《地下工程》课程设计地铁区间盾构隧道建筑限界的确定与横断面.doc

地下工程课程设计 目录一、 目的 2二、 设计资料 2三、 隧道设计 2四、 管片衬砌结构设计 7五、 轨道设计 12六、 参考文献 13 地铁区间盾构隧道建筑限界的确定与横断面设计一. 目的: 通过课程设计使学生掌握地铁区间隧道车辆轮廓线、车辆限界、设备 限界和建筑限界的计算过程与影响因素，车辆类型，支护结构类型，轨道类 型，受电弓知识，直线与曲线隧道计算超高的办法及其对隧道建筑限界的影 响等知识，使学生能够在任一速度和曲线半径下，选择车型和轨道设计，进 行隧道衬砌选择和衬砌管片的选择，并且设计出管片的厚度和二次衬砌的厚 度（若需要），绘出给定条件下的隧道建筑限界图（车辆轮廓线图、车辆限界 图、设备限界图和建筑限界图），并给出具体控制点的坐标值，绘出单（复） 线隧道直线和曲线条件下的衬砌内轮廓图，绘出衬砌设计图，绘出管片设计 图等。二设计资料：取之于“广州地铁某线某区间盾构隧道设计”。 圆形盾构地铁区间隧道，底层参数为： 粉粘土，上覆地层高 12.0m，容重 18.0kn/m3，地面超载 20.0kn/m3，侧压力系数 0.5，地基抗力系数 30.0mpa/m。设计要求： 1 直线隧道，时速 80km/h 2 曲线段隧道，时速 70 km/h，半径 750m，车型 b1减震轨枕。三隧道设计：本隧道设计选择 b1 车型中的下部受流型车型，其车辆主要参数如下：1. 车辆长度： 19000mm2. 车辆宽度： 2800mm3. 车辆高度： 3800mm4. 车体重量： 1 空车： 24000kg（钢车） 2）重车： 42600kg（钢车） 车辆轮廓线b1 型计算车辆轮廓线坐标值（mm）如下表：点号 0 1 2 3 4 5 6 27 28 x 0 840 950 1129 1229 1299 1318 1332 1387 y 3800 3800 3750 3636 3538 3406 3315 3077 3063点号 29 30 7 8 9 10d 11d 12d x 1413 1358 1400 1400 1400 1255 1255 1255 y 2621 2605 1860 1100 600 600 355 160点号 13d 14d 15d 16d 17d 20d 21 22 23 x 1440 1441 1230 1065 1065 818 818 717.5 717.5 y 160 120 85 85 165 165 0 0 -25点号 24 25 26 12e 13e 14e x 676.5 676.5 0 -1255 -1428 -1428 y -25 80 80 222 222 190 注：表中第 09、10d 点是车体上的控制点；第 11d 点是车轴上轴箱的控制点；第 12d15d点是转向架构架下受流器的控制点；第 16d20d 点为下部受流转向架构架上的控制点；第21、22 点为车轮踏面上的控制点；第 23、24 点为轮缘上的控制点；第 25、26 为连接在车轴上的齿轮箱最低点；第 2730 点为信号灯预留位置。 车辆限界车辆限界坐标值（隧道内直线）（mm如下表：点号 0 1 2 3 4 5 6 27 28 29 x 0 911 1073 1250 1348 1416 1433 1433 1498 1516 y 3859 3867 3790 3672 3572 3439 3347 3109 3094 2501点号 7 8 9 10d 1 1 d 1 2 d 13d 14d 15d 16d x 1540 1480 1475 1294.5 1294.5 1308 1494 1494 1285 1120 y 1740 980 481 483 303 160 160 120 21 24点号 17d 20d 21 22 23 24 25 26 x 1104.5 852 852 717.5 717.5 647 647 0 y 113 113 -18 -18 -51 -51 42 42 点 号 12e 13e 14e x -1307 -1486 -1481 y 252 256 122 设备限界 设备限界坐标值（隧道内直线）（mm）如下表：点号 0 1 2 3 4 5 6 27 28 x 0 925 1104 1289 1398 1492 1533 1538 1592 y 3919 3927 3841 3718 3607 3465 3347 3109 3094点号 29 7 8 9d 10d 14d 20 21 22 x 1597 1604 1527 1565 1650 1650 867 867 733 y 2501 1740 980 545 545 15 15 -18 -18点号 23 24 25 26 9e 10e 14e x 733 632 632 0 -1550 -1625 -1625 y -66 -66 15 15 545 545 15 隧道的建筑限界 本隧道为 b1 型车型盾构隧道，按规范建筑限界取直径为 5100mm。如下图所示： b1 型隧道内曲线地段（r1000m）设备限界（未按超高旋转）轨道曲线超高计算： 11.8vc2 h 75.52mm r式中：h超高值（mm）； vc列车通过速度（km/h）； r曲线半径（m）。曲线段超高引起的设备限界加宽和加高量的计算： 1） 车体横向加宽量：曲线内侧： hac x qi mb gch 1 s 1500曲线外侧： hdc x qa mb gch 1 s 1500 1500 hdc aq g v / 3.6 2 hac aq g r 1500 2） 车体竖向加高量、降低量：有超高引起： hac h h h hyqi mb gx sc cp sc cs 1 s hac 1500 k p k s本隧道超高由单独提高外轨实现，此时 hac hac /2 式中： x qi 超高引起的设备限界曲线内侧加宽量（mm） x qa 欠超高引起的设备限界曲线外侧加宽量（mm） hac 轨道超高值（mm） mb 含载客车体重（kg） s 重力倾角附加系数 hdc 欠超高值（mm） aq 未平衡离心加速度（ m / s 2 ） yqi 超高引起的设备限界加高或降低量（mm） x 计算点的横坐标（mm） hsc 车体重心距轨面高（mm） hcp 转向架一系弹簧上支承面距轨面高度（mm） k p 整车一系弹簧测滚刚度（ n mm / rad ） hac 轨道超高设置方法系数（mm） （未按超高旋转） mm）由以上公式计算 b1 型隧道内曲线设备限界值，如下表： （ 点号 01 11 21 31 41 51 61 71 81 x 0 1016 1196 1397 1537 1629 1668 1724 1641 y 3919 3943 3860 3730 3583 3439 3321 1712 954 点号 271 281 291 x 1668 1722 1722 y 3127 3113 2473四管片衬砌结构设计1砌管片的选择隧道外径隧为 r1 6.0m ，隧道内半径为 r2 2.55m ；管片的宽度为 1.2m，厚度为 h 0.25m ，分块数目 6 块；封顶块管片（k）圆心角为 150 ，标准块管片 3 块（分别为 b1 、b2 、b3 ）圆心角均为 720 ，邻接块管片左右各 1 块（分别为 a1 、a2 ）圆心角均为 64.50 ，如下图所示，纵向接头为 10 处，按 360 等角度布置，每两环为一组，第一环的封顶块管片（k）从正上方偏 180 ，第二环的封顶管片（k）从正上方右偏 180 。 k a2 a1 b3 b1 b22荷载计算：1）荷载-结构模式 盾构隧道管片衬砌结构力学分析中荷载的计算采用荷载-结构模式，如图所示2）参数取值粉粘土，上覆地层高 12.0m，容重 18.0kn/m3，地面超载 20.0kn/m3，侧压力系数0.5，地基抗力系数 30.0mpa/m。 根据采用的弯螺栓接头的受力情况，参照国内外有关试验研究结果，全部环向接头的抗弯刚度，在隧道内侧受拉时取为 5 104 kn m / rad ，隧道外侧受拉时取为 3 104 kn m / rad 。 另外，在本计算中，纵向接头的径向抗弯刚度 kr 和切向抗剪刚度 kt 均取为无穷大，即认为各环管片在纵向接头处不产生错动。3）荷载计算土压力圆环顶部以上的竖向土压力： w1 h 1.2 18 12 259.2 kn m拱背土平均土压力： rh w1 2 rh 0.43 rh 0.43 1.2 18 6 / 2 2 83.59 kn 2 2 2 4 m所以，竖向荷载为： w1 w1 w1 259.2 83.59 342.79 kn m地面超载： p0 1.2 20 24 kn m地层水平荷载即地层侧向主动土压力，由均匀主动土压力 q1 和三角形土压力 q2 组成，则： q1 w1 p0 tan 2 450 2c tan450 2 2 0 24 240 0.5 342.79 24 tan 45 2 0 2 30 tan45 0 2 2 52.04 kn m 24q2 2 r h tan 2 450 q1 2 0.5 18 6 / 2 tan 2 450 52.04 74.81 kn 2 2 m衬砌自重线荷载 wg c 25 0.55 13.75 kn m底部均布竖向反力 w2 p0 w1 g 0.2164 rh 24 342.79 g 0.2164 18 6 / 2 411.8 kn m 荷载的计算结果： 荷载 p0 w1 w2 wg q1 q2 单位 kn kn kn kn kn kn m m m m m m 数值 24 342.79 411.8 13.75 52.04 74.814）均质圆环模型计算结果 本设计采用均质圆模型计算，其计算公式见地下工程（关宝树 主编）表 3-3-4。 计算过程中，钢筋混凝土管片接头刚度折减系数 取为 0.7，而弯矩增大系数 取 0.3。由于均质圆环所受的荷载在竖直方向上是对称的，所以只计算了竖向的半个圆环，即 1800 ，此半圆环管片衬砌的内力计算如附表 1 所示，其内力计算结果整理如下： 最大正弯 最大正弯 最大负弯 最大正弯矩 计算 矩对应的 拼装方案 矩 矩 对应的轴力 编号 轴力 n m kn m m min kn m n（kn） （kn） 二环一组 238.67 604.92 -218.9 1142.78 错缝拼装 第一环 偏转角为 180 为第一 发生在 b2 块 发生在 b3 块 环结果5管片的配筋计算 管片的钢筋采用 hrb335 级钢强度设计值 f y 300 n ，管片混凝土采用 mm 2c50，轴心抗压强度设计值为 f c 23.1 n ，外侧受拉的弯矩设计值为 mm 2m 1 238.67 106 1.3 310.27 106 n 保护层厚度为 as1 40mm ；内侧受拉 mm 2的弯矩设计值为 m 2 218.9 106 1.3 284.57 106 n ，保护层厚度为 mm 2as 2 30mm ，则：外侧受拉钢筋计算先假定受拉钢筋为一层，并且为单筋截面，则：h01 h c1 250 40 210mm最大弯矩设计值为：m max 0.3841 f c bh0 2 0.384 1.0 23.11200 2102 469.42 106 n mm m 1 310.27 106 n mm可知设计成单筋单层截面满足要求。 m1 310.6 106s 0.254 1 f c bh01 1.0 23.11200 2102 2 1 1 2 s 1 1 2 0.254s 0.851 2 2计算受拉钢筋的截面面积为： m1 310.27 106as 5787.3mm 2 f y s h01 300 0.851 210所以，管片的受拉钢筋选用 10 28， as 6158mm 2 5787.3mm 2 （满足要求），钢筋间的间距为 d 125mm 。内侧受拉钢筋的计算同上，求得手拉钢筋截面面积为 4905.2 mm2 ，则选用受拉钢筋为 8 28，as 4926mm 2 4905.2mm 2 （满足要求），钢筋间的间距为 d 160mm 。 箍筋的选择:选用 10200 的钢筋做分布筋。6）衬砌结构的验算混凝土结构裂缝验算（ wlim 0.2mm ）ftk 2.64 n es 2.0 105 n h01 210mm mm 2 mm 2as 6158 4926 11084mm 2 as 11084te 0.0739 0.01 0.5bh 0.5 1200 250 m1 310.27 106 sk 170.5 n 0.87h01 as 0.87 200 11084 mm 2 0.65 f tk 0.65 2.64 1.1 1.1 0.964 te sk 0.0739 170.5d eq n d i i 2 10 282 8 282 28mm n di i i 10 28 8 28由于保护层的厚度 c 40mm 30mm ，取 c 30mm 进行计算，则： sk d eqwmax 2.1 1.9c 0.08 es te 170.5 28 2.1 0.964 1.9 30 0.08 0.19mm wlim 0.2mm 0.75 2.0 10 5 0.0739（满足要求）混凝土结构变形验算（直径变形 lin 0.2 d ）ec 3.45 104 n mm 2 es 2.0 105e 5.8 ec 3.45 104 as 11084 0.043 bh01 1200 210 2 m 1 2 310.27 106m