软土地区地铁盾构隧道设计计算.docx

额同你去学汐TONGJIUNIVERSITY软土地区地铁盾构隧道课程设计阐明书（共00页）姓名杨均学号070849导师丁文琪土木工程学院地下建筑与工程系2023年7月1.设计荷载计算1.1 构造尺寸及地层示意图q=20kN?如图，按照规定，对灰色淤泥质粉质粘土上层厚度进行调整:h灰=1350+849*50=43800mm。按照课程设计题目，如下只进行基本使用阶段的荷载计算。1.2 隧道外围荷载原则值计算（1）自重g=tQ=25×035=8.75ZN/(2)竖向土压若按一般公式：q=z,A=18×0.5÷8×1.0+9.1×1.0+8.7×3.5+48.8×8=446.95C11i2Z=I由于h=l.5+1.0+3.5+43.8=48.8m>D=6.55m,属深埋隧道。应按照太沙基公式或普氏公式计算竖向土压:a太沙基公式：P1=综。-")一抬7+"Etan。其中：Bo=RJtan(22.5°+/4)=3.1tan(22.50+7.70/4)=6.83m小也8.90×1.645+7.20×4.205-、(加权平均值夕=7.7°)5.85则：6.83(8-12.2/6.83)r(器匕海9)(一黑源“山2p11=-e683+20e6-83=189.02KN"tan8.9b普氏公式：P12与焉=”蒜取竖向土压为太沙基公式计算值，即:prl=S9.02KNm2O(3)拱背土压G=2(1-7)427=2X(1JX2.9252×7.6=28.72kN/m其中:= 7.6KNm1.645×8.0+1.28×7.1=1.645+1.28(4)侧向积极土压qf=(Pel+)tan2(450-)-2ctan(450一乡其中：pel=189.02KN/(P =则:8×1.645 + 7.1×4.2055.85= IAKNZm58.9° × L645 +7.20 × 4.2055.85= 7.7°12.2×1.645+12.1×4.205 C Un=12kPa5.857 7°7 7°qt,1 =189.02×tan2(45° 一一-2×12.Ixtan(450 一一y-) = 121 .OOKN/W27 7°7 7°qf2 = (189.02 + 7.4×5.85)×tan2(450 一一-2×12.1×tan(450 一一= 154.06X：7V/n2(5)水压力按静水压考虑:a竖向水压：pwl = wHwl = 9.8 x 48.8 = 478.24 KNZm2b侧向水压：qwl = wHwl = 9.8× 48,8 = 478.24 KNIm1qw2 = wHw2 = 9.8 × (48.8 +5.5) = 532.14 KNZm2(6)侧向土壤抗力衬砌圆环侧向地层(弹性)压缩量：5_2(pcd+PwJ-(qtj+q«I)(q,2+q”2)R：24(7EI+0.0454kR)其中：1 ()XO%3衬砌圆环抗弯刚度取H=3.45XIO7×=123265SKNm2衬砌圆环抗弯刚度折减系数取=0.7；则:2x(189.02+478.24)-(139.19+478.24)-(154.06+532.14)×2.925424×(0.7×123265.6+0.0454×20000×2.9254)2261.11 3666008.57= 0.617×103mqr=ky=2(XXX)×0.617×IO3=2.35KNZm2(7)拱底反力JTPR=Pd+g+0.2146Rcy-Rcw其中：pel=189.02KN/g=8.75kNim11.645×8.0+1.28×7.13匕y=7.6KNm51与拱背土压对应1.645+1.28则：Pr=189.02+×8.75+0.2146×2.955×7.6-×2.955Xlo=I74.91KN/疝图1-2圆环外围荷载示意图2 .内力计算2.1 用荷载-构造法按均质圆环计算衬砌内力取一米长度圆环进行计算，其中荷载采用设计值，即考虑荷载组合系数。计算成果如下表（己考虑荷载组合系数）：截面/度内力垂直荷载水平荷载水平三角荷载地基抗力自重每米内力Pel+p.qei+quQe2*q*2-l-q*lqk=kg800.71719.09104.3514.8210.50OM/KNm1712.65-1538.06-93.00-15.0930.9797.47ON/KN0.002103.3395.3815.33-5.122208.93OQ/KN0.000.000.000.000.000.008M/KNm1646.30-1478.48-90.28-14.6529.9592.848N/KN45.362062.5994.4515.18-4.472213.118Q/KN-322.78289.8813.272.134.96-12.5440.5M/KNm267.92-240.61-27.18-4.357.673.4640.5N/KN987.851216.1869.2011.6610.212295.1040.5Q/KN-1156.621038.7259.109.9519.83-29.0273M/KNm-1419.851275.1178.0714.51-25.51-77.6773N/KN2141.88179.8016.722.9435.922377.2573Q/KN-654.84588.0854.689.6116.3413.8790M/KNm-1712.651538.06111.6019.18-35.28-79.0890N/KN2342.080.000.000.0048.242390.3390Q/KN0.000.0019.080.005.1224.20105.5M/KNm-1468.031318.38109.1514.09-33.74-60.16105.5N/KN2174.82150.217.263.6852.482388.45105.5Q/KN603.13-541.65-26.17-13.2719.1141.15138M/KNm179.02-160.77-0.73-3.571.2415.18138N/KN1048.631161.60101.4211.3931.942354.98138Q/KN1164.63-1045.91-91.3210.2634.6772.33159M/KNm1272.75-1143.00-91.38-12.1128.2954.54159N/KN300.791833.21177.3014.3113.142338.74159Q/KN783.58-703.70-68.065.4923.6140.92180M/KNm1712.65-1538.06-130.20-15.0939.5868.88180N/KN0.002103.33209.8515.335.122333.62180Q/KN0.000.000.000.000.000.00表2T隧道圆环内力计算成果内力（红色线条）分布图如下:图2-1弯矩分布图（KNm）图2-2轴力分布图（受压KN）图2-3剪力分布图(KN)3 .原则管片(B)配筋计算3.1 截面及内力确定由上述内力计算，取8。截面处内力进行内力计算。根据修正常使用措施中的法,由于纵缝接头的存在而导致构造整体刚度减少，取圆环整体刚度为：I0×0353770=0.7×3.45XlO7X=86285.92KNm212而管片的内力：Mv=(1+)M=(1+0.3)×92.84=120.69T7VwN.=N=2213.IlKN3.2 环向钢筋计算假设为大偏心构件。MS120.69Ure=57nn0NS2213.11取:k=.a=a=5Omme=ke0a=.1×57+175-50=187.7mm采用对称配筋：N=bxRwYNe=bxRw(%-5)+AgRg(oa)其中：b=1OOOmmRw=23.1Nmm2钢筋选用HRB335钢，则R；=3OONmm2由此：2390.33×103=1000×x×23.12390.33×103×l87.7=10()0×x×23.Ix(300-)+A×300X(300-50)得：(2a,=100wh)<(x=103.48w?)<(0.55/?0=165Anm)确为大偏心。由此算出:4<0取:A.=A；=0.2%×10×300=600wh2选配4B14(A1=615.75mm')。3.3 环向弯矩平面承载力验算(按偏心受压验算)NS=N=2390.33KN65O6SO/=(上一.%.凡)=()二.1.2925)/101=32.80180oC180°查混凝土构造基本原理表4-1,得轴心受压稳定系数：=0.98A1?154=2x615.75=1231.50病)=32U<?%1000×350取A=100Ox35()=35(M)()(W/2Nrw=叭A6+A!Ri)=0.98×(3500×23.1+1231.50×300)=8285.36KTV>N满足规定。3.4 箍筋计算根据混凝土构造基本原理，按照偏心受压构件进行计算。V=1233KN剪跨比:65°工二/二而%×× 2925= ll.l>3.0300故取/1=3.0。矩形截面钢筋混凝土偏心受压构件斜截面抗剪承载力:175A匕=H'网+Av÷007NcZ+1s其中：ft混凝土抗拉强度（L89Nmr2）fyv钢筋抗剪承载力（HPB235级，210Nmm2）Nc一一轴向压力（规定0.34）检查轴压力上限：0.3AA=O.3X23.Ix1000x350=2425.5KN>N,=2390.33W又由：匕“=×1.89×1000×300+0.07×2390.33×103=415.38KN>V=72.33KN“3+1既不需要计算配箍，按构造规定即可。根据混凝土构造基本原理中所述构造规定，选配四肢箍A8200。4.基本使用阶段验算4.1 抗浮验算盾构隧道位于含地下水的土层中时受到地下水的浮力作用，故需验算隧道的抗浮稳定性,用抗浮系数：G1+G+P+R,K=LQ其中：G/隧道自重G拱背土压力P一垂直荷载Rj井壁与土壤间摩擦力Q一一水浮力贝|：g2Rc+G+(Pel+pld)2Rc8.75×2×2.925+28.72+667.26×2×2.925,UC52×2.925210(注:上述计算中由于相对于垂直荷载摩擦力非常小,为计算简便,将摩擦力忽视不计)满足规定。4.2 管片局部抗压验算由于管片连接时在螺栓上施加预应力，故需验算螺栓与混凝土连接部位的局部抗压强度。在于应力作用下，混凝土所受到的局部压应力：Nr其中：N螺栓预应力(同上，取280KN)An一一螺帽(或垫片)与混凝土接触净面积，取：-(1302-312)IXlq必2A11=12518.46nn"4则：c=工8(X)(X)=IlANZmnv<R=23Nnn2'12518.46即需在螺帽下设置一定厚度的内径为31mm、外径为13Omm的钢圆环垫片。4.3 管片裂缝验算取最大港矩处进行裂缝验算(即0。截面)，此处满足规定，则其他位置亦可满足。根据桥涵规范条:Yf(bj _呐bh。0,65°U××2.925I/h=9.48<14,SZs=1.0,°0.3513×9747G=e.+y=1×-×1000+125=182.36mm,'S0S2208.93Z=0.87-0.12(1-lf)(一)2h0=0.87-0.12(-)2×300=163.57mnes182.36M")=239033xl0*18236-16357)=44588yv/wAsz615.75×163.57再根据桥涵规范条:裂缝宽度:WLeeC全忌焉）其中:C1钢筋表面形状系数（对带肋钢筋取1.0）C2作用长期影响系数（取l+0.5NNs=1.5）C3与构件受力性质有关的系数（取0.9）p一配筋率（0.006p0.02）则:= 1.0×1.5×0.9×=0.39" > 0.2rnm445.8830+142.0XIO5(0.28+10×0.006不满足规定，需增长钢筋。经计算，钢筋改配为6B16即可满足规定，验算过程如下:1206.37×163.57A$zM"=2390.33xxa82.36-163.57)=227593则:W“ =1.0×1.5×0.9×227.5930 + 162.0× IO5 0.28 + 10×0.006)=0.20加机 0.2nm满足规定。同理，对原则管片进行验算，也需增长配筋为6B16。综上所述，衬砌管片的配筋量由裂缝规定控制。弯矩越小，裂缝越大?4.4 管片接缝张开验算管片拼装之际由于受到螺栓（8.8级），在接缝上产生预应力:其中:Ni螺栓预应力引起口勺轴向力（由钢构造基本原理取280KN）eo螺栓与重心轴偏心距（取25mm）F、W一衬砌截面面积和截面距当接缝受到外荷载，由外荷载引起口勺应力:其中:N2、M2外荷载，由外荷载引起的J内力F、W衬砌截面面积和截面距选用最不利接缝截面（8。），计算如下:?0_280000280000×25114577/mm2c'FW-350×1000l6×1000×3502u.fJ/2V/rn11=N=M2_2213.11×1030.7×92.84×106.21M/Ti/?72c2FW35O×1OOOl6×1000×3502一，ifcrVZrUH均为压力，接缝不会张开。由此可得接缝变形量:其中：E-防水涂料抗拉弹性模量（取3MPa）1涂料厚度（取5mm）则:a,-crt-c2-0.457+2.69_o_rA/1o/=-I=×5=-3.72mm>/=3mm若用两只螺栓:-0.457×2 + 2.693×5 = -2.96mm < / = 3mm即环向每米宽度内选用两只螺栓即可满足规定。4.5 纵向接缝强度验算近似地把螺栓看作受拉钢筋，由此进行强度验算。a负弯矩接头（73。截面）：N = 2377.25kNM=-77.67×0.7=-54.37kNmMN54.372377.25=0.023mm:x=oN÷Ng=Rwbx2377.25×IO3+2×2800=23.Ix100OXXx=27.nn<0.55o=165nn为大偏心受压,则:4凡(%5)+汽(5一不)Ke=Z7-2°NeO= 7.25 >1.552×280000×(300-127.12)÷2377.25×103×(350/2-127.1/2)2377.25x1()3X23满足规定。b正弯矩接头（8。截面处）：M=92.84kNmN=2213.11kNM92.84=N2213.11=0.042/7?/?由:x=oN÷Ng=Rwbx2213.1IxlO3+2×2800=23.1×1000×xX=12().()57tw<0.55%=165w?为大偏心受压,则:Ke=乙0NeO2×280000×（300-127.1/2）+2377.25×103×（350/2-127.1/2）.-2.U6>1.552377.25×103×81满足规定。5.构造阐明（1） 混凝土保护层厚度地下构造的特点是外侧与土、水相接触，内测相对湿度较高。故受力钢筋保护层厚度最小厚度比地面机构增长5-10mmo本设计中c=40mmo（2）横向受力钢筋为便于施工，将横向钢筋与纵向分布钢筋制成焊网。外侧横向钢筋为一闭合钢筋圈，内侧钢筋则沿横向一般配置。（3）分布钢筋由于考虑混凝土的收缩、温差影响、不均匀沉降等原因的作用，必须配置一定数量的纵向分布钢筋。纵向分布钢筋的配筋率：顶、底板应不不大于0.15%,对侧墙应不不大于0.20%,则本设计的纵向分布钢筋：顶、底板（一侧）：×0.15%×1000×600=450mm2，配B12250(As=452mm2)；2侧墙（一侧）：×0.20%×1000×600=600mm2，配B14250(As=616mm2)；2中墙（一侧）：-×0.20%×1000×400=400mm2，配B12250(As=452mm2)2（4）箍筋断面厚度足够，不用配置箍筋。（5）刚性节点构造框架转角处口勺节点构造应保证整体性，根据此处钢筋日勺布置原则，此点构造阐明如下：a沿斜托单独配置直线钢筋B12200；b沿着框架转角处外侧口勺钢筋，其钢筋弯曲半径R=200mm>18X10=180mm；c为防止在转角部分的内侧发生拉力时，内侧钢筋与外侧钢筋无联络，是表面混凝土轻易脱落，故在角部配置箍筋B12100（6）锚固长度根据桥涵规范条规定，取：受压钢筋：la25d=25×18=450mm;受拉钢筋（直端）：la30d=30×18=540mm,la30d=30×12=360mm;受拉钢筋（弯钩端）：L225d=30X18=450m（7）端部钢筋弯起根据桥涵规范条，并考虑施工以便，端部钢筋弯起均取为50mm。