城市轨道交通地下区间隧道结构设计计算书

城市轨道交通地下区间隧道结构设计计算书TOC\o"1-3"\h\u1工程概况工程概况1.1工程场地地层特征场地的地层上而下划分为6层，各层特征及描述如表1-1，强度参数如表1-2。2.2工程水文特征地下水主要赋存于卵石层中，属兰州断陷盆地松散岩类孔隙性潜水，是兰州市的主要水源地。水位埋深10.0m，水位具有由北西向南东缓慢降低的趋势，水位变化幅度一般2.0m-3.0m。表1-1地层特征表层号土层名称岩性描述第四系全新统（Q4）1-1杂填土杂色，广泛分布于于本场地地表表和道路表面面、建筑场地地表面、垃圾圾填埋场，成成份复杂，以以粉土、中粗粗砂、卵石、圆圆砾为主，含砖砖块、水泥块块、煤渣、生生活垃圾等，一一般稍密，路路基基础经压压实处理，达达密实状态。该该层厚度3..0m。2-1黄土状土灰黄色、深灰色，硬硬塑，大空隙隙、针状空隙隙及虫孔发育育，有铁锰质质及钙质条纹纹，含植物根根系、蜗牛壳壳、云母片等等，具水平层层理。塑形指指数Ip平均值为为13.5，室室内定名为粉粉质粘土，本本层层顶深度度3.0m，厚厚度3.0mm。液性指数数IL=0..10，压缩缩系数a1--2=0.445MPa--1，为中压压缩性土。地地下水位低于于该层。广泛泛分布于二级级阶地上部。该该层土层从上上至下，灰黄黄色部分，粉粉粒含量较高高；深灰色部部分，粘粒含含量较高；该该层底部局部部存在20ccm—40ccm厚的粉细细砂层。2-5细砂灰黄色，湿，一般般粒径0.225mm-22mm为主，含含量大于500%，矿物成成分主要为石石英、长石、云云母等。局部部地段加有中中砂，含少量量圆砾、砾砂。含量5%%-15%。具具水平层理，稍稍密。该层分分布不连续，以以薄层状或透透镜体状分布布于卵石层顶顶面，本次勘勘探揭露透镜镜体厚度0..5m。2-10卵石杂色、灰白色，局局部夹有薄层层或透镜状砂砂层，广泛分分布于地黄土土状土之下。据颗分资料料及现场调查查，该层漂石石、卵石含量量占50%~~60%，一一般粒径200mm~600mm，漂石石含量较少，最最大粒径为5500mm。粒粒径2mm~~20mm的的圆砾含量占17%%~28%，中中粗砂填充。卵卵石、圆砾母岩成分主主要为砂岩、花花岗岩、石英英岩、硅质岩岩、钙钙质泥泥岩、燧石等等。级配不良良，磨圆度较较好、分选性性较差。水下下部分饱和，重重型动力触探探锤击数修正正值的平均值值N63.55=23.882，密实。该该层分布稳定定，层顶埋深深6.5m，厚厚度6.0mm。第四系下更新统（Q1）3-7中砂青灰色，饱和，一一般粒径0..25mm--2mm为主主，含量大于于50%，矿物物成份主要为为石英、长石石、云母等。局局部地段加有有细砂或粗砂砂，含少量圆圆砾、砾砂，含量5%%-15%。具具水平层理，密密实。该层分分布不连续，以以薄层状或透透镜体状分布布于3-111卵石层中，本本次勘探揭露露透镜体厚度度0.7m--1.2m。3-11卵石黄绿色、青灰色，饱饱和，局部夹夹有薄层或透透镜状砂层，广广泛分布于二二级阶地上部部。据颗分资资料及现场勘勘查，该层漂漂石和卵石含含量占50%%-60%，一一般粒径200mm-500mm，漂石石含量较少，最最大粒径可达达450mmm；粒径2mmm-20mmm的圆砾含量占20%%~30%；；中粗砂填充充。卵石、圆圆砾母岩成分主主要为砂岩、花花岗岩、石英英岩、硅质岩岩、钙质泥岩岩、燧石等。级级配不良、磨磨圆度较好，分分选性较差。泥泥质微胶结，局局部成钙质弱弱胶结，钻孔孔局部可形成成柱状岩心。重重型动力触探探锤击数修正正值的平均值值N63.55=28.225，密实。该该层分布稳定定，层顶埋深深10.8mm-13.664m，厚度度大。本次勘勘探最大深度度40m未揭穿穿该层。据区区域资料该层层厚度可达2200m-3300m。表1-2岩土抗剪强度指标建议值表岩土编号岩土名称直接剪切试验备注快剪粘聚力c(kPa)内摩擦角φ（°）1-1杂填土0122-10卵石0403-11卵石2043微胶结2结构设计2.1城市轨道交通地下工程类型根据设计任务书要求，本次设计城市轨道交通地下工程的结构类型选取地下区间隧道。2.2选定施工方法在隧道施工中，开挖方法是影响围岩稳定的重要因素。因此，在选择开挖方法时，应对隧道断面大小及形状、围岩的工程地质条件、支护条件、工期要求、机械配备能力、经济性等相关因素进行综合分析，在保证围岩稳定或减少对围岩扰动的前提下，采用恰当的开挖方法。在本地下区间隧道的施工方法选取过程中，按照“安全、可靠、经济、适用”的原则，根据本工程的实际地质情况确定使用暗挖法施工。由于地层中主要是黄土，细砂、中砂、卵石，而且地下水较发育，岩体松散，透水，工程地质条件较差，确定该工程所处地质条件为V级围岩，故开挖时架立临时支撑，设置临时仰拱，采用暗挖法中较为安全的交叉中隔壁法(CRD法)。交叉中隔壁法(CRD法)水平方向分两部，上下分三部开挖。先开挖中隔壁左侧的3部，及时支护并封闭临时仰拱，再开挖右侧分部及支护，形成左右两侧开挖及支护相互交叉的情形。同一层左右两部开挖工作面相距12m，上下层开挖工作面相距保持3.6m，且待喷射混凝土强度达到设计强度的70%后开挖相邻部位。根据监控量测结果，中隔壁及临时仰拱在仰拱浇筑前逐段拆除，每段拆除长度12m。仰拱的浇筑距开挖面18m，每次浇筑长度6m。为避免仰拱浇筑对开挖工作的影响，需架设临时仰拱栈桥。滞后仰拱12m进行拱墙二次衬砌的整体浇筑。CRD的爆破应缩短循环进尺，采用少装药、弱爆破，以减小爆破对中隔壁及临时仰拱的影响。开挖步序见图2-1。图2-1CRD法施工步序图(单位：m)=1\*ROMANI—超前支护；1—左侧上部开挖；=2\*ROMANII—左侧上部初期支护；2—左侧中部开挖；=3\*ROMANIII—左侧中部初期支护；3—左侧下部开挖；=4\*ROMANIV—左侧下部初期支护；4—右侧上部开挖；=5\*ROMANV—右侧上部初期支护；5—右侧中部开挖；=6\*ROMANVI—右侧中部初期支护成环；6—右侧下部开挖；=7\*ROMANVII—右侧下部初期支护；=8\*ROMANVIII—仰拱及混凝土填充；=9\*ROMANIX—二次衬砌2.3隧道断面设计该区间隧道采用单洞双线隧道，根据《铁路隧道设计规范》和《铁路工程建设通用参考图》，隧道断面采用的复合式衬砌的形式，该隧道处于V级围岩段，隧道预留变形量为12cm,因此隧道的开挖净高和净宽初步拟定见表2-1所示。除去预留变形量，隧道的断面宽14.38m，高12.24m。隧道断面图见附图。表2-1隧道开挖净高和净宽围岩级别开挖净高(m)开挖净宽(m)Ⅴ12.4814.623结构计算3.1荷载计算模式隧道结构的设计计算包括对初期支护和二次衬砌的设计计算，本设计只对二次衬砌的设计检算，初期支护由工程类比法确定，不对其进行计算。二次衬砌的设计计算采用荷载—结构模型，将全部荷载施加到衬砌结构上，根据求得的衬砌内力对已拟定配筋的衬砌进行检算，并对检算未通过的衬砌调整截面配筋，直到检算通过为止。整个设计检算过程如下：(1)确定隧道的围岩级别及相应埋深；(2)根据围岩级别和衬砌内轮廓尺寸，由工程类比法初步拟定隧道的支护和衬砌参数，绘制复合式衬砌断面图；(3)由《铁路隧道设计规范》，计算围岩压力并确定典型计算断面；(4)采用荷载—结构模型，利用ANSYS建模进行衬砌内力的计算；(5)由计算求得的弯矩、轴力进行衬砌结构配筋的检算。3.2荷载计算方法(1)隧道深浅埋的判定原则深、浅埋隧道分界深度至少应大于坍方的平均高度且有一定余量。根据经验，这个深度通常为2~2.5倍的坍方平均高度值，即：(3-1)式中，――深浅埋隧道分界的深度(m)；――等效荷载高度值(m)；系数2~2.5在松软的围岩中取高限，在较坚硬围岩中取低限。当隧道覆盖层厚度时为超浅埋，时为浅埋，时为深埋。(2)当隧道埋深h小于或等于等效荷载高度hq（）时，为超浅埋隧道，围岩压力按隧道顶部全土柱重量计算。围岩垂直均布松动压力为：(3-2)式中，――围岩容重(kN/m3)，见表3-1；――隧道埋置深度(m)；围岩水平压力e按朗金公式计算：隧道顶部水平压力：(3-3a)隧道底部水平压力：(3-3b)表3-1围岩压力相关计算参数取值围岩级别容重(kN/m33)弹性反力系数K(MPa/m))岩体两侧摩擦系角角(°)计算摩擦角(°)=4\*ROMANIV21.53500.855=5\*ROMANV18.51500.645(3)当隧道埋深h大于等效荷载高度hq且小于深浅埋分界深度（）时，为一般浅埋隧道，围岩压力按谢家烋公式计算：围岩垂直均布松动压力为：(3-4)(3-5)(3-6)式中，――坑道跨度(m)；――围岩的容度(kN/m3)；――洞顶覆土厚度(m)；――岩体两侧摩擦角(°)，见表2-2；――侧压力系数；――围岩计算摩擦角(°)，见表2-2；――产生最大推力时的破裂角(°)；――隧道开挖高度(m)。围岩水平压力按梯形分布，由下式确定：隧道顶部水平压力：(3-7a)隧道底部水平压力：(3-7b)(4)当隧道埋深h大于或等于深浅埋分界深度Hp（）时，为深埋隧道，围岩压力按自然拱内岩体重量计算：单线、双线及多线铁路隧道按破坏阶段设计，垂直均布压力为：(3-8)式中，――等效荷载高度值(m)；――围岩级别，如=3\*ROMANIII级围岩；――围岩的容重(kN/m3)；――宽度影响系数，其值为：(3-9)式中，――坑道宽度(m)；――每增加1m时，围岩压力的增减率(以m为基准)，当<5m时，取，>5m时，取。围岩的水平均布松动压力按表3-2计算求得。表3-2围岩水平均布压力围岩级别=4\*ROMANIV=5\*ROMANV水平均布压力0.2q0.2q3.3围岩压力的计算(1)隧道深浅埋判定隧道开挖最大轮廓尺寸：B=14.62m，=12.48m等效荷载高度：深浅埋分界深度：由于围岩为Ⅴ级，岩体软弱破碎、节理发育、强-弱风化且含地下水，故取。根据本区间隧道所处地质条件，设置隧道埋深约为13m，且故为一般浅埋隧道。(2)=5\*ROMANV级围岩压力的计算一般浅埋隧道围岩压力按谢家烋公式计算：对于Ⅴ级围岩，计算摩擦角，，则，垂直均布松动压力：水平松动压力：隧道顶部：隧道底部：3.4衬砌内力计算衬砌内力的计算采用荷载—结构模型，利用有限元软件ANSYS进行计算。ANSYS加载求解过程如下：(1)设置分析类型：隧道采用结构分析模型；(2)前处理：设置单元类型、实常数、材料属性，建模并划分单元；(3)求解：施加边界条件、荷载并求解；(4)后处理：显示并保存变形图、弯矩图、轴力图和单元结果表。隧道的ANSYS结构计算模型如图3-1，在该结构计算模型中，衬砌结构是承载主体，承受围岩的竖向、水平松动压力和结构自重，围岩对衬砌变形的约束作用通过弹簧单元来模拟。图3-1结构计算模型图ANSYS建模时，各种材料参数取值如表3-3。表3-3衬砌及围岩计算参数衬砌及围岩容重(kN/m33)弹性模量(GPa)弹性抗力系K(MMPa/m))泊松比C35混凝土2531.5—0.2Ⅴ级围岩18.5—150—利用ANSYS建模求得的结果如下图3-2、图3-3分别是隧道弯矩图和轴力图。图3-2区间隧道衬砌弯矩图(单位：N·m)图3-3区间隧道衬砌轴力图(单位：N)3.5衬砌强度检算及配筋3.5.1强度检算原理按照《铁路隧道设计规范》应按破损阶段法和容许应力法检算隧道衬砌的强度。(1)素混凝土矩形截面的检算=1\*GB3①混凝土矩形截面中心及偏心受压构件的抗压强度应按下式计算：(3-10)式中，Ra――混凝土或砌体的抗压极限强度；K――安全系数，见表3-4；N――轴向力（MN）；B――截面宽度(m)；H――截面厚度(m)；――构件的纵向弯曲系数，对于隧道衬砌、明洞拱圈及墙背紧密回填的边墙，可取=1.0；――轴向力偏心影响系数，计算公式如下：且表3-4混凝土土和砌体结构构的强度安全全系数材料种类混凝土砌体荷载组合主要荷载主要荷载+附加荷载主要荷载主要荷载+附加荷载破坏原因混凝土或砌体达到抗压极限强度2.42.02.72.3混凝土达到抗拉极限强度3.63.0——=2\*GB3②从抗裂要求出发，混混凝土矩形截截面偏心受压压构件的抗拉拉强度按下式式计算：(3--11)式中，――混凝土土的抗拉极限限强度，见表表3-5；――截面偏心距((m)；表3-5衬砌材材料力学指标标衬砌材料衬砌、钢筋力学指指标抗拉极限强度(MMPa)弯曲抗压极限强度度(MPa))抗拉极限强度(MMPa)计算强度(MPaa)C30混凝土22.528.12.2—C35混凝土25.732.12.4—HRB335———360HPB235———260对混凝土矩形构件件，按《铁路路隧道设计规规范》规定的的安全系数及及材料强度竖竖直计算结果果表明，当时时，有抗压强强度控制承载载能力，不必必检算抗裂；当当时，由抗拉拉强度控制承承载能力，不不必检算抗压压。(2)钢筋混凝土土矩形截面的的检算=1\*GB3①大偏心受压构件的的检算钢筋混凝土矩形截截面的大偏心心受压构件(()其截面强度度应按下列公公式计算：(3--12)或(3--13)中性轴的位置按下下式确定：(33-14)当轴向力作用于钢钢筋与的重心之间间时，式中左左边第二项取取正号；当作作用于和两重心以外外时，则取负负号。如计算中考虑受压压钢筋时，则则混凝土受压压区高度应符符合，如不符符合，则按下下式计算：(3-155)式中，――轴向力力(MN)；K――钢筋混凝土结结构强度安全全系数，见表表3-8；，――钢筋和的重心心至轴向力作作用点的距离离(m)；表3-6钢筋混混凝土结构的的强度安全系系数荷载组合主要荷载主要荷载+附加荷荷载破坏原因钢筋达到计算强度度或混凝土达到抗压或抗剪极极限强度2.01.7混凝土达到抗拉极极限强度2.42.0=2\*GB3②小偏心受压构件的的检算钢筋混凝土矩形截截面小偏心受受压构件()，其截面强强度应按下式式计算(3-166)当轴向力作用于钢钢筋和的重心之间间，尚应符合合下列要求：：(3-177)3.5.2强度度检算及配筋按照要求应对=5\*ROMANV级级围岩的隧道道衬砌进行配配筋检算。首首先根据衬砌砌厚度采用最最小配筋率初初配配筋，根根据规范要求求采用允许应应力法反算强强度安全系数数K，若安全系系数大于规范范要求的安全全系数，则只只需按最小配配筋率配筋即即可；若反算算得出的安全全系数小于规规范要求，则则需要增加配配筋率，反复复计算直至强强度安全系数数大于规范要要求为止。对于V级围岩一般般隧道衬砌结构，按按偏心受压构构件对称配筋筋，取每侧44Φ20钢筋，则则单侧的环向向主筋筋面积,混凝土用C335，保护层厚度度取50mmm，纵向筋采用Φ12@@250，箍箍筋采用Φ88@250。配配筋结果检算算见表3-7。表3-7区间隧隧道衬砌配筋筋检算表单元号轴力(N)弯矩(N·m)偏心距e0(mmm)截面高度(mm)Ag(mm2)大小偏心判断安全系数1-2.34E+006-2.19E+00593.885001256小偏心4.052-2.36E+006-2.04E+00586.545001256小偏心4.113-2.41E+006-1.62E+00567.215001256小偏心4.324-2.48E+006-9.97E+00440.145001256小偏心4.675-2.57E+006-2.94E+00411.465001256小偏心5.136-2.64E+0063.56E+04413.465001256小偏心4.937-2.71E+0068.40E+04431.035001256小偏心4.458-2.75E+0061.10E+05539.845001256小偏心4.229-2.77E+0061.12E+05540.385001256小偏心4.1710-2.78E+0069.62E+04434.545001256小偏心4.2611-2.79E+0066.92E+04424.845001256小偏心4.4412-2.78E+0063.85E+04413.845001256小偏心4.6813-2.78E+0061.02E+0443.685001256小偏心4.9114-2.78E+006-1.06E+0043.815001256小偏心4.9115-2.78E+006-1.87E+0046.715001256小偏心4.8416-2.80E+006-7.00E+0032.55001256小偏心4.9117-2.78E+0063.32E+04411.985001256小偏心4.7318-2.72E+0061.16E+05542.655001256小偏心4.2219-2.64E+0062.60E+05598.395001256小偏心3.5320-2.51E+0063.49E+055139.345001256小偏心3.2721-2.30E+0062.95E+055128.425001256小偏心3.6922-2.08E+0061.39E+05566.845001256小偏心5.0223-1.93E+006-8.41E+00443.616001256小偏心7.2724-1.87E+006-2.98E+005159.726001256小偏心5.3825-1.84E+006-3.54E+005192.496001256大偏心4.4926-1.84E+006-3.21E+005174.486001256大偏心4.9927-1.84E+006-2.49E+005135.16001256小偏心5.7928-1.85E+006-1.76E+00595.166001256小偏心6.4329-1.86E+006-1.25E+00567.16001256小偏心6.9830-1.86E+006-1.06E+00557.186001256小偏心7.231-1.85E+006-1.25E+00567.286001256小偏心732-1.85E+006-1.76E+00595.546001256小偏心6.4533-1.84E+006-2.49E+005135.466001256小偏心5.834-1.84E+006-3.21E+005173.956001256大偏心4.9935-1.87E+006-3.54E+005189.616001256大偏心4.536-1.93E+006-2.98E+005154.46001256小偏心5.2737-2.08E+006-8.41E+00440.366001256小偏心6.838-2.30E+0061.39E+05560.45001256小偏心4.6439-2.51E+0062.95E+055117.465001256小偏心3.4940-2.65E+0063.49E+055131.755001256小偏心3.1741-2.73E+0062.60E+05595.365001256小偏心3.4642-2.78E+0061.16E+05541.655001256小偏心4.1443-2.81E+0063.32E+04411.835001256小偏心4.6744-2.79E+006-7.00E+0032.55001256小偏心4.9245-2.79E+006-1.87E+0046.75001256小偏心4.8346-2.79E+006-1.06E+0043.85001256小偏心4.947-2.79E+0061.02E+0443.675001256小偏心4.948-2.79E+0063.85E+04413.795001256小偏心4.6649-2.79E+0066.92E+04424.785001256小偏心4.4450-2.78E+0069.62E+04434.575001256小偏心4.2751-2.76E+0061.12E+05540.665