礼慈路连接L42西段道路及配套工程隧道结构计算书

PAGE20礼慈路连接L42西段道路及配套工程隧道结构计算书目录116021.工程概况 1213592.设计依据 2168213.岩土体物理力学参数 3170224.隧道主体结构计算 5217664.1.计算软件 5142654.2.初期支护计算模型 5301894.3.二次衬砌计算模型 6104574.4.暗挖隧道 1097744.4.1.Ⅴ级围岩ⅤA型复合式衬砌（浅埋） 1040554.4.2.Ⅴ级围岩ⅤB型复合式衬砌（浅埋） 135344.4.3.明洞衬砌 16248584.4.4.初支结构计算 19礼慈路连接L42西段道路及配套工程隧道结构计算书工程概况项目位于礼嘉-大竹林组团，该组团东、南与黄茅坪、翠云组团相邻，西、北临嘉陵江，江对岸分别为沙坪坝区的井口镇、童家溪镇和北碚区的蔡家镇。渝合高速公路穿越本区，金渝大道（鸳鸯至礼嘉）通过组团南侧的双堰立交与渝合高速公路相连。礼慈路连接L42西段起点接现状通海十四路，由北向南延伸，终点接现状通海一路，道路全长1642.904m，设计车速30km/h，标准路幅宽度为21m，双向四车道，道路等级为城市次干道。隧道左线桩号K0+259.054~K0+457.930，隧道长198.875m；隧道右线桩号K0+249.205~K0+443.254，隧道长194.049m。平面上，隧道全段均采用拱形断面，双洞四车道分岔式布置，从隧道进口到出口均为分离式隧道，设计道路里程线间距16.5m~25.0m。纵断面上，隧道范围为单向坡，左右线隧道纵坡分别为-2.6%和-2.7%。左线隧道建筑限界净宽为10.75m，净高4.5m，右线隧道建筑限界净宽为9.0m，净高4.5m。其洞身结构按新奥法进行设计施工，采用复合衬砌，初期支护以喷射混凝土、钢架、锚杆和钢筋网等为主要支护手段；二次衬砌采用钢筋混凝土结构。隧道规模一览表如下：隧道规模一览表项目起讫里程长度(m)主要分段长（m）洞门型式进口出口明挖段暗挖段左线左线桩号K0+259.054左线桩号K0+457.930198.8757.5191.375进、出洞均采用端墙式；右线右线桩号K0+249.205右线桩号K0+443.254194.0490194.049隧道衬砌支护参数表如下：设计依据《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013）《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）《工程结构通用规范》（GB55001—2021）《城市地下道路工程设计规范》（CJJ221-2015）《混凝土结构设计规范》（GB50010-20102015年版）《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2015）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）《公路隧道设计规范第一册土建工程》(JTG33701-2018)《公路工程技术标准》（JTGB01-2014）《地基基础设计规范》（GB50007—2011）《混凝土结构通用规范》（GB55008-2021）《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》（GB50086-2015）；《地下工程防水技术规范》（GB50108-2008）；《公路工程抗震设计规范》（JTGB02-2013）；《公路隧道抗震设计规范》（JTG2232-2019）岩土体物理力学参数地勘单位提供的，裂隙面抗剪强度及基底摩擦系数和锚杆砼与岩石的极限粘结强度标准值根据《建筑边坡工程技术规范》GB50330-2013，结合地区建筑经验提供。岩土物理力学参数值一览表重度KN/m3天然*20*18.9*24.5024.59*24.023.52饱和*21*19.2*24.624.89*24.223.72岩体抗拉强度KPa///64.6/273.6岩石天然单轴抗压强度MPa///4.14/15.97岩石饱和单轴抗压强度MPa///2.48/11.03地基承载力特征值KPa现场测试确定*150*300900*4005600内聚力KPa*15（天然）24（天然）/228/655*13（饱和）17（饱和）内摩擦角°*20（天然）12（天然）/27.9/32.0*8（饱和）10（饱和）岩体理论破裂角°///59/61弹性模量MPa///700/2300泊松比(μ)///0.29/0.20基底摩擦系数/*0.250.250.300.400.350.55M30砂浆与岩石极限粘结强度标准值KPa///300/750水平抗力系数MN/m3//50200水平抗力系数的比例系数MN/m481220/20/桩侧土的摩阻力标准值KPa2050120/200/边坡允许坡率值（无外傾结构面）（土质H≤5m,岩质边坡H≤8m）/1:1.51:1.51:1.51:1.01:1.51:1.0结构面内聚力CKPa20内摩擦角Φ°12结注：取值说明：1）加*者为经验值。2）岩土重度由试验密度值乘以重力加速值9.8取得。3）样本数少于6时直接采用平均值为标准值，岩石重度、土体物性指标及变形采用平均值为标准值；4）根据《市政工程地质勘察规范》（DBJ50-174-2014）第14.3条规定：岩质地基极限承载力标准值由岩石天然抗压强度标准值乘以地基条件系数确定，场地中等风化岩石较完整，地基条件系数取1.1。其中砂岩孔渗性较好，容易达到饱和状态，故采用饱和值进行计算。5）根据《建筑地基基础设计规范》（DBJ50-047-2016）第4.2.6条规定：岩质地基承载力特征值根据地基极限承载力标准值乘以0.33确定，岩体较完整，地基条件系数取1.10。6）岩土与锚固体的极限粘结强度标准值仅适用于初步设计，施工时应通过试验检验。7）根据《岩土工程勘察规范》GB50021-2001规定，实测击数应按杆长校正。重型动力触探的实测击数（N63.5），按下式进行校正：N’63.5=αN63.58）中等风化岩体抗剪强度标准值的Φ值由岩石标准值乘以0.9的折减系数后再乘以0.95的时间效应得来；C值由岩石标准值乘以0.3的折减系数后再乘以0.95的时间效应得来，抗拉由岩石标准值乘以0.4的折减系数后再乘以0.95的时间效应得来9）、岩石弹性模量：取岩石弹性模量标准值的0.70倍，并考虑时间效应系数综合取值；10）、岩土水平抗力系数结合试验成果及《市政工程地质勘察规范》（DBJ50-174-2014）表14.2.12-1、表14.2.12-2取值；11）、边坡理论破裂角：中等风化泥岩取59°，中等风化页岩取61°。12）理论破裂角取值为45°+φ/2（φ为内摩擦角）5°隧道主体结构计算计算软件采用大型有限元分析软件MIDAS-GTSNX进行计算。初期支护计算模型隧道初期支护采用工程类比法进行设计，并通过有限元理论分析进行验算。有限元分析采用地层结构法，是将初期支护和地层视为整体共同受力的统一体系，在满足变形协调的前提下分别计算初期支护与地层的内力，据以验算地层的稳定性和进行初期支护结构设计。为简化计算，在初期支护模拟计算中偏于安全地不考虑工字钢及超前支护的作用。（1）单元选取计算范围内的围岩采用平面应变单元模拟；喷射混凝土采用梁单元模拟；系统锚杆采用植入式桁架单元模拟。（2）计算范围、荷载及边界条件计算范围：左右水平计算范围均取隧道跨度的3倍，垂直计算范围向上取至自由地表，向下取隧道宽度的3倍。计算荷载：包括岩土体及结构自重、周边道路车行荷载（取为20kPa）。边界条件：底面约束竖直方向Y方向的自由度，侧面约束侧向X方向的自由度，地表为自由面。（3）计算方法和屈服准则采用大型有限元分析软件MIDAS-GTSNX计算，程序使用“生死”单元的方法实现隧道岩土体的开挖和初期支护的修建。结构材料采用线弹性结构模型；岩土体材料采用理想弹塑性模型，屈服准则采用摩尔-库伦屈服准则，以考虑围岩的非线性变形。（4）计算步骤计算步骤按照隧道设计施工方法进行。计算程序首先模拟原始地应力，围岩的开挖是在前一计算步骤所得地应力分布的基础上进行的，根据结构整体刚度的改变，按实际开挖方法施加地层释放荷载，并求解开挖后的应力场。二次衬砌计算模型二次衬砌采用荷载结构法进行计算。荷载结构法认为，隧道开挖后地层的作用主要是对衬砌结构产生荷载，衬砌结构应能安全可靠地承受地层压力等荷载的作用。计算时先按《公路隧道设计规范第一册土建工程》（JTG3370.1-2018）确定地层压力，然后按弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌的内力，并计算结构截面设计。根据《公路隧道设计细则》（JTG/TD70-2010），隧道采用复合式衬砌结构时，可考虑初期支护的承载作用，初期支护与二次衬砌承载比例参照规范表10.3.3执行。（1）荷载计算依据《公路隧道设计规范第一册土建工程》（JTG3370.1-2018），作用于隧道结构上的荷载分类如下表：荷载类型荷载名称永久荷载围岩压力土压力结构自重结构附加荷载混凝土收缩和徐变的影响力水压力可变荷载基本可变荷载公路车辆荷载，人群荷载其他可变荷载温度变化的影响力施工荷载偶然荷载落石冲击力地震作用本工程计算中主要考虑的计算荷载如下表：荷载种类荷载取值备注围岩压力按照《公路隧道设计规范》计算取值适用于暗挖隧道结构土压力按照隧道拱顶实际覆土厚度取值适用于明挖隧道结构结构自重按结构实际截面尺寸及重度取值水压力依据地勘资料，结合隧道防排水措施及地区经验取值地面车行荷载按20KPa均布荷载考虑施工荷载按10KPa均布荷载考虑注：表中未列出荷载按相关规范或根据实际情况取值。◆深埋隧道围岩压力：按照《公路隧道设计规范第一册土建工程》（JTG3370.1-2018）计算取值，围岩压力按松散压力考虑，其垂直均布压力按下式计算：式中：s——围岩级别ω——宽度影响系数，B——坑道跨度i——B每增减1m时的围岩压力增减率：当B＜5m时，取i=0.2；当B>5m时，取i=0.1水平均布压力按下式计算：式中：λ——侧压力系数◆浅埋隧道围岩压力：按照《公路隧道设计规范第一册土建工程》（JTG3370.1-2018）计算取值，围岩压力按松散压力考虑，其垂直均布压力按下式计算：式中：γ——围岩重度B——坑道跨度h——洞顶地面高度θ——顶板土柱两侧摩擦角，为经验数值λ——侧压力系数φc——围岩计算摩擦角β——产生最大推力时的摩擦角浅埋隧道荷载计算示意图◆水压力：依据地勘报告，场地水文地质条件较为简单，地勘在钻孔施工结束后提干孔内积水，隔一天进行水位观测，场地内大部分钻孔未见地下水位。同时，本工程隧道采用半包防水+排水衬砌（衬砌外设置环向排水软管及纵向排水软管排水系统）的形式，结合地区经验，衬砌计算中可不考虑裂隙水压力作用。◆结构设计时对结构整体或构件可能同时出现的荷载（作用）进行组合，并取最不利组合进行设计或验算。确定荷载取值时，应考虑施工阶段和使用阶段中发生的变化。荷载组合如下表：按承载能力要求检验基本组合组合一结构自重+附加恒载+围岩压力组合二结构自重+附加恒载+土压力+公路荷载结构自重+附加恒载+土压力+列车活载结构自重+附加恒载+土压力+渡槽流水压力组合三结构自重+附加恒载+土压力+施工荷载+温度作用力偶然组合组合四结构自重+附加恒载+围岩压力或土压力+地震作用或落石冲击力按正常使用要求检验长期效应组合组合五结构自重+附加恒载+围岩压力+混凝土收缩和徐变力组合六结构自重+附加恒载+土压力+公路荷载、列车荷载或渡槽流水压力短期效应组合组合七结构自重+附加恒载+围岩压力或土压力+混凝土收缩和徐变力+温度荷载+冻胀力（2）弹性抗力系数隧道衬砌计算模型考虑了围岩对衬砌变形的约束作用，采用“仅受压”弹簧模型，抗力系数依据地勘报告取值：泥岩取为100Mpa/m，砂岩取为200Mpa/m。（3）隧道计算模型示意图隧道衬砌内力计算模型示意图p1——垂直土压力（包括地面超载）q1、q2——侧向土压力（4）截面强度验算方法依据《公路隧道设计规范第一册土建工程》（JTG3370.1-2018），按破损阶段法验算钢筋混凝土衬砌正截面强度、斜截面强度，同时计算最大裂缝宽度（不大于0.2mm）。

暗挖隧道Ⅴ级围岩ⅤA型复合式衬砌（浅埋）礼慈路隧道V级围岩ⅤA型复合式衬砌地质纵断面最不利位置进行荷载结构法计算，根据该隧道地质情况及纵断面，围岩等级为V级围岩，因此判定该段隧道衬砌为浅埋隧道，按照浅埋隧道进行衬砌结构验算。断面类型隧道宽度Bt(m)隧道高度Ht(m)围岩级别S计算摩擦角φc围岩增减率iⅤ级围岩ⅤA型复合式衬砌11.189.3095450.1隧道宽度B(m)等效荷载高度hq(m)深浅埋分界高度Hp(m)覆岩厚度(m)隧道状态11.1811.649625.3525.35浅埋浅埋隧道计算模型示意图荷载计算：考虑隧道上方拟建5层建筑，每层均布荷载约为20kPa。V级围岩ⅤA型复合式衬砌浅埋隧道荷载计算hq<H<Hp浅埋隧道荷载计算修正工况二衬承担80%围岩级别S55计算摩擦角φc45.0045.00围岩重度γ24.5924.59隧道底至地面h36.1640.16隧道埋深H26.8530.85隧道宽度Bt11.1811.18滑面摩擦角θ=0.6*φc27.0027.00TANφc0.99920.9992TANθ0.50920.5092破裂角正切TANβ3.01793.0179侧压力系数λ0.220.22竖向荷载q479.45519.94415.95侧向荷载-顶e1147.83169.85135.88侧向荷载-底e2199.08221.10176.881）衬砌内力V级围岩A型复合式衬砌浅埋隧道弯矩图V级围岩ⅤA型复合式衬砌浅埋隧道轴力图V级围岩ⅤA型复合式衬砌浅埋隧道内力值构件计算内力弯矩（kN·m）轴力（kN）拱顶424.921441.41拱肩403.112110.91墙脚513.452455.83仰拱327.522402.662）衬砌验算按破损阶段法验算衬砌截面强度及抗裂验算，结果如下表所示。材料轴心抗拉强度标准值ftk弯曲抗压极限强度Rw弯曲抗压极限强度Ra主筋主筋计算强度Rg主筋弹性模量Eg受拉侧主筋直径d受压侧主筋直径d'混凝土标号MPaMPaMPa种类MPaEPammmmC35HRB4002.232.5264002002222C35HRB4002.232.5264002002222C35HRB4002.232.5264002002222C35HRB4002.232.5264002002222受拉侧主筋数量n受压侧主筋数量n'受拉侧主筋面积Ag受压侧主筋面积Ag'受拉侧钢筋重心至边缘距离a受压侧钢筋筋重心至边缘距离a'受拉侧钢筋保护层厚度cs受压侧钢筋保护层厚度cs'mm2mm2mmmmmmmm10103801.333801.335151404010103801.333801.335151404010103801.333801.335151404010103801.333801.3351514040截面高度h截面宽度b截面有效高度h0截面有效高度h0'偏心距增大系数η受拉钢筋至轴向力距离e受压钢筋至轴向力距离e'受压区高度xmmmmmmm0.510.4490.44910.49380.100.150.510.4490.44910.39-0.010.260.510.4490.44910.410.010.240.510.4490.44910.34-0.060.31V级围岩ⅤA型复合式衬砌浅埋隧道结构强度及抗裂验算表位置截面厚度(mm)混凝土配筋(HRB400)安全系数裂缝宽度（mm）e0/h0拱顶500C35φ22@1003.460.150.657拱肩500C35φ22@1003.92—0.425墙脚500C35φ22@1003.15—0.466仰拱500C35φ22@1004.00—0.304各截面位置均安全系数K>2.0，拱顶裂缝宽度<0.2mm，其余截面e0/h0均小于0.55，不用验算裂缝宽度，V级围岩ⅤA型复合式衬砌浅埋隧道设计满足结构强度和抗裂要求。

Ⅴ级围岩ⅤB型复合式衬砌（浅埋）礼慈路隧道Ⅴ级围岩ⅤB型复合式衬砌地质纵断面最不利位置进行荷载结构法计算，根据该隧道地质情况及纵断面，围岩等级为V级围岩，判定该隧道衬砌为浅埋隧道，因此按照浅埋最不利状态进行衬砌结构验算。断面类型隧道宽度Bt(m)隧道高度Ht(m)围岩级别S计算摩擦角φc围岩增减率iⅤ级围岩ⅤB型复合式衬砌13.0310.5335450.1隧道宽度B(m)等效荷载高度hq(m)深浅埋分界高度Hp(m)覆岩厚度(m)隧道状态13.0312.981632.45427.626浅埋浅埋隧道计算模型示意图荷载计算：考虑隧道上方拟建5层建筑，每层均布荷载约为20kPa。Ⅴ级围岩ⅤB型复合式衬砌浅埋荷载计算hq<H<Hp浅埋隧道荷载计算修正工况二衬承担80%围岩级别S55计算摩擦角φc45.0045.00围岩重度γ24.5924.59隧道底至地面h39.2443.24隧道埋深H28.7132.71隧道宽度Bt13.0313.03滑面摩擦角θ=0.6*φc27.0027.00TANφc0.99920.9992TANθ0.50920.5092破裂角正切TANβ3.01793.0179侧压力系数λ0.220.22竖向荷载q528.62574.12459.30侧向荷载-顶e1158.07180.09144.07侧向荷载-底e2216.06238.08190.471）衬砌内力Ⅴ级围岩ⅤB型复合式衬砌浅埋弯矩图Ⅴ级围岩ⅤB型复合式衬砌浅埋轴力图Ⅴ级围岩ⅤB型复合式衬砌浅埋内力值构件计算内力弯矩（kN·m）轴力（kN）拱顶584.651915.9拱肩539.232712.36墙脚718.863182.74仰拱454.353122.952）衬砌验算按破损阶段法验算衬砌截面强度及抗裂验算，结果如下表所示。材料轴心抗拉强度标准值ftk弯曲抗压极限强度Rw弯曲抗压极限强度Ra主筋主筋计算强度Rg主筋弹性模量Eg受拉侧主筋直径d受压侧主筋直径d'混凝土标号MPaMPaMPa种类MPaEPammmmC35HRB4002.232.5264002002525C35HRB4002.232.5264002002525C35HRB4002.232.5264002002525C35HRB4002.232.5264002002525受拉侧主筋数量n受压侧主筋数量n'受拉侧主筋面积Ag受压侧主筋面积Ag'受拉侧钢筋重心至边缘距离a受压侧钢筋筋重心至边缘距离a'受拉侧钢筋保护层厚度cs受压侧钢筋保护层厚度cs'mm2mm2mmmmmmmm10104908.744908.7452.552.5404010104908.744908.7452.552.5404010104908.744908.7452.552.5404010104908.744908.7452.552.54040截面高度h截面宽度b截面有效高度h0截面有效高度h0'偏心距增大系数η受拉钢筋至轴向力距离e受压钢筋至轴向力距离e'受压区高度xmmmmmmm0.5510.49750.497510.52770.080.200.5510.49750.497510.42-0.020.310.5510.49750.497510.450.000.290.5510.49750.497510.37-0.080.36Ⅴ级围岩ⅤB型复合式衬砌结构强度及抗裂验算表位置截面厚度(mm)混凝土配筋(HRB400)安全系数裂缝宽度（mm）e0/h0拱顶550C35φ25@1003.460.160.613拱肩550C35φ25@1003.58—0.400墙脚550C35φ25@1002.87—0.454仰拱550C35φ25@1003.56—0.292各截面位置均安全系数K>2.0，拱顶裂缝宽度<0.2mm，其余截面e0/h0均小于0.55，不用验算裂缝宽度，Ⅴ级围岩ⅤB型复合式衬砌设计满足结构强度和抗裂要求。明洞衬砌礼慈路隧道明洞衬砌地质纵断面最不利位置进行荷载结构法计算，该处明洞隧道覆土厚度约为1.6m。明洞隧道计算模型示意图荷载计算：明洞衬砌荷载计算原工况明挖隧道荷载计算围岩重度γ20.00内摩擦角φ20.00隧道埋深H1.60隧道高度Ht10.383竖向荷载q32.00侧压力系数λ0.49侧向荷载-顶e115.69侧向荷载-底e2117.501）衬砌内力明洞衬砌弯矩图明洞衬砌轴力图明洞衬砌内力值构件计算内力弯矩（kN·m）轴力（kN）拱顶86.04227.73拱肩86.70329.01墙脚352.97474.64仰拱353.60512.732）衬砌验算按破损阶段法验算衬砌截面强度及抗裂验算，结果如下表所示。材料轴心抗拉强度标准值ftk弯曲抗压极限强度Rw弯曲抗压极限强度Ra主筋主筋计算强度Rg主筋弹性模量Eg受拉侧主筋直径d受压侧主筋直径d'混凝土标号MPaMPaMPa种类MPaEPammmmC35HRB4002.232.5264002002828C35HRB4002.232.5264002002828C35HRB4002.232.5264002002828C35HRB4002.232.5264002002828受拉侧主筋数量n受压侧主筋数量n'受拉侧主筋面积Ag受压侧主筋面积Ag'受拉侧钢筋重心至边缘距离a受压侧钢筋筋重心至边缘距离a'受拉侧钢筋保护层厚度cs受压侧钢筋保护层厚度cs'mm2mm2mmmmmmmm6.676.674107.074107.07645450406.676.674107.074107.07645450406.676.674107.074107.07645450406.676.674107.074107.0764645050截面高度h截面宽度b截面有效高度h0截面有效高度h0'偏心距增大系数η受拉钢筋至轴向力距离e受压钢筋至轴向力距离e'受压区高度xmmmmmmm0.710.6360.64610.66380.080.220.710.6360.64610.55-0.030.330.710.6360.64611.030.450.070.710.6360.63610.980.400.08明洞衬砌结构强度及抗裂验算表位置截面厚度(mm)混凝土配筋(HRB400)安全系数裂缝宽度（mm）e0/h0拱顶700C35φ28@15030.870.010.594拱肩700C35φ28@15032.69—0.414墙脚700C35φ28@1504.500.061.169仰拱700C35φ28@1504.540.061.084各截面位置均安全系数K>2.0，裂缝宽度<0.2mm，其余截面e0/h0均小于0.55，不用验算裂缝宽度，明洞衬砌设计满足结构强度和抗裂要求。

初支结构计算初支结构按地层结构法进行计算，地层岩土力学参数见下表。地层岩土力学参数岩土名称素填土（处理后）粉质粘土（状态可塑）强风化泥岩中风化泥岩强风化砂岩中风化砂岩重度KN/m3天然*20*18.9*24.5024.59*24.023.52饱和*21*19.2*24.624.89*24.223.72岩体抗拉强度KPa///64.6/273.6岩石天然单轴抗压强度MPa///4.14/15.97岩石饱和单轴抗压强度MPa///2.48/11.03地基承载力特征值KPa现场测试确定*150*300900*4005600内聚力KPa*15（天然）24（天然）/228/655*13（饱和）17（饱和）内摩擦角°*20（天然）12（天然）/27.9/32.0*8（饱和）10（饱和）岩体理论破裂角°///59/61弹性模量MPa///700/2300泊松比(μ)///0.29/0.20基底摩擦系数/*0.250.250.300.400.350.55M30砂浆与岩石极限粘结强度标准值KPa///300/750水平抗