地下结构大直径盾构隧道抗震计算与设计

1、地下结构大大直径盾盾构隧道道抗震计计算与设设计专业班级：14级隧隧道姓名：*学号：*指导老师：耿萍2014年年12月成都计算概况地基由层厚厚36 m的均均质表层层土与基基岩组成成。计算算模型示示意图见见图1-1。地地基条件件见表11-1，表表中 内数数值表示示地震时时的量值值。本文文取g=10 m/ss2，则1 tf=110 kkN。盾构隧道外外径D=9.6 mm，中心心埋深117 mm，上覆覆土层厚厚度122.2 m（1.227D）。盾盾构隧道道衬砌采采用钢筋筋混凝土土平板形形衬砌，衬衬砌各项项参数见见表1-2。抗抗震计算算对象简简图见图图1-11。利用所给参参数对盾盾构隧道道纵向及及横向进

2、进行抗震震设计计计算。表1-1 地基条条件条件表层基岩层层厚36土质冲积粘性土土洪积砂岩单位体积重重量（kkN/mm3）1719N值350以上剪切弹性波波速度地震时时（m/ss）144 1155400 4000剪切弹性模模量（kkN/mm2）360800 22309903102000 31002000泊松比0.480.40表1-2 盾构隧隧道衬砌砌条件盾构隧道中心埋深（m）17.0覆土厚度（m）12.2管片盾构管片类类型RC平板形形外径D（m）9.60管片中心半半径R（m）4.55厚度（m）0.50幅宽（m）0.90单位体积重重量（kN/mm3）26.0弹性模量（kN/mm2）351006管片

3、接头接头方式组合式金属属构件截面接头数数量33拉伸刚度（kN/mm）41055图1-1 计算模模型示意意图（单单位：mm）地基振动的的水平位位移振幅幅及波长长计算地基振动水水平位移移振幅计计算由课本11公式式（5.1）可可得由课本11公式式（5.2）可可得在地表处zz=0隧道中心埋埋深处zz=177 m式中：不不同深度度处的地地基水平平位移振振幅：表层地基基的基本本固有周周期：表层地层层层厚：表层地层层地震时时的剪切切弹性波波速度：速度反应应谱，按按课本1图图5-22中B类地区区取地基振动波波长计算算表层地层振振动波长长基岩层振动动波长则地基振动动波长盾构隧道纵纵向抗震震计算管片等效刚刚度计算

4、算管片等效轴轴向刚度度可由课课本11式（6.3），式式（6.5）计计算得到到。等效效弯曲刚刚度可由由课本1式式（6.8）解解出中性性轴位置置后代入入课本1式式（6.10）计计算得到到。管片截面面面积：管片惯性矩矩：断面全体接接头拉伸伸刚度等效压缩刚刚度：等效拉伸刚刚度：刚性比将，代入入课本1式式（6.88）（6.8）解之得，中中性轴角角度中性轴位置置等效弯曲刚刚度刚性比将以上各等等效刚度度计算结结果汇总总，见表表3-11。表3-1 管片等等效刚度度计算结结果表衬砌参数弹性系数ES(kN/mm2)3.51107外径D（m）9.60管片中心半半径R（m）4.55幅宽l（m）0.50厚度lS（m）0

5、.90截面面积AS（m2）14.2887截面惯性矩矩IS（m4）148.333接头单个接头拉拉伸刚度度Kj（kN/mm）41055截面接头数数量n33截面全体接接头拉伸伸刚度KJ（kN/mm）1.32107等效轴向刚刚度压缩刚度(EA)（kN）5.00108拉伸刚度(EA)（kN）1.16107刚性比(EA)/(EAA)0.02332等效弯曲刚刚度中性轴角度度（rad）0.9922中性轴位置置x（m）3.81等效弯曲刚刚度(EI)eeq（kNmm2）3.15108刚性比(EI)eeq/EESIS0.0611管片纵向轴轴力计算算在计算管片片纵向轴轴力时，当当=455时轴力力最大。此此时在隧隧道中

6、心心埋深处处，取。根据共同同沟设计计指南与与规定，取取其中，为表表层地层层地震时时的剪切切弹性模模量。各系数计算算如下：将所需数据据代入课课本11式（6.17）（6.177）解之得，压压缩、拉拉伸临界界位置。轴力拉伸系系数轴力压缩系系数则最大轴向向拉力最大轴向压压力最大轴向拉拉应力最大轴向压压应力单个接头所所受拉力力接头处张开开量管片纵向弯弯矩计算算在计算管片片纵向弯弯矩时，当当=0时弯矩矩最大。此此时在隧隧道中心心埋深处处，取根据共同同沟设计计指南与与规定，取取其中，为表表层地层层地震时时的剪切切弹性模模量。各系数计算算如下：则纵向最大大弯矩管片承受的的由弯矩矩引起的的最大拉拉应力管片承受的

7、的由弯矩矩引起的的最大压压应力接头承受的的由弯矩矩引起的的最大拉拉力接头处张开开量盾构隧道纵纵向抗震震计算结结果表3-2 盾构隧隧道纵向向抗震计计算结果果汇总表表轴力计算结果地基振动水平振幅U（cm）3.17波长L（m）316.22地基系数地层弹簧系系数ka（kN/mm2）230900衬砌刚度等效压缩刚刚度EA（kN）5.00108等效拉伸刚刚度EA（kN）1.16107（m-1）0.04446（m-1）0.06880.834450.10449压缩、拉伸伸临界处处位置（m）32.3轴力系数压缩1.5777拉伸0.1188轴力最大压力（kN）520700最大拉力（kN）3896.3应力值压应力（

8、kPa）3644.5拉应力（kPa）272.77接头拉力（kN）118.11张开量（mm）0.30弯矩计算结果地基振动水平振幅U（cm）4.49波长L（m）223.44弯矩计算结果地基系数地层弹簧系系数kt（kN/mm2）230900衬砌刚度等效弯曲刚刚度EI（kNmm2）3.15108（m-1）0.092250.99116弯矩最大值（kNmm）110677.4应力值压应力（kPa）1218.1拉应力（kPa）245.996接头拉力（kN）103.334张开量（mm）0.26盾构隧道横横向抗震震计算常时荷载作作用时横横断面内内力计算算常时荷载作作用时横横断面内内力计算算方法采用弯矩刚刚度有效效

9、率，弯弯矩增加加率的修修正惯用用计算法法2。图4-1 修正计计算法及及修正惯惯用计算算法所使使用的荷荷载体系系图4-1为为修正计计算法及及修正惯惯用计算算法所使使用的荷荷载体系系。垂直直方向的的地层抗抗力为等等分布荷荷载，水水平方向向的地层层抗力假假定为管管片环顶顶部左右右45 1135内线性性分布（三三角形分分布）。决决定着水水平方向向地层抗抗力大小小的水平平直径端端部的水水平方向向上的位位移依据据是否考考虑管片片自重的的地层抗抗力而不不同，依依据表44-1中中的式（1）及式（2）来计算。另外，表4-1表示了惯用计算法和修正管涌计算法的管片断面内力的计算公式，表中时，则变成惯用计算法的计算公

10、式。表4-1 依据惯惯用计算算法与修修正惯用用计算法法的管片片断面内内力计算算公式荷载弯矩轴力剪力竖直荷载水平荷载水平三角形荷载水平地基反力当时当时当时当时当时当时自重当时当时当时当时当时当时管片环向水水平直径径点的水水平方向向位移不考虑管片片自重引引起的地地层反力力时（1）考虑管片自自重引起起的地层层反力时时（2）：单位宽度度的抗弯弯刚度设计荷载计计算根据地层条条件，采采用全覆覆土压力力、水土土合算计计算荷载载。侧压压力系数数，地基基反力系系数，地地面超载载取。垂直荷载顶部水平荷荷载底部水平荷荷载自重引起的的底部反反力荷载载单环管片的的重量反力此外，底部部水压因，对浮力力是安全全的。变形量与

11、地地层抗力力用表4-11式（1）计算算考虑地地层抗力力后的变变形量。地层抗力断面内力（弯弯矩、轴轴力、剪剪力）计计算依据修正惯惯用法，叠叠加各个个荷载由由表4-1计算算所得断断面内力力M、N、Q，将其其计算结结果作为为常时荷荷载作用用时单环环管片横横断面内内力。计算结果如如表4-2所示示。其中中，为管片片顶点开开始的角角度。表4-2 常时荷荷载作用用时单环环管片横横断面内内力计算算结果角度弯矩M轴力N剪力Q角度弯矩M轴力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地震荷载作作用时横横断面内内力计算算采用反应位位移法计计算地层层在地震震荷载作作用下的的横断面面内力，计计算公式式如下：（3）式中表表层地层层厚度；地面到到隧道中中心处的的距离；表层地地层剪切切弹性模模量；表

15、层地地层泊松松比；将公式（33）计算算得到的的结果乘乘以1.3，得得到最终终地震荷荷载作用用时单环环管片横横断面内内力结果果，见表表4-33。表4-3 地震荷荷载作用用时单环环管片横横断面内内力计算算结果角度（）弯矩M（kkNm）轴力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横断面总内内力计算算在常时荷载载与地震震荷载共共同作用用时，需需考虑常常时荷载载+地震时时荷载作作用和常常时荷载载地震荷荷载时作作用两种种情况，所所得横断断面总内内力分别别为常时时荷载作作用时

21、横横断面内内力+地震时时荷载作作用时横横断面内内力、常常时荷载载作用时时横断面面内力地震时时荷载作作用时横横断面内内力。横横断面总总内力计计算结果果见表44-4。表4-4 横断面面总内力力计算结结果表角度（）常时荷载+地震时时荷载常时荷载地震时时荷载弯矩M轴力N剪力Q弯矩M轴力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