地铁冷冻法施工联络道结构计算书.doc

中煤国际工程集团南京设计研究院设计计算书中煤国际工程集团南京设计研究院设 计 计 算 书工程项目名称： 杭州地铁1号线工程 专业项目名称： 滨江站富春路站区间2#联络通道 图 纸 编 号： HD1/S/STE/05/Q05/07/DJ-02 设计/日期： 2010.03 校审/日期： 2010.03 审定/日期： 2010.03 25目 录1冻结壁计算书11.1 主要设计依据11.2 设计概况11.2.1设计内容11.2.2地面及地层条件21.3冻结壁承载力验算31.3.1有限元方法验算31.3.2结构力学计算71.3.3结论122预应力支架计算书132.1设计依据132.2计算机计算软件132.3计算内容133初期支护计算书183.1联络通道内临时支架计算183.3木背板计算：214应急防护门计算书234.1设计条件234.2计算荷载：234.3门及连接件计算241冻结壁计算书1.1 主要设计依据1) 杭州地铁1号线工程 (滨江站富春路站区间)工程地质断面图,上海隧道工程轨道交通设计研究院。2) 杭州地铁1号线工程 (滨江站富春路站区间)2#联络通道平面位置图，上海隧道工程轨道交通设计研究院。3) 杭州地铁1号线工程 (滨江站富春路站区间2#联络通道模板图，上海隧道工程轨道交通设计研究院。1.2 设计概况1.2.1设计内容受上海隧道工程轨道交通设计研究院的委托，2009年10月中煤国际工程集团南京设计研究院对杭州地铁1号线工程滨江站富春路站区间盾构隧道联络通道工程地层冻结加固、施工支护、隧道支撑和防护门进行设计。2#联络通道盾构隧道处里程为左线K7+850.400、右线K7+850.400，左行线联络通道处隧道中心标高-19.004m，右行线联络通道处隧道中心标高-19.024 m，联络通道江底面标高约+0.48m，江面标高约+3.96m，联络通道处隧道中心间距12.000m。联络通道由与隧道钢管片相连的喇叭口和水平通道构成，采用水平冻结法加固地层，矿山暗挖法施工以确保施工安全,施工过程中做好必要的保护措施，加强监测，以减轻对周围地面环境及地下管线的影响。联络通道结构特征：联络通道水平通道为直墙圆弧拱结构，通道采用两次衬砌，初次衬砌（钢支架喷射混凝土）厚度为300mm，通道的开挖轮廓高约为4.355m，宽约为4.000m（喇叭口处高约4.955m，宽约为4.600m）；开挖区标高范围为-16.279m-21.234m。 图1 联络通道结构示意图 1.2.2地面及地层条件根据杭州地铁1号线标滨江富春路站区间岩土工程详细勘察报告，联络通道及泵站所在范围为5粉砂夹砂质粉土、3淤泥质粉质粘土、2淤泥质粉质粘土、1a粉质粘土和1b含沙粉质粘土。由于上述地层的承载力较低，开挖后天然土体难以自稳。因此，在施工联络通道时必须对施工影响范围内的土体进行稳妥、可靠的加固处理。表1 地层特性表层号土层名称层底标高（m）层底埋深（m）揭示层厚（m）土层描述5粉砂夹砂质粉土-11.801.275.7016.801.107.60灰色，稍密为主，很湿。含云母碎屑及有机质，摇振反应迅速，切面无光泽反应，干强度较低，韧性低，属中等压缩性土。3淤泥质粉质粘土-16.87-12.4611.0024.300.906.30灰色，流塑，具层理结构，层间夹粉砂。粉土薄层。无摇振反应，切面光滑，干强度中等，韧性中等。2淤泥质粉质粘土-22.42-16.8014.4029.000.907.50灰色，流塑，具层理结构，层间夹粉砂薄层。无摇振反应，切面光滑，干强度中等，韧性中等。1a粉质粘土-26.14-17.2217.5031.800.707.80灰绿色、灰黄色，可塑硬塑，含铁锰斑点，局部夹粉砂团块。1b含砂粉质粘土-26.74-17.9618.4034.700.606.70灰、灰黄色，软塑可塑，属中等压缩性土。含砂，含砂量515。1.3冻结壁承载力验算1.3.1有限元方法验算1.3.1.1设计计算参数联络通道冻结壁结构的几何尺寸见设计的施工图。其中水平通道外围冻结壁有效厚度为2.2m，喇叭口处冻结壁有效厚度为1.9m，冻结壁平均温度为小于等于-10。冻结壁按匀质材料考虑，取淤泥质粉质粘土的冻土参数，参照类似工程反馈的实测数据，取-10冻土的弹性模量和泊松比分别为90MPa和0.25，根据杭州地铁1号线滨江站富春江站区间过江隧道联络通道冻土试验报告，冻土强度指标为：抗压强度3.56MPa，抗弯折强度2.30MPa；参照类似工程反馈的实测数据，冻土抗剪强度取1.5MPa。冻土壁承载力验算采用许用应力法，根据旁通道通道冻结技术规程中的类冻结壁强度检验，安全系数取：抗压2.0，抗折3.0，抗剪2.0。冻结壁顶面所受土压力根据开挖向下变形特性按主动土压力计算，侧面承受水土压力取静止侧压力系数0.7计算，土的平均重度取18.5kN/m3。1.3.1.2水平通道和喇叭口冻结壁承载力验算喇叭口和水平通道冻结壁力学分析采用均质线弹性三维模型，考虑联络通道埋深较深，初始地应力产生的变形对冻结壁影响较大，故采用中间未冻土开挖模拟的方式进行计算，中间未冻土参数取弹性模量和泊松比分别为22.0MPa和0.30。冻土力学特性参数取冻结壁平均温度下的冻土力学特性值。根据联络通道对称性，取结构的1/4作为计算模型。联络通道冻结壁有效厚度为2.2m，取喇叭口冻结壁的有效厚度为1.9m。冻结壁顶面土压力：冻结壁顶板反力主要受静水压力和开挖时因顶板向下变形，上部土体的作用力。冻结壁侧面土压力：K0静止侧压力系数0.7图2 通道冻结壁有限元计算模型 对于联络通道中间位置，最大拉应力出现在靠近联络通道中间位置的侧墙中下部，最大值为0.23MPa；最大压应力出现在侧墙与拱顶交汇处以及侧墙与底板交界处，最大值为1.23MPa；最大剪应力出现在侧墙与拱顶以及侧墙与底板交界处，侧墙与拱顶交汇处靠近通道中间位置出现应力集中，最大值为1.12MPa，绝大部分冻土剪应力小于0.75MPa；最大位移出现在拱顶，最大值为14.3mm，侧墙中间位置位移也较大。对于喇叭口位置，最大拉应力出现在侧墙外侧与隧道交界处，最大拉应力为0.94MPa，局部应力集中，绝大部分冻土拉应力小于0.72MPa，多数节点处于受压状态；最大压应力出现在侧墙与拱交界处，侧墙、拱与隧道交汇处有应力集中现象，最大值为1.69MPa；最大剪应力出现在冻土帷幕与隧道交界处，侧墙、拱与隧道交汇处应力集中较明显，最大值为1.41MPa，大部分冻土剪应力小于0.75MPa；最大位移出现在拱顶中间位置，最大值为13.8mm。用有限元法进行冻结壁的受力分析与变形计算，从计算结果可以看出，计算的应力值远小于强度值，冻结壁的总体承载能力是足够的。计算显示在冻结壁内侧局部存在应力集中，但是范围很小；计算所得变形为弹性变形，计算结果并未考虑开挖后的初次衬砌作用和未开挖部分土体的作用，因此，计算和实际相比是偏于安全的。表1 通道冻结壁应力、位移计算值及安全系数中间通道项目压/弯拉应力 （MPa）剪应力（MPa）位移（mm）13maxUmax计算值0.231.230.7514.3强度指标2.303.561.50安全系数10.02.92.0喇叭口位置项目压/弯拉应力 （MPa）剪应力（MPa）位移（mm）13maxUmax计算值0.721.690.7513.8强度指标2.303.561.50安全系数3.22.12.0Ansys计算模型见图3（a），计算结果见图3（b）图3（k）。图3(a)水平通道有限元模型图3(b)1图3(c)3图3(e)变形分布图3(f)喇叭口1分布图3(g)喇叭口3 分布图3(h)喇叭口变形分布图3(i)正常段1分布图3(j)正常段3分布图3(k)正常段变形分布1.3.2结构力学计算1.3.2.1设计计算参数联络通道冻结壁结构的几何尺寸见施工图。其中水平通道外围冻结壁有效厚度为2.2m，喇叭口处冻结壁有效厚度为1.9m，冻结壁平均温度为小于或等于-10。设计取-10冻土的弹性模量和泊松比分别为150MPa和0.3，冻土强度指标为：抗压3.56MPa，抗折2.30MPa，抗剪1.50MPa。冻土壁承载力验算采用许用应力法，根据旁通道冻结技术规程中的类冻结壁强度检验，安全系数取：抗压2.0，抗折3.0，抗剪2.0。冻结壁顶面所受土压力根据开挖向下变形特性按主动土压力计算，侧面承受水土压力按旁通道冻结法技术规程取静止侧压力系数0.7计算，土的平均重度取18.5kN/m31.3.2.2冻结壁模型 喇叭口和通道正常段冻结壁分别如图7(b)和图7(c)所示，将上部冻结壁看作固定在固定支座上，计算模型如图7(d)和图7(e)所示。图7根据对称性和模型变形特征，取计算模型1/2进行计算，计算简化模型如图7（f）（g）。1.3.2.3荷载取值江底面水压力：Pw10（3.96-0.48）34.8kPa1、正常段（1）冻结壁顶板反力主要受静水压力和上部土体的作用力。 （2）冻结壁侧面土压力： K0静止侧压力系数，0.72、喇叭口（1）冻结壁顶板反力主要受静水压力和上部土体的作用力。（2）冻结壁侧面土压力： K0静止侧压力系数，0.7 1.3.2.4内力计算正常段：0.340.92单位：MNm0.24MNm1.241.11单位：MN0.600.210.82单位：MN12.9单位：mm喇叭口：0.390.260.95单位：MNm1.16单位：MN0.190.630.84单位：MN14.6单位：mm1.3.2.5应力计算冻结壁应力：W冻结壁截面模量，喇叭口：通道正常段和集水井：A 截面面积，喇叭口：通道正常段：最大剪应力：Q截面剪力A截面面积冻结壁最大位移：对于位移计算结果，由于存在材料本身的压缩，从而产生了较大压缩量，导致最大节点位移累加，模型计算节点位移较大。而实际工况下，压缩量在开挖之初早已形成，因此，节点最大位移需扣除由于压缩量引起的位移量。对于喇叭口部位，拉应力和压应力峰值均小于冻土强度指标，但安全系数偏小，已不满足相关规范要求，相对较薄弱，施工时应引起足够重视。1.3.2.6计算结果表4 通道冻结壁最大应力、位移计算值及安全系数中间通道项目压/弯拉应力（MPa）剪应力（MPa）位移（mm）13maxUmax计算值0.641.640.5612.9强度指标2.303.561.50安全系数3.62.22.7位置冻土底板上侧侧墙底板交界处侧墙底板处顶板中间位置喇叭口位置项目压/弯拉应力（MPa）剪应力（MPa）位移（mm）13maxUmax计算值0.972.870.6614.6强度指标2.303.561.50安全系数2.41.22.3位置侧墙底板交界处侧墙底板交界处侧墙底板处交接面顶板中间位置 1.3.3结论综合有限元计算和经典结构力学计算两种计算方法可知：冻土应力峰值均小于冻土强度指标；喇叭口位置应力峰值安全系数偏小，相对较薄弱；节点最大位移扣除杆件压缩后均能满足相关规程要求。因此，设计采用厚冻结壁厚度2.2m（喇叭口1.9m），平均温度-10能够满足施工要求。2预应力支架计算书2.1设计依据1、建筑结构可靠度设计统一标准 GB 50068-20012、建筑结构荷载规范 GB 50009-20013、建筑地基基础设计规范 GB 50007-2002 4、建筑抗震设计规范 GB 50011-20015、钢结构设计规范 GB 50017-20032.2计算机计算软件中国建筑科学研究院 PKPM系列STS钢结构CAD软件2.3计算内容在上、下行线隧道联络通道口两侧各架设2榀预应力隧道支架，每相邻2榀钢支架间距2.40m，在联络通道两侧沿隧道方向对称布置。每榀支架有8个支点，由6个OLD50螺旋千斤顶提供预应力，施加预应力最大为500KN。钢支架计算简图及荷载图见下页。结构立面图结构计算简图荷载图应力比图位移图偏载下荷载图偏载下应力比图偏载下位移图由pkpm位移计算可见，在最大荷载（每个节点受500kN）作用下，最大位移为1.9mm，可以满足变形要求。 通过计算，支架结构各构件平面内满足强度、稳定要求。平面外采用两榀斜撑，形成空间稳定体系。 3初期支护计算书3.1联络通道内临时支架计算计算采用北京中科院PKPM软件，按钢结构计算。上行线联络通道处隧道中心标高-19.024m，联络通道处江水地面标高约+0.48m，水面标高约+3.96m。喇叭口处支架计算单元间距为0.45m，正常段支撑间距取0.50m，荷载根据旁通道冻结法技术规程规定，取水土压力的25%。通道正常段所受荷载：临时支架承受的荷载为：顶面土压力：Pt=0.25(18.5kN/m3(19.024+0.48-1.978)m+34.8kPa)=89.8kPa正常段每榀受水土压力：0.5089.844.9kN/m临时支架侧面土压力Ps1=0.25(18.5kN/m3(19.024+0.48-1.978)m+34.8kPa)0.7) = 62.9kPaPs2=0.25(18.5kN/m3(19.024+0.48+3.01)m+34.8kPa)0.7 )=79.0kPa 正常段每榀受水土压力：0.50(62.9+79.0)/235.5kPa 喇叭口段所受荷载：顶面土压力：Pt=0.25(18.5kN/m3(19.024+0.48-2.027)m+34.8kPa)=89.5kPa喇叭口每榀受水土压力：0.4589.540.3kN/m临时支架侧面土压力Ps1=0.25(18.5kN/m3(19.024+0.48-2.027)m+34.8kPa)0.7) = 62.7kPaPs2=0.25(18.5kN/m3(19.024+0.48+3.160)m+34.8kPa)0.7 )=79.5kPa 喇叭口每榀受水土压力：0.45(62.7+79.5)/232.0kPa 1、设计主要依据: 建筑结构荷载规范(GB 50009-2001); 建筑抗震设计规范(GB 50011-2001);钢结构设计规范(GB 50017-2003);2、计算信息结构类型: 单层钢结构厂房 设计规范: 按钢结构设计规范计算 结构重要性系数: 1.00 节点总数: 13 柱数: 13 梁数: 0 支座约束数: 2 标准截面总数: 2 活荷载计算信息: 不计算活荷载 风荷载计算信息: 不计算风荷载 钢材: Q235 梁柱自重计算信息: 柱梁自重都计算 恒载作用下柱的轴向变形: 考虑 梁柱自重计算增大系数: 1.20 基础计算信息: 不计算基础 梁刚度增大系数: 1.00 钢结构净截面面积与毛截面面积比: 0.85 钢柱计算长度系数计算方法: 有侧移 钢结构阶形柱的计算长度折减系数: 0.800 钢结构受拉柱容许长细比: 300 钢结构受压柱容许长细比: 200 钢梁(恒+活)容许挠跨比: l / 400 钢梁(活)容许挠跨比: l / 500 柱顶容许水平位移/柱高: l / 5003、标准截面类型(1) 16, H250X200 X 10X10-0扁钢焊接H型钢(2) 31, I20a普通工字钢截面4、标准截面特性截面号 Xc Yc Ix Iy A 1 0.10000 0.12500 0.67772E-04 0.13352E-04 0.63000E-02 2 0.05000 0.10000 0.23690E-04 0.15790E-05 0.35550E-02 截面号 ix iy W1x W2x W1y W2y 1 0.10372E+00 0.46037E-01 0.54218E-03 0.54218E-03 0.13352E-03 0.13352E-03 2 0.81600E-01 0.21100E-01 0.23690E-03 0.23690E-03 0.31600E-04 0.31600E-04通道支架立面简图通道计算荷载图（单位：kN/m）通道支架应力比图钢结构应力比图说明：柱左：强度计算应力比右上：平面内稳定应力比（对应长细比）右下：平面外稳定应力比（对应长细比）喇叭口支架立面简图喇叭口计算荷载图（单位：kN/m）喇叭口支架应力比图3.3木背板计算：木背板受弯构件的抗弯验算，采用东北落叶松，强度等级TC17，抗弯强度17MPa。取宽1m木背板验算，隧道内支撑间距500mm，型钢支撑间净间距：按支架承担25水土压力计算，木背板上