地下結構大直徑盾構隧道抗震計算與設計

1、地下結構大大直徑盾盾構隧道道抗震計計算與設設計專業(yè)班級：14級隧隧道姓名：*學號：*指導老師：耿萍2014年年12月成都計算概況地基由層厚厚36 m的均均質表層層土與基基巖組成成。計算算模型示示意圖見見圖1-1。地地基條件件見表11-1，表表中 內數(shù)數(shù)值表示示地震時時的量值值。本文文取g=10 m/ss2，則1 tf=110 kkN。盾構隧道外外徑D=9.6 mm，中心心埋深117 mm，上覆覆土層厚厚度122.2 m（1.227D）。盾盾構隧道道襯砌采采用鋼筋筋混凝土土平板形形襯砌，襯襯砌各項項參數(shù)見見表1-2?？箍拐鹩嬎闼銓ο蠛喓唸D見圖圖1-11。利用所給參參數(shù)對盾盾構隧道道縱向及及橫向進

2、進行抗震震設計計計算。表1-1 地基條條件條件表層基巖層層厚36土質沖積粘性土土洪積砂巖單位體積重重量（kkN/mm3）1719N值350以上剪切彈性波波速度地震時時（m/ss）144 1155400 4000剪切彈性模模量（kkN/mm2）360800 22309903102000 31002000泊松比0.480.40表1-2 盾構隧隧道襯砌砌條件盾構隧道中心埋深（m）17.0覆土厚度（m）12.2管片盾構管片類類型RC平板形形外徑D（m）9.60管片中心半半徑R（m）4.55厚度（m）0.50幅寬（m）0.90單位體積重重量（kN/mm3）26.0彈性模量（kN/mm2）351006管片

3、接頭接頭方式組合式金屬屬構件截面接頭數(shù)數(shù)量33拉伸剛度（kN/mm）41055圖1-1 計算模模型示意意圖（單單位：mm）地基振動的的水平位位移振幅幅及波長長計算地基振動水水平位移移振幅計計算由課本11公式式（5.1）可可得由課本11公式式（5.2）可可得在地表處zz=0隧道中心埋埋深處zz=177 m式中：不不同深度度處的地地基水平平位移振振幅：表層地基基的基本本固有周周期：表層地層層層厚：表層地層層地震時時的剪切切彈性波波速度：速度反應應譜，按按課本1圖圖5-22中B類地區(qū)區(qū)取地基振動波波長計算算表層地層振振動波長長基巖層振動動波長則地基振動動波長盾構隧道縱縱向抗震震計算管片等效剛剛度計算

4、算管片等效軸軸向剛度度可由課課本11式（6.3），式式（6.5）計計算得到到。等效效彎曲剛剛度可由由課本1式式（6.8）解解出中性性軸位置置后代入入課本1式式（6.10）計計算得到到。管片截面面面積：管片慣性矩矩：斷面全體接接頭拉伸伸剛度等效壓縮剛剛度：等效拉伸剛剛度：剛性比將，代入入課本1式式（6.88）（6.8）解之得，中中性軸角角度中性軸位置置等效彎曲剛剛度剛性比將以上各等等效剛度度計算結結果匯總總，見表表3-11。表3-1 管片等等效剛度度計算結結果表襯砌參數(shù)彈性系數(shù)ES(kN/mm2)3.51107外徑D（m）9.60管片中心半半徑R（m）4.55幅寬l（m）0.50厚度lS（m）0

5、.90截面面積AS（m2）14.2887截面慣性矩矩IS（m4）148.333接頭單個接頭拉拉伸剛度度Kj（kN/mm）41055截面接頭數(shù)數(shù)量n33截面全體接接頭拉伸伸剛度KJ（kN/mm）1.32107等效軸向剛剛度壓縮剛度(EA)（kN）5.00108拉伸剛度(EA)（kN）1.16107剛性比(EA)/(EAA)0.02332等效彎曲剛剛度中性軸角度度（rad）0.9922中性軸位置置x（m）3.81等效彎曲剛剛度(EI)eeq（kNmm2）3.15108剛性比(EI)eeq/EESIS0.0611管片縱向軸軸力計算算在計算管片片縱向軸軸力時，當當=455時軸力力最大。此此時在隧隧道中

6、心心埋深處處，取。根據(jù)共同同溝設計計指南與與規(guī)定，取取其中，為表表層地層層地震時時的剪切切彈性模模量。各系數(shù)計算算如下：將所需數(shù)據(jù)據(jù)代入課課本11式（6.17）（6.177）解之得，壓壓縮、拉拉伸臨界界位置。軸力拉伸系系數(shù)軸力壓縮系系數(shù)則最大軸向向拉力最大軸向壓壓力最大軸向拉拉應力最大軸向壓壓應力單個接頭所所受拉力力接頭處張開開量管片縱向彎彎矩計算算在計算管片片縱向彎彎矩時，當當=0時彎矩矩最大。此此時在隧隧道中心心埋深處處，取根據(jù)共同同溝設計計指南與與規(guī)定，取取其中，為表表層地層層地震時時的剪切切彈性模模量。各系數(shù)計算算如下：則縱向最大大彎矩管片承受的的由彎矩矩引起的的最大拉拉應力管片承受的

7、的由彎矩矩引起的的最大壓壓應力接頭承受的的由彎矩矩引起的的最大拉拉力接頭處張開開量盾構隧道縱縱向抗震震計算結結果表3-2 盾構隧隧道縱向向抗震計計算結果果匯總表表軸力計算結果地基振動水平振幅U（cm）3.17波長L（m）316.22地基系數(shù)地層彈簧系系數(shù)ka（kN/mm2）230900襯砌剛度等效壓縮剛剛度EA（kN）5.00108等效拉伸剛剛度EA（kN）1.16107（m-1）0.04446（m-1）0.06880.834450.10449壓縮、拉伸伸臨界處處位置（m）32.3軸力系數(shù)壓縮1.5777拉伸0.1188軸力最大壓力（kN）520700最大拉力（kN）3896.3應力值壓應力（

8、kPa）3644.5拉應力（kPa）272.77接頭拉力（kN）118.11張開量（mm）0.30彎矩計算結果地基振動水平振幅U（cm）4.49波長L（m）223.44彎矩計算結果地基系數(shù)地層彈簧系系數(shù)kt（kN/mm2）230900襯砌剛度等效彎曲剛剛度EI（kNmm2）3.15108（m-1）0.092250.99116彎矩最大值（kNmm）110677.4應力值壓應力（kPa）1218.1拉應力（kPa）245.996接頭拉力（kN）103.334張開量（mm）0.26盾構隧道橫橫向抗震震計算常時荷載作作用時橫橫斷面內內力計算算常時荷載作作用時橫橫斷面內內力計算算方法采用彎矩剛剛度有效效

9、率，彎彎矩增加加率的修修正慣用用計算法法2。圖4-1 修正計計算法及及修正慣慣用計算算法所使使用的荷荷載體系系圖4-1為為修正計計算法及及修正慣慣用計算算法所使使用的荷荷載體系系。垂直直方向的的地層抗抗力為等等分布荷荷載，水水平方向向的地層層抗力假假定為管管片環(huán)頂頂部左右右45 1135內線性性分布（三三角形分分布）。決決定著水水平方向向地層抗抗力大小小的水平平直徑端端部的水水平方向向上的位位移依據(jù)據(jù)是否考考慮管片片自重的的地層抗抗力而不不同，依依據(jù)表44-1中中的式（1）及式（2）來計算。另外，表4-1表示了慣用計算法和修正管涌計算法的管片斷面內力的計算公式，表中時，則變成慣用計算法的計算公

10、式。表4-1 依據(jù)慣慣用計算算法與修修正慣用用計算法法的管片片斷面內內力計算算公式荷載彎矩軸力剪力豎直荷載水平荷載水平三角形荷載水平地基反力當時當時當時當時當時當時自重當時當時當時當時當時當時管片環(huán)向水水平直徑徑點的水水平方向向位移不考慮管片片自重引引起的地地層反力力時（1）考慮管片自自重引起起的地層層反力時時（2）：單位寬度度的抗彎彎剛度設計荷載計計算根據(jù)地層條條件，采采用全覆覆土壓力力、水土土合算計計算荷載載。側壓壓力系數(shù)數(shù)，地基基反力系系數(shù)，地地面超載載取。垂直荷載頂部水平荷荷載底部水平荷荷載自重引起的的底部反反力荷載載單環(huán)管片的的重量反力此外，底部部水壓因，對浮力力是安全全的。變形量與

11、地地層抗力力用表4-11式（1）計算算考慮地地層抗力力后的變變形量。地層抗力斷面內力（彎彎矩、軸軸力、剪剪力）計計算依據(jù)修正慣慣用法，疊疊加各個個荷載由由表4-1計算算所得斷斷面內力力M、N、Q，將其其計算結結果作為為常時荷荷載作用用時單環(huán)環(huán)管片橫橫斷面內內力。計算結果如如表4-2所示示。其中中，為管片片頂點開開始的角角度。表4-2 常時荷荷載作用用時單環(huán)環(huán)管片橫橫斷面內內力計算算結果角度彎矩M軸力N剪力Q角度彎矩M軸力N剪力Q（）（kNmm）（kN）（kN）（）（kNmm）（kN）（kN）0322.334727.7770.0095-267.581081.29-43.8865316.88173

12、0.77227.788100-252.981077.10-68.88710300.443739.44854.488105-229.981069.89-90.88415273.884753.77079.088110-199.611060.21-109.1820238.006772.884100.665115-163.111048.57-123.4725194.446796.220118.339120-121.861035.51-133.4930144.668822.992131.667125-77.3331021.53-139.203590.600852.003140.004130-30.998

13、1007.10-140.684034.211882.552143.22913515.755992.662-138.1645-22.443913.338141.33814061.488976.771-132.0450-77.335941.770134.660145104.996961.775-122.7255-128.69968.550123.445150145.008948.112-110.5560-174.83993.220108.554155180.882936.113-95.99365-214.441015.3490.611160211.332926.003-79.22670-246.4

14、61034.6170.455165235.884918.000-60.99775-270.171050.8748.888170253.882912.117-41.44780-285.181064.1126.700175264.884908.662-21.11685-291.381074.434.66180268.666907.440-0.45590-288.981082.02-16.660地震荷載作作用時橫橫斷面內內力計算算采用反應位位移法計計算地層層在地震震荷載作作用下的的橫斷面面內力，計計算公式式如下：（3）式中表表層地層層厚度；地面到到隧道中中心處的的距離；表層地地層剪切切彈性模模量；表

15、層地地層泊松松比；將公式（33）計算算得到的的結果乘乘以1.3，得得到最終終地震荷荷載作用用時單環(huán)環(huán)管片橫橫斷面內內力結果果，見表表4-33。表4-3 地震荷荷載作用用時單環(huán)環(huán)管片橫橫斷面內內力計算算結果角度（）彎矩M（kkNm）軸力N（kkN）剪力Q（kkN）式（3）式（3）1.33式（3）式（3）1.33式（3）式（3）1.3300000-131.45-170.89551.967.488-49.555-64.441-129.46-168.310102.223132.99-97.559-126.87-123.53-160.5915149.446194.33-142.67-185.48-113

16、.86-148.0220192.115249.779-183.43-238.45-100.73-130.9525229.001297.771-218.61-284.19-84.554-109.930258.991336.558-247.16-321.3-65.779-85.55235280.996365.225-268.2-348.66-45.004-58.55540294.448382.882-281.11-365.44-22.992-29.77945299.006388.777-285.48-371.12-0.1-0.14450294.556382.993-281.19-365.5422.

17、71129.53355281.112365.446-268.36-348.8644.84458.29960259.115336.889-247.38-321.665.61185.29965229.331298.111-218.9-284.5784.388109.66970192.551250.227-183.77-238.91100.559130.77775149.887194.883-143.07-185.99113.775147.88880102.668133.449-98.002-127.43123.446160.558552.37768.099-50-64.999129.442168.

18、225900.480.62-0.455-0.599131.445170.88995-51.444-66.88749.163.833129.449168.334100-101.79-132.3297.166126.331123.661160.669105-149.05-193.76142.228184.996113.996148.115110-191.78-249.32183.008238100.886131.112115-228.7-297.31218.332283.88184.7110.111120-258.67-336.27246.993321.00165.97785.766125-280

19、.79-365.03268.005348.44645.23358.8130-294.39-382.71281.003365.33423.12230.066135-299.06-388.77285.448371.1120.310.41140-294.64-383.03281.226365.664-22.551-29.226145-281.28-365.67268.551349.007-44.664-58.004150-259.39-337.2247.661321.889-65.442-85.005155-229.62-298.5219.119284.995-84.222-109.49160-19

20、2.88-250.74184.112239.336-100.46-130.6165-150.28-195.37143.446186.55-113.65-147.74170-103.13-134.0798.455127.998-123.39-160.41175-52.884-68.7750.44465.588-129.39-168.2180-0.955-1.2440.911.18-131.45-170.89橫斷面總內內力計算算在常時荷載載與地震震荷載共共同作用用時，需需考慮常常時荷載載+地震時時荷載作作用和常常時荷載載地震荷荷載時作作用兩種種情況，所所得橫斷斷面總內內力分別別為常時時荷載作作用時

21、橫橫斷面內內力+地震時時荷載作作用時橫橫斷面內內力、常常時荷載載作用時時橫斷面面內力地震時時荷載作作用時橫橫斷面內內力。橫橫斷面總總內力計計算結果果見表44-4。表4-4 橫斷面面總內力力計算結結果表角度（）常時荷載+地震時時荷載常時荷載地震時時荷載彎矩M軸力N剪力Q彎矩M軸力N剪力Q（kNmm）（kN）（kN）（kNmm）（kN）（kN）0322.334 786.882 -170.89 322.334 727.777 170.889 5384.228 728.881 -140.52 249.333 795.114 196.007 10433.334 678.001 -106.11 167.5

22、53 866.335 215.008 15468.114 635.886 -68.993 79.544 939.117 227.110 20487.886 603.550 -30.229 -11.773 1011.30 231.660 25492.117 581.777 8.49 -103.25 1080.39 228.229 30481.227 571.112 46.144 -191.90 1144.22 217.119 35455.885 571.667 81.500 -274.64 1200.69 198.559 40417.003 583.221 113.550 -348.61 124

23、7.96 173.008 45366.334 595.997 141.225 -411.21 1284.50 141.552 50305.558 627.009 164.112 -460.28 1307.24 105.007 55236.777 666.882 181.774 -494.15 1317.37 65.155 60162.006 714.006 193.883 -511.73 1314.80 23.266 6583.666 767.557 200.331 -512.55 1299.91 -19.008 703.81 826.000 201.222 -496.73 1273.52 -

24、60.332 75-75.334 888.001 196.776 -465.00 1236.86 -99.000 80-151.69 952.119 187.220 -418.66 1191.54 -133.80 85-223.30 1017.14 172.991 -359.47 1139.42 -163.59 90-288.36 1081.50 154.228 -289.60 1082.62 -187.49 95-334.45 1145.47 124.448 -200.72 1017.46 -212.20 100-385.30 1204.41 91.822 -120.66 950.778 -

25、229.55 105-423.74 1256.78 57.311 -36.222 884.993 -238.99 110-448.92 1301.25 21.944 49.711 822.221 -240.30 115-460.42 1336.70 -13.336 134.220 764.776 -233.58 120-458.14 1362.26 -47.774 214.441 714.550 -219.25 125-442.36 1377.33 -80.339 287.771 673.007 -198.00 130-413.69 1381.60 -110.62 351.774 641.776 -170.74 135-373.03 1375.04 -137.76 404.5