地下铁道地铁教程ppt第8讲

一、地下铁道结构静、动力工作特性

用于理论计算的力学模型可归纳为四种：⑴作用—反作用模型(Action-reactionModel)⑵连续介质模型(ContinuumModel)(3)以工程类比为依据的经验法(EmpiricalMethod)(4)约束—收敛法(Convergence-confinementMethod)

目前以应用荷载—结构模型为主。第三节地下铁道结构设计及计算

二、作用在地下铁道结构上的荷载

永久荷载

可变荷载

偶然荷载

长期作用的恒载，如地层压力、结构自重、上方建筑物压力、水压力等。

分为基本可变荷载和其他可变荷载，基本可变荷载即长期的经常作用的变化荷载，如地面车辆荷载等；其他可变荷载即非经常作用的变化荷载，如施工荷载等。

偶然的、非经常作用的荷载，如地震影响、爆炸力等。

1.地层压力

（0≤x≤L1）深埋石质隧道：围岩的松动压力可按《铁路隧道设计规范》所建议的公式进行计算。1.地层压力

土质隧道：竖向压力明挖和浅埋暗挖隧道深埋暗挖隧道全部土柱重量泰沙基公式或普氏公式计算式中、——计算截面i处的主动、被动土压力；、——朗金主动、被动侧压力系数；

——计算截面i处的竖向土压力；

c——土的粘结力。侧向压力朗金土压力理论1.地层压力

在计算总压力时可不计临界深度=

以上的负压力。2.静水压力圆形或接近圆形最低水位矩形最高水位2.静水压力使用阶段水土分算施工阶段黏性土层：水土合算水土分算地下水位以上的土采用天然重度γ，水位以下的土采用有效重度γ′计算土压力。另外再计算静水压力的作用。砂性土层：水土合算λ0γH1λ0γ′H2γwH2H1H2式中——水的重度，一般10kN/m3；——土的饱和重度。2.静水压力水土合算地下水位以上的土与前者相同，水位以下的土采用饱和重度γs计算土压力，不计算静水压力。λ0γH1λ0γsH2H2H12.静水压力竖向压力一般情况下，地面车辆荷载可按下述方法简化为匀布荷载：单个轮压传递的竖向压力:

3.地面车辆荷载及其冲击力0.7Z1111ZZbaPoz地面地面p0p0Poz0.7Z0.7Z0.7Z两个以上轮压传递的竖向压力:3.地面车辆荷载及其冲击力0.7ZbZp0aPoz0.7Z0.7Z0.7ZPozp0p0p0Zbd1d2b式中——地面车辆传递到计算深度Z处的竖向压力；

——车辆单个轮压，按通行的汽车等级采用；

a、b——地面单个轮压力的分布长和宽度；

di——地面相邻两个轮压的净距；

n——轮压的数量；

——车辆荷载的动力系数。3.地面车辆荷载及其冲击力侧向压力3.地面车辆荷载及其冲击力式中——侧向压力系数，分石质地层和土质地层。石质地层查规范表，土质地层按库仑土压力系数计算。4．地铁车辆荷载、人群荷载及设备荷载在设计换乘站中直接承受地铁车辆荷载的楼板等构件时，地铁车辆竖向荷载应按其实际轴重和排列计算，并考虑动力作用的影响，同时尚应按线路通过的重型设备运输车辆的荷载进行验算。车站站台、楼板和楼梯等部位的人群均布荷载的标准值应采用4.0kPa。设备用房楼板的计算荷载应根据设备安装、检修和正常使用的实际情况（包括动力效应）确定，其标准值不得小于4.0kPa。5.地震荷载地震对地下车站结构的影响概可以分为剪切错位和振动。车站结构的地震作用分析仅局限于在假定土体不会丧失完整性的前提下考虑其振动效应。一般地铁结构都采用实用方法，即静力法或拟静力法，对于深埋隧道还可采用弹性波拟静力法。5.地震荷载静力法即地震系数法或称惯性力法；拟静力法即地层位移法或称反应位移法，此法系以地基变形为输入，不考虑衰减系数的静力解；弹性波拟静力法即根据隧道所在地区基岩或地面的反应谱或设计地震强度用简化模型正演或反演隧道处围岩的弹性体波速度，然后用静力法计算弹性波作用下围岩和衬砌中的应力和位移。静力法或拟静力法就是将随时间变化的地震力或地层位移用等代的静地震荷载或静地层位移代替，然后用静力计算模型分析地震荷载或强迫地层位移作用下的结构内力。5.地震荷载等代的静地震荷载包括：结构本身和洞顶上方土柱的水平、垂直惯性力以及主动土压力增量。水平地震荷载可分为垂直和沿着隧道纵轴两个方向进行的计算：(1)隧道横截面上的地震荷载(垂直隧道纵轴)

a．结构的水平惯性力式中——作用于结构的地震加速度；

g——重力加速度；

Q——构件或结构的重量；

Kc——与地震加速度有关的地震系数。5.地震荷载马蹄形曲墙式衬砌

5.地震荷载其匀布的水平惯性力为：式中——综合影响系数，与工程重要性、隧道埋深、地层特性等有关，规范中建议，对于岩石地基为0.2，非岩石地基为0.25；

——水平地震系数，7度地区为0.1；8度地区为0.2；9度地区为0.4；m1

——上部衬砌质量；H——上部衬砌的高度；

m2——仰拱质量；

f——仰拱的矢高。5.地震荷载圆形衬砌

5.地震荷载其匀布的水平惯性力为：式中m——衬砌质量；

D——衬砌外直径。5.地震荷载矩形衬砌

5.地震荷载其匀布的水平惯性力为：式中、——顶、底的水平惯性力，作为集中力考虑，作用在顶、底板的轴线处；

——边墙和中墙的水平惯性力，按作用在边墙上的匀布力考虑；mt、mb——顶和底板质量；

mw——边、中墙质量；

h——边墙净高。5.地震荷载b.洞顶上方土柱的水平惯性力为：式中m上——上方土柱的重量。。c.主动侧向土压力的增量地震时地层的内摩擦角要发生变化，由原来的φ值减少为(φ-β),其中β为地震角，在7度地震区β=1°30′；8度处β=3°；9度处β=6°。因此，结构一侧的主动侧向土压力增量为5.地震荷载式中d.结构和隧道上方土柱的垂直惯性力，其一般公式为式中——垂直地震系数，一般取~；

Q、P——衬砌和隧道上方土柱的重量。5.地震荷载(2)沿隧道纵轴方向的地震荷载计算纵向水平惯性力时，对区间隧道可按半个波长的结构重量考虑，即式中W——结构每延长米的重量。对于车站，可按两条变形缝之间的结构重量来计算。应考虑建筑物的现状和以后的变化，凡明确的，应以其设计的基底应力和基底距隧道结构的距离计算。凡不明确的，应在设计要求中作出规定，如上海市规定为20kN/m2。6.隧道上方和破坏棱体内的设施和建筑物的压力核爆动产生的空气冲击波作用于地面时，一方面从地面反射形成空气中的反射波，另一方面以另一种形式向地面传播形成土壤中的压缩波。土中压缩波作用于隧道结构上的压力称为作用在结构上的人防荷载。这种荷载的大小与地面空气冲击波参数、土中压缩波的参数、覆土厚度、结构和介质的相对运动、结构的几何形状、尺寸大小及材料等因素有关。7.人防荷载8．关于地铁隧道土压力计算方法的讨论和建议

深浅埋分界及土压力计算的有关规定埋深竖直土压全土柱谢家烋公式深埋公式8．关于地铁隧道土压力计算方法的讨论和建议

埋深竖向荷载三、地铁结构的内力计算1.结构设计应符合的一般规定

①地下结构应就其施工和正常使用阶段，进行结构强度的计算，必要时也应进行刚度和稳定性计算。对于混凝土结构，尚应进行抗裂验算或裂缝宽度验算。当计入地震荷载或其他偶然荷载作用时，不需验算结构的裂缝宽度。1.结构设计应符合的一般规定

②普通钢筋混凝土结构的最大计算裂缝宽度允许值应根据结构类型、使用要求、所处环境和防水措施等因素确定。规范中列出了最大计算裂缝宽度允许值。③计算简图应符合结构的实际工作条件，反映围岩对结构的约束作用。当施工及使用过程中受力体系、荷载形式等有较大变化时，宜根据构件的施作顺序及受力条件，按结构的实际受载过程进行分析，考虑结构体系变形的连续性。1.结构设计应符合的一般规定

④侧向地层抗力和地基反力的数值及分布规律，应根据结构形式在其荷载作用下的变形、施工方法、回填与压浆情况、地层的变形特性等因素确定。⑤换乘站中直接承受列车荷载的楼板等构件，其计算及构造应满足现行《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》的相关要求。⑥地下结构应进行横断面方向的受力计算，遇到特殊情况时，尚应对其纵向强度和变形进行分析。

1.结构设计应符合的一般规定

⑦装配式构件的尺寸应考虑制作、吊装、运输以及施工的安全和方便。接头设计应满足受力、防水和耐久性要求。⑧矿山法施工的结构的设计，应从喷射混凝土、钢拱架或锚杆为主要支护手段，根据围岩和环境条件、结构埋深和断面尺度等，通过选择适宜的开挖方法、辅助措施、支护形式及与之相关的物理力学参数，达到保持围岩和支护的稳定、合理利用围岩自承能力的目的。施工中，应通过对围岩和支护的动态监测，优化设计和施工参数。1.结构设计应符合的一般规定

⑨设计地震区的结构时，应根据设防要求、场地条件、结构类型和埋深等因素选用能较好反映其地震工作性状的分析方法，并采取必要的构造措施，提高结构和接头处的整体抗震能力。2.区间隧道衬砌结构静力计算对于结构与地层的共同作用问题，目前较为实用的处理方法有以下3种：①主动荷载模型②主动荷载加地层弹性约束的模型③地层实测荷载模型结构与地层共同作用的处理方法2.区间隧道衬砌结构静力计算竖向围岩主动压力地层反力侧向围岩主动压力主动荷载模型围岩弹性抗力主动荷载加地层弹性约束模型侧向围岩主动压力竖向围岩主动压力脱离区衬砌变形曲线2.区间隧道衬砌结构静力计算径向荷载切向荷载地层实测荷载模型2.区间隧道衬砌结构静力计算明挖箱形结构可以采用主动荷载模型进行结构计算。明挖箱形衬砌结构计算

WWe2e2e1e1pox1pox2pox2pox1pozq箱形框架主动荷载图2.区间隧道衬砌结构静力计算对框架结构的隅角部分和梁柱交叉节点处，为了考虑柱宽的影响，一般采用如图所示的方法来计算配筋。明挖箱形衬砌结构计算

内力图QMA用于计算端部断面的弯矩用于计算梁腋始点断面的弯矩A节点角隅弯矩取值图2.区间隧道衬砌结构静力计算采用矿山法施工的浅埋或深埋隧道衬砌通常为马蹄形复合式结构，按新奥法原理，在复合式衬砌中，初期支护是主要承载结构，内层衬砌则为安全储备。初期支护应采用主动+被动荷载模型进行内力分析，为此，可以选用两种计算图式：弹性地基梁图式暗挖马蹄形衬砌结构计算

2.区间隧道衬砌结构静力计算暗挖马蹄形衬砌结构计算

11022334564s7895678910101111131212131490˚~120˚KK弹性地基梁计算模型和单元剖分图弹性地基梁图式2.区间隧道衬砌结构静力计算暗挖马蹄形衬砌结构计算

弹性支承链杆图式

11022334564s7895678910101111131212131490˚~120˚KK弹性支承链杆法计算模型和单元剖分图2.区间隧道衬砌结构静力计算暗挖马蹄形衬砌结构计算

弹性支承链杆图式

11022334564s7895678910101111131212131490˚~120˚KK弹性支承链杆法计算模型和单元剖分图2.区间隧道衬砌结构静力计算暗挖马蹄形衬砌结构计算

复合式衬砌内力分析时的计算图式如图。复合式衬砌计算模型和单元剖分图11022334564s7895678910101111131212131490˚~120˚KK2.区间隧道衬砌结构静力计算盾构隧道衬砌结构计算

接头刚度和本体刚度一样考虑环向接头刚度和纵向接头刚度接头抗弯刚度为零目前较通用的计算方法有3种：①自由变形弹性匀质圆环法处于软弱地层和饱和软粘土中的整体式圆形衬砌，或接头刚度接近结构本身刚度的装配式衬砌均可采用本方法进行结构内力分析。2.区间隧道衬砌结构静力计算盾构隧道衬砌结构计算

假定：a．地层不提供侧向弹性抗力；b．基底竖向反力按均匀分布考虑，并根据静力平衡条件计算其量值；c．结构为弹性匀质体。e2e2Pkge1qe1RH自由变形弹性匀质圆环计算简图2.区间隧道衬砌结构静力计算盾构隧道衬砌结构计算

对于浅埋隧道为简化计算，可将拱背上的非匀布的竖向地层压力近似地换算成匀布荷载：RHh式中RH——衬砌计算半径；

G——拱背上地层压力总值。2.区间隧道衬砌结构静力计算盾构隧道衬砌结构计算

于是，竖向匀布地层压力即为：2.区间隧道衬砌结构静力计算盾构隧道衬砌结构计算

衬砌中各截面的弯矩M(内缘受拉为正)和轴力N(受压为正)如表所示。2.区间隧道衬砌结构静力计算盾构隧道衬砌结构计算

②考虑侧向水平弹性抗力法处于能提供侧向弹性抗力的地层，如硬黏土、砂性土中的整体式或装配式圆形衬砌均可采用本方法进行结构内力分析。在此方法中假定：a．地层侧向弹性抗力为水平方向作用，并呈三角形分布，上下零点在水平直径上下45º处，最大值在水平直径处，其余任一点的侧向水平弹性抗力均为最大值的函数。2.区间隧道衬砌结构静力计算盾构隧道衬砌结构计算

φ=45˚考虑侧向地层弹性抗力圆环计算简图e2e2Pkge1qe1RHσkσiσiσkkkφα2.区间隧道衬砌结构静力计算盾构隧道衬砌结构计算

b．基底竖向反力按匀布考虑，并根据静力平衡条件计算其量值；c．在装配式衬砌中，若接头刚度较小，则衬砌的整体刚度也将有所减弱，有助于充分发挥地层的承载力，改善结构受力状态。接头对刚度的影响：按日本土木协会的《盾构用标准管片》(1982)中规定，如为错缝拼装的平板型管片，其计算刚度取：2.区间隧道衬砌结构静力计算盾构隧道衬砌结构计算

式中——弯曲刚度有效率，上述文献建议0.8；

——管片的原有刚度。根据求得衬砌中的内力(、、)，需按(1＋)与进行管片设计，按(1－)

与进行管片接头连接件的设计，其中的(弯矩增大系数)取为0.3。按本方法分析衬砌内力时，衬砌环中各截面的弯矩Ｍ和轴力Ｎ仅需在上表所示的量值上叠加下表的值。2.区间隧道衬砌结构静力计算盾构隧道衬砌结构计算

引起的圆环内力表③弹性地基梁法或弹性支承链杆法2φ0圆形衬砌弹性支承链杆计算简图2.区间隧道衬砌结构静力计算盾构隧道衬砌结构计算

第1种及第3种方法，可称为惯用设计方法。不考虑管片接头部分的弯曲刚度下降；管片环和管片主截面具有相同刚度、并且弯曲刚度均匀；水平方向的地层抗力假定为自环顶部向左右45~135°分布的三角形荷载。2.区间隧道衬砌结构静力计算盾构隧道衬砌结构计算

第2种方法，可称为修正惯用设计方法。将接头部分弯曲刚度的降低评价为环整体刚度的降低，管片环是具有EI

（弯曲刚度的有效率≤1)弯曲刚度均匀的环(平均刚度均匀环)。考虑错接头时的接头部分弯矩的分配，从根据EI

均匀弯曲刚度环计算出来的截面内力中，对弯矩考虑一个增减(弯矩的提高率)，则(1+)M为主截面的设计用弯矩，(1-)M为接头的设计弯矩。2.区间隧道衬砌结构静力计算盾构隧道衬砌结构计算

④多铰圆环

水平土压自重上部垂直土压水压荷载反力水平土压水压自重地基弹簧2.区间隧道衬砌结构静力计算盾构隧道衬砌结构计算

以隧道周围围岩状况良好作为对象而采用的计算法，将管片接头作为铰结构来计算。多铰环自身是个静不定结构，只有在隧道