净高 11.92m 结构底板厚度 550mm 结构顶板厚度 550mm 结构侧板厚度 550mm 1.4 设计依据 建筑结构荷载规范（ GBJ 50009-2001） 人民防空工程设计规范（ GB 50225-95） 公路 隧道设计规范（ JTG D70-2004） 地铁区间隧道结构设计计算书 4 锚杆喷射混凝土支护技术规范（ GB 50086-2001） 混凝土结构设计规范（ GB 50010-2002） 型钢混凝土组合结构技术

5、规程（ JGJ 138-2001） 钢结构设计规范（ GBJ 50017-2003） 地下工程防水设计规范（ GB 50108-2001） 公路工程技术标准（ JTG B01-2003） 1.5 环保措施 在本次设计中，我们采取了以下环境保护措施： 选用无毒无害的防水板，避免对地下水的影响。 严格控制降低地下水位，以免地下水位降低引起地面沉降、地 下管道断裂、建筑物开裂、草木枯萎。 施工场地规划尽量减少对绿化的破坏及对交通的影响。 采用有利于环境保护、符合可持续发展战略的绿色建筑技术，选用有利于环境保护和人群健康的建筑材料及建筑装修材料，选用的建筑材料、涂料等要符合国家的有关部门标准。 各专业

6、应积极采用不产生或少产生污染的新技术、新工艺、新材料、新设备，节约能源，循环（重复）利用资源。引进设备其污染物的排放必须达到国家工广州市制定的标准和符合环境管理法规的有关规定。 第二章 结构设计 地铁区间隧道结构设计计算书 5 2.1 根据给定的隧道或车站埋深判断结构深、浅埋； 根 据公路隧道设计规范，在判定隧道深浅埋时有如下规定： 在矿山法施工的条件下， 级围岩取 *2.5pHh， 级围岩取*2pHh 。根据设计的条件， *2pHh 。 采用 公路 隧道设计规范推荐的方法，即有 *10 .4 5 21 ( 5)shiB (2.1) 上式中 ： s 为围岩的级别； B 为洞室的跨度； i为 B

7、 每增加 1m时的围岩压力增减率 ，以 B=5m 的围岩垂直均布压力为准，当 B5m时，取 i=0.1。 由于隧道拱顶埋深 5m，位于 III 级 的围岩 中，根据 公路隧道设计规范 公式， 则有 311*11 0 . 1 ( 1 6 . 5 6 5 ) 3 . 8 80 .4 5 2 0 .4 5 2 1 ( 5 )0 .4 5 2ssmh i B 因为埋深 * *2 7 . 7 6 5 3 . 8 8ch m h m h m ， 可知该隧道为浅埋 隧道 。 2.2 计算作用在结构上的荷载； 1 永久荷载 A 顶板上永久荷载 a. 顶板自重（可只考虑二衬） 232 5 / 0 . 5 5 1

8、 3 . 7 5 /q d k N m k N m b. 地层竖向土压力 由于拱顶埋深 5m， 根据公路隧道设计规范的浅埋隧道荷载的计算方法，将地层的竖向土压力换算成作用在支护结构上的均布荷载，即： 地铁区间隧道结构设计计算书 6 = (1 ta n )ttQ HqHBB 浅浅 （ 2.2） 式中： 侧压力系数，本设计取 0.3 围岩自重 （ kN/m3） H 隧道埋深，指坑顶至地面的距离（ m） Bt 坑道宽度（ m） 埋深在浅埋范围内时，为便于计算，假定土体中形成的破裂面是一条与水平成 的斜直线。当隧道正上方土体下沉时，带动两侧三棱锥土体下沉，整个土体下沉，又要受到未扰动岩土体的阻力，对于

9、无实测资料时， 可按表 1采用。 表 1 各级围岩的 值 围岩级别 0.9 （ 0.70.9） （ 0.50.7） （ 0.30.5） 代入数据： 25= ( 1 ta n ) 2 8 5 1 0 . 3 ta n ( 0 . 9 6 0 ) 1 6 . 5 61 2 2 . 5 4 /ttQ HqHBBk N m 浅浅 1 22 8 5 0 .3 4 2 /e H k N m 2 22 8 ( 5 1 1 .9 2 1 ) 0 .3 1 4 2 .1 /e h k N m 31211( ) ( 4 2 1 4 2 . 1 ) 9 2 . 0 5 /22 k N me e e B 底板上可变荷

10、载 底板自重（可只考虑二衬） 232 5 / 0 . 5 5 1 3 . 7 5 /q d k N m k N m C 侧墙上永久荷载 a. 侧墙自重 地铁区间隧道结构设计计算书 7 232 5 / 0 . 5 5 1 3 . 7 5 /q d k N m k N m b. 对于隧道侧墙上侧向土压力 地层侧向压力按的 公路隧道设计规范的浅埋隧道荷载的 方法计算 。 作用在支护结构两侧的水平侧压力为： 1eH （ 2.3） 2eh （ 2.4） 当侧压力视为均布荷载时 121 ()2e e e （ 2.5） 式中： 侧压力系数，本设计取 0.3 围岩自重（ kN/m3） H 隧道埋深，指坑顶至地

11、面的距离（ m） h 隧道底部至地面的距离（ m） 代入数据： 1 22 8 5 0 .3 4 2 /e H k N m 2 22 8 ( 5 1 1 .9 2 1 ) 0 .3 1 4 2 .1 /e h k N m 21211( ) ( 4 2 1 4 2 . 1 ) 9 2 . 0 5 /22 k N me e e 2 可变荷载 A 顶板上可变荷载 按 公路隧道设计规范 6.1.4 中第三条规定： 当明洞上方与公路（铁路）立交时，应考虑公路（铁路）荷载，本设计不存在立交，故可不考虑。 人行荷载可以不用考虑。 B 底板上可变荷载 主要为列车车辆运行的可变荷载， 根据公路隧道设计规范 6.1

12、.4 规定，公路车辆荷载计算应按公路工程技术标准的有关规定执行。 地铁区间隧道结构设计计算书 8 C 侧墙上可变荷载 顶板上可变荷载经论证无需考虑，所以侧墙上可变荷载本也无需考虑。 3 偶然荷载 在本设计中，仅考虑比较简单的情况，偶 然荷载可以不用计算。 2.3 进行荷载组合 根据任务书，只需按照基本组合构件计算 ， 1、承载能力极限状态 荷载组合采用 1.35 恒载 +1.4 活载 根据以上各种计算，作用在隧道上的设计荷载有： 拱顶： 设计恒载： -183.99Mpa 底板： 设计恒载： -18.56 Mpa 设计活载： -7 Mpa 侧墙（顶部）： 设计恒载： 56.7 Mpa（ x 方向

13、 ） -18.56 Mpa（ y 方向 ） （底部）： 设计恒载： 191.84 Mpa（ x方向 ） -18.56 Mpa（ y方向 ） 2、正常使用极限状态 荷 载组合采用 恒载 +活载 根据以上各种计算，作用在隧道上的设计荷载有： 拱顶：设计恒载： -136.29 Mpa 底板： 设计恒载： -13.75 Mpa 设计活载： -5 Mpa 侧墙（顶部）： 设计恒载： 42 Mpa（ x方向 ） ； -13.75 Mpa（ y方向 ） （底部）： 设计恒载： 142.1 Mpa（ x方向）； -13.75 Mpa（ y方向） 2.4 绘出结构受力图 根据荷载组合值，可以分别计算出拱顶、底板

14、、侧墙和中墙的设计荷载值，如下图： 1、 承载能力极限状态 地铁区间隧道结构设计计算书 9 2、正常使用极限状态 第三 章 利用 midas 程序计算结构内力 用通用有限元程序 MIDAS/Civil， MIDAS/Civil 是目前最先进的土木结构地铁区间隧道结构设计计算书 10 分析系统，它对土木建筑的分析中所需要的各种功能进行了综合的考虑。在计算机技术方面， MIDAS/Civil 所使 Visual C+，因此可以充分发挥 32bit 视窗环境的优点。以用户为中心的输入输出功能使用的是精确而且直观的用户界面和尖端的电脑图形技术，为土木建筑物的建模和分析提供了很大的便利。 3.1 建立模型 用 midas 软件对结构建立有限元模型，如下图所示。该模型共有 54 个节点，54 个 单元。 3.2 定义截面形状和材料 截面采用矩形截面，如图所示