毕业设计（地铁区间）.doc

2010 届届 土木工程土木工程 分院分院 专专 业业 土木工程土木工程 学学 号号 20060232 学生姓名学生姓名 指导教师指导教师 完成日期完成日期 2010 年年 6 月月 10 日日 石家庄铁道大学毕业设计 Design and Construction of Subway Tunnel Excavation 地铁暗挖区间隧道设计与施工 毕业设计开题报告 题目地铁区间隧道设计与施工 学生姓名学号20060232班级地下 06 2专业土木工程 一 研究背景 当前 我国大中城市普遍存在着道路拥挤 车辆堵塞 交通秩序混乱的现象 已成为城市 发展的 瓶颈 问题 随着我国城市规模和经济建设飞速的发展 城市化进程在逐步加快 城市 人口在急剧增加 大量流动人口涌进城市 人员出行和物资交流频繁 交通需求急剧增长 城 市交通供需矛盾日趋紧张 地面交通已无法适应有经济活动和人民生活产生的日益增长的运量 需求 城市交通堵塞 交通事故 噪音和空气污染日益影响着人们的生活 因此 发展轨道交 通是我国大城市解决交通问题的惟一途径 二 国内外研究现状 自 1863 年伦敦建成世界上第一条地铁以来 世界约 40 多个国家和地区的 132 个城市建成 5000km 地铁和 3000km 轻轨铁路 每年运送旅客达 260 亿人次之多 在发达国家 每年城市的 轨道交通承担了城市旅客运输量的 60 至 87 目前 全国各大城市如广州 南京 青岛 重 庆 哈尔滨 深圳 上海等十余座城市均已在规划建设地铁 其中广州 上海 北京均已开通 随着改革开放形势的发展和经济实力的增强 地铁在我国有着美好的发展前景 预计到 2050 年中国城市轨道交通线路总长将超过 4500km 三 设计内容 崇文门站 东单站区间隧道 设计里程为 K7 051 3 K7 672 363 全长621 063双线米 设计还包含区间渡线及5号线与1号线的联络线 其中渡线右线岔心里程为K7 395 317 左线岔 心里程为K7 502 334 联络线起点为左线岔心里程K7 535 790 相当于联络线里程K0 000 联络线与复八线预留接口相接 复八线正线岔心里程为K0 369 791 本区间位于崇文门内大街 道路下 埋深约8 7 16 6米 穿越地层为中粗砂及圆砾卵石层 首先确定结构荷载 然后采用 荷载 结构 模型 利用ANSYS有限元分析软件计算结构的内力 并按破损阶段法进行强度检 算 对不满足强度要求的结构进行配筋设计 最后对裂缝宽度进行检算 根据地质详勘报告 修正后围岩分类为 级 采用浅埋暗挖法施工方案 A型隧道结构断面段 断面上半部穿越地 层为中粗砂及圆砾卵石层 部分地段为粉细砂和粉土 且地面无房屋建筑 断面支护采用超前 小导管加固地层 钢架支护 局部开挖面不稳地段进行掌子面注浆封闭 施工方法为台阶法预 留核心土施工 C型隧道结构断面段 断面上半部穿越地层为中粗砂及圆砾卵石层 部分地段 为粉细砂和粉土 地表为1 2层密布民房 断面采用小导管超前支护加固地层 钢架支护并设 临时仰拱 局部开挖面不稳地段进行掌子面注浆封闭 施工方法为台阶法预留核心土施工 E 型隧道结构断面段 处于区间渡线及联络线上 断面上半部穿越地层为粉土 粘土及粉细砂层 断面采用小导管超前支护加固地层 钢架支护 局部开挖面不稳地段进行掌子面注浆封闭 施 工方法为CRD法施工 H型隧道结构断面段 处于区间渡线及联络线上 为跨度达14m左右的 大跨断面 断面上半部穿越地层为粉土 粘土及粉细砂层 大跨加高断面进入粉土填土层 断 面采用小导管超前支护加固地层 钢架支护 局部开挖面不稳地段进行掌子面注浆封闭 施工 方法为双侧壁导坑法施工 最后简要的进行了结构的防排水设计和监控量测设计 四 论文进行的主要工作和所采用的方法 手段 1 设计原则 参考设计规范 2 工程概况 参照已有资料 3 主体结构设计 参照规范与相关资料并结合本工程概况得出 4 初期支护及二次衬砌设计 根据规范确定初期支护参数 运用 ANSYS 进行检算 5 施工方案设计 参考施工规范及工程实际进行选择设计 6 外文翻译 查阅相关外文资料进行翻译 五 预期达到的结果 1 通过调研 掌握地铁区间隧道的主要施工方法及其适用条件 2 熟悉地铁区间隧道衬砌结构设计计算方法及计算内容 3 掌握地铁区间隧道施工中主要施工工艺及施工步序 六 进度计划 第 1 周 熟悉资料 查阅文献 选择设计区间 第 2 周 写出开题报告 第 3 周 外文翻译 第 4 7 周 隧道衬砌结构设计 第 8 11 周 施工方法 第 12 周 文整 第 13 周 答辩 指导教师签字时 间年 月 日 摘 要 随着我国经济的快速发展和我国人口的不断增长以及人口大量向大城市转移 使得大中城市的交通拥挤情况日趋严重 城市轨道交通 特别是地铁运输 在运力 环保 经济 舒适和空间利用等方面有着其他交通手段无可替代的优势 地铁成为 解决城市交通的主要手段 因此 研究地铁隧道设计与施工是十分必要的 本设计以北京地铁崇文门站 东单站区间隧道为对象 首先确定结构荷载 然 后采用 荷载 结构 模型 利用 ANSYS 有限元分析软件计算结构的内力 对不 满足强度要求的结构进行配筋设计 最后对裂缝宽度进行检算 本区间隧道采用的是浅埋暗挖法 根据隧道断面和地质情况的不同 采用了不 同的施工方法 在A2和C型衬砌结构地段采用台阶法预留核心土施工 在E型衬砌结 构地段采用CRD法施工 在采用H型衬砌结构地段采用双侧壁导坑法施工 最后简 要的进行了结构的防排水设计和监控量测设计 关键词 地铁隧道 结构设计 浅埋暗挖法 监控量测 Abstract With the rapid development of our economy and China s population and the population growth of cities to make the cities of serious traffic conditions Urban rail transit especially the subway transportation capacity in environmental protection economy comfortable and space utilization etc with the other traffic means no insteadable advantages The metro city traffic main means to solve Therefore the design and construction of subway tunnels is very necessary This design take Beijing subway Chongwenmen station Dongdan station sector tunnel as an object first is definite the structure load then the use load structure model uses the ANSYS finite element analysis software computation structure the endogenic force to does not satisfy the intensity request the structure to carry on the reinforcing bars computation finally carries on to the crack opening examines calculated The subway tunnel uses shallow undercutting tunneling method According to the tunnel cross section and the geological situation s difference It uses the different job practice In A2 and C structure land sector to use Step reserved for core soil law method In E work structure use the CRD law In H work structure land uses the Two sided wall guiding hole law Finally brief carried on structure against draining water to design and to monitor the gauging design Key word Subway tunnel Structural design shallow undercutting tunneling method Monitoring gauging 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 研究背景 1 1 2 国内外发展概况 1 1 3 设计的主要内容 3 第 2 章 工程概况 4 2 1 周边环境 4 2 2 地质概况 4 2 3 水文概况 5 2 3 1 地下水概况 5 2 3 2 地下水的腐蚀性 5 2 3 3 历年最高水位 5 2 4 隧道平面 5 2 5 隧道纵断面 5 2 6 渡线及联络道 6 2 7 附属设施 6 2 7 1 迂回风道 6 2 7 2 人防工程 6 第 3 章 隧道衬砌结构设计 7 3 1 隧道结构设计原理 7 3 2 隧道衬砌结构荷载计算 7 3 2 1 荷载计算 7 3 2 2 建模并求解模型内力 17 3 3 衬砌截面配筋 24 3 3 1 衬砌截面配筋步骤 24 3 3 2 配筋计算 25 3 4 衬砌结构裂缝宽度检算 30 3 4 1 裂缝宽度检算原理 30 第四章 施工组织设计 33 4 1 总体施工方案 33 4 1 1 施工难点及注意事项 33 4 2 井点降水 34 4 3 竖井施工 34 4 3 1 井口施工 34 4 3 2 井身段开挖和初期支护 34 4 4 隧道开挖 34 4 5 装运弃碴 38 4 5 1 装渣与卸渣 38 4 5 2 运输 38 4 6 初期支护 38 4 6 1 支护参数 38 4 7 二次衬砌 44 4 7 1 基本要求 44 4 7 2 衬砌模板 44 4 7 3 钢筋制做方法 44 4 7 4 混凝土的浇筑与捣固 44 4 7 5 仰拱施工方法 45 4 7 6 充填压浆 46 4 8 控制测量 46 4 8 1 洞外地面控制测量 46 4 8 2 洞内控制测量 47 4 9 安全措施 47 4 9 1 施工安全保障 47 4 9 2 行车安全保障 48 第 5 章 监控量测 49 5 1 量测目的 49 5 2 监测项目 49 5 3 量测方法 49 5 4 地质预报 50 5 5 测点的布置 51 5 5 1 净空位移量测的测线布置 51 5 5 2 地表 地中沉降测点布置 52 5 6 量测项目间距和量测频率 53 5 7 监控量测管理 53 5 8 塌方的预防及处理 55 第 6 章 结构防排水 57 6 1 防水设计原则及标准 57 6 2 防 排水材料 57 6 3 结构防水 57 6 4 结构排水 59 6 5 施工辅助作业 59 6 5 1 施工通风 59 6 5 2 施工排水 60 6 5 3 供电与照明 60 6 5 4 环境保护 61 第 7 章 结论 62 参考文献 63 致谢 64 附 录 65 附录 A 外文翻译 65 附录 A 1 外文原稿 66 附录 A 2 外文翻译 71 附录 B 图纸清单 78 石家庄铁道大学毕业设计 1 第 1 章 绪论 1 1 研究背景 地铁运用有轨电力机车牵引 方便乘客 而且很少占用城市宝贵土地和空间 既不对地面构成任何环境污染 又可以为乘客躲避城市嘈杂烦躁的空间提供良好环 境 地铁快捷 准时 方便 舒适 宁静 安全 此外地铁还是发生战争等特大紧 急情况最理想的防御工事和庇护所 每逢夏季 地铁还是人们避暑的好地方 地铁 是一种独立的有轨交通系统 其正常运行不受地面道路拥挤的影响 能够按照设计 的能力正常运行 实现快捷 安全 舒适地运送旅客 地铁一般采用直流或交流电 力牵引 其效率高 无污染 能够实现大运量的要求 具有良好的社会 经济效益 当前 我国大中城市普遍存在着道路拥挤 车辆堵塞 交通秩序混乱的现象 已成为城市发展的 瓶颈 问题 随着我国城市规模和经济建设飞速的发展 城市化 进程在逐步加快 城市人口在急剧增加 大量流动人口涌进城市 人员出行和物资 交流频繁 交通需求急剧增长 城市交通供需矛盾日趋紧张 地面交通已无法适应 有经济活动和人民生活产生的日益增长的运量需求 城市交通堵塞 交通事故 噪 音和空气污染日益影响着人们的生活 因此 发展以轨道交通为骨干 以常规公交 为主体的公共交通体系 为城市居民提供安全 快速 舒适的交通环境 引导城市 居民使用公共交通系统是国外大城市解决城市交通问题的成功经验 也是我国大城 市解决交通问题的惟一途径 以世界各国轨道交通的发展说明 轨道交通的发展无 不和与之发展相配套的技术经济政策密切相关 地下铁道交通 是一座城市融入国际大都市现代化交通的显著标志 它不仅是 一个国家的国力和科技水平的实力展现 而且是解决大都市交通紧张状况最理想的 交通方式 目前 西方发达国家拥有百万以上人口的大都市 大都修建地铁来缓解 和改善交通紧张状况 就我国而言 随着我国经济的快速发展和我国人口的不断增 长以及人口大量向大城市转移 大城市的交通拥挤状况将更加恶劣 如果得不到有 效的解决 很有可能会引发其他社会问题 因此 投资建设地铁必将是最有效的方 法之一 1 2 国内外发展概况 石家庄铁道大学毕业设计 2 自 1863 年伦敦建成世界上第一条地铁以来 到 1990 年世界上已有 30 多个国家 和地区的 100 余座城市建成地铁并投入了使用 几乎世界著名的城市如伦敦 纽约 柏林 巴黎 莫斯科 东京 新加坡 香港等都先后建成并形成地铁网络 促进了 经济的发展 有的地铁已成为现代化城市的著名景观 如莫斯科地铁 可见 是否 具有地铁已成为现代化大城市的标志 根据国外发展城市交通的经验 对于人口超 过 100 万的城市一般应发展地铁以解决城区交通 促进经济的发展 按照国内情况 结合旧城市的改造和城市经济的发展 改善居民居住条件等规划地铁的发展也有许 多可行的经验 因此 全国各大城市如广州 南京 青岛 重庆 哈尔滨 深圳 上海等十余座城市均已在规划建设地铁 地铁是解决城市内交通的主要手段 在发达国家 每年城市的轨道交通承担了 城市旅客运输量的 60 至 87 目前 世界约 40 多个国家和地区的 132 个城市建 成 5 000 千米地铁和 3000 多公里轻轨铁路 每年运送旅客达 260 亿人次之多 北京 上海 广州 天津 大连等国内 20 多个城市在建或准备建设和规划中新 的轨道交通线 线路总长超过了 4000 公里 预计到 2050 年中国城市轨道交通线路 总长将超过 4500km 现代化的发展使得农村人口急速流向城镇 使得大中城市的交通拥挤情况日趋 严重 政府在解决人民群众基本需求 特别是交通需求方面的任务异常艰巨和繁重 城市轨道交通 特别是地铁运输 在运力 环保 经济 舒适和空间利用等方面有 着其他交通手段无可替代的优势 国家有关部门已经规定人口在 300 万以上 GDP 值在 1000 亿以上 年财政收入在 100 亿以上的城市可以建地铁 实际上达到或接近 这个标准的城市已有十五 六个之多 地铁和轨道交通规划总长度已超过 3000km 计划在 2010 年前建成的地铁线路长度超过 1200km 况且其他大中城市的膨胀趋势 也相当惊人 公共交通需求急剧上升 修建地铁和轻轨已是各大城市基础建设的必 要内容 是现代化大都市的标志 因此可以预测 未来 5 到 10 年将是中国城市地铁 大发展的黄金时期 经济的不断发展和进步 我国城市轨道交通进伴随着我国社会经入快速发展阶 段 不同类型的轨道交通也进入了并行发展时期 呈现出多元化发展趋势 开始注 重轨道交通与城市环境的协调发展 许多城市在规划建设地铁的同时 在次繁忙客 运通道上 区域之间以及在居民住宅小区与主客运通道或客运枢纽间规划建设轻轨 或快速轨道交通系统 以形成合理的轨道交通网 有些城市根据当地的地形条件正 在建设跨座式单轨运行系统 如重庆市 有些城市正在探索建设直线电机轨道交通 系统 在一些大城市 区域 之间也开始规划建设大城市之间的快速轨道线 北京 上海广州等大城市开始建设近郊和远郊的市郊铁路 以促进城市规模效应和城市边 石家庄铁道大学毕业设计 3 缘和卫星城镇的发展 北京地铁始建于 1965 年 7 月 1 日 1969 年 10 月 1 日第一条地铁线路建成通车 使北京成为中国第一个拥有地铁的城市 目前正在运营的线路有 1 号线 2 号线 4 号线 京港运营 5 号线 8 号线 1 期 奥运支线 10 号线 1 期 13 号线 八 通线和机场快轨 北京地铁 5 号线线路全长 27 6 公里 连接了丰台 崇文 东城 朝阳 昌平 5 个区 5 号线实现了与既有地铁线路近距离换乘 全线在崇文门 东单 雍和宫和 立水桥站设置了与 1 2 13 号线的站内换乘通道 方便了乘客站内换乘 崇文门 东单两大换乘站在换乘通道内通过自动扶梯分别换乘 2 号线和 1 号线 乘客两三分 钟就能完成换乘 5 号线好像一条巨龙在北京南北搭建起一座桥梁 将让千千万万 市民免除乘公交纵穿京城动辄三四个小时的拥堵之苦 使京城南北交通拥堵变通途 全长 27 6 公里的地铁五号线南起丰台区的宋家庄 北至昌平区境内的东三旗 是本市首次使用盾构暗挖法的地铁工程 其地下线 16 9 公里 地面及高架线长 10 7 公里 穿越丰台 崇文 东城 朝阳 昌平 5 个区 途径天坛 雍和宫等一批著名旅 游景点和王府井 东单等繁华商业街 1 3 设计的主要内容 本设计以北京地铁崇文门站 东单站区间隧道 设计里程为 K7 051 3 K7 672 363 为对象 全长 621 063 双线米 根据不同荷载组合系数对基本组合 抗裂组合 抗震组合 人防组合进行计算 在确定区间隧道荷载后 对隧道衬砌结构进行设计 对于隧道结构计算采用 荷载 结构 模型 利用 ANSYS 有限元分析软件建立模型 加载 求解 计算衬砌的内力 进行配筋设计 和裂缝宽度检算 根据隧道断面形状和地质情况的不同选用不同的施工方法 采取不同的施工工 艺 编制相应的施工组织设计并对监控量测和防排水行设计 石家庄铁道大学毕业设计 4 第 2 章 工程概况 2 1 周边环境 根据线路布置情况 隧道穿越地段地表主要为现状路面及密布的 2 3 层房屋 沿线有较大建筑物 3 栋 分别为新侨饭店 同仁医院及金朗大酒店 距地铁结构较 远 受地铁施工影响很小 区间隧道埋深较大 避开了地下管线 受外部条件制约较少 按路网规划要求 在区间靠近东单站段设置了连接左右线的渡线及连接 5 号线 与复 八线的联络线 并且复 八线王府井站 东单站区间已预留了接口 是区间 设计的控制因素 2 2 地质概况 区间所处地形基本平坦 孔口地面标高为 43 50m 左右 本场地地层由上至下依 次为 人工堆积层 局部为杂填土 1 层 杂色 褐黄色 潮湿可塑 厚度为 1 0 5 2m 层底标高 为 42 42 38 90m 粉土填土 层 褐黄色 潮湿硬塑 厚度为 2 9 4 25m 层底 标高为 39 17 36 00m 第四纪全新世冲洪积层 Q4al pl 粉细砂 2 层 褐黄色 潮湿密实 厚度为 0 2 4m 层底标高为 37 57 36 95m 粉土 层 褐黄色 潮湿硬塑 厚度 4 0m 层底标高为 33 57 34 00m 中粗砂 3 层 褐黄 棕黄色 饱和密实 含砾石姜石 局部夹粉 土 厚度 5 35m 层底标高为 28 22 30 00m 第四纪晚更新世冲洪积层 Q3al pl 卵石圆砾 层 褐黄色 饱和密实 厚度为 0 75 5 00m 层底标高为 27 47 24 25m 粉细砂 2 层 褐黄 棕黄色 饱和密实 厚度为 4 15 0m 层底 标高为 23 32 23 55m 粉土 1 层 褐黄色 饱和硬塑 厚度为 0 0 5m 层底标高为 22 82m 粉质 粘土 粘土 层 褐黄色 饱和可塑 硬塑 厚度 2 8m 层底标高为 20 02 21 95m 粉土 1 层 褐黄色 饱和硬塑 厚度为 0 1 35m 层底标高为 石家庄铁道大学毕业设计 5 18 67m 细中砂 2 层 褐黄色 饱和密实 厚度为 0 55 3 85m 层底标高为 17 15 18 12m 其下为卵石圆砾 层 2 3 水文概况 2 3 1 地下水概况 上层滞水 水位标高为 31 94m 水位埋深为 6 86m 观测时间为 2000 年 12 月 20 日 含水层为 粉细砂 2 层和粉土 层 主要接受大气降水和绿地灌溉水 垂直渗透补给和管沟渗漏补给 潜水 水位标高为 27 17 28 11m 水位埋深为 11 63 12 84m 观测时间为 2000 年 12 月 18 日至 12 月 20 日 含水层为中粗砂 3 层 卵石圆砾 层 地下水 径流方向为自西向东 与地铁五号线方向近于直交 承压水 水头标高为 24 78 25 01m 水头埋深为 14 02 15 94m 观测时间为 2000 年 12 月 18 日至 12 月 21 日 含水层为细中砂 2 层 卵石圆砾 层 卵石圆 砾 层和细中砂 1 层 地下水径流方向为自西向东 与地铁五号线方向近于直交 2 3 2 地下水的腐蚀性 根据地下水的腐蚀性测试结果 本段沿线上层滞水及潜水对砼结构无腐蚀性 对钢筋砼中的钢筋具弱腐蚀性 对钢结构具弱腐蚀性 承压水对砼结构无腐蚀性 对钢筋砼中的钢筋无腐蚀性 对钢结构具弱腐蚀性 2 3 3 历年最高水位 1959 年水位接近自然地面 1971 1973 年水位标高 34 0m 近 3 5 年最高水 位约为 31 00m 2 4 隧道平面 地铁 5 号线崇文门站 东单站区间隧道 出崇文门站后 沿崇文门内大街逐渐向 东偏移至长安街后到达地铁 5 号线东单站 沿线设置两段半径分别为 2000m 及 1500m 平曲线 全线长 621 063 双线米 左右线间距为 16 8m 2 5 隧道纵断面 石家庄铁道大学毕业设计 6 崇文门站由于受规划直径线及既有环线的影响 轨面标高较低 而东单站又位 于地铁复八线上 站位较高 因此整个区间显示出北高南低的态势 崇文门站位于 3 的坡度上 在 K7 110 里程处以半径为 5000m 的竖曲线变坡为 24 的上坡 到 7 350 里程处又以半径为 3000m 的竖曲线变坡为 9 的上坡 设置渡线 联络线 至 K7 650 里程处又以半径为 5000m 的竖曲线变坡为 3 的坡以设置东单车站 隧 道穿越地层主要为中粗砂 粉细砂及圆砾卵石层 隧道顶部覆土由南向北为 17 0 4 6m 隧道施工避开了所有管线 2 6 渡线及联络道 根据地铁路网规划和 5 号线设计方案 本区间以半径 180m 的曲线设与复 八 线联络线一处 与复八线王 东区间交点岔心里程为 K0 369 791 该处设计轨面高 程 22 998 与本区间左线交点岔心里程为 K7 535 790 设计高程为 29 687 联络线 与复 八线王府井站 东单站区间预留接口相接 接口位置坐标见总平面图 其他 设计见全线线路设计 区间同时设置了渡线 保证联络线与两条正线间的连通 联 络线与渡线均采用 9 号道岔 在每处道岔岔尖内侧各设转辙机安装室一处 2 7 附属设施 2 7 1 迂回风道 在区间靠近崇文门车站附近设总面积不小于 30m2的两个迂回风道 迂回风道中 线与右线线路中线交叉点里程分别为 K7 071 307 K7 082 007 2 7 2 人防工程 根据防护要求 本区间隧道为一单独防护段 因此 在区间靠近崇文门站端和 东单站端坡度较小段各设人防段一处 人防段长 9 9m 中心里程 K7 056 25 7 663 0 石家庄铁道大学毕业设计 7 第 3 章 隧道衬砌结构设计 3 1 隧道结构设计原理 荷载结构法是目前广泛采用的一种主要的地下结构计算方法 又称为 荷载 结 构 模型 它是将支护和围岩分开考虑 支护结构是承载主体 地层对结构的作用只 是产生作用在地下结构上的荷载 以计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形的方 法 其设计原理是按围岩分级和实用公式确定围岩压力 并通过弹性支撑来体现围 岩对支护结构变形的约束作用 而围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性支撑的 约束能力时间接考虑 它适用于围岩因过分变形而发生的松弛和崩塌 以及支护结 构主动承担围岩 压力 的情况 在围岩与支护结构相互作用的处理上采用主动荷载加被动荷载 弹性抗力 模 式 此模式认为围岩不仅对支护结构施加主动荷载 而且由于围岩与支护结构之间 的相互作用 还对支护结构施加被动的约束反力 所以 支护结构在主动荷载和约 束反力同时作用下进行工作 这种模式能适用于各种类型的围岩 隧道衬砌结构检算主要通过 Ansys 建立隧道衬砌结构荷载模型 按破损阶段法 计算隧道荷载 再由 Ansys 计算得出衬砌结构在荷载作用下的内力 用结构危险点 的内力 弯矩和轴力 对衬砌强度进行检算 找出隧道的最不利位置 对不满足要求 的进行配筋 并进行结构抗裂检算 3 2 隧道衬砌结构荷载计算 3 2 1 荷载计算 3 2 1 1 荷载设计要素 1 地层压力 A 竖向压力的计算 是各土层的容重 h 是土层的厚度 在地下水位以下的土压力用有效容重和水容重 计算 3 1 wsat B 水平压力的计算 根据结构受力过程中墙体位移和地层间的关系 在地下铁道结构计算中 主动土压 石家庄铁道大学毕业设计 8 力采用朗金土压力理论 即 3 2 aiai cqe 2 2 水压力 3 3 hp ww 3 地面车辆荷载及其冲击力 A 竖向压力 20MP B 水平压力 地面车辆荷载传递到地下结构上的水平压力 可按下式计算 3 4 ozaox pp 式中 侧向压力系数 a 4 地震荷载 A 马蹄形曲墙式衬砌 其均布的水平惯性力为 3 5a H gm F hc 11 1 3 5a f gm KF hc 1 2 1 B 洞顶上方土柱的水平惯性力为 3 6 gmKF hc上 2 C 主动侧向土压力的增量 地震时地层的内摩擦角要发生变化 由原来的 值减少 为 其中 为地震角 因此 结构一侧的主动侧向土压力增量为 3 7 a a ii eq 式中 3 8a 2 45 tan2 a 3 8b 2 45 tan2 a 而结构另一侧的主动侧向土压力增量可按上述值反对称布置 如图 3 1 所示 衬砌采用 C30 的混凝土 衬砌的容重 25kN m3 石家庄铁道大学毕业设计 9 图 3 1 地震荷载 4 人防荷载 A 竖向压力 100MP B 水平压力 地面车辆荷载传递到地下结构上的水平压力 可按下式计算 3 9 fzafx pp 式中 侧向压力系数 a 3 2 1 2 荷载组合 表 3 1 荷载组合系数 分项系数 荷载类型荷载名称基本组合构 件强度计算 构件抗 裂验算 抗震偶然组合 构件强度验算 人防偶然组 合构件强度 验算 结构自重1 351 01 21 2 地层压力1 351 01 21 2 结构上部和受影响范围内的设 施及建筑物压力 1 351 01 21 2 永 久 荷 载 水压力及浮力1 351 01 21 2 地面车辆荷载及其冲击力1 41 0 基本可变 荷载 地面车辆荷载引起的侧向土压 力 1 41 0 温度变化影响力1 41 0其它可变 荷载施工荷载1 41 0 8 度地震荷载1 0 偶然荷载 5 级人防荷载1 0 石家庄铁道大学毕业设计 10 3 2 1 3 对断面 A2 的荷载计算 在纵断面图上 A2 断面的最大埋深处为右线 K7 051 3 1 永久荷载 土层压力 表 3 2 断面 A2 土层压力 土层厚度 m 饱和密度 饱和容重 干容重 土层压力 kPa 合计 kPa 4 1 1 8281 17 91 7 91 32 45 11 7 1 9868 19 47 9 47 16 10 20 9 2 0242 19 83 9 83 8 853 13 4 1 9868 19 47 9 47 32 20 33 1 2 0458 20 04 10 04 31 15 20 3 2 0652 20 23 10 23 3 071 41 6 2 0846 20 42 10 42 16 68 顶 1 82 148221 0511 0519 89160 4 2 7 2 1482 21 05 11 05 29 84 1 4 1 986 19 46 9 4628 13 24 31 3 2 051 20 09 10 099 13 12 底 0 91 98619 469 46288 516225 1 q1 160 4kPa q2 225 1kPa 16 8 c 39 742kPa 0 5532 2 45 tan2 a 30 17kPa aa cqe 2 21 66 01 kPa aa cqe 2 22 水压力 q1 水 16 5 10 165kPa q2 水 22 8 10 228kPa 永久荷载 拱顶处的 q1 永 q1 q1 水 326 4kPa e1 永 e1 q1 水 195 17kPa 洞底处的 q2 永 q2 q2 水 454 2kPa e2 永 e2 q2 水 294 01kPa 2 可变荷载 竖向 P 20 kPa 石家庄铁道大学毕业设计 11 横向 11 064kPa ozaox pp 3 地震荷载 本区间处于 8 地震区3 0 6166 2 45 tan 2 a 主动侧向土压力增量 q1 永 20 21 96 kPa 1 e aa q2 永 20 30 06 kPa 2 e aa 考虑地震荷载 0 25 0 2 H 6 3m f 1 02m c h K 1 25 kPa H gm KF nC 1 1 1 3 1335 kPa f gm KF nC 2 2 1 地震作用力 e1 震 11 605 kPa 22 1 11 Fe e2 震 16 596 kPa 22 2 12 Fe 4 人防荷载 100 kPa fz p 55 32 kPa fzafx pp 5 荷载组合 表 3 3 断面 A2 荷载组合 水平荷载 kPa 组合形式竖向荷载 kPa 拱顶处洞底处 基本组合468 64278 969412 403 抗裂组合346 4206 235310 607 抗震组合391 68223 左 245 右 336 左 369 右 人防组合491 68289 524408 132 3 2 1 4 对断面 H 的荷载计算 GFH 型断面中 H 型跨度最大选取 H 型进行计算 在纵断面图上 找出 H 断面的 最大埋深处为右线 K7 446 38 石家庄铁道大学毕业设计 12 1 永久荷载 土层压力 表 3 4 断面 H 土层压力 土层厚度 m 饱和密度 Kg m 饱和容重 KN m 干容重 KN M 土层压力 kPa 合计 kPa 11 51 8217 917 9111 87 0 641 8217 917 915 06 12 661 8217 917 9121 05 顶 0 741 8217 917 915 8543 85 0 721 8217 917 915 69 11 121 9819 479 4710 60 1 71 9819 479 4716 10 20 51 9819 479 474 73 1 721 9819 479 4716 28 2 462 0820 4210 4225 65 底 2 642 1421 0511 0529 17152 11 q1 43 85kPa q2 152 18kPa 23 4922 c 25 4133kPa 0 4292 2 45 tan2 a 14 47kPa 0 不计 aa cqe 2 21 31 98kPa aa cqe 2 22 水压力 q1 水 5 54 10 55 4kPa q2 水 16 495 10 164 95kPa 永久荷载 拱顶处的 q1 永 q1 q1 水 99 24kPa e1 永 e1 q1 水 55 4kPa 洞底处的 q2 永 q2 q2 水 317 03kPa e2 永 e2 q2 水 197 2kPa 2 可变荷载 竖向 P 20 kPa 横向 8 5841kPa ozaox pp 3 地震荷载 本区间处于 8 地震区3 石家庄铁道大学毕业设计 13 0 4807 2 45 tan 2 a 主动侧向土压力增量 q1 永 20 6 2 kPa 1 e aa q2 永 20 16 485 kPa 2 e aa 考虑地震荷载 0 25 0 2 H 10 955m f 1 72m c h K 1 62 kPa H gm KF nC 1 1 1 9 67 kPa f gm KF nC 2 2 1 地震作用力 e1 震 3 91 kPa 22 1 11 Fe e2 震 13 08 kPa 22 2 12 Fe 4 人防荷载 100 kPa fz p 42 92 kPa fzafx pp 5 荷载组合 表 3 5 断面 H 荷载组合 水平荷载 kPa 组合形式竖向荷载 kPa 拱顶处洞底处 基本组合161 97486 8298 24 抗裂组合119 2463 984205 784 抗震组合119 088100 左 108 右 320 左 347 右 人防组合219147 08376 8 3 2 1 5 对断面 E 的荷载计算 DE 型断面中 E 型跨度最大选取 E 型进行计算 在纵断面图上 E 断面的最大埋 深处为右线 K7 423 717 1 永久荷载 土层压力 石家庄铁道大学毕业设计 14 表 3 6 断面 E 土层压力 土层厚度 m 饱和密度 饱和容重 干容重 土层压力 kPa 合计 kPa 13 61 8217 917 9128 49 2 961 8217 917 9123 42 1 顶 1 56 1 98 19 47 9 47 14 7766 69 0 81 9819 479 477 57 21 41 9819 479 4713 25 1 321 9819 479 4712 50 41 522 0820 4210 4215 85 2 22 1421 0511 0524 31 2 底 0 76 2 05 20 09 10 09 7 66147 87 q1 66 7kPa q2 147 87kPa 33 4348 c 18 5kPa 0 289 2 45 tan2 a 0 63kPa 0 不计 aa cqe 2 21 27 35kPa aa cqe 2 22 水压力 q1 水 8 12 10 81 2kPa q2 水 16 325 10 163 25kPa 永久荷载 拱顶处的 q1 永 q1 q1 水 147 9kPa e1 永 e1 q1 水 81 2kPa 洞底处的 q2 永 q2 q2 水 326 782kPa e2 永 e2 q2 水 190 6kPa 2 可变荷载 竖向 P 20 kPa 横向 5 78kPa ozaox pp 3 地震荷载 本区间处于 8 地震区3 0 3271 2 45 tan 2 a 主动侧向土压力增量 石家庄铁道大学毕业设计 15 q1 永 20 6 4 kPa 1 e aa q2 永 20 13 2 kPa 2 e aa 考虑地震荷载 0 25 0 2 H 8 205m f 1 29m c h K 1 198 kPa H gm KF nC 1 1 1 2 35 kPa f gm KF nC 2 2 1 地震作用力 e1 震 3 799 kPa 22 1 11 Fe e2 震 7 77 kPa 22 2 12 Fe 4 人防荷载 100 kPa fz p 28 9 kPa fzafx pp 5 荷载组合 表 3 7 断面 E 荷载组合 水平荷载 kPa 组合形式竖向荷载 kPa 拱顶处洞底处 基本组合227 665117 712265 402 抗裂组合167 986 98196 38 抗震组合177 4893 左 101 右 220 左 236 右 人防组合277 48126 34257 62 3 2 1 6 对断面 C 的荷载计算 BCJ 型断面中 C 型跨度最大选取 C 型进行计算 在纵断面图上 C 断面的最大埋 深处为右 K7 403 017 1 永久荷载 土层压力 石家庄铁道大学毕业设计 16 表 3 8 断面 C 土层压力 土层厚度 饱和密度 饱和容重 干容重 土层压力 kPa 合计 kPa 11 681 8217 917 9113 29 2 281 8217 917 9118 04 10 962 0219 839 839 44 0 42 0219 839 833 93 2 顶 1 46 2 02 19 83 9 83 14 3659 08 1 242 0219 839 8312 19 43 712 0820 4210 4238 69 底 1 82 1421 0511 0519 89129 86 q1 59 08kPa q2 129 86kPa 33 4348 c 18 5kPa 0 289 2 45 tan2 a 2 83kPa 0 不计 aa cqe 2 21 17 62kPa aa cqe 2 22 水压力 q1 水 8 12 10 77 3kPa q2 水 16 325 10 144 8kPa 永久荷载 拱顶处的 q1 永 q1 q1 水 136 38kPa e1 永 e1 q1 水 274 66kPa 洞底处的 q2 永 q2 q2 水 77 3kPa e2 永 e2 q2 水 162 42kPa 2 可变荷载 竖向 P 20 kPa 横向 5 78kPa ozaox pp 3 地震荷载 本区间处于 8 地震区3 0 3271 2 45 tan 2 a 主动侧向土压力增量 q1 永 20 5 958 kPa 1 e aa 石家庄铁道大学毕业设计 17 q2 永 20 11 23 kPa 2 e aa 考虑地震荷载 0 25 0 2 H 6 75m f 1 32m c h K 1 1 kPa H gm KF nC 1 1 1 2 92 kPa f gm KF nC 2 2 1 地震作用力 e1 震 3 527 kPa 22 1 11 Fe e2 震 7 075 kPa 22 2 12 Fe 4 人防荷载 100 kPa fz p 28 9 kPa fzafx pp 5 荷载组合 表 3 9 断面 C 荷载组合 水平荷载 kPa 组合形式竖向荷载 kPa 拱顶处洞底处 基本组合212 173112 447227 359 抗裂组合156 3883 08168 2 抗震组合163 65689 左 96 右 188 左 201 右 人防组合263 656121 66223 8 3 2 2 建模并求解模型内力 3 2 2 1 ANSYS 操作过程 1 启动 ANSYS 程序 更改路径和工作名 计算类型参数设置选项 2 前处理模块 定义单元类型 石家庄铁道大学毕业设计 18 定义实常数 定义材料参数 进入 modeling 进行建模 生成几何模型 进行网格划分 施加弹性约束 定义弹性抗力系数 K 和距离所选结构节点的相对距离 DX DY DZ 相对距离取 值大小对计算结果并无影响 3 进入求解器 定义分析类型 底部水平固定一点 设置荷载添加形式 施加等效节点力 施加重力 求解计算 4 后处理 读入结果 查看变形图 检查弹簧约束范围是否正确 定义单元表 查看内力图 将底色改为白色 存储显示图形 列表显示计算结果 3 2 3 2 结果输出 利用 ANSYS 建立模型后 根据计算出的最大的垂直围岩压力和水平围岩压力进 行加载 加载后输出模型变形图 弯矩图和轴力图 1 A2 断面内力计算的弯矩图和轴力图 基本组合 石家庄铁道大学毕业设计 19 图 3 2a A2 断面基本组合弯矩图 图 3 2b A2 断面基本组合轴力图 抗震组合 图 3 2c A2 断面抗震组合弯矩图 图 3 2d A2 断面抗震组合轴力图 抗裂组合 图 3 2e A2 断面抗裂组合弯矩图 图 3 2f A2 断面抗裂组合轴力图 人防组合 石家庄铁道大学毕业设计 20 图 3 2g A2 断面人防组合弯矩图 图 3 2h A2 断面人防组合轴力图 2 H 断面内力计算的弯矩图和轴力图 基本组合 图 3 3a H 断面基本组合弯矩图 图 3 3b H 断面基本组合轴力图 抗震组合 图 3 3c H 断面抗震组合弯矩图 图 3 3d H 断面抗震组合轴力图 抗裂组合 石家庄铁道大学毕业设计 21 图 3 3e H 断面抗裂组合弯矩图 图 3 3f H 断面抗裂组合轴力图 人防组合 图 3 3g H 断面人防组合弯矩图 图 3 3h H 断面人防组合轴力图 3 E 断面内力计算的弯矩图和轴力图 基本组合 图 3 4a E 断面基本组合弯矩图 图 3 4b E 断面基本组合轴力图 抗震组合 石家庄铁道大学毕业设计 22 图 3 4c E 断面抗震组合弯矩图 图 3 4d E 断面抗震组合轴力图 抗裂组合 图 3 4e E 断面抗裂组合弯矩图 图 3 4f E 断面抗裂组合轴力图 人防组合 图 3 4g E 断面人防组合弯矩图 图 3 4h E 断面人防组合轴力图 4 C 断面内力计算的弯矩图和轴力图 基本组合 石家庄铁道大学毕业设计 23 图 3 5a C 断面基本组合组合弯矩图 图 3 5b C 断面基本组合组合轴力图 抗震组合 图 3 5c C 断面抗震组合组合弯矩图 图 3 5d C 断面抗震组合组合轴力图 抗裂组合 图 3 5e C 断面抗裂组合组合弯矩图 图 3 5f C 断面抗裂组合组合轴力图 人防组合 石家庄铁道大学毕业设计 24 图 3 5g C 断面人防组合组合弯矩图 图 3 5h C 断面人防组合组合轴力图 3 3 衬砌截面配筋 3 3 1 衬砌截面配筋步骤 采用极限状态法进行设计 若经计算结构在不同荷载组合作用下满足要求 则 只需要按构造配筋即可 若不满足要求则需要进行配筋 本次配筋采用对称配筋 其计算步骤如下 1 由混凝土的保护层厚度以及预估的钢筋直径确定与 然后计算 s a s a s0 ahh 2 计算对称配筋条件下的 并将与比较 初步判断偏心类型 b 再依据偏心类型计算配筋 其中 fcd 13 8 MPa b 0 56 若 b 为大偏心受压 i 若 x 2as 利用下式计算钢筋面积 3 16 s0sd gg ahf Ne AA s 式中 受拉钢筋的抗拉强度设计值 HRB335 取 280MP