地铁区间—山岭隧道结构设计计算书

1、地铁区间隧道结构设计计算书 PAGE 34地铁区间山岭隧道结构设计计算书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：隧道（里面、平面）线型的选择，需要考虑地表条件、地层条件

2、、地下水条件和既有临近建筑及设施；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；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；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：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；地层稳定性的维持，需要考虑地层的自稳特征和站立时间，对注浆或冻结等地层处理方法的适应性；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

3、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）、公路工程技术标准（JTG B01-2003）等。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550

4、mm结构侧板厚度550mm1.4 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）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

5、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，级

6、围岩取。根据设计的条件，。采用公路隧道设计规范推荐的方法，即有 (2.1)上式中：s为围岩的级别；B为洞室的跨度；i为B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 因为埋深，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）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： （2.2）式中：侧压力系数，本设计取0.3

7、围岩自重（kN/m3）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：B 底板上可变荷载底板自重（可只考虑二衬）C 侧墙上永久荷载a. 侧墙自重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： （2.3） （2.4）当侧压力视为均布荷

8、载时 （2.5）式中：侧压力系数，本设计取0.3围岩自重（kN/m3）隧道埋深，指坑顶至地面的距离（m）隧道底部至地面的距离（m）代入数据：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6.1.4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。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

9、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）-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

10、：-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、侧墙和中墙的设计荷载值，如下图：承载能力极限状态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

11、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 结构采用C30混凝土,如图所示3.3 定义边界条件如下图所示： 3.4添加荷载3.4.1 定义荷载工况荷载工况如下表所示： 3.4.2 添加自重荷载 3.5定义荷载组合按承载能力极限状态组合荷载时，结构由恒载起控制作用，所以按组合荷载公式：F=1.35恒载+1.4活载，来计算荷载设计值。 按正常使用极限状态组合荷载时

12、，按组合荷载公式：F=恒载+活载，来计算荷载设计值。名称自重竖向土压力侧向土压力车辆荷载承载能力极限状态1.351.351.351.4正常使用极限状态1111其中，土压力、结构自重为恒载，汽车荷载为活载。第四章结构内力分析4.1 承载能力极限状态组合下结构内力图4.1.1 弯矩图4.1.2 轴力图4.1.3 剪力图4.2 正常使用极限状态组合下结构内力图4.2.1 弯矩图4.2.2 轴力图4.2.3 剪力图第五章结构配筋计算根据任务书要求，结构纵向按1m考虑。结构顶板和底板按纯弯构件配筋，侧墙按偏心受压构件配筋。设计时主要依据规范公路隧道设计规范（JTG B01-2003），混凝土结构设计规范

13、（GB 50010-2002）。5.1 基本条件已知某矩形截面简支梁，截面为bh=1000mm500mm，计算跨度l=16.56m，在使用期间的基本组合和标准组合的弯矩图如下：基本组合： 轴向 剪力y 剪力z 扭矩 弯矩y 弯矩z1基本组合I1-2416.250.00-172.460.00-73.410.001基本组合J2-2415.400.00-71.050.0023.390.002基本组合I2-2410.760.004.980.0024.670.002基本组合J3-2382.290.00106.530.00-20.370.003基本组合I3-2405.040.0034.030.00-26.

14、630.003基本组合J4-2369.310.00135.190.00-94.700.004基本组合I4-2370.060.00-14.070.00-94.910.004基本组合J5-2327.980.0088.380.00-124.960.005基本组合I5-2335.180.0044.670.00-126.940.005基本组合J6-2287.720.00150.780.00-205.370.006基本组合I6-2294.670.00-22.190.00-207.280.006基本组合J7-2243.440.0089.710.00-234.490.007基本组合I7-2242.720.00

15、-103.040.00-234.290.007基本组合J8-2189.880.0016.310.00-199.760.008基本组合I8-2182.180.00-158.610.00-197.650.008基本组合J9-2130.320.00-30.750.00-122.040.009基本组合I9-2118.340.00-190.520.00-118.750.00 9基本组合J10-2070.190.00-53.810.00-21.120.0010基本组合I10-2056.430.00-200.480.00-17.340.0010基本组合J11-2014.700.00-55.350.0084.

16、920.0011基本组合I11-2001.400.00-190.590.0088.580.0011基本组合J12-1968.510.00-38.190.00180.040.0012基本组合I12-1957.650.00-162.530.00183.020.0012基本组合J13-1935.550.00-4.640.00249.860.0013基本组合I13-1929.000.00-116.350.00251.660.0013基本组合J14-1915.040.0044.460.00280.400.0014基本组合I14-1914.730.00-50.070.00280.490.0014基本组合J

17、15-1917.180.00111.840.00255.790.0015基本组合I15-1929.130.006.360.00252.500.0015基本组合J16-1943.320.00166.600.00183.360.0016基本组合I16-1949.950.00-8.950.00181.530.0016基本组合J17-1974.500.00147.500.00126.160.0017基本组合I17-1986.130.0067.560.00122.960.0017基本组合J18-2019.060.00218.590.008.590.0018基本组合I18-2036.800.00109.2

18、50.003.710.0018基本组合J19-2075.750.00253.890.00-141.410.0019基本组合I19-2094.250.0088.060.00-146.500.0019基本组合J20-2136.650.00226.020.00-271.950.0020基本组合I20-2148.560.00-5.840.00-275.230.0020基本组合J21-2191.910.00125.860.00-323.040.0021基本组合I21-2192.700.00-111.380.00-323.260.0021基本组合J22-2234.750.0015.130.00-284.5

19、40.0022基本组合I22-2223.340.00-226.090.00-281.400.0022基本组合J23-2262.290.00-103.220.00-149.450.0023基本组合I23-2245.320.00-210.370.00-144.780.0023基本组合J24-2279.910.00-89.240.00-24.640.0024基本组合I24-2267.300.00-239.540.00-21.170.0024基本组合J25-2296.920.00-118.110.00122.240.0025基本组合I25-2278.100.00-212.800.00127.410.0

20、025基本组合J26-2293.540.00-138.680.00212.130.0026基本组合I26-2280.900.00-107.290.00215.610.0026基本组合J27-2302.560.0018.050.00251.770.0027基本组合I27-2308.520.0066.780.00250.130.0027基本组合J28-2305.840.00193.470.00146.630.0028基本组合I28-2336.890.0057.720.00138.090.0028基本组合J29-2351.970.00192.490.0038.590.0029基本组合I29-2358

21、.770.00-88.840.00-36.720.0029基本组合J30-2376.880.00-170.110.0024.460.0030基本组合I30-2402.470.00-146.080.0031.490.0030基本组合J31-2441.620.00-243.910.00148.040.0031基本组合I31-2482.420.00-94.390.00159.260.0031基本组合J32-2540.210.00-173.950.00239.450.0032基本组合I32-2563.190.00-16.600.00245.770.0032基本组合J33-2625.120.00-66.

22、200.00270.470.0033基本组合I33-2621.770.0093.980.00269.550.0033基本组合J34-2680.210.0073.480.00219.400.0034基本组合I34-2643.360.00263.420.00209.270.0034基本组合J35-2679.790.00263.700.0072.620.0035基本组合I35-2661.950.00148.250.0067.710.0035基本组合J36-2706.460.00156.880.00-54.340.0036基本组合I36-2728.590.00136.930.00-88.280.003

23、6基本组合J37-2766.430.00149.080.00-202.680.0037基本组合I37-2723.830.00-77.050.00-86.450.0037基本组合J38-2727.470.00-57.020.00-32.830.0038基本组合I38-2729.380.00-26.360.00-22.810.0038基本组合J39-2732.110.00-6.140.00-9.810.0039基本组合I39-2732.650.00-17.810.00-9.660.0039基本组合J40-2747.880.001.340.00-3.070.0040基本组合I40-2748.150.

24、00-13.210.00-3.000.0040基本组合J41-2755.460.006.940.00-0.490.0041基本组合I41-2755.510.00-9.230.00-0.480.0041基本组合J42-2755.890.0011.220.00-1.280.0042基本组合I42-2755.710.00-3.450.00-1.330.0042基本组合J43-2754.720.0016.970.00-6.730.0043基本组合I43-2754.180.006.570.00-6.880.0043基本组合J44-2738.020.0025.560.00-19.730.0044基本组合I

25、44-2737.040.0017.620.00-20.010.0044基本组合J45-2713.450.0034.890.00-41.000.0045基本组合I45-2712.220.0018.850.00-41.340.0045基本组合J46-2681.600.0033.810.00-62.400.0046基本组合I46-2679.090.0075.990.00-63.090.0046基本组合J47-2641.920.0088.080.00-128.700.0047基本组合I47-2637.730.0095.250.00-129.850.0047基本组合J48-2594.600.00104.

26、010.00-209.530.0048基本组合I48-2592.110.005.240.00-210.220.0048基本组合J49-2543.670.0010.290.00-216.410.0049基本组合I49-2555.030.00-215.020.00-213.280.0049基本组合J50-2521.730.00-218.380.00-118.020.0050基本组合I50-2558.830.00-137.030.00-107.820.0050基本组合J51-2504.200.00-164.000.00-17.670.0051基本组合I51-2536.070.00-100.290.0

27、0-8.900.0051基本组合J52-2480.080.00-150.800.0066.360.0052基本组合I52-2506.420.00-67.670.0073.600.0052基本组合J53-2460.230.00-137.960.00135.320.0053基本组合I53-2472.070.0046.610.00138.570.0053基本组合J54-2440.450.00-49.000.00139.750.0054基本组合I54-2458.920.00135.230.00144.830.0054 基本组合 J1-2443.890.0025.820.0081.010.00标准组合：

28、 轴向 剪力y 剪力z 扭矩 弯矩y 弯矩z1标准组合I1-1789.810.00-127.750.00-54.380.001标准组合J2-1789.190.00-52.630.0017.320.002标准组合I2-1785.750.003.690.0018.270.002标准组合J3-1764.660.0078.910.00-15.100.003标准组合I3-1781.510.0025.210.00-19.730.003标准组合J4-1755.040.00100.140.00-70.150.004标准组合I4-1755.600.00-10.420.00-70.310.004标准组合J5-17

29、24.430.0065.470.00-92.570.005标准组合I5-1729.760.0033.090.00-94.040.005标准组合J6-1694.600.00111.690.00-152.120.006标准组合I6-1699.760.00-16.440.00-153.540.006标准组合J7-1661.810.0066.450.00-173.690.007标准组合I7-1661.270.00-76.330.00-173.550.007标准组合J8-1622.130.0012.080.00-147.970.008标准组合I8-1616.430.00-117.490.00-146.4

30、00.008标准组合J9-1578.010.00-22.780.00-90.400.009标准组合I9-1569.140.00-141.120.00-87.960.009标准组合J10-1533.470.00-39.860.00-15.640.0010标准组合I10-1523.280.00-148.510.00-12.840.0010标准组合J11-1492.370.00-41.000.0062.910.0011标准组合I11-1482.510.00-141.180.0065.620.0011标准组合J12-1458.160.00-28.290.00133.370.0012标准组合I12-14

31、50.110.00-120.400.00135.580.0012标准组合J13-1433.740.00-3.440.00185.090.0013标准组合I13-1428.890.00-86.180.00186.420.0013标准组合J14-1418.540.0032.930.00207.710.0014标准组合I14-1418.320.00-37.090.00207.770.0014标准组合J15-1420.130.0082.850.00189.480.0015标准组合I15-1428.980.004.710.00187.040.0015标准组合J16-1439.490.00123.410.

32、00135.820.0016标准组合I16-1444.400.00-6.630.00134.470.0016标准组合J17-1462.590.00109.260.0093.450.0017标准组合I17-1471.210.0050.050.0091.080.0017标准组合J18-1495.600.00161.920.006.360.0018标准组合I18-1508.740.0080.930.002.750.0018标准组合J19-1537.590.00188.070.00-104.740.0019标准组合I19-1551.290.0065.230.00-108.510.0019标准组合J20

33、-1582.700.00167.420.00-201.440.0020标准组合I20-1591.530.00-4.330.00-203.870.0020标准组合J21-1623.640.0093.230.00-239.290.0021标准组合I21-1624.220.00-82.500.00-239.450.0021标准组合J22-1655.370.0011.210.00-210.770.0022标准组合I22-1646.920.00-167.470.00-208.450.0022标准组合J23-1675.770.00-76.450.00-110.700.0023标准组合I23-1663.20

34、0.00-155.830.00-107.250.0023标准组合J24-1688.820.00-66.100.00-18.250.0024标准组合I24-1679.480.00-177.430.00-15.680.0024标准组合J25-1701.420.00-87.480.0090.540.0025标准组合I25-1687.480.00-157.630.0094.380.0025标准组合J26-1698.920.00-102.720.00157.130.0026标准组合I26-1689.550.00-79.470.00159.710.0026标准组合J27-1705.600.0013.370

35、.00186.490.0027标准组合I27-1710.010.0049.470.00185.280.0027标准组合J28-1708.030.00143.310.00108.610.0028标准组合I28-1731.030.0042.760.00102.280.0028标准组合J29-1742.200.00142.590.0028.580.0029标准组合I29-1747.240.00-65.810.00-27.190.0029标准组合J30-1760.650.00-126.010.0018.130.0030标准组合I30-1779.610.00-108.210.0023.340.0030标

36、准组合J31-1808.610.00-180.680.00109.670.0031标准组合I31-1838.830.00-69.920.00117.980.0031标准组合J32-1881.640.00-128.850.00177.390.0032标准组合I32-1898.660.00-12.280.00182.070.0032标准组合J33-1944.530.00-49.030.00200.350.0033标准组合I33-1942.040.0069.670.00199.670.0033标准组合J34-1985.280.0054.410.00162.510.0034标准组合I34-1957.9

37、80.00195.170.00155.010.0034标准组合J35-1984.940.00195.290.0053.790.0035标准组合I35-1971.720.00109.870.0050.150.0035标准组合J36-2004.650.00116.130.00-40.250.0036标准组合I36-2021.050.00101.500.00-65.390.0036标准组合J37-2049.040.00110.360.00-150.130.0037标准组合I37-2017.490.00-57.000.00-64.030.0037标准组合J38-2020.160.00-42.310.0

38、0-24.310.0038标准组合I38-2021.570.00-19.450.00-16.890.0038标准组合J39-2023.570.00-4.620.00-7.260.0039标准组合I39-2023.980.00-13.120.00-7.150.0039标准组合J40-2035.250.000.920.00-2.270.0040标准组合I40-2035.450.00-9.710.00-2.210.0040标准组合J41-2040.850.005.070.00-0.360.0041标准组合I41-2040.890.00-6.760.00-0.340.0041标准组合J42-2041.

39、170.008.240.00-0.940.0042标准组合I42-2041.040.00-2.480.00-0.970.0042标准组合J43-2040.310.0012.500.00-4.980.0043标准组合I43-2039.910.004.940.00-5.090.0043标准组合J44-2027.960.0018.860.00-14.610.0044标准组合I44-2027.230.0013.120.00-14.810.0044标准组合J45-2009.780.0025.770.00-30.360.0045标准组合I45-2008.870.0014.040.00-30.620.004

40、5标准组合J46-1986.210.0024.970.00-46.220.0046标准组合I46-1984.350.0056.360.00-46.730.0046标准组合J47-1956.850.0065.180.00-95.340.0047标准组合I47-1953.750.0070.630.00-96.190.0047标准组合J48-1921.840.0076.990.00-155.220.0048标准组合I48-1919.990.003.950.00-155.730.0048标准组合J49-1884.150.007.550.00-160.310.0049标准组合I49-1892.580.0

41、0-159.270.00-158.000.0049标准组合J50-1867.940.00-161.830.00-87.420.0050标准组合I50-1895.430.00-101.520.00-79.860.0050标准组合J51-1854.960.00-121.500.00-13.070.0051标准组合I51-1878.570.00-74.290.00-6.580.0051标准组合J52-1837.100.00-111.700.0049.170.0052标准组合I52-1856.610.00-50.120.0054.530.0052标准组合J53-1822.390.00-102.190.

42、00100.250.0053标准组合I53-1831.160.0034.530.00102.660.0053标准组合J54-1807.740.00-36.300.00103.530.0054标准组合I54-1821.430.00100.180.00107.290.0054 标准组合J1-1810.290.0019.130.0060.010.005.2 顶板配筋计算5.2.1 设计条件通过上述数据，我们发现在使用期间顶板承受的最大正弯矩和最大负弯矩值为最大正弯矩：280.49kN.m 对应轴力：1914.73kN最大负弯矩：-323.26kN.m 对应轴力：2192.7kN5.2.2 计算过程截面尺寸：计算长度 ： 弯矩设计值，轴力设计值,偏心矩： 附加偏心矩： 初始偏心矩：偏心距增大系数： ，取 所以构件长细比对截面曲率影响的系数则偏心矩增大系数：则计算偏心距为：因此，可按大偏心受压构件进行计