土木工程毕业设计（论文）-上海地铁1号副线富长路站～呼兰西路站区间隧道设计与施工.doc

全套图纸加扣 3012250582编号：（ ）字 号本科生毕业设计设计题目：上海地铁1号副线富长路站呼兰西路站区间隧道设计与施工专 题：地铁隧道设计中的土力学问题姓 名：学 号：班 级：土木工程地下2011-3班二一五年六月中 国 矿 业 大 学本科生毕业设计姓 名：学 号：学 院：力学与建筑工程学院专 业：土木工程（城市地下工程方向）设计题目：上海地铁1号副线富长路站呼兰西路站区间隧道设计与施工专 题：地铁隧道设计中的土力学问题指导教师：职 称：二一五年六月 徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院 力学与建筑工程 专业年级 土木工程地下工程2011 学生姓名 任务下达日期： 2015年 1月 19 日毕业设计日期： 2015年1月19日至2015年 6 月 8日毕业设计题目：上海地铁1号副线富长路站呼兰西路站区间隧道设计与施工毕业设计专题题目：地铁隧道设计中的土力学问题毕业设计主要内容和要求：设计要求：根据上海地铁1号副线富长路站呼兰西路站区间隧道工程的实际资料，进行该区间隧道的结构设计和施工组织设计。结构设计内容应包括隧道正线的施工方案、隧道衬砌结构设计，并编制设计计算书。施工组织设计内容应包含隧道施工准备、施工方法及辅助施工技术、施工总平面布置、施工进度计划和施工管理等内容。绘制图纸：区间隧道平面图，区间隧道纵断面与地质关系图，隧道施工总平面布置图，隧道断面配筋图。专题要求：简述地铁隧道结构设计中所用到的土力学知识，并根据地铁隧道设计说明土力学对设计的影响及重要性，列举出相关工程实例。绘制图纸：1张。其它要求：翻译一篇与设计或专题内容相关的外文参考文献，其中文字数不少于3千字，并且附原文。院长签字： 指导教师签字：中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日 全套图纸加扣 3012250582 第 5 页摘 要本毕业设计主要包括三个部分，第一部分是富长路呼兰西路区间隧道结构设计；第二部分是富长路呼兰西路区间隧道施工组织设计；第三部分是专题部分，地铁隧道设计中的土力学问题。在第一部分区间隧道结构设计中，根据隧道穿越地层的工程地质、水文地质条件和周边环境情况，通过施工方案的比选，确定采用盾构法施工，隧道衬砌结构采用钢筋混凝土衬砌，并对其进行相应强度和抗浮的验算。第二部分是区间隧道施工组织设计，根据隧道施工方法和隧道周边的环境情况，对施工前的准备工作，施工场地的布置，隧道开挖与衬砌结构的施工等进行设计，并编制了工程进度计划，编写了相应的质量、安全、环境保护等措施。第三部分是专题部分，内容是地铁隧道设计中的土力学问题。结合工程实例和相关的参考资料，对其关键施工技术进行论述和总结。关键词：盾构； 结构计算； 施工组织； 土力学ABSTRACTThe design mainly includes three parts. The first part is the tunnel design of the section from Fuchang Road Station to Hulanxi Road Station in Shanghai； The second part is the design of the Fuchang Road Station to Hulanxi Road Station subway tunnel construction organization； The third part is special subject part which the soil mechanics problems of subway tunnel design. In the design of the first part ，flat concrete lining and shield construction has been decided through the scheme comparison and selection，according to the engineering geology， hydrogeological conditions and environment conditions，and then determine the load section and the section suffered，calculate the internal force of the segment and splaying amount of joints. After that，the anti-floating checking and crack width checking is made.The second part is the tunnel section construction arrangement design. According to the tunnel construction methods and the environment around， the preparation before the construction， construction site layout， tunnel excavation and lining construction is designed. The project schedule ，the quality ，the safety and the environment protection are made.The third part is the thematic section, the content is the soil mechanics problems of subway tunnel design. Engineering examples and related reference materials are discussed and summarized its key construction technology.Keywords: shield tunnelling； structure calculation； construstion arrangement；soil mechanics目 录第一部分 上海地铁1号副线富长路站呼兰西路站区间隧道设计1 工程概况11.1工程位置及范围12 设计依据22.1自然条件22.2气象条件32.3现场条件32.4设计采用标准及规范43 隧道施工方案与衬砌选型设计53.1隧道施工方案53.2方案比选63.3衬砌选型74 隧道计算84.1计算原则及采用规范84.2计算断面的选择及计算84.3接缝张开量计算174.4千斤顶作用下局部承压计算184.5抗浮验算195 隧道主要技术经济指标21第二部分 上海地铁1号副线富长路呼兰西路区间隧道施工组织设计1 工程概况231.1隧道工程简述232 隧道施工准备242.1技术准备242.2施工现场准备252.3施工物资的准备252.4劳动力准备263 施工现场总平面布置293.1施工平面总体布置原则293.2施工现场区域划分294 界定关键过程304.1施工测量控制要点304.2管片拼装控制要点304.3衬砌防水控制要点314.4地表沉降控制要点314.5关键过程控制人员落实315 施工方案及主要施工工序325.1方案的确定325.2施工准备335.3出洞方案345.4进洞方案355.5掘进施工参数365.6管片拼装365.7同步注浆及壁后补压浆375.8纠偏375.9洞门施工385.10隧道内运输和施工设施385.11弃土处理386 施工主要技术措施406.1砂性土层施工技术措施406.2穿越地下管线的保护措施406.3邻近施工和既有建筑物的保护措施416.4紧急预案措施417 施工进度计划438 质量、安全和环境保护措施管理458.1工程质量标准458.2质量管理网络458.3质量保证体系458.4隧道衬砌质量控制458.5隧道轴线控制468.6管片拼装质量控制468.7地表沉降控制468.8测量控制468.9安全生产施工措施478.10文明施工措施478.11防汛、防台风施工措施488.12消防安全措施48第三部分 地铁隧道设计中的土力学问题1地铁隧道设计中土力学问题的研究意义502地铁隧道设计中的土力学问题512.1土中应力计算512.2土的渗透性542.3土体沉降分析553地铁隧道设计的内力计算593.1.荷载结构法593.2地层结构法604地铁隧道下卧土体动力特性模型试验研究624.1模型试验简述624.2模型试验设计624.3模型试验实施644.4模型试验结果分析644.5 试验主要结论665工程实例675.1 广州地铁涌水涌砂事故675.2上海地铁4号线事故675.3南京地铁2号线事故686结语和展望69第四部分 外文翻译翻译原文77致 谢82全套图纸加扣 3012250582第一部分上海地铁1号副线富长路站呼兰西路站区间隧道设计全套图纸加扣 30122505821 工程概况1.1工程位置及范围上海轨道交通1号线是上海第一条地铁线，途经宝山、闸北、黄浦、徐汇、闵行等区，全长36.89公里，设共富新村、呼兰路、通河新村、共康路等共28个车站，其中有8个换乘车站。本工程由上海地铁1号副线富长路站呼兰西路站，共1个区间隧道组成。其中，富长路站呼兰西路站区间上行线里程为CK4+581.747CK5+700.235，长1312.508m；下行线里程为CK10+580.693CK11+701.465，长1313.876m。设计隧道区间线路长约1313m，隧道直径约6.5m，隧道轨面设计标高约为-10.449-16.255m，隧道底面埋深约1421m。在里程CK5+165.000处设旁通道及泵站。2 设计依据2.1自然条件2.1.1工程地质与水文地质（1）富长路站呼兰西路站区间工程地质状况：杂填土，状态松散，上部主要为杂填土，其中含有大量碎砖、碎石、生活垃圾等；下部主要为粘性土，其中含有少量杂物。该层松软不一，均匀性较差。：褐黄灰黄色粉质粘土，状态稍密，含大量云母碎屑，以及少量的锈斑，局部区域以粘性土为主，土质由上而下逐渐变软；填土层较厚的区域该土层稍薄甚至缺失。 ：灰色淤泥质粉质粘土，呈软塑性，含少量云母，夹砂质粉土及少量薄层粉砂；土面光滑而无光泽，含少量贝壳碎屑，受到古河道的影响，层面略有起伏。：灰色淤泥质粘土，含有云母、少量贝壳碎屑以及有机质条纹，夹杂少量薄层粉砂，土面光滑而有光泽。1：灰色粘土，含少量有机制条纹、钙质结核及腐植质，夹杂粉质粘土，土面光滑且无光泽，干强度高，韧性高。2：粉质粘土，含有云母、少量有机质、腐植质以及泥钙质结核等。土面光滑且无光泽，干强度中等，韧性一般。3：暗绿灰绿色砂质粘土，含氧化铁条纹、铁锰质结核以及少量腐植质，夹杂薄层粉性土；土面光滑无光泽，干强度中等，韧性一般。1：草黄灰黄色粉砂，含有云母及氧化铁条纹，顶部夹杂有粉质粘土，土质较不均匀。2：灰黄灰色粉细砂，含有云母，颗粒成分主要有石英和长石，土质致密。在隧道掘进范围内的浅部层为粉性土层，渗透性较强，在动水压力的作用下易产生涌砂或流砂的现象，施工时必须加以注意并采取相应预防措施。富长路站呼兰西路站区间隧道上下行线主要穿越、土层，这几种土层具有明显的触变、流变、高压缩、低强度等工程地质特性，在动力的作用下，土体结构极易遭到破坏。另外，土体排水固结需要的时间较长，如果施工不当，易造成土体沉降较大并产生不均匀沉降，在掘进过程中应尽量减少对土体的扰动。（2）富长路站呼兰西路站区间主要土层物理力学指标（见表2-1） 表2-1 区间隧道主要土层物理力学指标表层号土层名称土层厚度（m）土层标高（m）湿重度（KNm3）含水量w（%）孔隙比e粘聚力c（kpa）内摩擦角（0）杂填土1.003.042.36-0.0719.5020.501.04 粉质粘土0.702.200.74-0.8818.4035.50.6416.5029.36淤泥质粉质粘土2.704.70-2.69-4.4717.1021.850.6414.4011.50淤泥质粘土6.9010.10-4.45-12.7818.5021.850.6413.5015.801粘土4.008.40-12.62-19.3819.4048.601.3715.6017.602粉质粘土10.0013.30-19.58-25.8717.5040.401.1316.2014.503砂质粘土2.204.70-25.38-28.5617.5040.401.1316.2014.501粉砂2.204.20-28.29-32.6318.80327.600.780.6035.60（2）富长路站呼兰西路站区间地下水状况本区间隧道范围内上部土层较松软，沉积情况较正常，连续性较好；下部地层土层变化较大，深部土质较好，沉积正常。区间隧道的表层地下水主要有浅部土层中的潜水，以及具有微承压性的深部土层中的地下水，为微承压水。根据上海市的岩土工程勘察规范（DGJ 08-37-2002），潜水水位一般情况高于承压水水位，浅部土层中潜水位的埋深离地表一般为0.30.9m，地下水位离地表的年平均值为0.50.8m。因此，富长路站呼兰西路站区间隧道工程地下水位取离地表面0.5m。地下水的温度在埋深5m范围内随气温发生变化，而5m以下随深度略有增加，但水温相对较稳定，一般为1517。本工程潜水、微承压水等含水层中含水介质的颗粒较细，水力坡度较小，地下水径流相对较为缓慢。由于工程场地的地下水水位较高，根据上海地区经验，当地下水对混凝土无腐蚀性性时，其土对混凝土亦无腐蚀性，故判定工程场地地下水和土对混凝土无腐蚀性，而对钢结构有弱腐蚀性。2.2气象条件上海市濒江临海，属于典型的亚热带季风气候，呈现季风性、海洋性等气候特征。由于上海城区面积大、人口密集度高，使得上海城市气候又具有明显的城市热岛效应。（1）气温上海市全年平均气温约为15.8，1月最冷平均气温为3.6，7月最热平均气温为27.8。（2）降水上海市全年降水量适中，全年约60%的降水量集中在5月至9月的汛期，年均降水量约为1124.1mm，年均蒸发量约为882.8mm。（3）日照上海市年平均日照时数约为1610h。2.3现场条件2.3.1沿线（构）建筑物、地下管线及障碍物（1）沿线（构）建筑物富长路站呼兰西路站区间沿线的（构）建筑物主要有，富隆苑小区、鑫鑫花园小区、智力公园、宝山卓越时代广场等。 （2）地下管线根据招标文件和地质勘察报告，本区间隧道穿越多条主干道，区间隧道沿线处存在较多重要的管线，本区间隧道管线主要有： 5孔电力电缆，埋深0.7米；36孔电话电缆，埋深0.9米；铁质300和500的煤气管，埋深1米；铁质1000上水管，埋深1米；砼结构800雨水管，埋深2.3米；砼结构450污水管，埋深3.8米。施工时候需要对这些管线进行适当的保护，尽量避免对工程附近的居民带来生活不便。2.3.2交通状况本标段工程穿过多条主干道，在隧道掘进至交通干道市，要加强监控，做好防范措施，确保能够安全、顺利的通过。根据招标文件要求，工程施工期间，须为工程起始点地表公路留5m宽的行人和车辆通道，并确保行人和车辆的安全。2.4设计采用标准及规范（1）地下铁道设计规范 (GB 501572003)；（2）混凝土结构设计规范 (GB 500102010)； （3）建筑结构荷载规范 (DB50009-2001)；（4）建筑抗震设计规范 (GB50011-2001)；（5）地下工程防水技术规范 (GB50108-2008)；（6）盾构法隧道施工与验收规范 (GB50446-2008)；（7）建筑工程施工质量验收统一标准 (GB50300-2001)； （8）混凝土结构工程施工质量验收规范 (GB50204-2002)。3 隧道施工方案与衬砌选型设计3.1隧道施工方案隧道施工方法的选择主要依据工程地质、水文地质条件、地形地貌、施工单位的技术水平、沿线环境要求等因素，并结合设计隧道断面尺寸、长度、衬砌类型、隧道的使用功能等因素综合考虑研究确定。所选择的施工方法也应体现出技术先进、经济合理及安全适用等原则。因为上海位于沿海地区，地质条件大多是饱和软底层，一般常选的地铁隧道施工方案有：明挖法、暗挖法、盾构法。以下对这三种施工法进行优缺点比较，并确定最终适宜的施工方案。3.1.1明挖法明挖法指的是先将隧道部位的岩(土)体全部挖除，然后修建洞身、洞门，再进行回填的施工方法。明挖法分类：明挖法顺作法，盖挖顺作法，盖挖逆作法，盖挖半逆作法等，后3种方法又可统称为明挖覆盖施工法。优点是明挖法具有施工简单、快捷、经济、安全的优点，城市地下隧道式工程发展初期都把它作为首选的开挖技术。其缺点是对周围环境的影响较大，需要施工场地大，工期较长，劳动强度太高。明挖法的关键工序是：降低地下水位，边坡支护，土方开挖，结构施工及防水工程等。 3.1.2暗挖法适用于城市中不能采用明挖法施工的工程，比如施工场地有限或埋置深度超过一定深度时，常采用暗挖法，它适用于不宜采用明挖法施工的含水量较小的各种地层，尤其对城市地区地面建筑物分布密集、交通运输比较繁忙、地下管线密布，且对地沉陷要求严格的情况下，修建埋置较浅的地下结构工程，暗挖法更为适用。对于含水较大的松软地层，采取堵水或降水等有效措施后该法仍能适用。这种方法亦适用于松散层及含水松散层地层。浅埋暗挖法的技术核心是依据新奥法(New Austrian Tuneling Method)的基本原理，初次支护常按承担全部基本荷载设计，二次模筑衬砌则作为安全储备；初次支护和二次衬砌共同承担特殊荷载的作用。应用浅埋暗挖法设计、施工时，同时采用多种辅助工法，进行超前支护，改善加固围岩，充分调动部分围岩的自承能力；开挖后及时支护、封闭成环，使其与围岩共同作用形成联合支护体系，在施工过程中采用监控量测、信息反馈和优化设计等措施，实现不塌方、少沉降、安全施工等目标，是一种有效抑制围岩过大变形的综合配套施工技术。根据地下工程的结构特征及上面覆盖层的地质条件和水文条件，具体施工方法又可分为管棚法，矿山(导峒)法、盾构法以及顶管法等等。一般应按照“新奥法”原理设计和施工，采用较强的初期支护，先注浆后开挖的方法。施工原则是：“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”。浅埋暗挖法施工的地下工程硐室具有埋深浅（最小覆跨比可达0.2）、地层岩性差（通常为第四纪软弱地层）、存在地下水（需降低地下水位）、周围环境复杂（邻近既有建、构筑物）等特点。由于施工造价低、建筑拆迁少、工序灵活多变、无须很多专用设备及不干扰地面交通和周围环境等特点，浅埋暗挖法在全国类似地层和各种地下工程施工中得到广泛应用。3.1.3盾构法盾构法施工是先在隧道某段的一端建造竖井或基坑，以供盾构安装就位。盾构从竖井或基坑的墙壁顶留孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向另一端竖井或基坑的设计预留孔洞推进。盾构推进中所受到的地层阻力通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制管片上，已拼装的预制管片对盾构机的反作用力成为盾构向前开动的动力。盾构法的优点主要有：（1）对环境影响较小，盾构的推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现自动化作业，开挖和衬砌安全，施工劳动强度低，掘进速度快；（2）施工过程不受地形、地貌、江河水域等地表环境的限制，不影响地面交通与设施，不影响地下管线等设施；（3）地表施工场地占地面积少，征地费用少；（4）隧道的施工费用受埋深的影响很小，适宜于建造覆土较深的隧道；（5）施工不受风雨气候影响，穿越河道时不影响航运；（6）修筑的隧道抗震性能非常好；（7）对地层的适应性宽，在松软含水地层中修建埋深较大的长隧道往往具有技术和经济方面的优越性。盾构法缺点主要有：（1）当隧道半径过小时，施工较为困难；（2）在陆地建造隧道时，如隧道覆土太浅，开挖面稳定极难维持，甚至不能施工；当在水下时，如覆土太浅则盾构法施工不够安全，要确保足够厚度的覆土；（3）竖井施工时有噪声和振动，必须有解决的措施；（4）采用盾构法施工，隧道上方一定范围内的地表沉陷很难完全防止，特别是在饱和含水松软的地层中，要采取严密的技术措施才可能将沉陷限制在很小的范围之内；（5）在饱和含水地层中，盾构法隧道采用管片拼装衬砌，整体结构防水性的技术要求较高；（6）用气压施工时，在周围有发生缺氧和枯井的危险；（7）断面尺寸多变的区段适应能力差，新型盾构购置费昂贵，对施工区段短的工程不太经济。3.2方案比选由于施工场地有限，根据在施工过程中对周围交通、环境不能有较大影响的要求，明挖法工期较长，劳动强度太高，明挖法不适用于本工程，故排除明挖法。上海市地下水位较高，如采用暗挖法需要耗费大量人力物力来降低地下水位。顶管法一般用于修建排水管、敷设煤气管、输油管、动力电缆和通讯电缆的管道、地下交通隧道及桥梁的墩台等，这些管道的内径一般都在23m。内径太大和太小的管道顶进都较困难，就上述方向而言，顶管技术目前都还是处于研究阶段。顶管法推进的阻力随管道长度的增加而增加。可知顶管法也不适用于本工程，排除此方法。理论上，盾构法施工隧道，前进阻力不受隧道长度增加而增加。盾构法施工还有如下优点：（1）对环境影响较小，盾构的推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现自动化作业，施工在盾壳的保护下进行，开挖和衬砌安全，可避免人员伤亡，减少安全事故，施工劳动强度低，掘进速度快；（2）施工过程不受地形、地貌、江河水域等地表环境的限制，不影响地面交通与设施，不影响地下管线等设施；（3）地表施工场地占地面积少，征地费用少；（4）隧道的施工费用受埋深的影响很小，适宜于建造覆土较深的隧道；（5）施工不受风雨气候影响，穿越河道时不影响航运；（6）修筑的隧道抗震性能非常好；（7）对地层的适应性宽，在松软含水地层中修建埋深较大的长隧道往往具有技术和经济方面的优越性。但是，盾构法也存在机械设备复杂，使用盾构机等设备使工程整体经济效益不高，施工工艺繁琐，要求施工队伍专业化程度高等缺陷。本区间工程地质条件非常复杂，隧道埋深符合盾构法施工条件，覆土层埋置深度较大，地下水含量丰富，工程的工期要求较紧，而且对于地面沉降要求较高，综合以上各施工工法的优缺点，选取盾构法作为本工程的施工方法为最佳选择。3.3衬砌选型目前在盾构法施工中使用的衬砌管片类型主要有钢筋混凝土管片、球墨铸铁管片、钢管片、复合管片等。钢筋混凝土管片具有一定的强度，加工制作相对比较容易，耐腐蚀，造价低，是最为常用的管片形式，但是较为笨重，在运输、安装施工过程中易被损坏。球墨铸铁管片的延性和强度接近于钢材，因此管片就显得较轻，耐蚀性较好，管片精度较高，能更有效地防渗抗漏。但是管片金属消耗量大，机械加工量也大，造价昂贵。近几十年来铸铁管片已逐步被钢筋混凝土管片取代。而且铸铁管片具有脆性破坏的特性，因此不宜用作承受冲击荷重的隧道衬砌结构。钢管片主要优点是质量轻，强度高。缺点是刚度小，耐锈蚀性差，金属消耗量大，成本昂贵，需进行机械加工来满足防水要求；国外在使用钢管片时，会在其内浇筑混凝土或使用钢筋混凝土作为内衬。复合管片外壳由钢板制成，在壳内设置钢筋，浇注混凝土，组成一个复合结构，这样其重量比钢筋混凝土管片轻，刚度比钢管片大，金属消耗量比钢管片小，主要缺点是钢板耐腐蚀性差，加工复杂繁琐。综上述各管片类型的优缺点，本工程采用经济性较好、易加工、耐腐蚀的钢筋混凝土管片作为衬砌管片。根据地铁隧道衬砌常用尺寸形式及上海市地铁隧道的施工经验，本区间隧道钢筋混凝土管片尺寸参数选择为：管片厚度为 350mm，管片宽度为 1200mm。衬砌环全环由封顶块（TF）、邻接块（TL1）、（TL2）各一块、两块标准块（TB1）、（TB2）和一块落地块（TD）构成，共计6块，管片衬砌错缝拼装。设计管片强度等级为C55，抗渗等级为S10。管片环向接头采用双头直螺栓连接，纵向接头采用双头直螺栓连接，管片环与环之间用17根M30的纵向螺栓互相连接，每环管片块与块间以12根M30的环向螺栓连接。其中纵环向螺栓机械性能等级为5.8级。4 隧道计算4.1计算原则及采用规范4.1.1计算原则（1）设计服务年限100年；（2）工程结构的安全等级按一级考虑；（3）成型管片裂缝宽度不大于0.2 mm；（4）取隧道上覆土层厚度最大的横断面计算；（5）隧道的最小埋深处需满足抗浮要求；（6）接缝变形在接缝防水措施所能适应的范围内；（7）满足施工阶段，正常运营阶段及特殊情况如地震下的强度计算要求；4.1.2采用规范（1）地下铁道设计规范 (GB 501572003)；（2）混凝土结构设计规范 (GB 500102010)； （3）建筑结构荷载规范 (DB50009-2001)；（4）建筑抗震设计规范 (GB50011-2001)；（5）地下工程防水技术规范 (GB50108-2008)；（6）盾构法隧道施工与验收规范 (GB50446-2008)；（7）建筑工程施工质量验收统一标准 (GB50300-2001)； （8）混凝土结构工程施工质量验收规范 (GB50204-2002)；（9）上海市城市轨道交通设计规范(DGJ08-109-2004)。4.2计算断面的选择及计算根据设计规范，盾构隧道衬砌的结构计算采用自由变形的弹性均质圆环法。4.2.1计算断面的选择根据富长路站呼兰西路站区间隧道剖面图，计算断面取区间隧道埋深最大处，该处盾构隧道中心标高为-17.808m。4.2.2荷载计算区间隧道外径为6200mm，内径为5500mm，衬砌采用钢筋混凝土管片。混凝土强度等级为C55。荷载计算取b=1m的单位宽度进行计算，综合考虑管片所处各地层的特征及地基土的物理力学性质，在计算水土压力时采用水土分算的方法。（一）基本使用阶段的荷载计算（1）衬砌自重： (4.1)式中 衬砌自重，kPa； 钢筋混凝土重度，取25 kN /m； 管片厚度(m)，当采用箱型管片时可考虑采用折算厚度。 将各已知数值代入可得：（2）竖向土压： (4.2) 式中 衬砌拱顶竖向地层压力，kPa;衬砌顶部以上各个土层的容重，在地下水位以下的土层容重取其浮重度（kN /m）； 衬砌顶部以上各个土层的厚度（m）。将各已知数值代入计算可得：（3）拱背土压： (4.3)式中 衬砌拱背竖向地层压力，kPa； G衬砌拱背均布荷载，kN /m； 衬砌拱背覆土各层土的加权平均容重，kN/m。 衬砌圆环计算半径，m。 将各已知数值代入计算可得： （4）地面超载：由于本区间隧道埋深不是很深，故须考虑地面超载的影响，取地面超载为20kPa。所以拱顶的竖向土压。（5）侧向均匀主动土压： (4.4)式中 侧向均匀土压力，kPa； 竖向土压，kPa； 衬砌圆环侧向拱顶以上各土层的土的重度、内聚力、内摩擦角的加权平均值。图4-1 隧道埋深地质剖面图； ； 将各已知数值代入计算可得： （6）侧向三角形主动土压： (4.5)式中 侧向三角形主动土压力，kPa；衬砌圆环计算半径，m；衬砌圆环直径高度范围内侧向各土层土的加权平均重度(kN/m)和内摩擦角（）。将各已知数值代入计算可得：（7）侧向土壤抗力：本区间隧道工程按自由变形匀质圆环进行内力计算，由于相邻环间接错缝拼装，设置一定数量的纵向螺栓或在环缝上设有凹凸隼接头，使纵缝刚度有一定的提高，因此圆环可近似地认为是匀质刚性圆环。所以在计算时不再考虑侧向土壤抗力。（8）静水压力：地下水位至拱顶的高度为14.208m。（9）拱底反力： (4.6)式中 衬砌结构拱底反力，kPa；衬砌圆环计算半径，m； 水的重度，kN/m。其他符号意义同前。 将各已知数值代入计算可得：（二）考虑特殊荷载作用本设计中特殊荷载指人防、地震荷载等。在本设计中竖向特殊荷载取，侧向特殊荷载取。本设计内力计算采用地下建筑结构中的计算方法，对其基本使用阶段和特殊荷载阶段两种情况下可能出现的最不利荷载进行组合。取左半衬砌圆环进行分析，将其均分为十三个部分，各部分分别为0、15、30、 45、60、75、90、105、120、135、150、165、180，其中0表示衬砌圆环垂直直径处，15为0处向左量取15处，以此类推。计算中弯矩用M表示，轴力用N表示，终值由结构在各种荷载作用下得到的内力经过叠加得到。并规定M以内缘受拉为正，外缘受拉为负；轴力N以受压为正，受拉为负。各断面内力系数表如下表4-1。表4-1 各断面内力系数表荷载截面位置截面内力M（kNm）N（kN）自重0上部荷载0底部反力0 水压0均布测压0测压0根据表4-1中内力计算公式，计算结果见表4-2、4-3：表4-2 基本使用阶段和特殊荷载作用下管片内力计算表截面位置基本使用阶段特殊荷载阶段M ()N ()M ()N ()0136.433401.511170.25785.99515116.804417.443149.97398.8083063.865460.64993.940134.02445-6.481518.88215.360182.82660-73.496576.240-67.589233.12375-118.122618.146-136.436272.71990-128.692635.561-177.101292.500105-104.052628.315-182.883298.396120-52.826602.961-150.601298.0651359.964568.826-76.196287.25315066.997536.39643.806260.851165102.795514.775209.776214.816180107.056509.916416.659148.005表4-3 管片实际内力表截面位置1.0m管片内力组合1.2m管片内力组合M ()N ()M ()N ()0306.690487.506368.028585.00715266.777516.251320.133619.50130157.805594.673189.366713.608458.879701.70810.655842.05060-141.086809.362-169.303971.23475-254.558890.865-305.4701069.03890-305.794928.061-366.9521113.674105-286.935926.710-344.3221112.052120-203.426901.026-244.1121081.231135-66.232856.079-79.4791027.294150110.803797.247132.964956.697165312.570729.591375.084875.509180523.715657.921628.458789.505根据计算所得的内力图绘出衬砌的内力组合图如下：图4-2 衬砌内力组合图由内力组合图可知，弯矩在拱底处取得正的最大值（管片内侧受拉，M=628.458 kNm），在的时候取得负的最大值（管片外侧受拉，M= -366.952 kNm）；轴力在时取得最大值N=1138.674 kN。4.2.3管片配筋计算本工程所用管片配筋取衬砌结构承受弯矩最大值作为设计依据，在内力组合中得出的结果，在时截面内侧受拉弯矩最大，时截面外侧受拉弯矩最大。因此，按时的截面进行内排钢筋的设计，按时的截面进行外排钢筋的设计。根据混凝土结构设计规范，按偏心受压构件进行截面的配筋设计。（1）管片内排配筋在处，弯矩M=628.458 kNm；轴力N=789.505 kN衬砌管片的材料选用：HRB400（20MnSiV）型热轧钢筋，C55混凝土。其中，=1.0；fc=25.3N/mm；b=1200mm；=0.508；fy=360 N/mm；h=350mm；=50mm。 (4.7)故属于大偏心情况。式中：截面的初始偏心距； 轴心力在偏心距方向上的附加偏心距； 截面初始偏心距修正后的值；混凝土保护层厚度。 (4.8)将已知数值带入得：式中： e轴心力和受拉钢筋合力点之间的距离；截面的偏心距增大系数（取1.0）。对受压面配筋： (4.9)式中 矩形应力图等价强度同受压区混凝土最大应力的比值；混凝土的抗压强度设计值；管片宽度；界限相对受压区高度；钢筋屈服强度设计值；截面的有效高度。查表得： (4.10)带入数值可得：所以混凝土受压区强度已经满足要求，只需进行构造配筋。由于受压区采用最小配筋，因此需要重新计算混凝土受压区高度x： (4.11)式中 矩形应力图强度与受压区混凝土最大应力fc的比值；混凝土的抗压强度设计值； 管片宽度；轴向力到受拉钢筋合力点的距离；钢筋屈服强度设计值；截面的有效高度；截面承受的最大轴力。代入已知数值计算得：计算得：对受拉面配筋：所以取As=6061.81mm2（2）管片外排配筋在=90处，弯矩M=366.952 kNm；轴力N=1113.674 kN对受压面配筋：将已知数值带入得：所以按最小配筋率计算：因为受压区采用最小配筋率，所以要重新计算受压区高度x。 (4.12)式中 矩形应力图强度与受压区混凝土最大应力fc的比值； 混凝土的抗压强度设计值； 管片宽度； 轴向力到受拉钢筋合力点的距离； 钢筋屈服强度设计值； 截面的有效高度； 截面承受的最大轴力。代入已知数值得：计算得：对受拉面配筋： 所以As为2778.00mm2。根据以上计算结果管片配筋为：内筋：配置180，；外筋：配置180，。 总配筋率： 最大配筋率：即，满足配筋要求。4.3接缝张开量计算由于弹性密封垫采用遇水膨胀橡胶与氯丁橡胶复合垫，其弹性模量E很小，所以采用假定环向螺栓达到允许应力时衬砌外侧的张开量作为验算标准。此时，。内侧螺栓伸长：衬砌外侧张开量： (4.13)式中 弹性密封垫的宽度，mm；E螺