土木工程毕业设计（论文）-上海地铁11号线隆德路站-江苏路站区间隧道设计与施工.docx

全套图纸加扣3012250582编号：（ ）字 号本科生毕业设计设计题目：上海地铁11号线隆德路站江苏路站区间隧道设计与施工专 题：盾构隧道衬砌结构计算模型研究姓 名：学 号：班 级：土木工程地下2011-1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：上海地铁11号线隆德路站江苏路站区间隧道设计与施工专 题：盾构隧道衬砌结构计算模型研究指导教师：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：上海地铁11号线隆德路站江苏路站区间隧道设计与施工毕业设计专题题目：盾构隧道衬砌结构计算模型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，对上海地铁11号线隆德路站江苏路站区间隧道进行结构设计，依据提供的隧道穿越地层的工程地质、水文地质条件和周边环境情况资料，进行总体施工方案的比选，确定总体施工方案以及隧道衬砌结构的初步设计方案，选择最不利断面计算衬砌内力，选最不利截面配筋计算，并进行管片张开量验算和抗浮验算。最后进行施工组织设计。绘制图纸：隧道地质情况平剖面图 施工总平面布置图 管片配筋图 隧道断面布置图专题要求：研读国内外研究成果，总结隧道衬砌结构的计算模型的特点，运用ANSYS软件建立计算模型程序，通过实例对不同模型的对比分析。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 日摘 要本毕业设计内容主要包括三个部分，第一部分是上海地铁11号线隆德路站江苏路站区间隧道结构设计；第二部分是上海地铁11号线隆德路站江苏路站区间隧道施工组织设计；第三部分是专题部分，题目是：盾构隧道衬砌计算模型研究与对比。第一部分是隧道的结构设计，依据提供的隧道穿越地层的工程地质、水文地质条件和周边环境情况资料，进行总体施工方案的比选，确定总体施工方案以及隧道衬砌结构的初步设计方案，选择最不利断面计算衬砌内力，选最不利截面配筋计算，并进行管片张开量验算和抗浮验算。第二部分是隧道的施工组织设计，根据工程地质条件、水文地质条件和周边环境，安排隧道施工的前期准备工作和场地布置，制定隧道施工的具体方案，编制施工中的关键工序的控制方案，最后制定工程进度计划以及质量、安全和文明施工的控制措施。第三部分是专题部分盾构隧道衬砌计算模型研究。通过研读国内外研究成果，总结隧道衬砌结构的计算模型的特点，运用ANSYS软件建立计算模型程序，通过实例对不同模型的对比分析。关键词： 盾构隧道；衬砌管片；计算模型； 接头ABSTRACTThis graduation design content mainly includes three parts, the first part is tunnel structure design of Longde Road station to Jiangsu Road station of Shanghai Metro Line 11; The second part is tunnel construction organization design of Longde Road station to Jiangsu Road station of Shanghai Metro Line 11;The third part is the projects which topic is: Research and contrast on calculation model of shield tunnel lining.The first part is the structure design of the tunnel.According to the formation of engineering geological condition,hydrogeological condition and the surrounding environment, choosing the general construction scheme comparison, and determine the overall construction plan and the preliminary design of tunnel lining structure, choosing the most disadvantageous section of internal force calculation, choose the most disadvantageous section reinforcement calculation, to segment open quantity checking and anti-floating checking. The second part is the construction organization design of the tunnel. According to the engineering geological condition, hydrogeological condition and the surrounding environment, arrangement of tunnel construction preparation work and the venue layout, make the concrete scheme of the tunnel construction, the key working procedure of construction control scheme, the final formulate of construction schedule planning and control of quality, safety and civilized construction measures. The third part is the projects section: Rresearch and contrast calculation model of shield tunnel lining. Through the study of domestic and foreign research results, summed up the characteristics of tunnel lining structure calculation model, and the calculation model is established using ANSYS software program, through the examples of different comparative analysis of the model.Keyword: Shield tunnel;Lining structure;Calculation model;Joint 目录第一部分 上海地铁11号线隆德路站江苏路站区间隧道结构设计1 工程概况11.1工程位置11.2工程规模12 设计依据12.1自然条件12.1.1工程地质12.2现场条件32.2.1沿线建（构）筑物、地下管线及障碍物32.2.2交通情况33 隧道施工方案与衬砌选型设计43.1隧道施工方案比选43.1.1施工方案43.1.2施工方案比选43.2隧道衬砌选型63.2.1衬砌选型63.2.2衬砌的初步设计64 隧道结构计算74.1计算原则及采用规范74.2衬砌内力计算84.2.1工况选择84.2.2衬砌内力计算84.2.3配筋计算154.3接缝张开量计算184.4千斤顶作用的局部承压计算194.4.1局部承压194.4.2预埋件设计194.5抗浮验算205 隧道主要技术经济指标215.1开挖土方量215.2管片用量21第二部分 上海地铁11号线隆德路站江苏路站区间隧道施工组织设计1 工程概况231.1工程概述231.2工程地质与水文地质条件231.3现场条件241.3.1沿线建（构）筑物、地下管线及障碍物241.3.2交通情况252 隧道施工准备262.1施工技术准备262.2施工物质准备262.2.1隧道施工主要设备262.2.2管片供应272.3施工现场准备272.3.1施工道路272.3.2供水272.3.3排水272.3.4供电272.4劳动力准备273 施工现场总平面布置293.1施工总平面布置原则293.2施工区域划分293.3施工总平面布置293.3.1生活设施的布置293.3.2施工设施的布置294 界定关键过程304.1施工测量控制要点30管片拼装控制要点304.2衬砌防水控制要点304.3地表沉降控制要点304.4关键过程控制人员落实315 施工方案及主要施工工序315.1施工方案确定315.2掘进施工的准备325.2.1技术交底325.2.2地面准备325.2.3井下准备325.3出洞方案325.3.1地基土加固325.3.2盾构出洞325.4进洞方案335.4.1地基加固335.4.2盾构接收井准备335.4.3盾构进洞335.5掘进施工参数345.5.1平衡压力值的设定原则345.5.2推进出土量控制345.5.3推进速度345.5.4盾构轴线及地面变形量控制345.6管片拼装345.7同步注浆及二次补压浆345.7.1同步注浆355.7.2二次补压浆355.8盾构的纠偏355.9洞门施工365.9.1洞门施工工艺365.9.2洞门施工365.10材料运输及弃土运输365.10.1材料运输365.10.2弃土运输366 施工主要技术难点376.1小曲率半径掘进施工376.2盾构穿越吴淞江386.2.1施工前准备386.2.2穿越段施工386.2.3穿越后控制段396.2.4施工监测396.3盾构穿越构（建）筑物施工396.3.1施工前准备工作396.3.2盾构推进施工措施396.4盾构穿越管线406.4.1与隧道轴线相交的管线406.4.2与隧道轴线平行的管线416.4.3对特殊管线的监测保护措施417 施工进度计划417.1总体施工方案417.2施工进度计划418 质量管理及保证措施438.1质量目标438.2质量标准438.3质量保证体系438.3.1质量保证体系438.3.2质量管理责任制438.3.3质量监督与检查438.4质量控制措施449 安全、文明施工、环境保护、消防措施449.1安全施工449.1.1安全管理目标449.1.2安全标准及依据449.1.3安全责任制459.2文明施工459.2.1创建目标459.2.2文明施工责任制459.2.3文明施工措施459.3治安消防措施469.3.1治安469.3.2消防469.4环境保护措施469.4.1噪音控制469.4.2扬尘控制469.4.3废水处置469.4.4废弃物（固体）处置46第三部分 盾构隧道衬砌结构计算模型研究1 引言491.1问题的提出491.2国内外研究现状491.2.1结构与地层相互作用研究491.2.2衬砌管片接头研究501.3存在问题521.4研究内容522 盾构隧道衬砌设计常用内力计算模型532.1（修正）惯用法532.2多铰圆环法532.3梁弹簧模型542.4梁接头模型542.5壳接头模型552.6壳弹簧接触模型552.7连续介质模型553 盾构隧道衬砌内力计算实例分析563.1工程概况563.2有限元模型建立563.3计算模型的对比573.3.1管片变形583.3.2管片弯矩分布及比较593.3.3管片轴力分布及比较603.3.4管片剪力分布及比较613.4梁弹簧模型接头参数分析623.4.1不同抗弯刚度的弯矩影响623.4.2接头非对称性对弯矩的影响634 结论65参考文献66翻译部分68致 谢83第一部分上海地铁11号线隆德路站江苏路站区间隧道结构设计全套图纸加扣3012250582 第 21 页1 工程概况1.1 工程位置上海地铁11号线是一条连接上海市西北地区中心城浦东新区的交通主干线，11号线一期（主线）由江苏路至嘉定北，呈西北东南走向，主线路长度33.2km，本次设计的隆德路站江苏路站区间是上海地铁11号线上联络地铁2号线和地铁13号线的区间段，西起曹杨路与光复西路的交汇处，沿东南方向下穿吴淞河至江苏西路，然后沿着江苏路至江苏路站，见图1.1。1.2 工程规模上海地铁11号线隆德路站江苏路站区间隧道起止里程：SDK29+965.702 SDK31+045.307（XDK31+044.114）；其中上行线长1077.133m，下行线长1082.183m，区间全长2159.316米，本区间于上行线SDK30+532.620（XDK30+523.936）设置一个联络通道及泵房，联络通道与泵站合建，联络通道开挖长度约6.3m。图 1.1 德阳路站江苏路站区间平面图2 设计依据2.1 自然条件2.1.1 工程地质(1) 地形、地貌隧道区间沿线地形平整，地面标高均在3.00m左右，属于滨海平原地貌。所经过的吴淞河河床比较平坦，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) 地基土的构成与特征从地质报告来看，本区间隧道沿线土层主要为-3b粉砂层、淤泥质粘土、1-1、1-2和粉质粘土。表 2.1隆德路站江苏路站区间土层特征表土层层号土层名称层厚(m)层底标高(m)土层描述最小值最大值平均值最小值最大值平均值1填土0.903.701.812.190.121.03上部1.0左右为建筑渣土组成，下部由粘性土混杂碎砖，螺壳2浜填土2.503.503.00-2.38-2.64-2.51浜底淤泥混杂建筑渣土组成。-1粉质粘土0.402.301.330.56-1.22-0.26含云母、铁锰质条纹。-3a粘质粉土4.906.405.82-4.64-6.42-5.74土质不均。-3b砂质粉土1.9011.106.12-6.54-11.21-9.61含薄层粘性土，土质不均。-1淤泥质粉质粘土1.707.104.25-3.75-7.10-4.70夹杂少量贝壳屑。淤泥质粘土2.6013.7010.04-11.84-18.64-15.59夹杂少量贝壳屑。11粉质粘土2.205.803.83-16.44-21.65-19.43夹杂半腐芦苇根茎，泥钙质结核。12粉质粘土4.509.506.51-24.24-27.34-25.94夹杂半腐芦苇根茎，泥钙质结核。粉质粘土2.705.103.80-27.75-31.16-29.71含钙质结核。(3) 地基土物理力学性质根据地质勘察报告，本区间所穿越的各土层主要物理力学指标见下：表 2.2隆德路站江苏路站区间隧道沿线土层主要物理力学性质表层号土层名称含水量W(%)重度(kN/m)空隙比e液限WL(%)塑限WP(%)直剪固快峰值强度标贯击数N(击)内聚力C(kPa)内磨擦角()1填土18-1粉质粘土32.518.50.90830.53.0-3a砂质粉土30.818.70.36532.08.0-3b粉砂27.518.90.79134.515.6淤泥质粘土42.717.41.2141.922.81612.55.71-1粉质粘土35.118.01.0137.121.31518.51-2粉质粘土33.918.10.9836.121.11519.5粉质粘土23.219.80.6733.818.74819.5(4) 地下水根据地质勘探报告可知，地下水位埋深为1.201.40m，对应标高为1.512.34m，按场地地形、地貌，取地下水年平均埋深为0.50m。第一承压含水层分布于第层土中，其承压水头埋深5.9m，对应标高-2.75m 。2.2 现场条件2.2.1 沿线建（构）筑物、地下管线及障碍物(1) 隧道沿线建构筑物本工程区间穿越和旁穿的构、建筑物主要有：长芝大厦、银鑫大楼、新亚药业大厦和中西大厦等，且隧道距离大厦桩基比较近。(2) 隧道沿线管线根据相关图纸显示，本工程隧道沿线埋设着许多重要的地下管线，主要有：F1650、 F2000、F2200、F2400雨水、雨污管、电力电缆和电信电缆等。(3) 其他工程环境本工程隆德路站江苏路站区间需穿越苏州河防汛墙。2.2.2 交通情况本区间隧道主要从隆德路站出发下穿苏淞河后基本上沿着江苏北路埋设。江苏路江苏北路曹杨路是上海“三纵”主干道的西线，江苏路有延安路高架的出口，上下高架的车流量大。同时“三横”北线长宁路也在该隧道区间内与江苏路交汇，保证交通的畅行至关重要。3 隧道施工方案与衬砌选型设计3.1 隧道施工方案比选地下工程和地面工程不同，需要在结构设计和施工图纸设计之前，确定初步的施工方案。地铁区间隧道施工方法选择主要考虑工程地质、水文地质条件、施工现场的环境条件，以及工程综合经济指标等因素。根据本工程的施工条件，可以使用顶管法、盾构法、隧道明挖法、软土暗挖法等施工方法。为了方便选取合适的方案，对以上四种方法进行了优劣比较。3.1.1 施工方案(1) 明挖法明挖隧道施工是一种直接开挖地面施工隧道的方法，从地面向下开挖地层至设计标高，然后从基底向上顺作施工隧道主体结构，结构施工完成后回填土石方复原地面。明挖隧道的主要施工工序有：降低地下水位，土石方开挖，边坡支护以及隧道结构施工等。(2) 软土暗挖法软土地层中的暗挖法在隧道开挖前对地基采用冻结、注浆、深层搅拌桩或管棚法进行加固，使土体满足开挖条件后通过挖掘机械开挖隧道，并将开挖下来的土石方用装载机械或人工装至自卸机车运输出洞的施工方法。暗挖法的基本工序为：加固、开挖、出渣、支护、衬砌。(3) 顶管法顶管法施工是一种能够下穿道路、河流、（构）建筑物以及地下管线等而不需要开挖面层的地下工程施工方法。施工时，不需要开挖面层，施工的动力由位于施工工作井中的千斤顶来提供，管节在工具管的引导下，依靠千斤顶的推力沿着设计轴线逐渐顶入土层中最终到达接收井。管节顶进正面的土方开挖由工具管完成。(4) 盾构法 盾构法是一种以盾构机为核心的地下暗挖施工法。该施工方案中盾构机不仅是掘进机械，同时也是临时承载结构。在盾壳的保护下，盾构机沿着设计轴线向前推进，通过刀盘对工作面的土体进行切削，土体进入集土仓之后，通过电瓶车运至工作井，提升至地面，掘进一环宽度后，及时进行预制管片拼装，循环重复的进行下去，直至隧道贯通。3.1.2 施工方案比选施工方法的选择应结合隧道的工程地质、水文地质条件、施工现场的环境条件，以及施工方法的经济综合指标等因素进行比选，本工程施工方法特点及施工条件见表3.1。表 3.1施工方案特点及施工条件比选内容明挖法软土暗挖法顶管法盾构法施工条件适用性场地开阔，隧道埋深浅，地下水少的软岩和土体，多用于市郊开阔地适用于埋深较浅，地下水少的土层中适用于土质松散或者含水量大的地层中的小断面隧道具有很好的土层适用性，城市软土层、深埋隧道隧道埋深22.55m，主要穿越粉土、粉质粘土层防水效果防水方法简单需要多道防水处理管片大，接缝少，防水性能好整体防水技术要求很高地铁隧道防水要求高变形及地面沉降控制较大土体沉降变形大很小变形沉降很小隧道周边建（构）筑物多，管线密集工程质量质量可靠一般较好较好地铁使用年限100年对周边环境的影响施工需要开挖地面，在道路下方的隧道施工需要对道路进行封闭，施工时产生噪音、粉尘对周边环境影响很大施工作业主要在地下进行，对地面交通和浅埋管线干扰小，对周边居民生活影响小施工作业主要在地下进行，对地面交通和浅埋管线干扰小，对周边居民生活影响小施工作业主要在地下进行，对地面交通和地下管线，以及周边居民生活的影响小隧道区间沿城市主干道，周边居民楼多施工难度施工工序简单，难度不大施工过程中对地层控制难度大长距离、线形复杂的大断面隧道的施工困难对小曲率半径施工难度大工期施工流水作业，工期短机械化程度低，工期较长顶进速度快，工期短盾构掘进速度快，工期短安全性好，可靠差好较好综合造价一般较低，但结构深埋时造价很高 较高成本较高深埋隧道有较好的经济效益结合上表所列出的施工方案特点与本工程的地质条件、埋深、周边环境情况对做出比选。由上表比较可知，盾构法与顶管法两种施工方法相差不多，都能满足施工的要求。在这个区间项目中，与顶管法相比，显然盾构法更适用：一是因为隧道的断面大，其隧道开挖直径大于4m；二是隧道区间距离较长，顶管法施工难度较大。结合上海市的其他线路的地铁建设经验，盾构隧道用的居多，拥有丰富的施工经验。综上所述，本区间隧道的总体施工方案确定为盾构法施工。3.2 隧道衬砌选型盾构法隧道的衬砌结构是隧道的永久性支撑结构，保证隧道具有相应的实用性能和耐久性，因此合适的衬砌类型至关重要。3.2.1 衬砌选型(1) 衬砌断面的形式盾构隧道按断面分类一般可分为：圆形衬砌、矩形衬砌、半圆形衬砌，目前国内外最常用的形式是圆形衬砌。与其他形式相比，在软弱地层中圆形结构承受的压力比较均匀，同时圆形断面有利于盾构的推进。而且圆形管片更容易运输。结合本工程的地基土构成和上海的相关工程实例，选用圆形衬砌较为合适。(2) 形成方式按衬砌的形成方式可将衬砌分为装配式衬砌和挤压混凝土衬砌(盾尾现浇)。装配式衬砌与整体式现浇相比，其优点明显：一是管片在安装后可以直接承受荷载；二是管片生产工业化，安装机械化，给衬砌施工节省大量时间。因此采用装配式衬砌管片。(3) 构造形式盾构隧道的衬砌构造形式可分为单层衬砌和双层衬砌结构两类。与单层衬砌相比，双层衬砌防水效果很好，但施工工期较长，造价高，一般只在需要满足某种特殊功能的隧道设计中才会选用双层衬砌。在通常条件下，能满足工程使用要求的都选用单层衬砌结构。同时，随着注浆工艺的提高，单层衬砌的防水效果明显改善。所以，本区间隧道选用单层衬砌结构。(4) 衬砌材料衬砌结构管片可由钢筋混凝土、铸铁、钢或复合材料制成。其中钢管片，铸铁管片以及复合管片在质量和强度上有显著的优势，但其制作工艺复杂，成本昂贵。与之相比，钢筋混凝土管片制作工艺简单，成本低。因此采用钢筋混凝土管片。混凝土管片中分为两类：箱形管片和平板形管片。前者主要用在大断面隧道，后者主要用在较小直径隧道。与平板形管片相比，箱形管片质量轻，但自身强度小，在千斤顶的挤压作用下抵抗能力差易开裂。结合隧道的断面尺寸，选用混凝土平板形管片。综上所述，结合本工程地质条件和水文条件，对衬砌的形式、构造、形成形式以及材料的分析后，本隧道的衬砌结构采用装配式钢筋混凝土平板形管片。3.2.2 衬砌的初步设计(1) 管片设计参数衬砌结构采用预制混凝土管片，每环由1块封顶块K（20）、2块邻接块TL（每块角度68）、3块标准块TB（每块角度68）组成，环宽1200mm。隧道内直径为F5500mm，隧道外直径为F6200mm，管片厚度为350mm。混凝土强度等级取C55，其抗渗等级为S10。(2) 管片拼装和连接盾构隧道衬砌管片的拼装可以采用错缝拼装或者通缝拼装。通缝拼装容易定位管片，拼装施工应力小，容易穿环缝处的纵向螺栓，但环管片容易在纵缝处产生台阶，误差累计导致环向螺栓孔错开，环向螺栓难穿，导致对环缝压紧度不够。错缝拼装使隧道衬砌结构的整体性较好，环面较平整，环向容易穿螺栓，但拼装后的管片间应力大，管片受相互作用易产生裂缝，穿纵向螺栓比较困难，纵缝压紧较差。目前很多工程都使用错缝拼装。因此，综合考虑，参考类似工程的管片拼装方式，本工程推荐采用错缝拼装。管片接头采用弯曲螺栓连接，管片块与块环向接头间布置12根M30的螺栓，环与环间纵向接头布置17根M30的直螺栓。管片接头布置两道防水设施，第一道是弹性橡胶密封垫，由三元乙丙橡胶和遇水膨胀橡胶复合制成，布置在管片的止水槽中，第二道是止水条，布置在密封垫的外侧。4 隧道结构计算4.1 计算原则及采用规范隧道计算原则：(1) 结构设计满足运营、施工的要求，保证结构在施工和试用期间的有足够的强度和耐久性；(2) 结构设计应根据结构类型、荷载条件，选用与其相适应结构设计规范和标准；(3) 结构内力的计算模型反映结构的实际性态以及结构和地层相互作用关系；(4) 设计时，考虑基本使用阶段进行结构计算；(5) 结构计算取处于隧道区间最不利条件下的断面进行计算。设计标准：(1) 地铁设计服务年限为100年； (2) 隧道主体的结构保证有足够的耐久性，安全等级为一级； (3) 隧道结构的抗震烈度为7度；(4) 衬砌环的接缝的变形应当满足防水要求；(5) 衬砌结构允许出现裂缝，但无贯穿裂缝，计算允许最大裂缝小于0.3mm；(6) 衬砌管片环向接头最大张开量0.3mm(7) 隧道的最小埋深处需要进行抗浮验算。结构设计所用到的规范见表 4.1。表 4.1 计算依据的规范序号规范1混凝土结构设计规范（GB50010-2010）；2地下工程防水技术规范（GB50108-2008）；3建筑工程施工质量验收统一标准（GB50300-2001）；4盾构法隧道施工与验收规范（GB50446-2008）；5混凝土结构工程施工质量验收规范（GB50204-2002（2011年版）；6道路隧道设计规范（DG-TJ08-2033-2008 (上海)）；7地铁设计规范(GB50157-2013)4.2 衬砌内力计算4.2.1 工况选择隧道衬砌内力计算应选取上覆地层厚度最大、上覆地层厚度最小、地下水位最高、地下水位最低、超载最大、地表突变以及地质条件突变的隧道横断面进行计算。本工程计算断面选择如下：工况1：地质条件突变处1（SDK30+009.000），该断面覆土层厚度为11.4m，隧道穿越粉砂层进入淤泥质粘土层。工况2：埋深最小处（SDK30+046.726），该断面位于吴淞江江心河底最深处，其覆土层厚度只有7.20m。工况3：埋深最大处，也是覆土最大处（SDK30+524.936），其隧道中心轴线标高-23.120m，覆土层厚度22.55m，隧道主要穿越的地层是1-1和1-2粉质粘土层。工况4：地质条件突变处2（SDK30+784.635），该处覆土层厚度为19.37m，隧道部分断面由粉质粘土层进入淤泥质粘土层。4.2.2 衬砌内力计算由上海市道路隧道设计规范可知，通缝拼装的隧道衬砌圆环可认为是一均质圆环，考虑到管片接头的影响，将接头引起的局部刚度降低等效成衬砌整体的抗弯刚度降低，引入折减系数h，则衬砌圆环的整体抗弯刚度为hEI。根据相关隧道设计经验，初步确定隧道的管片厚度为350mm，隧道的外径为6200mm，内径为5500mm，盾构管片宽度b=1.2m，混凝土等级C55，钢筋等级采用HRB400。隧道主要穿越粉质粘土层，根据管片所处的土层条件以及相关规范的要求，水土压力可按水土分算的方法计算。根据隧道的相关地层信息，分别对地层图中的工况1、3、4断面进行分析，确定其上覆土体的厚度，计算作用在隧道衬砌结构上的所有荷载，包括上覆土压力、侧向土压力、地层抗力、自重以及水压力情况，结构内力计算采用均质圆环法，取最不利截面的内力计算配筋。由于篇幅有限，且断面计算过程类似，因此这里只列出最不利荷载断面的计算过程。最不利截面的覆土情况见图 4.1。图 4.1隧道工况3断面土层分布图(1) 衬砌自重（4.1）式中 g衬砌管片自重，kPa；混凝土管片的重度，取值25kN/m；衬砌管片厚度，m。代值计算可得：kPa(2) 衬砌上部竖向土压力拱顶平均压力：（4.2）式中 衬砌上覆土压力，kPa；衬砌上覆各土层的浮重度，kN/m3；衬砌上覆各土层的厚度，m 。kPa拱背部荷载：（4.3）（4.4）代值得：KN/mKN/mKPa(3) 地面超载本隧道设计过程中需要考虑地面超载的影响，按照设计规范取q0=20KPa，计算时竖向土压q1叠加，则衬砌上部竖向总压力为195.845KPa。(4) 静水压力地下水位埋深0.50m，水位至衬砌顶部距离为22.05m。(5) 侧向水平均匀土压力（4.5）式中 ： 侧向水平均布土压力，KPa；隧道穿越土层内摩擦角的加权平均值，（）；隧道穿越土层粘聚力的加权平均值，KPa；KPa代值得：KPa侧向三角形水平土压力(4.6)式中： 侧向水平三角形土压力，kPa；衬砌圆环的计算半径，m；衬砌圆环直径高度内所有土层重度的加权平均值，kN/m；kPa代值得：kPa(6) 拱底反力：（4.7）式中 衬砌拱底反力， kPa；衬砌上覆土压力，kPa；衬砌拱背平均土压力，kPa；g衬砌自重，kPa； 水的重度，取10kN/m。代值得：kPa(7) 地层侧向弹性抗力当衬砌结构发生变形时，周围土体阻止其进一步变形而引起弹性抗力。假设该力分布范围在水平直径上下呈45的区间内，呈等腰三角形。（4.8）式中： 地层的抗力系数，KN/m，查规范，得=5000KN/ m；衬砌圆环在水平直径处的位移量，m，其计算公式如下：（4.9）式中： 衬砌圆环的刚度有效系数，此处取=0.7；EI管片截面抗弯刚度。 E=3.55107Pa， m4则：m=90时，求：kPa(8) 特殊荷载特殊荷载主要是地震作用，这里取地震作用近似为直接作用在衬砌结构上的水平均布荷载和竖直均布荷载，其大小分别为40kPa和100kPa。结构计算时使用道路隧道设计规范中的方法。按基本使用阶段和特殊荷载阶段进行荷载组合计算。结构与荷载是对称的，计算时只取衬砌圆环的一半作为对象，并将其等圆心角分为18份，每部分的角度为0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180，其中0位于圆环的垂直直径方向，然后依次向左10得到18个部分。按断面内力系数表计算各个荷载作用下衬砌的弯矩和轴力，然后将各荷载作用下的内力进行荷载组合得到最终结果。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拱背荷载02Rh3（0.5sin+0.25sinsin2+0.436co+0.5cos2+0.3333cos3-0.84)Rh2(sin2+0.25sinsin2-0.5sin-0.436cos)q22Rh3(-0.2146sin+0.0436cos+0.16)Rh2(0.2146sin+0.0436cos)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-0.125）e2RHcos0.063+0.5cos-0.25cos2e2由Pk引起的衬砌段面的内力计算系数见下表。表 4.3 Pk引起的管片内力内力0aaM(0.2346-0.3536cosa)(-0.3487+0.5cos2a-0.2357cos3a)N0.3536cosa(-0.707cosa+cos2a+0.707sin2acosa)根据上述管片内力计算系数代值得衬砌管片的内力M、N的值见下表。表 4.3每米衬砌内力计算表截面基本组合特殊荷载组合M/KNmN/KNM/KNmN/KN0 124.25 1313.47 345.58 1425.27 10 118.15 1320.91 327.65 1440.19 20 100.801342.31276.041483.2030 74.881375.02197.091549.1940 44.461414.96100.491630.3650 14.401457.21-2.001717.1860 -10.801496.55-98.461799.4970 -28.011528.16-178.691867.8380 -35.961548.25-235.491914.5490 -35.361554.53-265.591934.78100 -28.111556.84-268.631942.87110 -15.211547.30-244.831936.19120 1.731528.89-194.331916.40130 19.861505.49-118.311885.61140 35.401481.40-19.071846.09150 44.011460.77100.021800.11160 41.641447.19234.801749.78170 25.421443.36380.931697.08180 -6.361450.94535.301643.35上述计算过程中衬砌宽度为1m，实际设计宽度为1.2m，因此最终的管片内力需要乘以1.2得到。计算结果如下：表 4.4 1.2米管片内力截面基本组合特殊荷载组合M/KNmN/KNM/KNmN/KN0 149.10178.919414.701710.3210 141.78170.139393.171728.2320 120.96145.150331.241779.8430 89.85107.825236.511859.0340 53.3564.016120.581956.4450 17.2820.730-2.402060.6160 -12.96-15.549-118.152159.3970 -33.61-40.336-214.422241.3980 -43.15-51