土木工程毕业设计（论文）-上海地铁1号副线山泉路站～共康小学站区间隧道设计与施工.doc

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1号副线山泉路站共康小学站区间隧道设计与施工专 题：地铁隧道事故中的土力学问题姓 名：学 号：班 级：土木工程地下2011-3班二一五年六月中 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1号副线山泉路站共康小学站区间隧道设计与施工专 题：地铁隧道事故中的土力学问题指导教师：职 称：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 土木工程地下工程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1号副线山泉路站共康小学站区间隧道设计与施工毕业设计专题题目：地铁隧道事故中的土力学问题毕业设计主要内容和要求：设计要求：根据上海地铁1号副线山泉路站共康小学站区间隧道工程的实际资料，进行该区间隧道的结构设计和施工组织设计。结构设计内容应包括隧道正线施工方案、隧道衬砌结构设计，并编制设计计算书。施工组织设计内容应包括隧道施工准备、施工方法及辅助施工技术、施工总平面布置、施工进度计划和施工管理等内容。绘制图纸：山泉路站共康小学站隧道平面图，山泉路站共康小学站隧道纵断面与地质关系图，隧道施工总平面布置图。专题要求：针对我国地铁隧道发生事故的现状，从土力学的角度对事故原因进行分析。翻译一篇与设计或专题内容相关的外文参考文献，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：全套图纸加扣 3012250582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 日摘要本毕业设计主要包括三个部分，第一部分是上海地铁一号线副线山泉路站共康小学站区间隧道结构设计；第二部分是上海地铁一号线副线山泉路站共康小学站区间隧道施工组织设计；第三部分是专题部分，地铁隧道事故中的土力学问题。在第一部分区间隧道结构设计中，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，确定采用浅埋暗挖法施工，隧道衬砌结构采用预制装配式衬砌，并对其进行相应的强度和抗浮验算。第二部分是区间隧道施工组织设计，根据隧道施工方法和隧道周边的环境情况，对施工前准备工作，施工场地布置，隧道开挖与衬砌结构施工等进行设计，并编制了工程进度计划，编写了相应的质量、安全、环境保护等措施。第三部分是专题部分，内容是地铁隧道事故中的土力学问题。结合工程实例和相关的参考资料，从土力学的角度，运用不同的研究方法，分析影响地铁事故的因素的作用机理。关键词：隧道； 结构设计； 施工组织； 地铁事故； 土力学ABSTRACTThis graduation design mainly includes three parts,the first part is the Shanghai metro line mountain spring road station between gongkang primary station tunnel structure design; The second part is the Shanghai metro line mountain spring road station between gongkang primary station tunnel construction organization design;The third part is a special part of soil mechanics problems in subway tunnel.In the first part of the tunnel structure design, according to the tunnel through the formation of engineering geological and hydrogeological conditions and the surrounding environment, through the construction scheme comparison, determine the shallow tunnel construction, excavation method using prefabricated lining tunnel lining structure, and carries on the corresponding intensity and anti-floating calculation.The second part is the tunnel construction organization design, according to the situation of tunnel construction methods and tunnel surrounding environment, the preparation work before construction, construction site layout, construction, tunnel excavation and lining structure design, and compiled the project schedule, write the corresponding quality, safety and environmental protection measures. The third part is the projects section, the content is soil mechanics problems in subway tunnel. Combining with engineering examples and related resources, from the perspective of soil mechanics, using different research methods, analysis the mechanism of the factors, which affect the subway accident.Keyword: The tunnel; Structure design; Construction organization; Subway accident; Soil mechanics目录第一部分 上海地铁一号副线山泉路站共康小学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标准及规范12.2自然条件12.3现场条件23 隧道施工方案与衬砌选型设计33.1 隧道施工方案33.2 衬砌选型53.3管片初步设计64隧道计算64.1 计算原则及采用规范64.2 断面的选择及内力计算74.3 断面设计134.4 千斤顶作用下局部承压计算184.5 抗浮验算195 隧道主要技术经济指标205.1开挖土方量205.2管片用量215.3钢筋用量215.4人工费用21第二部分 上海地铁一号副线山泉路站共康小学站区间隧道施工组织设计1工程概况232隧道施工准备232.1施工前准备232.2施工现场准备242.3施工物资的准备242.4劳动力准备253施工现场总平面图布置253.1 施工总平面布置的原则253.2施工平面总体布置254界定关键过程274.1施工测量控制要点274.2管片拼装控制要点274.3衬砌防水控制要点284.4地表沉降控制要点284.5关键过程控制人员落实285 施工方案及主要施工工序295.1盾构选型295.2掘进的施工准备315.3出洞方案325.4进洞方案335.5掘进施工参数345.6管片拼装345.7 同步注浆及壁后补压浆355.8隧道的纠偏375.9洞门施工375.10 隧道内运输和施工设施385.11工况监测385.12弃土处理396 施工主要技术措施396.1砂性土层施工技术措施396.2穿越地下管线、地面建（构）筑物的保护措施396.3减少地面变形的控制措施406.4紧急预案措施417施工进度计划418.1 质量管理438.2 施工时的质量控制448.3 安全生产施工措施458.4 环境保护措施478.5 其它注意事项47第三部分 地铁隧道事故中的土力学问题1 我国地铁事业发展概况492 地铁隧道事故分析492.1常见的地铁事故492.2与土力学有关的事故503事故原因分析503.1 稳定性问题503.2 防水问题513.3 变形问题524 常用的研究分析方法534.1 理论分析法544.2 模拟研究方法544.3 现场试验法565圣彼得堡地铁1号线区间隧道事故案例分析565.1工程方案与事故经过565.2 事故原因分析596结语60参考文献61翻译部分62致谢65第一部分上海地铁1号副线山泉路站共康小学站区间隧道结构设计第 23 页 全套图纸加扣 3012250582 1工程概况1.1工程位置三泉路站共康小学站区间，由共和新路旁鑫鑫大酒店开始，由东向西，一直通达三泉路。沿线经过的两侧高楼较多，主要有城市新汇办公区、上海市皮肤病医院大楼、保德小区住宅楼、银都一村住宅楼、三泉小区住宅楼等。1.2工程规模隧道设计为圆形隧道，隧道外径为6200mm，内径5500mm。该区间圆形隧道共有上行右线，下行左线两条平行隧道。上、下行线相距13.2m。三泉路站共康小学站区间隧道推进里程为：K1+253.05K2+497.48，单线长1244.43m。2设计依据2.1标准及规范（1）混凝土结构设计规范（GB50010-2002）；（2）地下工程防水技术规范（GB50108-2001）；（3）地下铁道工程施工及验收规范（GB50299-1999）；（4）建筑工程施工质量验收统一标准（GB50300-2001）；（5）地下铁道、轻轨交通工程测量规范（GB50308-1999）；（6）盾构法隧道施工与验收规范（GB50446-2008）；（7）混凝土结构工程施工质量验收规范（GB50204-2002）。2.2自然条件2.2.1工程地质（1）地形、地貌三泉路站共康小学站所处位置地形较平坦，该区间地面高程在3.764.01m之间。（2）地基土的构成与特征本区间盾构掘进地层由地层分布图可知，其场地土层的物理力学性质见下表： 表2.1场地土层的物理力学性质表层序名称重度孔隙比含水量直剪固快静止侧压力系数水平基床系数垂直基床系数比例系数地基承载力特征值标准值KN/mewCK0KhKvMfak%KPaMPa/mMPa/mMN/mKPa杂填土18.5101180粉质粘土18.30.98134.213.8160.522204100淤泥15.71.81663.56.212.60.765160黏质粉土17.30.83128.219.818.90.4830255160黏土16.013.0310.424028790淤泥质粘土16.51.41447.510.013.60.65871.570粉砂16.50.91732.28.223.50.45605081502.2.2气象(1)气温一年四季变化分明是上海气候的特征。冬、夏长，春、秋短，冬天约有117天，夏天约有117天，春、秋两季相加约131天，春季略长于秋季。上海属于北亚热带海洋性季风气候，全年平均气温为16左右，7、8月份气温最高，月平均约28；1月份最低，月平均约4。(2)降水全年无霜期约230天，年平均降雨量在1200毫米左右，但一年中60%的雨量集中在5至9月的汛期，汛期有冬春之交大型连阴雨雪天气(2月底至3月初，也叫冬梅雨季)、梅雨（通常始于6月中旬，结束于7月上旬）、秋雨三个雨期，6月平均降雨量最大。2.3现场条件2.3.1 沿线建（构）筑物、地下管线及障碍物（1）沿线建（构）筑物三泉路站共康小学站区间沿线的建筑物主要有鑫鑫大酒店（3层）、银都一村住宅楼（17层）、上海市皮肤病医院大楼（9层）、保德小区住宅楼（12层）等。（2）地下管线三泉路站共康小学站区间采用暗挖法施工，下穿热力管沟、电力管沟、污水管沟、雨水管，避开了所有地下管线。在施工中，须对重要的管线的沉降和位移进行监测，根据监控信息及时调整施工组织，以严格控制地下管线的沉降和位移，确保地下管线的安全。需改移或改迁的管线见下表：表2.2地下管线处置表编号名称及规格位置管内顶标高管内底埋深（）处置方式A500天然气管K2+130+18050.062.0临时改移B300上水管K2+130+18050.481.4临时改移C280电力管线K2+130+18051.080.7临时改移D1400上水管K2+130+18050.192.8临时改移2.3.2 交通状况由于周围都是居民楼和办公区，为了将施工带来的对于生活的影响降到最低，隧道的施工一律都采用暗挖法施工。隧道选线尽量避免建筑物，在施工时，我们应该遵循交通部门的安排，将交通线路进行临时的改道，以保证市民的出行不被影响。3 隧道施工方案与衬砌选型设计3.1 隧道施工方案隧道施工方法的选择主要依据工程地质和水文地质条件，并结合隧道断面尺寸、长度、衬砌类型、隧道的使用功能和施工技术水平等因素综合考虑研究确定。在现有的施工条件下，根据地下工程的施工方法，本工程可选用的施工方案有：明挖法、矿山法、顶管法、盾构法。以下对四种施工法进行优劣比较，并确定施工方案。3.1.1 明挖法明挖法是指挖开地面，由上向下开挖土石方至设计标高后，自基底由下向上顺作施工，完成隧道主体结构，最后回境基坑或恢复地面的施工方法。地下工程施工时，在埋深较浅的情况下，广泛采用明挖法，放坡开挖是明挖法的首选方案。明挖法的优点有：施工方法简单，技术成熟；工程进度快，根据需要可以分段同时作业；浅埋时工程造价和运营费用均较低，且能耗较少。缺点有：外界气象条件对施工影响较大；施工对城市地面交通和居民的正常生活有较大影响，且易造成噪音、粉尘及废弃泥浆等的污染；需要拆除工程影响范围内的建筑物和地下管线；在饱和的软土地层中，深基坑开挖引起的地面沉降较难控制，且境内边坡稳定常常会成为威胁工程安全的重大问题。3.1.2 矿山法矿山法是城市深部地下工程常用的暗挖施工方法，具有不影响地面正常交通与生产的特点，地表下沉量小，适用于硬、软岩层中各类地下工程，特别是中硬岩中。矿山法优点是：对于各种地质和几何形状的适应性，尤其是在交叉点、横通道、渡线和洞室等处；多掌子面可同时操作，设备和工艺简单，便于工人掌握；造价较低。矿山法施工的缺点：开挖的隧道洞壁不平整，超挖、欠挖量大；超挖会增加混凝土的投入，因而增加投资；施工作业区有较大的危险，工作环境恶劣；施工对围岩的破坏扰动范围及程度较大，一方面增加了工作面的危险性，另一方面相应要加强支护；施工作业速度较慢；对周围环境影响大。3.1.3 顶管法顶管法是直接在松散土层或富水松软地层中敷设中、小型管道的一种施工方法。顶管法一般用于修建中小型地下市政管道。顶管法的优点有：可以在很深的地下铺设管道；开挖部分仅仅只有工作坑，而且安全，对交通影响小，不破坏地面建筑物；在管道顶进过程中，只挖去管道断面部分的土，挖土量少；在城区内施工如果地下水不十分丰富，以及管理埋深较浅的情况下经济性更好。顶管法的缺点：曲率半径小而且多种曲线组合在一起时，施工就非常困难；在软土层及可液化砂层中容易发生偏差，而且纠正这种偏差又比较困难，管道容易产生不均匀下沉；推进过程中如果遇到障碍物时处理这些障碍物非常困难；在覆土浅的条件下显得不经济。3.1.4 盾构法盾构法盾构法是在地表以下土层或松软岩层中暗挖隧道的一种施工方法。盾构推进主要依靠盾构内部设置的千斤顶，如此不断开挖，不断拼装，并不断推进，借助盾构这种施工机械可用较快的速度完成隧道施工基本作业循环，直至隧道建成。盾构法施工隧道的优点表现在施工作业可在盾构设备的掩护下，安全的进行地下开挖与衬砌支护工作；施工时振动和噪声小，对周围居民几乎没有干扰；施工时不影响地面交通；不受气候条件影响；施工机械化程度高，施工管理容易。在土质差、水位高、埋深大的隧道施工中、有较高的技术优越性。该施工技术目前存在的主要问题是当覆土较浅时，开挖面稳定较为困难；曲率半径小的曲线段施工比较困难；在饱和含水层中，防水技术要求高。3.1.5 方案确定明挖法施工对城市地面交通和居民的正常生活有较大影响，易造成噪音、粉尘及废弃泥浆等的污染，且工期较长。由于本工程位处地区附近有很多居民居住，地面交通复杂，故不适合选择明挖法施工。矿山法适用于硬、软岩层中各类地下工程，特别是对于中硬岩中。本工程要求工期较短，且地下水丰富，矿山法堵水较为繁琐且占用较长工期；隧道穿过地层为砂土和黏土层。因此不选用矿山法施工。本工程设计隧道内径为5.5m，内径较大，顶管法适宜中小尺寸管道，管道顶进困难，考虑到场地以及经济效益的影响不选用顶管法施工。区间工程地质条件较为复杂，地下水丰富，工程的工期要求较紧，附近也有大量居民走动，地面交通复杂。采用盾构法施工可以很好的发挥它的优点，充分满足工程的要求，最终确定本隧道区间采用盾构法进行施工。3.2 衬砌选型盾构隧道衬砌用管片按材料可分为球墨铸铁管片、钢管片、钢筋混凝土管片、复合管片、挤压混凝土衬砌。（1）球墨铸铁管片球墨铸铁管片强度高，易铸成薄壁结构，管片质量轻，搬运安装方便，管片精度高，外形准确，防水性能好。但是加工设备要求高、造价大，特别是有脆性破坏的特征，不宜承受冲击荷载，因此现在已较少采用。该管片还需翻砂成形后用大型金属切削机械加工。（2）钢管片钢管片主要用型钢或钢板焊接加工而成，其强度高、延性好、运输安装方便，精度稍低于球墨铸铁管片。但在施工应力作用下易变性，在地层内也易锈蚀，造价也不低，所以采用的不多，仅在如平行隧道的联络通道口部的临时衬砌等特殊场合使用。（3）钢筋混凝土管片钢筋混凝土管片有一定的强度，加工制作比较容易，耐腐蚀，造价低，是最为常用的管片形式，但是较为笨重，在运输、安装施工过程中易损坏。钢筋混凝土管片型式中，有箱型管片和平板型管片。箱型管片常用于大直径的隧道。在等量材料的条件下，与平板型管片相比，箱型管片能做到抗弯刚度大、管片之间便于连接等。因而，可有效地降低造价。当然，当管片的背板厚度较小、腔格偏大时，在盾构千斤项作用下混凝土将会发生剥落、压碎等情况。平板管片是目前最常用的管片型式，常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。（4）复合管片复合管片有填充混凝土钢管片和扁钢加筋混凝土管片两种主要形式。填充混凝土钢管片（SSPC）以钢管片的钢壳为基本结构，在钢壳中用纵向肋板设置间隔，经填充混凝土后成为简易的复合管片结构。与原有钢管片相比有制作容易、经济性能好、可省略二次衬砌等优点。扁钢加筋混凝土管片（FBRC）是控制矩形和椭圆形等特殊断面管片厚度和钢筋用量，谋求降低制作成本为目的而开发出来的管片结构。由于使用扁钢作为主筋，和以往的管片相比，可以增加主筋的有效高度，其结构性能较好。复合管片缺点是钢板耐腐蚀性差，加工复杂冗繁。（5）挤压混凝土衬砌挤压混凝土衬砌，英文名称Extrude Concrete Lining，简称ECL。在盾构开挖隧道过程中，随着盾构机的向前掘进，用一套衬砌施工设备在盾尾同步灌注的混凝土或钢筋混凝土整体式衬砌，因其灌注后即承受盾构千斤顶推力的挤压作用，故称为挤压混凝土衬砌。挤压混凝土衬砌可以是素混凝土，也可以是钢筋混凝土，但应用的最多的是钢纤维混凝土。挤压混凝土衬砌的优点是衬砌一次成型，内表面光滑，衬砌背后无空隙，故无需注浆，且对控制地层移动特别有效。缺点是因挤压混凝土衬砌需要较多的施工设备，其中包括混凝土成型用的框模，拼拆框模的系统，混凝土配制车、泵、阀、管等组成的混凝土配送系统。而且，混凝土制备、配送、钢筋架立等工艺较为复杂，在渗漏性较大的土层中要达到要求尚有困难。故挤压混凝土衬砌的应用尚不广泛。本次隧道穿过地层主要是粉土和粘土，地下水丰富，施工期间以及使用阶段对防水的要求比较高，球墨铸铁管片、钢管片满足防水要求，但是价格昂贵，不宜选取；复合管片耐腐蚀性差，不适宜在地下水丰富的地层使用；钢筋混凝土管片中，箱型管片由于背板厚度较小，在施工期间容易损坏，而相同厚度的平板管片抗弯刚度和强度均大于箱型管片。通过比较，本区间采用平板型钢筋混凝土管片。3.3管片初步设计圆环的拼装形式有通缝、错缝两种，所有衬砌环的纵缝环环对齐的称为通缝，而环间纵缝相互错开，犹如砖砌体一样的称为错缝。圆环衬砌采用错缝拼装较普遍，其优点在于能加强圆环接缝强度，约束接缝变形，圆环近似地可按匀质刚度考虑。当管片制作精度不够好时，采用错缝拼装形式容易使管片在盾构推进过程中顶碎。另外在错缝拼装条件下，环、纵缝相交处呈丁字形，而通缝拼装时则为十字形式，在接缝防水上丁字形缝比十字缝较容易处理。从接缝防水方面考虑，本方案采用错缝的拼装形式。根据盾构隧道覆土深度，周围环境，工程地质条件，本工程盾构隧道衬砌的选择为：初步确定衬砌厚度为350mm，外径为6200mm，环宽1200mm。此隧道采用单层衬砌，衬砌采用预制平板型钢筋混凝土管片。混凝土强度为C55。隧道衬砌由六块预制钢筋混凝土管片拼装而成，其中3个为标准块，2个相邻块，1个封顶块。单块管片间由环向螺栓连接，环间则由纵向螺栓连接。环向螺栓和纵向螺栓均采用短直螺栓，另外，在管片的环、纵缝侧面上设置凹凸榫槽，除了能保证在管片拼装过程中起到正确定位的作用外，更重要的是，在环缝中设置榫槽可以为软土地层中的地铁区间隧道可能出现的不对称沉降提供更大的抗剪能力。4隧道计算4.1 计算原则及采用规范计算原则：（1）设计服务年限100年； （2）工程结构的安全等级按一级考虑； （3）取上覆土层厚度最大的横断面计算； （4）满足施工阶段，正常运营阶段和特殊情况下强度计算要求；（5）接缝变形在接缝防水措施所能适应的范围内；（6）成型管片裂缝宽度不大于0.2mm；（7）隧道最小埋深处需满足抗浮要求。采用规范：（1）混凝土结构设计规范（GB50010-2002）；（2）地下工程防水技术规范（GB50108-2001）；（3）地下铁道工程施工及验收规范（GB50299-1999）；（4）建筑工程施工质量验收统一标准（GB50300-2001）；（5）地下铁道、轻轨交通工程测量规范（GB50308-1999）；（6）盾构法隧道施工与验收规范（GB50446-2008）；（7）混凝土结构工程施工质量验收规范（GB50204-2002）。4.2 断面的选择及内力计算盾构隧道衬砌的结构计算采用自由变形的弹性均质圆环法。根据三泉路站共康小学站区间隧道剖面图，选取隧道埋深最深的断面进行计算。4.2.1 土层情况工况的土层地质的分布情况如图4-1所示。图4.1土层地质分布图4.2.2 荷载计算及组合区间隧道外径为6200mm，内径为5500mm。衬砌采用预制钢筋混凝土管片。混凝土强度为C55。荷载计算取b=1m的单位宽度进行计算，同时根据管片所处地层的特征及地基土的物理力学性质，在计算水土压力时用水土分算的方法。基本使用阶段（衬砌环宽按1m考虑），设计时需考虑的荷载种类如下表：基本荷载1.地层压力2.水压力3.自重4.上覆荷载的影响5.地基抗力附加荷载6.内部荷载7.施工荷载8.地震的影响特殊荷载9.平行配置隧道的影响10.接近施工的影响11.其他表4.1荷载分类（1）衬砌自重：式中 钢筋混凝土重度（），采用25； 管片厚度（m）,当采用箱型管片时可考虑采用折算厚度。将已知数值带入上式计算可得：。（2）竖向土压：式中 衬砌顶部以上各个土层的容重，在地下水位以下的土层容重取其浮重度（）； 衬砌顶部以上各个土层的厚度（m）。将已知数值带入上式计算可得：（3）拱背土压：式中 土重度（）； 衬砌圆环计算半径（m）。将已知数值带入上式计算可得：（4）地面超载地面荷载取，累加到竖向土压项去。（5）侧向均匀主动土压 式中 竖向土压（）； ，衬砌圆环侧向各个土层的土壤的重度、内摩擦角、粘聚力的加权平均值。将已知数值带入上式计算可得：（6）侧向三角形主动土压 将已知数值带入上式计算可得：（7）侧向土壤抗力式中 衬砌圆环侧向地层（弹性）压缩（）； 衬砌圆环在水平直径处的变形量（m）； 衬砌圆环抗弯刚度（）； 衬砌圆环抗弯刚度的折减系数，。根据混凝土轴心抗压、抗拉强度规范查得，C55混凝土强度为；根据以往试验研究和工程实测资料核算，对取0.650.75折减系数，；取所以将已知数值带入上式计算可得：太小可忽略不计（8）水压（9）拱底反力式中 水的重度将已知数值带入上式计算可得：考虑特殊荷载的作用在本设计中，内力的计算采用土层地下建筑结构和隧道工程中的计算工法。对基本使用阶段和特殊荷载阶段两种情况下可能出现的最不利荷载进行组合。取左半衬砌圆环进行分析，将其均分为十二个部分，各部分分别为0、15、30、45、60、75、90、105、120、135、150、165、180，其中0表示衬砌圆环垂直直径处，15为0处向左取15处，以此类推。计算中弯矩用M表示，轴力用N表示，终值由结构在各种荷载作用下得到的内力经过叠加得到。各断面内力系数表如下表：表4.1 断面内力系数表荷载截面位置截面内力M（kNm）N（kN）自重0荷载0/2/2底部反力0/2/2水压0均布荷载0侧压0表4.2截面在各类荷载下的内力计算截面的内力计算截面内力自重荷重底部反力水压均布荷载侧压总内力0M37.43 423.93 -63.74 -62.56 -151.69 -21.31 162.06 N-12.80 -51.38 47.14 299.63 207.44 21.72 511.75 15M33.63 371.32 -59.04 -31.01 -131.37 -19.14 164.39 N-10.63 -17.16 45.53 288.84 193.55 20.96 521.09 30M22.85 226.57 -45.27 -5.88 -75.85 -12.82 109.60 N-4.38 76.69 40.82 280.25 155.58 18.54 567.50 45M6.82 25.45 -23.35 11.13 0.00 -3.09 16.96 N5.16 206.03 33.33 274.44 103.72 14.30 636.98 60M-11.75 -182.90 5.20 18.85 75.85 8.40 -86.35 N16.81 337.86 23.57 271.80 51.86 8.69 710.59 75M-29.48 -348.89 38.46 16.76 131.37 18.95 -172.83 N29.05 438.96 12.20 272.51 13.90 3.15 769.77 90M-42.73 -435.28 74.15 5.01 151.69 25.37 -221.79 N40.20 484.73 0.00 276.53 0.00 0.00 801.46 105M-47.97 -425.86 109.08 -15.62 131.37 24.99 -224.01 N52.82 481.51 -2.44 283.58 13.90 1.49 830.86 120M-42.21 -320.47 131.41 -43.71 75.85 16.97 -182.16 N52.82 445.48 -28.03 293.18 51.86 8.66 823.97 135M-23.40 -126.27 115.85 -77.35 0.00 3.09 -108.08 N51.69 379.09 -58.77 304.68 103.72 20.39 800.80 150M9.28 143.49 30.96 -114.24 -75.85 -12.55 -18.91 N44.58 286.86 -70.35 317.30 155.58 33.50 767.47 165M55.22 470.43 -149.96 -151.88 -131.37 -24.80 67.64 N31.44 175.09 -39.78 330.16 193.55 43.78 734.24 180M112.29 823.27 -438.37 -187.69 -151.69 -29.43 128.38 N12.80 51.38 47.14 342.41 207.44 47.66 708.83 表4.3截面在两种情形下的的内力汇总表基本使用阶段和特殊荷载作用下管片内力计算一览表截面位置基本使用阶段特殊荷载阶段MNMN0162.06511.7516.2151.1815164.39521.0916.4452.1130109.60567.5010.9656.754516.96636.981.7063.7060-86.35710.59-8.6471.0675-172.83769.77-17.2876.9890-221.79801.46-22.1880.15105-224.01830.86-22.4083.09120-182.16823.97-18.2282.40135-108.08800.80-10.8180.08150-18.91767.47-1.8976.7516567.64734.246.7673.42180128.38708.8312.8470.88表4.4 1.2m管片内力汇总表截面位置两种荷载作用下的内力组合1.2m管片的内力组合MNMN0178.27 562.93 213.92 675.52 15180.83 573.20 217.00 687.84 30120.56 624.25 144.67 749.10 4518.66 700.68 22.39 840.82 60-94.99 781.65 -113.99 937.98 75-190.11 846.75 -228.13 1016.10 90-243.97 881.61 -292.76 1057.93 105-246.41 913.95 -295.69 1096.74 120-200.38 906.37 -240.46 1087.64 135-118.89 880.88 -142.67 1057.06 150-20.80 844.22 -24.96 1013.06 16574.40 807.66 89.28 969.19 180141.22 779.71 169.46 935.65 根据计算所得的内力绘出衬砌的内力组合图，见图4-3。图4-3 衬砌内力组合图由内力图表可知，弯矩在105取得负最大值，此时，管片外侧受拉。弯矩在15时取得最大值，此时，管片内侧受拉。轴力在105时取得最大值N=1096.74kN。4.3 断面设计4.3.1 管片断面在管片的设计时，管片的配筋应该满足在最不利荷载时的使用要求，所以，管片的配筋应该满足最大外侧受拉和最大内侧受拉两种情况下的需求，即外排钢筋设计按照105设计，内排钢筋按照15来设计。根据混凝土结构设计规范（GB50010-2010），并参考文献盾构法隧道施工技术及应用，按偏心受压构件进行截面配筋设计。(1)衬砌管片外排配筋的设计由之前所算的结果，弯矩在105时负值最大：弯矩：M=-295.69轴力：N=1096.74在本次设计中，管片的钢筋选用HRB400型热轧钢筋，混凝土选用等级为C55的混凝土。查表可得：由于衬砌厚度为350mm，即h=350mm，取50mm所以初判为大偏心受压构件属于大偏心受压构件，按大偏心受压构件计算。取因为，所以取按照水工规范式中 截面的初始偏心距（），mm；轴向力在偏心方向上的附加偏心距，mm；混凝土的保护层厚度，mm；管片的厚度，mm；截面曲率修正系数；构件长细比对截面曲率的修正系数；截面的偏心距增大系数。将以上数值代入公式，得：式中： 轴向力到受拉钢筋合力点的距离，mm。将以上数值代入公式，得：对于受压面的配筋计算：式中： 矩形应力图强度与受压区混凝土最大应力的比值；混凝土的抗压强度设计值；管片宽度，mm；界限相对受压区高度；钢筋屈服强度设计值；截面的有效高度，mm。将查表得到的数据代入上式，则可以得到： 由于小于0，说明衬砌的混凝土受压强度满足条件，因此，管片的配筋按照最小配筋率来计算。查表得：；式中：最小配筋率；混凝土的抗拉强度设计值；钢筋的屈服强度设计值。将已知的数据代入上式，求得：由于受压区是采用最小配筋来进行计算的，所以需要重新进行受压区高度的计算。将之前计算所得到的数据代入上式，得：解方程得：则，对受拉面的配筋由公式可得：式中：表示的是截面承受的最大轴力，。将已知的数据代入上式：因此，取（2）进行内排配筋的计算由之前的计算结果可知，当为15时，内侧的弯矩最大：弯矩 轴力 初判为大偏心受压构件因此，属于大偏心受压构件取，时，取按照水工规范式中：截面的初始偏心距（），mm；轴向力在偏心方向上的附加偏心距，mm；混凝土的保护层厚度，mm；管片的厚度，mm；截面曲率修正系数；构件长细比对截面曲率的修正系数；截面的偏心距增大系数。将以上数值代入公式，得：式中：轴向力到受拉钢筋合力点的距离，mm。将以上数值代入公式，得：对于受压面的配筋计算：式中：矩形应力图强度与受压区混凝土最大应力的比值；混凝土的抗压强度设计值；管片宽度，mm；界限相对受压区高度；钢筋屈服强度设计值；截面的有效高度，mm。将查表得到的数据代入上式，则可以得到： 由于小于0，说明衬砌的混凝土受压强度满足条件，因此，管片的配筋按照最小配筋率来计算。查表得：；式中：最小配筋率；混凝土的抗拉强度设计值；钢筋的屈服强度设计值。将已知的