地鐵區(qū)間暗挖法施工隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算書

1、PAGE 地鐵區(qū)間暗挖法施工隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算書一、設(shè)計(jì)任務(wù)對(duì)某區(qū)間隧道進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算，求出內(nèi)力，并進(jìn)行配筋計(jì)算。具體設(shè)計(jì)基本資料如下：1.1 工程地質(zhì)條件線路垂直于永定河沖、洪積扇的軸部，第四紀(jì)地層沉積韻律明顯，地層由上到下依次為：雜填土、粉土、細(xì)砂、圓礫土、粉質(zhì)粘土、卵石土。其主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1，本地區(qū)地震烈度為7度。表1 各層土的物理力學(xué)指標(biāo)土的類型厚度（m）重度（kN/m3）彈性抗力系數(shù)(Mpa/m）變形模量E（GPa）泊松比內(nèi)摩擦角（）粘聚力C(Mpa)雜填土5.916500.80.4200.005粉土3.218900.90.35210.01細(xì)砂4.9191001.20.32220.

2、01圓礫土9.819.51201.50.32250.01粉質(zhì)粘土5.220.01501.80.32230.02卵石土6.720.02002.00.30270.03基巖223002.50.35350.041.2 其他條件地下水位在地面以下4.2處；隧道頂板埋深10.7m；采用暗挖法施工，隧道斷面型式為5心圓馬蹄形結(jié)構(gòu)。二、設(shè)計(jì)過程2.1 根據(jù)給定的隧道或車站埋深判斷結(jié)構(gòu)深、淺埋；可以采用鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范推薦的方法，即有 h*=0.452s-11+i(B-5) 上式中s為圍巖的級(jí)別；B為洞室的跨度；i為B每增加1m時(shí)的圍巖壓力增減率。 由于隧道拱頂埋深10.7m，位于粉土層、細(xì)砂層和圓礫土中，根據(jù)

3、地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范10.1.2可知“暗挖結(jié)構(gòu)的圍巖分級(jí)按現(xiàn)行鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范確定”。圍巖為級(jí)圍巖。則有 h*=0.452s-11+iB-5 =0.4526-11+0.16-5 =15.84m因?yàn)槁裆頷c=10.7mh*=15.84m，可知該隧道為極淺埋。2.2 計(jì)算作用在結(jié)構(gòu)上的荷載； 1 永久荷載A 頂板上永久荷載a. 頂板自重（可只考慮二襯） q=.d =250.3=7.5KPab. 地層豎向土壓力 由于拱頂埋深10.7m，則頂上土層有雜填土、粉土、細(xì)砂，且地下水埋深4.2m，應(yīng)考慮土層壓力和地下水壓力的影響。 q 頂=ihi =4.216+5.9-4.224-10+3.226-10+1.627

4、-10 =169.4KPac. 地層豎向水壓力 q 水頂=w.h=10.710.7-4.2=65KPaB 底板上永久荷載 a. 底板自重 q=.d =250.3=7.5KPab. 水壓力（向上）： q 水底=w.h=1010.7-4.2+6.63=131.3KPaC 側(cè)墻上永久荷載 地層側(cè)向壓力按主動(dòng)土壓力的方法計(jì)算，由于埋深在地下水位以下，需考慮地下水的影響。(為簡化計(jì)算，按水土分算)a. 側(cè)墻自重q=.d =255=125KPab. 對(duì)于隧道側(cè)墻上部土壓力： 用朗肯主動(dòng)土壓力方法計(jì)算Ka=tan245o-2=tan245o-222=0.455 q 側(cè)=ihiKa =4.216+1.724-

5、10+3.226-10+1.627-10Ka =77.07KPac. 對(duì)于隧道側(cè)墻圖層分界處土壓力Ka上=tan245o-上2=tan245o-222=0.455Ka下=tan245o-下2=tan245o-252=0.406 q 上=ihiKa上=4.216+1.724-10+3.226-10+4.927-10Ka上=102.6KPa q 下=ihiKa下 =4.216+1.724-10+3.226-10+4.927-10Ka下=91.3KPad. 對(duì)于隧道圓心高度土壓力 q 上=ihiKa上=4.216+1.724-10+3.226-10+（4.9-0.75）27-10Ka上=89.85K

6、Pae. 對(duì)于隧道側(cè)墻底部土壓力Ka=tan245o-2=tan245o-252=0.405 q 側(cè)=ihiKa =4.216+1.724-10+3.226-10+4.927-10+3.0327.5-10Ka =112.76KPaf. 對(duì)于隧道側(cè)墻水壓力 q 水圓心=w.h1=10（10.7-4.2+1.8）=83KPa q 水底=w.h2=10（10.7-4.2+6.33）=128.3KPa 2 可變荷載A 頂板上可變荷載 按地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范10.2.1中第三條規(guī)定：在道路下面的潛埋暗挖隧道，地面的車輛荷載按10KPa的均布荷載取值，并不計(jì)動(dòng)力作用影響。人行荷載可以不用考慮。B 底板上可變荷載

7、主要為列車車輛運(yùn)行的可變荷載，一般取為 140419.625=5.7KPaC 側(cè)墻上可變荷載 由于到隧道上部地面車輛的運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致側(cè)向壓力的增大： q 倒=10Ka=100.415=4.15KPa 3 偶然荷載在本設(shè)計(jì)中，僅考慮比較簡單的情況，偶然荷載可以不用計(jì)算。2.3 進(jìn)行荷載組合 1、承載能力極限狀態(tài)荷載組合采用1.2恒載+1.4活載根據(jù)以上各種計(jì)算，作用在隧道上的設(shè)計(jì)荷載有：拱頂： 設(shè)計(jì)恒載：-290.3 KPa 設(shè)計(jì)活載：-14 KPa底板： 設(shè)計(jì)恒載：148.6 KPa 設(shè)計(jì)活載：-7 KPa側(cè)墻（頂部）： 設(shè)計(jì)恒載： 170.5 KPa（x方向；-150 KPa（y方向） 設(shè)計(jì)活

8、載： 5.81 KPa（x方向）；-175 KPa（y方向）（底部）： 設(shè)計(jì)恒載： 292.6 KPa（x方向）；-150 KPa（y方向） 設(shè)計(jì)活載： 3.262 KPa（x方向）；-175 KPa（y方向）2、正常使用極限狀態(tài)荷載組合采用 恒載+活載根據(jù)以上各種計(jì)算，作用在隧道上的設(shè)計(jì)荷載有：拱頂： 設(shè)計(jì)恒載：-241.9 KPa 設(shè)計(jì)活載：-10 KPa底板： 設(shè)計(jì)恒載：123.8 KPa 設(shè)計(jì)活載：-5 KPa側(cè)墻（頂部）： 設(shè)計(jì)恒載： 142.1 KPa（x方向；-125 KPa（y方向） 設(shè)計(jì)活載： 4.15 KPa（x方向）；-125 KPa（y方向）（底部）： 設(shè)計(jì)恒載：243

9、.8KPa（x方向）；-125 KPa（y方向） 設(shè)計(jì)活載： 2 KPa（x方向）；-125 KPa（y方向）2.4 繪出結(jié)構(gòu)受力圖 根據(jù)荷載組合值，可以分別計(jì)算出拱頂、底板、側(cè)墻和中墻的設(shè)計(jì)荷載值，如下圖：2.5 利用midas程序計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力首先應(yīng)進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，然后定義荷載和截面，加入邊界條件。 在midas程序中施加各類荷載，然后運(yùn)行后就可得到單元內(nèi)力，彎矩圖和軸力圖（如下）。承載能力極限狀態(tài)隧道斷面的彎矩圖隧道斷面的軸力圖正常使用極限狀態(tài)2.6 結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算和截面配筋圖繪制（隧道結(jié)構(gòu)取最不利截面配筋）1. 配筋計(jì)算經(jīng)過計(jì)算，可知中墻頂部為最不利位置，沿隧道縱向取1m的計(jì)算單元，彎矩最大

10、為204.05kN.m，軸力為383.55kN，以此截面為控制截面進(jìn)行配筋，為簡便計(jì)算，可以對(duì)稱配筋。由于截面長度b=1.0m，高度h=0.4m，計(jì)算長度L=0.5m，由于鋼筋采用二級(jí)HRB335，混凝土C30，保護(hù)層厚度為50mm，相對(duì)界限受壓區(qū)高度。偏心距受壓區(qū)高度可以采用，滿足間距要求（如右圖）。對(duì)于中墻，承受壓力較大，為883kN ,而且彎矩非常小，可看作軸心受壓構(gòu)件。 2. 裂縫驗(yàn)算裂縫驗(yàn)算公式：由于是偏心受壓構(gòu)件：，其中， 則有此時(shí)裂縫不滿足要求，可以增加鋼筋截面面積，經(jīng)重新設(shè)計(jì)驗(yàn)算，取則有由于在裂縫計(jì)算中是要求用標(biāo)準(zhǔn)荷載，而現(xiàn)在是用設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果稍微有一些出入，但強(qiáng)度和裂

11、縫都能得到滿足。 最后的截面配筋圖如下：參考資料：1 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范GB5015720032 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范TB1000320053 賀少輝地下工程2008年版 北京交通大學(xué)出版社、清華大學(xué)出版社4 關(guān)寶樹地下工程2007年版 高等教育出版社5 李志業(yè)、曾艷華地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理與方法 2005年版 西南交通大學(xué)出版社6 曾亞武地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理 2006年版 武漢大學(xué)出版社7 程文襄、王鐵成混凝土結(jié)構(gòu) 2008年版 中國建筑工業(yè)出版社三、附錄3.1. 地下結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本次地下結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)是進(jìn)行城市地鐵區(qū)間隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，涉及“地下工程”這門課的主要理論，通過設(shè)計(jì)，使學(xué)生

12、更深入地掌握所學(xué)理論。一、基本要求對(duì)設(shè)計(jì)從全局上把握，思路清晰，獨(dú)立完成全部設(shè)計(jì)任務(wù)；設(shè)計(jì)計(jì)算正確無誤，圖紙清晰，符合規(guī)范要求；按計(jì)劃及時(shí)上交設(shè)計(jì)，每位同學(xué)的計(jì)算參數(shù)不同，如發(fā)現(xiàn)抄襲者，將記為零分。二、設(shè)計(jì)任務(wù)對(duì)某區(qū)間隧道進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算，求出內(nèi)力，并進(jìn)行配筋計(jì)算。具體設(shè)計(jì)基本資料如下：1、工程地質(zhì)條件線路垂直于永定河沖、洪積扇的軸部，第四紀(jì)地層沉積韻律明顯，地層由上到下依次為：雜填土、粉土、細(xì)砂、圓礫土、粉質(zhì)粘土、卵石土。其主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1，本地區(qū)地震烈度為7度。表1 各層土的物理力學(xué)指標(biāo)土的類型厚度（m）天然重度（kN/m3）飽和重度（kN/m3）彈性抗力系數(shù)(Mpa/m）變形模量E（G

13、Pa）泊松比內(nèi)摩擦角（）粘聚力C(Mpa)雜填土3.01624500.80.4200.005粉土4.01826900.90.35210.01細(xì)砂5.019271001.20.32220.01圓礫土3.519.527.51201.50.32250.01粉質(zhì)粘土6.020.0281501.80.32230.02卵石土10.020.028.52002.00.30270.03基巖223002.50.35350.042、其他條件地下水位在地面以下5m處；隧道拱頂埋深6m；采用暗挖法施工，隧道斷面型式為雙聯(lián)拱結(jié)構(gòu)（隧道斷面圖QJ10-JG-04）。三、設(shè)計(jì)過程根據(jù)給定的隧道或車站埋深判斷結(jié)構(gòu)深、淺埋；計(jì)算

14、作用在結(jié)構(gòu)上的荷載（僅按使用階段考慮）；進(jìn)行荷載組合；繪出結(jié)構(gòu)受力圖；利用Frame或Sap或ANSYS或其他程序計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力；結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算和截面配筋圖繪制；（隧道結(jié)構(gòu)取最不利截面配筋）提交完整的設(shè)計(jì)書。四、成果提交成果包括兩部分：計(jì)算書和圖紙。計(jì)算書應(yīng)規(guī)范，包括設(shè)計(jì)基本資料、詳細(xì)的計(jì)算過程、結(jié)構(gòu)受力圖、內(nèi)力圖、配筋計(jì)算。圖紙應(yīng)清晰，各項(xiàng)計(jì)算符合規(guī)范要求且應(yīng)列出參考文獻(xiàn)。3.2 Frame結(jié)構(gòu)程序054,55,0,0,2,1,1,1,1,11,1,0.0169,-0.18082,1,0.3986,-2.17253,1,1.0595,-2.33204,1,1.7231,-2.46515,1,2.

15、4000,-2.52256,1,3.1000,-2.48267,1,3.7785,-2.35588,1,4.3532,-2.15039,1,4.7737,-1.707910,1,4.9545,-1.162011,1,5.0842,-0.568012,1,5.1230,-0.024313,1,5.1329,0.509314,1,5.0526,1.053915,1,4.8758,1.564116,1,4.6299,1.976917,1,4.2781,2.381618,1,3.8821,2.684819,1,3.3469,2.943620,1,2.7499,3.075821,1,2.0407,3.0

16、53722,1,1.4345,2.866723,1,0.9262,2.566324,1,0.5072,2.163025,1,0.0071,1.848626,1,-0.5072,2.163027,1,-0.9262,2.566328,1,-1.4345,2.866729,1,-2.0407,3.053730,1,-2.7499,3.075831,1,-3.3469,2.943632,1,-3.8821,2.684833,1,-4.2781,2.381634,1,-4.6299,1.976935,1,-4.8758,1.564136,1,-5.0526,1.0539 37,1,-5.1329,0.

17、509338,1,-5.1230,-0.024339,1,-5.0842,-0.568040,1,-4.9545,-1.162041,1,-4.7737,-1.707942,1,-4.3532,-2.150343,1,-3.7785,-2.355844,1,-3.1000,-2.482645,1,-2.4000,-2.522546,1,-1.7231,-2.465147,1,-1.0595,-2.322048,1,-0.3986,-2.172549,1,0.0,-1.390450,1,0.0,-0.813451,1,0.0,-0.223652,1,0.0,0.332653,1,0.0,0.96

18、4654,1,0.0,1.52081,1,1,22,1,2,33,1,3,44,1,4,55,1,5,66,1,6,77,1,7,88,1,8,99,1,9,1010,1,10,1111,1,11,1212,1,12,1313,1,13,1414,1,14,1515,1,15,1616,1,16,1717,1,17,1818,1,18,1919,1,19,2020,1,20,2121,1,21,2222,1,22,2323,1,23,2424,1,24,2525,1,25,2626,1,26,2727,1,27,2828,1,28,2929,1,29,3030,1,30,3131,1,31,3

19、232,1,32,3333,1,33,3434,1,34,3535,1,35,3636,1,36,3737,1,37,3838,1,38,3939,1,39,4040,1,40,4141,1,41,4242,1,42,4343,1,43,4444,1,44,4545,1,45,4646,1,46,4747,1,47,4848,1,48,149,1,1,4950,1,49,5051,1,50,5152,1,51,5253,1,52,5354,1,53,5455,1,54,253.0e7,1.25e7,5.333e-3,0.4,1.2,1.2e5,0,0,0,0.4,0.23.0e7,1.25e7

20、,10.417e-3,0.5,1.2,1.2e5,0,0,0,0.5,0.251,1,1,22,1,1,23,1,1,24,1,1,25,1,1,26,1,1,27,1,1,28,1,1,29,1,1,210,1,1,211,1,1,212,1,1,213,1,1,214,1,1,215,1,1,216,1,1,217,1,1,118,1,1,119,1,1,120,1,1,121,1,1,122,1,1,123,1,1,124,1,1,125,1,1,126,1,1,127,1,1,128,1,1,129,1,1,130,1,1,131,1,1,132,1,1,133,1,1,234,1,1

21、,235,1,1,236,1,1,237,1,1,238,1,1,239,1,1,240,1,1,241,1,1,242,1,1,243,1,1,244,1,1,245,1,1,246,1,1,247,1,1,248,1,1,249,1,2,150,1,2,151,1,2,152,1,2,153,1,2,154,1,2,155,1,2,13,551,0 ,68.82,0,0,12,0, 68.82,0,0,13,0, 68.82,0,0,14,0,61.82,0,0,15,-208.532,61.82,0,0,16,-206.642,61.82,0,0,17,-202.882,68.82,0,

22、0,18,-195.542,-21,0,0,19,-184.352, -21,0,0,110,-174.572, -21,0,0,111,-158.552, -21,0,0,112,-146.352, -21,0,0,113,-134.142, -21,0,0,114,-122.202, -21,0,0,115,-111.752, -21,0,0,116,-102.492, -21,0,0,117,-94.479, -21,0,0,118,-87.666,-172.2,0,0,119,-83.687,-172.2,0,0,120,0,-179.2,0,0,121,0,-179.2,0,0,12

23、2,0, -179.2,0,0,123,0, -179.2,0,0,124,0, -179.2,0,0,125,0, -179.2,0,0,126,0, -179.2,0,0,127,0, -179.2,0,0,128,0, -179.2,0,0,129,0, -179.2,0,0,130,83.687,-172.2,0,0,131,87.666,-172.2,0,0,132,94.479, -21,0,0,133,102.492, -21,0,0,134,111.752, -21,0,0,135,122.202, -21,0,0,136,134.142, -21,0,0,137,146.35

24、2, -21,0,0,138,158.552, -21,0,0,139,174.572, -21,0,0,140,184.352, -21,0,0,141,195.542,-21,0,0,142,202.882,68.82,0,0,143,206.642,61.82,0,0,144,208.532,61.82,0,0,145,0,61.82,0,0,146,0, 68.82,0,0,147,0, 68.82,0,0,148,0 ,68.82,0,0,149,0 ,-15,0,0,150,0 ,-15,0,0,151,0 ,-15,0,0,152,0 ,-15,0,0,153,0 ,-15,0,

25、0,154,0 ,-15,0,0,155,0 ,-15,0,0,13.3 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果 (15). TOTAL INTER FORCE ELEMENT ELEMENT NO. NODE1-N NODE1-Q NODE1-M NODE2-N NODE2-Q NODE2-M 1 -0.45495E+03 0.35069E+02 -0.11464E+02 -0.42916E+03 -0.12376E+03 -0.16422E+03 2 -0.27538E+03 -0.34316E+03 0.16422E+03 -0.26471E+03 0.16541E+03 0.55106E+01 3 -0.239

26、28E+03 -0.17934E+03 -0.55113E+01 -0.23030E+03 0.56104E+02 0.82076E+02 4 -0.21019E+03 -0.82834E+02 -0.82076E+02 -0.20666E+03 0.21276E+01 0.10886E+03 5 -0.20325E+03 -0.31199E+02 -0.10886E+03 -0.19741E+03 -0.35979E+02 0.10651E+03 6 -0.21115E+03 0.85118E+01 -0.10651E+03 -0.19309E+03 -0.86828E+02 0.74488

27、E+02 7 -0.22861E+03 0.46569E+02 -0.74488E+02 -0.20267E+03 -0.15351E+03 0.14742E+02 8 -0.29025E+03 0.34890E+01 -0.14742E+02 -0.22426E+03 -0.15355E+03 -0.31668E+02 9 -0.30936E+03 -0.80606E+02 0.31668E+02 -0.27412E+03 -0.11873E+03 -0.41486E+02 10 -0.32513E+03 -0.94225E+02 0.41486E+02 -0.30035E+03 -0.13

28、558E+03 -0.52964E+02 11 -0.32977E+03 -0.92478E+02 0.52965E+02 -0.32282E+03 -0.11592E+03 -0.58806E+02 12 -0.33151E+03 -0.64971E+02 0.58806E+02 -0.32985E+03 -0.13791E+03 -0.78019E+02 13 -0.32617E+03 -0.66321E+02 0.78019E+02 -0.33516E+03 -0.12179E+03 -0.93403E+02 14 -0.30988E+03 -0.64160E+02 0.93403E+0

29、2 -0.32679E+03 -0.81469E+02 -0.98637E+02 15 -0.28885E+03 -0.66313E+02 0.98636E+02 -0.30802E+03 -0.14426E+02 -0.86888E+02 16 -0.26397E+03 -0.88440E+02 0.86889E+02 -0.28561E+03 0.59000E+02 -0.48748E+02 17 -0.24633E+03 -0.13162E+03 0.48748E+02 -0.26402E+03 0.10760E+03 0.10908E+02 18 -0.23690E+03 -0.158

30、63E+03 -0.10908E+02 -0.21720E+03 0.65787E+02 0.77616E+02 19 -0.19621E+03 -0.11406E+03 -0.77616E+02 -0.18478E+03 0.11299E+02 0.11594E+03 20 -0.17629E+03 -0.56500E+02 -0.11594E+03 -0.18025E+03 -0.70527E+02 0.11097E+03 21 -0.19249E+03 0.20267E+02 -0.11097E+03 -0.22451E+03 -0.12407E+03 0.65183E+02 22 -0

31、.24721E+03 0.68496E+02 -0.65183E+02 -0.29355E+03 -0.14691E+03 0.15910E+01 23 -0.31950E+03 0.75308E+02 -0.15907E+01 -0.37156E+03 -0.12941E+03 -0.57936E+02 24 -0.33744E+03 0.20236E+03 0.57936E+02 -0.38513E+03 -0.27823E+03 -0.19988E+03 25 -0.38355E+03 -0.28435E+03 0.20405E+03 -0.33548E+03 0.20572E+03 -

32、0.56345E+02 26 -0.37197E+03 -0.12843E+03 0.56345E+02 -0.31990E+03 0.74337E+02 0.26165E+01 27 -0.29416E+03 -0.14606E+03 -0.26167E+01 -0.24782E+03 0.67641E+02 0.65704E+02 28 -0.22531E+03 -0.12338E+03 -0.65704E+02 -0.19329E+03 0.19580E+02 0.11105E+03 29 -0.18121E+03 -0.70079E+02 -0.11105E+03 -0.17725E+

33、03 -0.56948E+02 0.11571E+03 30 -0.18582E+03 0.11499E+02 -0.11571E+03 -0.19724E+03 -0.11426E+03 0.77261E+02 31 -0.21826E+03 0.65746E+02 -0.77261E+02 -0.23796E+03 -0.15859E+03 0.10578E+02 32 -0.26504E+03 0.10735E+03 -0.10578E+02 -0.24735E+03 -0.13137E+03 -0.48952E+02 33 -0.28656E+03 0.58544E+02 0.4895

34、2E+02 -0.26492E+03 -0.88276E+02 -0.86924E+02 34 -0.30893E+03 -0.14751E+02 0.86924E+02 -0.28976E+03 -0.66214E+02 -0.98569E+02 35 -0.32765E+03 -0.81752E+02 0.98568E+02 -0.31074E+03 -0.64073E+02 -0.93233E+02 36 -0.33599E+03 -0.12204E+03 0.93233E+02 -0.32700E+03 -0.66234E+02 -0.77754E+02 37 -0.33066E+03

35、 -0.13813E+03 0.77754E+02 -0.33232E+03 -0.64895E+02 -0.58456E+02 38 -0.32362E+03 -0.11604E+03 0.58456E+02 -0.33057E+03 -0.92605E+02 -0.52610E+02 39 -0.30115E+03 -0.13556E+03 0.52609E+02 -0.32593E+03 -0.94614E+02 -0.41241E+02 40 -0.27496E+03 -0.11843E+03 0.41242E+02 -0.31020E+03 -0.81438E+02 -0.31738E+02 41 -0.22537E+0