地下結(jié)構(gòu)大直徑盾構(gòu)隧道抗震計(jì)算與設(shè)計(jì)

1、地下結(jié)構(gòu)大大直徑盾盾構(gòu)隧道道抗震計(jì)計(jì)算與設(shè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)班級(jí)：14級(jí)隧隧道姓名：*學(xué)號(hào)：*指導(dǎo)老師：耿萍2014年年12月成都計(jì)算概況地基由層厚厚36 m的均均質(zhì)表層層土與基基巖組成成。計(jì)算算模型示示意圖見(jiàn)見(jiàn)圖1-1。地地基條件件見(jiàn)表11-1，表表中 內(nèi)數(shù)數(shù)值表示示地震時(shí)時(shí)的量值值。本文文取g=10 m/ss2，則1 tf=110 kkN。盾構(gòu)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(gòu)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(xiàng)項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)見(jiàn)表1-2?？箍拐鹩?jì)算算對(duì)象簡(jiǎn)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖圖1-11。利用所給參參數(shù)對(duì)盾盾構(gòu)隧道道縱向及及橫向進(jìn)

2、進(jìn)行抗震震設(shè)計(jì)計(jì)計(jì)算。表1-1 地基條條件條件表層基巖層層厚36土質(zhì)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(shí)時(shí)（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(gòu)隧隧道襯砌砌條件盾構(gòu)隧道中心埋深（m）17.0覆土厚度（m）12.2管片盾構(gòu)管片類(lèi)類(lèi)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(gòu)件截面接頭數(shù)數(shù)量33拉伸剛度（kN/mm）41055圖1-1 計(jì)算模模型示意意圖（單單位：mm）地基振動(dòng)的的水平位位移振幅幅及波長(zhǎng)長(zhǎng)計(jì)算地基振動(dòng)水水平位移移振幅計(jì)計(jì)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(shí)時(shí)的剪切切彈性波波速度：速度反應(yīng)應(yīng)譜，按按課本1圖圖5-22中B類(lèi)地區(qū)區(qū)取地基振動(dòng)波波長(zhǎng)計(jì)算算表層地層振振動(dòng)波長(zhǎng)長(zhǎng)基巖層振動(dòng)動(dòng)波長(zhǎng)則地基振動(dòng)動(dòng)波長(zhǎng)盾構(gòu)隧道縱縱向抗震震計(jì)算管片等效剛剛度計(jì)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(jì)計(jì)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(jì)計(jì)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(jì)算結(jié)結(jié)果匯總總，見(jiàn)表表3-11。表3-1 管片等等效剛度度計(jì)算結(jié)結(jié)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(gè)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(jì)算算在計(jì)算管片片縱向軸軸力時(shí)，當(dāng)當(dāng)=455時(shí)軸力力最大。此此時(shí)在隧隧道中

6、心心埋深處處，取。根據(jù)共同同溝設(shè)計(jì)計(jì)指南與與規(guī)定，取取其中，為表表層地層層地震時(shí)時(shí)的剪切切彈性模模量。各系數(shù)計(jì)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(yīng)力最大軸向壓壓應(yīng)力單個(gè)接頭所所受拉力力接頭處張開(kāi)開(kāi)量管片縱向彎彎矩計(jì)算算在計(jì)算管片片縱向彎彎矩時(shí)，當(dāng)當(dāng)=0時(shí)彎矩矩最大。此此時(shí)在隧隧道中心心埋深處處，取根據(jù)共同同溝設(shè)計(jì)計(jì)指南與與規(guī)定，取取其中，為表表層地層層地震時(shí)時(shí)的剪切切彈性模模量。各系數(shù)計(jì)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(yīng)力管片承受的

7、的由彎矩矩引起的的最大壓壓應(yīng)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(kāi)開(kāi)量盾構(gòu)隧道縱縱向抗震震計(jì)算結(jié)結(jié)果表3-2 盾構(gòu)隧隧道縱向向抗震計(jì)計(jì)算結(jié)果果匯總表表軸力計(jì)算結(jié)果地基振動(dòng)水平振幅U（cm）3.17波長(zhǎng)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(yīng)力值壓應(yīng)力（

8、kPa）3644.5拉應(yīng)力（kPa）272.77接頭拉力（kN）118.11張開(kāi)量（mm）0.30彎矩計(jì)算結(jié)果地基振動(dòng)水平振幅U（cm）4.49波長(zhǎng)L（m）223.44彎矩計(jì)算結(jié)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(yīng)力值壓應(yīng)力（kPa）1218.1拉應(yīng)力（kPa）245.996接頭拉力（kN）103.334張開(kāi)量（mm）0.26盾構(gòu)隧道橫橫向抗震震計(jì)算常時(shí)荷載作作用時(shí)橫橫斷面內(nèi)內(nèi)力計(jì)算算常時(shí)荷載作作用時(shí)橫橫斷面內(nèi)內(nèi)力計(jì)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(jì)算法法2。圖4-1 修正計(jì)計(jì)算法及及修正慣慣用計(jì)算算法所使使用的荷荷載體系系圖4-1為為修正計(jì)計(jì)算法及及修正慣慣用計(jì)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(nèi)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(lái)計(jì)算。另外，表4-1表示了慣用計(jì)算法和修正管涌計(jì)算法的管片斷面內(nèi)力的計(jì)算公式，表中時(shí)，則變成慣用計(jì)算法的計(jì)算公

10、式。表4-1 依據(jù)慣慣用計(jì)算算法與修修正慣用用計(jì)算法法的管片片斷面內(nèi)內(nèi)力計(jì)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(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)自重當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)管片環(huán)向水水平直徑徑點(diǎn)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(shí)（1）考慮管片自自重引起起的地層層反力時(shí)時(shí)（2）：?jiǎn)挝粚挾榷鹊目箯潖潉偠仍O(shè)計(jì)荷載計(jì)計(jì)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(jì)計(jì)算荷載載。側(cè)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(duì)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(jì)算算考慮地地層抗力力后的變變形量。地層抗力斷面內(nèi)力（彎彎矩、軸軸力、剪剪力）計(jì)計(jì)算依據(jù)修正慣慣用法，疊疊加各個(gè)個(gè)荷載由由表4-1計(jì)算算所得斷斷面內(nèi)力力M、N、Q，將其其計(jì)算結(jié)結(jié)果作為為常時(shí)荷荷載作用用時(shí)單環(huán)環(huán)管片橫橫斷面內(nèi)內(nèi)力。計(jì)算結(jié)果如如表4-2所示示。其中中，為管片片頂點(diǎn)開(kāi)開(kāi)始的角角度。表4-2 常時(shí)荷荷載作用用時(shí)單環(huán)環(huán)管片橫橫斷面內(nèi)內(nèi)力計(jì)算算結(jié)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(shí)橫橫斷面內(nèi)內(nèi)力計(jì)算算采用反應(yīng)位位移法計(jì)計(jì)算地層層在地震震荷載作作用下的的橫斷面面內(nèi)力，計(jì)計(jì)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(jì)算算得到的的結(jié)果乘乘以1.3，得得到最終終地震荷荷載作用用時(shí)單環(huán)環(huán)管片橫橫斷面內(nèi)內(nèi)力結(jié)果果，見(jiàn)表表4-33。表4-3 地震荷荷載作用用時(shí)單環(huán)環(huán)管片橫橫斷面內(nèi)內(nèi)力計(jì)算算結(jié)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(nèi)內(nèi)力計(jì)算算在常時(shí)荷載載與地震震荷載共共同作用用時(shí)，需需考慮常常時(shí)荷載載+地震時(shí)時(shí)荷載作作用和常常時(shí)荷載載地震荷荷載時(shí)作作用兩種種情況，所所得橫斷斷面總內(nèi)內(nèi)力分別別為常時(shí)時(shí)荷載作作用時(shí)

21、橫橫斷面內(nèi)內(nèi)力+地震時(shí)時(shí)荷載作作用時(shí)橫橫斷面內(nèi)內(nèi)力、常常時(shí)荷載載作用時(shí)時(shí)橫斷面面內(nèi)力地震時(shí)時(shí)荷載作作用時(shí)橫橫斷面內(nèi)內(nèi)力。橫橫斷面總總內(nèi)力計(jì)計(jì)算結(jié)果果見(jiàn)表44-4。表4-4 橫斷面面總內(nèi)力力計(jì)算結(jié)結(jié)果表角度（）常時(shí)荷載+地震時(shí)時(shí)荷載常時(shí)荷載地震時(shí)時(shí)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