土木工程毕业设计（论文）-杭州地铁1号线滨江站-富春路站区间隧道设计施工.docx

全套图纸加扣3012250582编号：（ ）字 号本科生毕业设计设计题目：杭州地铁1号线滨江站富春路站区间隧道设计施工专 题：基坑围护结构设计方法研究姓 名：学 号：班 级：土木工程 地下2011-6班二一五年六月全套图纸加扣3012250582中 国 矿 业 大 学本科生毕业设计姓 名：学 号：学 院：力学与建筑工程学院专 业：土木工程专业（城市地下工程方向）设计题目：杭州地铁1号线滨江站富春路站区间隧道设计与施工专 题：基坑围护结构设计方法研究指导教师：职 称：讲师二一五年六月 徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院 力学与建筑工程 专业年级 土木工程专业地下2011学生姓名 任务下达日期： 2015年 1 月 19 日毕业设计日期： 2015 年 1 月 19 日至 2015年 6 月 8 日毕业设计题目：杭州地铁1号线滨江站富春路站区间隧道设计与施工毕业设计专题题目：基坑围护结构设计方法研究毕业设计主要内容和要求：设计要求：根据设计原始资料，进行杭州滨江站富春路站区间的隧道结构设计，根据隧道穿越地层的工程地质、水文地质条件和周边环境情况，通过施工方案的比选，确定施工方法，隧道衬砌结构形式，并对其进行相应的强度和抗浮验算。然后进行施工组织设计。绘制图纸：隧道地质情况平面图，剖面图，施工平面布置图，隧道截面图，专题要求：参考国内外研究成果，对基坑围护结构设计方法进行分析，通过基坑工程实例对围护结构进行支撑内力的设计计算，对相应的结果进行比较分析。绘制图纸：专题中的插图其它要求：翻译一篇与设计或专题内容相关的近三年发表的外文参考文献，其中文字数不少于3千字，并且附原文。院长签字： 指导教师签字：中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日全套图纸加扣3012250582中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日全套图纸加扣3012250582摘 要本毕业设计主要包括三个部分，第一部分是杭州地铁1号线滨江站富春路站区间隧道结构设计；第二部分是杭州地铁1号线滨江站富春路站区间隧道施工组织设计；第三部分是专题部分，题目是：基坑围护结构设计方法研究。在第一部分中，根据隧道的地层条件，水文地质条件及周边环境，通过施工方案的比选，确定采用泥水平衡盾构进行施工，并使用单层平板型钢筋混凝土管片作为衬砌结构。本文对管片进行了结构和配筋计算，并进行了相应的接缝张开量和抗浮验算。第二部分是隧道段施工组织设计，根据工程的水文地质条件和周边环境，对施工的前期准备工作和场地布置进行了规划，并对施工中的关键工序的控制方案以及隧道的开挖与支护方案进行了设计，且编制了项目进度以及质量，安全和环境的控制措施。第三部分是专题部分，题目是基坑围护结构设计方法研究。本论文结合深基坑工程实例，通过采用不同方法对其进行了支撑内力计算，通过其相应的支护理论计算模式进行分析其安全性和稳定性是否满足实际工程的需要，既要考虑其安全储备量，又要考虑所设计的围护结构截面尺寸或配筋是否已达到理想状态，同时还要控制基坑的变形量不超过规范要求的范围。关键词：隧道；盾构；衬砌；基坑；围护结构；内力；ABSTRACTThis graduation design mainly includes three part, the first part is the structure design of the Hangzhou metro line No.1 from Binjiang station to Fuchun road station; The second part is the design of tunnel construction organization of the Hangzhou metro line No.1 from Binjiang station to Fuchun road statio，The third part is study on the design method of the retaining structure of foundation pit.In the first part, according to the geological conditions, the hydrology geology conditions and surrounding environment of the tunnel located, through the choice of the construction program, determined using slurry balance shield for construction, and using a single-layer flat-type reinforced concrete segment as the lining structure. This paper analyzes the structure and reinforcement calculation of the segment, and the anti-floating checking and the splaying amount of joints checking are made. The second part is the tunnel construction organization design, according to the hydrogeological conditions and the environment circumstance of the tunnel round, the preparation before the construction, construction site layout is planed, and designing the tunnel excavation and support programs and the control scheme of the key processes of construction. The project schedule and the control measures of quality, safety and environmental are made.The third part is the special subject part. In this part, combined with examples of the deep excavation, through the use of different methods to support internal force calculation, through the corresponding supporting theoretical calculation model for analysis of the safety and stability of whether meet the needs of practical engineering, it is necessary to consider the amount of safety stock, but also to consider the design of enclosure structure section size and reinforcement has reached the ideal state and also to control foundation pit deformation amount does not exceed the standard requirements.Keyword: Tunnel; Shield; Lining; Foundation pit; Retaining structure; Internal force目 录第一部分 杭州地铁1号线滨江路富春路站区间隧道结构设计1 工程概况11.1 工程位置11.2 工程简述12 设计依据12.1 自然条件12.1.1 工程地质12.1.2 气象情况32.2 现场条件32.2.1 沿线建（构）筑物32.2.2 沿线道路、河流、桥梁32.2.3 地下管线33 隧道施工方案与衬砌选型设计33.1 隧道施工方案比选33.2 最终方案的确定43.3 衬砌的选型53.3.1 衬砌断面的形式与结构53.3.2 衬砌管片类型53.3.3 管片的拼装和结构尺寸54 隧道计算64.1 计算原则及采用规范64.2 计算断面的选择及计算64.2.1 工况断面的选择64.2.2 工况断面的土层分布情况74.2.3 荷载计算及组合84.3 断面设计124.3.1 管片断面配筋计算124.3.2 接缝张开量计算164.4 千斤顶作用下局部承压计算164.4.1 局部承压164.4.2 预埋件设计174.5 抗浮验算175 隧道主要技术经济指标185.1 开挖土方量185.2 管片及连接材料用量185.3 钢筋用量18第二部分 杭州地铁1号线滨江路富春路站区间隧道施工组织设计1 工程概况191.1 工程简述191.2 工程规模192 施工现场准备202.1 技术准备202.2 施工现场准备202.3 主要施工设备212.4 施工人员准备213 施工现场总平面布置223.1 施工现场区域划分223.2 施工现场布置的原则223.3 施工现场平面总体布置223.3.1 生活设施布置223.3.2 生产设施布置224 界定关键过程234.1 施工测量控制要点234.2 管片拼装控制要点244.3 衬砌防水控制要点244.4 地表沉降控制要点254.5 关键过程控制人员落实255 施工方案及主要施工工序255.1 常用盾构机的原理及特性对比255.1.1 土压平衡式盾构的原理255.1.2 泥水平衡式盾构的原理255.1.3 泥水平衡、土压平衡盾构的对比265.2 盾构选型275.3 盾构掘进的施工准备275.3.1 技术交底、岗位培训275.3.2 地面准备工作275.3.3 井下施工准备285.4 出洞方案285.4.1 盾构出洞地基加固285.4.2 洞口槽壁砼凿除295.4.3 洞口止水帘布安装295.4.4 盾构出洞掘进295.5 进洞方案305.5.1 盾构进洞地基加固305.5.2 盾构接收井准备305.5.3 盾构姿态的复核测量315.5.4 盾构进洞施工315.6 盾构推进主要参数设定315.7 管片拼装325.8 同步注浆及壁后补压浆335.9 盾构的纠偏345.10 洞门施工345.11 隧道内运输和施工设施355.12 工况监测365.12.1 常规监测365.12.2 出洞段和进洞段施工监测365.13 盾构弃土处理366 施工主要技术措施366.1 小曲率半径施工措施366.2 管线和周围建筑物的保护措施376.3 盾构掘进方向控制措施376.4 综合段盾构推进技术措施（砂、卵石层和沼气）386.5 紧急预案措施397 施工进度计划407.1 工程总体筹划407.2 工程总体进度计划407.3 工程总进度计划详图408 质量管理及保证措施408.1 工程质量目标408.2 质量检验标准408.3 质量保证体系408.4 盾构施工质量控制措施418.4.1 隧道施工质量指标418.4.2 测量质量控制418.4.3 盾构推进质量控制418.4.4 隧道成环质量控制418.4.5 地表沉降质量控制419 安全文明施工、治安消防及防汛防台429.1 文明施工措施429.1.1 文明施工目标429.1.2 文明施工责任制429.1.3 文明施工措施429.2 安全施工措施429.2.1 安全生产目标429.2.2 安全责任制429.3 治安消防措施429.3.1 治安429.3.2 消防429.4 防汛防台措施42第三部分 基坑围护结构设计方法研究1 绪论431.1 研究背景及问题提出431.2 国内外基坑工程的发展历程431.3 基坑工程的发展趋势441.4本文的研究内容452 基坑围护结构的特点和分类452.1 基坑围护工程的特点452.2 常用基坑围护结构的分类463 基坑围护结构的设计493.1 设计原则493.2 设计要点503.3 主要设计方法504 围护结构内力计算方法515 围护结构内力计算方法比较分析515.1 工程概况515.2 等值梁法525.3 山肩邦男法555.4 弹性法595.5 围护结构内力分析比较646 结论64参考文献67翻译原文69致 谢81 第一部分杭州地铁1号线滨江路富春路站区间隧道结构设计 全套图纸加扣3012250582 第 19 页1 工程概况1.1 工程位置本区间隧道始于滨江站（现江陵路站，江南大道和江陵路的交叉路口），沿江陵路向西北方向延伸，穿过舟枫路、滨盛路、规化支路，至江南风井（江陵路和闻涛路交叉路口），继续向西北延伸，过闻涛路，穿过钱塘江南岸堤坝和钱塘江，过江后穿过北岸堤坝和之江路，到达江北风井（之江路和婺江路的交叉路口），随后沿婺江路继续向西北延伸到达富春路站（现近江站），这就是滨江路富春路站区间的整条隧道，该区间隧道位置如图1-1所示。图1-1 区间隧道平面位置图1.2 工程简述滨江站富春路站区间时杭州地铁1号线工程穿越钱塘江全部地下区间，里程范围为K5880.3K8835.859，区间左线总长为2946m，区间右线总长为2956m。在里程K6755和K8355处设风井2座，在K7220和K7810处设2座联络通道，其中K7220处联络通道兼排水泵站。2 设计依据2.1 自然条件2.1.1 工程地质 （1）地形、地貌杭州市位于钱塘江下游地区，地理上属于长江三角洲杭嘉湖平原的一部分。从地形上看，其又处于天目山脉平原和丘陵的交界区域。杭州东部、北部都属于大面积的堆积平原，整个平原河渠纵横、水网密布，是我国典型的江南水乡地貌。本区间隧道工程施工场区位于杭州市钱塘江冲积平原，沿线地势比较平坦，地面标高为在5.05.9m之间。地貌形态较为单一，属钱塘江河口冲海积平原地貌。河道基本稳定，施工所经过的河段水深处于一种相对平衡状态。（2）土层的构成与特征本工程此次揭露的土层按地质时代、工程特性及其成因类型，结合静力触探曲线和该区域的地质资料，勘探深度内（勘探孔最深62.15m，高程-54.47m）上部为第四系冲海积、海相及河流相沉积物，下伏基岩为白垩系下统朝川组（K1C）泥质粉砂岩，场地勘探深度以内可分为、和等多个大层。土体的相关性质、参数，如表2-1所示。表2-1土层的相关参数性质层号土层名称分布情况层厚(m)重度( kN/m3)凝聚力( kPa)内摩擦角()标贯锤击数-1杂填土局部缺失0.704.7018.000 20.00015.000-2素填土局部缺失0.608.0018.500 -1砂质粉土部分分布0.802.9018.200 7.300 29.800 11.300 -2砂质粉土局部缺失1.006.6018.800 8.700 29.600 10.000 -3砂质粉土夹粉砂局部缺失0.806.6019.100 5.800 31.900 15.000 -4砂质粉土个别分布2.004.8018.700 9.000 28.100 -5粉砂夹砂质粉土全区分布1.107.6019.000 5.600 31.300 7.000 -6粉砂北岸分布0.904.3018.900 3.000 33.400 25.000 -7砂质粉土个别缺失0.309.2018.700 9.200 27.500 5.000 -8粉砂部分分布2.405.9019.700 5.300 31.200 18.000 -3淤泥质粉质粘土江中分布0.906.3017.600 18.300 11.100 2.700 -1淤泥质粉质粘土部分分布1.405.1017.800 19.200 13.100 3.000 -2淤泥质粉质粘土部分分布0.907.5017.700 18.800 13.100 3.500 -2淤泥质粉质粘土个别分布3.904.6017.500 16.700 12.800 10.000 -1a粉质粘土局部缺失0.707.8019.900 34.700 19.100 16.000 -1b含砂粉质粘土局部缺失0.606.7020.100 21.800 22.600 -3圆砾个别分布0.502.000.000 （3）水文地质杭州市区西南方向有向东流的钱塘江，它常年受潮沙影响，当泄洪与潮沙相迭时达到年最高水位。根据杭州水文站观测资料，历年最高潮水位在89m之间，最低潮水位在3.595.35m之间。钱塘江北岸内河地表水系不是很发达，以人工河渠为主，且主要河流多沿堤坝分布。新塘河属钱塘江灌区水系，勘察时河水位高程3.86m，建议洪水位高程为6.40m；钱塘江南岸内河地表水系也不很发达，有盈丰河、利群河、十甲河等，以人工河渠为主。距离钱塘江140m左右有一条灌溉水渠通过工程场地，位于中间风井旁边，水渠宽度20m左右，在钱塘江江堤修建之前与钱塘江相通，现已成为一条临时水渠，勘察期间水面高程3.02m。2.1.2 气象情况杭州市属于亚热带季风气候，温暖湿润、雨量充足，历年平均降雨量为1400.7mm，雷雨为本区降雨的主要类型之一，约占全年降雨的1/3。在每年的七、八月间容易受台风影响，台风过境风力达12级，并夹带大量降水。2.2 现场条件2.2.1 沿线建（构）筑物本区间隧道沿线建构筑物较少，根据招标图纸及现场踏勘情况统计如下：右线隧道在江陵路丹枫路口的隧道侧上方有多栋砖砌13层结构房屋，该段里程为K6175K6208；本区间在穿越钱塘江两岸时均穿越南、北侧的防汛墙，穿越南侧防汛墙的里程为K6900K6918；穿越北侧防汛墙的里程为K8232K8250。2.2.2 沿线道路、河流、桥梁从滨江站（江南大道江陵路路口）出发，沿江陵路向西北方向前行，过丹枫路、滨盛路、规化支路，至江南风井进洞，随后盾构机江南风井出洞继续向西北推进，过闻涛路，穿越南岸江堤和钱塘江，过江后穿越北岸江堤和之江路，再推进至江北风井进洞，盾构机在江北风井出洞后继续向西北沿婺江路推进至富春路站进洞。左右线隧道在富春路站进洞段（距富春路站地连墙538m）穿越新塘河及桥梁，有12根钻孔灌注桩侵入隧道断面内，盾构穿越前需进行处理。2.2.3 地下管线江南段地下管线主要有路灯、电力、给水、通讯、污水、燃气、污水、雨水管等，埋深在0.344.18m，主要沿江陵路走向分布。江北段地下管线主要有雨水、给水、电力、污水、电信、煤气等，埋深在1.04.3m，主要沿婺江路走向分布。3 隧道施工方案与衬砌选型设计3.1 隧道施工方案比选由于隧道土层差异，需要对施工方法进行比较并选出比较合适的工法以减少施工中的问题，提高施工效率，进而加快进度，减少工期，节约成本。施工方法的选择应结合隧道所处的土层条件、设计深度、防水要求、隧道的相关设计参数、设备能力、工期要求以及工程周边环境综合考虑。根据本工程的施工条件，大致可以使用暗挖法、盾构法、沉管法、顶管法等施工方法。为了方便选取合适的方案，我们对以上四种方法进行了比较，如表3-1所示。表3-1 几种工法的优缺点比较工法环境场地适应性优点缺点暗挖法埋深较浅，对土体进行冻结、注浆、深层搅拌桩加固地基，浅埋车站。对地面干扰小，造价低。机械化程度低，劳动强度高，施工环境恶劣，风险大。沉管法跨越江河湖海，软地基。造价省，速度快，隧道断面大。1）封锁江河水面，对于河道上的船舶交通会造成影响；2）专门的驳运、下沉、对接的机具，水下作业，风险大。顶管法常用与城市市政工程，适用于土质松散或者含水量大的地层中施工，城市的供水、供电、通讯等市政管线的施工常使用该法，可用于修建道路、河海、地面建筑物下方的隧道，多为直径在23m的中小型管道。施工的设备需求量少，成本低，顶进速度快。不适合大断面、长距离长的隧道的施工。盾构法适合在软土或砂土地层中使用，城市软地层、深埋隧道。1）安全性高，进度快，地面影响小，土方量少，机械化程度高，生产效力高工人劳动强度低；2）盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，施工易于管理；3）穿越河道时不影响航运；4)施工不受风雨等气候条件的影响；5）在地质条件差、地下水位高的地方建设埋深较大的隧道，盾构法有较高的技术经济优越性。机械设备复杂，价格昂贵，施工工艺繁杂，施工队伍职业素质要求高。3.2 最终方案的确定该工程的场地土质主要为：粘质粉土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、灰色粘质粉土夹粉砂、圆砾，覆盖层最深约28.1m，最浅约5m，地层复杂；隧道内径为5.5m，属于大断面；隧道长度右线约2945.574m，右线约2955.585m，距离相对较长；穿越钱塘江，对防水要求较高，对航运影响有一定要求。盾构法施工受地形、施工场地、气候等因素的影响较小，它技术细节在不断地被完善、改进和提高，其优越性也不断地凸显。对以上诸多因素的综合考虑，最终确定采用盾构法施工。3.3 衬砌的选型3.3.1 衬砌断面的形式与结构本隧道的横断面为圆形。周围土层的压力作用在圆形壁上，可以避免应力集中造成的隧道挤压破坏。圆形盾构推进方便，衬砌的拼装简单，如果在推进过程中发生偏移，能够很快的进行调整，对断面形状影响较小。盾构隧道的衬砌结构可分为单层和双层结构，在进行选择时，需要充分考虑隧道周围的地质条件，受力情况以及功能要求等。单层衬砌结构一般做成装配式预制管片，其施工工艺简单、经济性好；双层衬砌结构则是通过添加内衬来保证强度，施工成本较高，制作周期较长。在保证隧道的强度要求的条件下，优先选择单层衬砌的原则下，本工程选用单层结构。3.3.2 衬砌管片类型衬砌管片的制作有多种材料和方法，常见的有钢筋混凝土管片、钢管片、复合管片以及铸铁管片，这几种管片的特点如表3-2所示。表3-2 常见管片的特点铸铁管片钢管片复合管片钢筋混凝土管片优点铸铁管片由模具浇筑而成，制作工艺简单，容易成型，管片的尺寸精度高、整体性好，防水能力强，具有轻质高强的特点。 钢管片由型钢或钢板制作而成，其延展性较好好、在运输过程中也比较方便、相同重量条件下，强度极高。 复合管片是由钢壳和混凝土组合成的管片结构。该类管片在制作时比钢管片要简单，钢材的用量要小于钢管片，管片刚度大。 钢筋混凝土管片制作工艺简单，强度适中，耐腐蚀性强，造价低，经济性能好，是目前常用的管片形式。 缺点制造设备的成本高，管片脆性强，冲击荷载作用下容易发生破坏，不宜用作承受冲击荷载的隧道衬砌结构，在实际工程中很少被使用。刚度小，施工时的外力作用下很容易产生变形，耐腐蚀性差，在含水地层中容易锈蚀，且造价高，因该隧道所处位置含水量高，因此不能采用该管片。加工复杂，外层的钢板很容易被腐蚀，不适用于含水量大的工程。本工程地层中含水量大，因此不适用于该工程。该管片比较笨重，在搬运、安装过程中不方便、容易损坏。由上表的比较可知，考虑到本隧道所处地层地下水丰富，施工期间以及使用阶段对防水的要求比较高，工程的经济合理。铸铁管片、钢管片虽然满足防水要求，但是成本较高；复合管片耐腐蚀性差，本隧道所处地层地下水丰富，因而不适用；参考类似工程的选型，本隧道工程选用钢筋混凝土管片。钢筋混凝土管片根据形态的不同，可分为箱型钢筋混凝土管片和平板型钢筋混凝土管片。箱型管片一般用于大直径的隧道，由于自身特点它容易在盾构千斤顶作用下会发生剥落、压碎等情况。平板型管片一般用于中小直径的隧道，在相等厚度条件下，其抗弯刚度及强度均大于箱型管片。结合盾构隧道的内径、所处地层条件和埋置深度等参数，综合比较，选择使用钢筋混凝土平板型管片。3.3.3 管片的拼装和结构尺寸（1）管片拼装有错缝和通缝之分，错缝较通缝有一些优势的地方：通缝与错缝的差异主要是由管片间接头螺栓刚度和地层软硬决定的。当螺栓刚度很大地层较为坚硬时两种接头形式的区别很小。当地层软弱而且管片间接头螺栓的刚度较小时通缝和错缝的差异较大。在这种条件下考虑到衬砌结构变形以及防水问题，采用错缝是较为明智的。通缝和错缝之间的区别从本质上讲是一个管片环整体刚度上的差异。错缝的存在使得管片环之间的螺栓可以发挥纵向加强作用使得管片间接头处的薄弱部位得到加强从而增加了管片环整体的刚度。综上考虑，该隧道采用错缝拼装的形式施工。4 隧道计算4.1 计算原则及采用规范计算原则：（1）取最不利条件下的断面进行计算；（2）设计的服务年限为100年； （3）隧道主体的结构安全等级按一级考虑； （4）接缝的变形应当满足防水要求；（5）无贯穿裂缝、无剥落、裂缝小于0.3mm；（6）满足施工阶段，基本使用阶段和特殊荷载条件下的强度计算要求；（7）隧道的最小埋深处需要满足抗浮要求。采用规范：（1）混凝土结构设计规范 （GB50010-2010）（2）地下铁道工程施工及验收规范 （GB50299-2003）（3）混凝土结构工程施工质量验收规范 （GB50204-2011）（4）地下工程防水技术规范 （GB50108-2008）（5）地下防水工程质量验收规范 （GB50208-2011）（6）钢结构工程施工质量验收规范 （GB50205-2001）（7）混凝土结构设计规范 （GB50010-2010）（8）地铁设计规范 （GB50157-2013）（9）盾构法隧道施工与验收规范 （GB50446-2008）（9）道路隧道设计规范 （DG-TJ08-2033-2008）4.2 计算断面的选择及计算4.2.1 工况断面的选择根据道路隧道设计规范(DG-TJ08-2033-2008)(上海市建设工程规范)，隧道结构应选取隧道埋设深度最深、顶覆土最厚以及地质条件突变处等不利位置进行断面内力计算。因此，本隧道选取以下八个工况，各工况的分布，如图4-1所示。图4-1各工况分布图工况1：江南大道（里程K5+919.015，靠近滨江站端头井）；工况2：滨盛路口（里程SK6+475.094）；工况3：钱塘江南岸堤坝（里程K6+903.914）；工况4：江水最深处（里程K7+210.123）；工况5：隧道最深处（里程K7+300.436）；工况6：钱塘江北岸堤坝（里程K8+238.234）；工况7：新塘河附近（里程K8+794.018）；工况8：富春路（里程K8+914.618，靠近富春路站端头井）。根据本区间隧道的相关地层信息，其中工况1和工况8覆土较浅一些；工况3和工况6都在堤坝上，关于钱塘江堤坝的信息不是太具体，在计算中不好处理该位置隧道断面的荷载，因此对工况2、工况4、工况5和工况7这4个断面进行计算分析，计算结果，如表4-1所示。表4-1 隧道截面概况选取位置覆土层的厚度/m作用在隧道上部的竖向压力q/kPa工况215.6q = 1.118+0.118.2+6.18.2+5.59+2.88.9=146.610工况416.7q =11.6510+1.758.2+1.378.8+4.849.1+1.869.0+2.4 8.7+2.27.6+2.287.7=237.745工况519.5q =9.3210+2.58.2+3.038.8+3.479.1+2.59.0+2.08.7+ 2.97.6+3.17.7=260.482工况716.2q =1.8618+0.668+2.028.5+4.049.1+5.39+2.048.9+ 0.948.7=154.822经计算比较，最不利断面为工况5截面。在进行隧道结构设计时，综合考虑基本使用阶段+特殊荷载组合阶段可能出现的最不利荷载组合，然后对隧道进行配筋验算、强度验算、裂缝张开量验算以及最小埋深处的抗浮验算。4.2.2 工况断面的土层分布情况根据隧道的地质剖面图，可以获取工况5截面的相关土层信息，其主要地质参数如图4-2所示。图 4-2隧道计算断面土层分布图4.2.3 荷载计算及组合根据设计规范，盾构隧道衬砌的结构计算采用自由变形的弹性均值圆环法。隧道的管片厚度初定为350mm，区间隧道外径为6.2mm，内径为5.5m；管片的宽度为1.2m，制作管片所采用的混凝土强度等级为C50，盾构管片在计算过程中取b=1.0m。根据管片所处的土层情况以及相关规范，在计算周围土层的压力作用时，采用水土分算的方法。（一）基本使用阶段的荷载计算（1）衬砌自重g=h（4-1）式中：g衬砌自重，kN/m2；h钢筋混凝土的重度，取值25kN/m；管片厚度，m。代值可得：g=250.35=8.75kPa 。（2）衬砌拱顶竖向地层压力拱顶部：q1=i=1nihi（4-2）式中：q1衬砌上部土体的压力，kPa；i衬砌上部各土层的重度，kN/m；hi衬砌上部各土层的厚度，m。q1= (18.2-10)2.5+(18.8-10)3.03+(19.1-10)3.47+(19.0-10)2.5+(18.7-10)2+(17.6-10)2.9+(17.7-10)3.1=167.282 kPa拱背部：qG=21-4RH2t（4-3）q2=qG/2RH=1-4RHt（4-3）式中：qG衬砌拱背荷载，kPa；q2衬砌拱背均布荷载，kPa；t衬砌拱背覆土的平均重度，kN/m；Rh衬砌圆环的计算半径，m。代值可得：t=(18.2-10)2.5+(18.8-10)3.03+(19.1-10)3.47+(19.0-10)2.5+(18.7-10)2+(17.6-10)2.9+(17.7-10)3.1/19.58.439kN/mqG=2(1-3.14/4)2.9258.43930.987 kN/mq2=30.987/(22.925)=5.297 kPa（3）地面超载本隧道设计过程中需要考虑地面超载的影响，此处取q0=20 kPa，计算时将其加到竖向土压q1=167.285 kPa上去，则竖向总的压力为qt=177.285 kPa。（4）静水压力qw=w(H1+RH(1-cos)=288.2 kPa（4-4）式中：qw静水压力，kPa；H1水头高度，m；w水的重度，kN/mRH衬砌圆环的计算半径，m。（5）侧向水平均匀土压力e1=q1+20tan245-2- 2 ctan45-2（4-5）式中：e1侧向水平均匀土压力，kPa；0衬砌环直径高度内各土层内摩擦角加权平均值，（）；c0衬砌环直径高度内各土层内聚力加权平均值，kPa。0=13.11.1+12.85.11.1+5.1=12.85c0=18.81.1+16.75.11.1+5.1=17.073 kPa代值可得：e1=167.282+200.636-217.070.797=104.601 kPa（6）侧向三角形水平土压力e2=2RH0tan245-2（4-6）式中：e2侧向三角形水平土压力，kPa；RH衬砌圆环的计算半径，m；0衬砌环直径高度内各土层重度的加权平均值，kN/m。0=7.71.1+7.55.11.1+5.1=7.535kPa代值可得：e2=22.9257.5350.797=28.03kPa（7）拱底反力qr=q1+20+q2+g-2RHw（4-7）式中，qr衬砌拱底反力， kPa；q1衬砌上部土体压力，kPa；q2衬砌拱背部荷载，kPa；g衬砌自重，kPa；w水的重度，取10kN/m。代值可得：qr=167.282+20+5.297+3.148.75-0.53.142.92510=174.122kPa（8）地层侧向弹性抗力衬砌结构发生变形时，周围土体会产生弹性抗力防止其进一步变形。该力分布形式为一等腰三角形，作用在水平直径上下呈45范围内。Pk=ky1-2cos（4-8）y=2q-e1-e2+0.4292tRH+gRh424EI+0.045kRh4（4-9）式中：k衬砌圆环侧向地层的抗力系数，kN/m，查规范，得k=20000kN/ m；y衬砌圆环在水平直径处的变形量（m）；衬砌环的刚度有效系数，此处取=0.7；EI衬砌截面抗弯刚度。其中，E=3.45107， I=bh312， I=1.20.35312=0.004 m4，则：y = 2187.285+0.4928.4392.925-255.505-63.06+122.9254240.73.451070.004+0.045200002.9254=0.0007=90时，求Pk：Pk=ky1-2cos=200000.0071-2cos90=255.64kPa在90的地方，因为地层侧向抗力取得极值，此时不会对衬砌内力产生太大影响，所以其影响衬砌变形的效果忽略不计。（二）考虑特殊荷载作用结构计算时，隧道所受的特殊荷载在竖直方向取q11=100kPa，隧道的侧向取e11=40kPa。对基本使用阶段和特殊荷载阶段两种情形时可能出现的最不利荷载进行组合。对基本使用阶段和特殊荷计算时取衬砌圆环的一半作为对象，并将其等圆心角分为13个位置，每部分的角度为0、15、30、45、60、75、90、105、120、135、150 、165 、180，其中0位于圆环的垂直直径方向，然后依次向左取15得到十二个部分。计算过程中以M为弯矩，N为轴力，然后将结构在各荷载作用下的内力叠加得到最终结果。各断面内力系数如表4-2所示。表4-2断面内力系数表荷载截面位置内力PM(t-m)N(t)自重0gRH21-0.5cos-singRHsin-0.5cosg上部荷载02q1RH20.193+0.106cos -0.5sin2q1RHsin2-0.106cosq12q1RH20.693+0.106cos -sinq1RHsin-0.106cos底部反力02qrRH20.057-0.106cos 0.106qrRHcosqr2qrRH2-0.443+sin-0.106cos-0.5sin2qrRHsin2-sin-0.106cos水压0-wRH30.5-0.25cos-0.5sinwRH21-0.25cos-0.5sin+wHRH均布荷载0e1RH20.25-0.5cos2 e1RHcos2e1侧压0e2RH20.25sin2-0.083 cos3-0.063cos-0.125e2RHcos0.063+0.5cos-0.25cos2e2由表4-2中的公式，并制作Excel表格进行计算，计算结果如表4-3（表中数据已考虑组合系数）所示。表4-3管片的内力计算值（1m）截面位置基本使用阶段特殊荷载阶段M（kNm）N（kN）M（kNm）N（kN）0132.0451221.901 170.257 85.995 15113.0611237.343 149.973 98.808 3061.8541279.232 93.940 134.024 45-6.2041335.725 15.360 182.826 60-71.0631391.434 -67.589 233.122 75-114.2881432.237 -136.436 272.719 90-124.5901449.348 -177.101 292.500 105-10