石家庄铁道大学地铁区间盾构隧道毕业设计

石家庄铁道大学地铁区间盾构隧道毕业设计工程概况一、设计范围本次设计范围为鼓楼站东南角站区间盾构隧道土建工程设计。区间起讫里程为：左线DK9+863.200DK10+439.158，其中短链0.334m，区间长575.624m；右线DK9+910.500DK10+439.158，其中长链0.027m，区间长528.685m。二、工程地质天津平原浅部广泛发育一层以海相淤质土层为主,并杂以湖沼相淤质土和 近代流相粉细砂层的软弱土层。它具有厚度大、承载力低、易产生不均匀沉陷和 砂土液化的不良特性。天津市中心城市20m 以浅地层主要由全新世晚期（Qh3）河流相沉积（局部新近沉积）地层、全新世中期（Qh2）海相地层、全新世早期（Qh1）湖沼相和洪泛平原沉积地层组成。在海水入侵和上游河流的共同作用下沉积了大量的粉土和粉砂层，这部分土层往往作为一般工业和民用建筑物的持力层使用，同时它们还是天津地区主要的液化土层。区间所处地段属冲积平原，地形较为平坦。工程涉及地层主要为第四系全新统人工填土层（人工堆积Qml）、新近沉积层（故河道、洼淀冲积Q43Nal）、第海相层（第四系全新统中组浅海相沉积Q42m）、第陆相层（第四系全新统下组河床河漫滩相沉积Q41al）、第陆相层（第四系上更新统五组河床河漫滩相沉积Q3eal）、第海相层（第四系上更新统四组滨海潮汐带相沉积Q3dmc）、第陆相层（第四系上更新统三组河床河漫滩相沉积Q3cal）。本场地属稳定场地，适宜地铁建设。但场地内存在软弱地层，工程地质条件较差，应针对具体工程要求采取适宜的处理措施。三、水文地质天津自古被称为“九河下稍之地”，它的兴起发展源于河流沿岸，因此，地下水的复杂程度，对地下空间的修建和应用有着很大的制约，尤其对地铁的施工难度大大提高。地铁工程影响范围内地下水的类型:(1) 上层滞水 上层滞水水位埋深为0 5m左右,主要以松散的人工填筑土层为含水层,下部新近沉积层和第陆相层中粘土层(3、3)为相对隔水层。部分地段与地表坑塘水体连通,接受大气降水和地表水体的补给。稳定水位受季节性变化影响极其明显,仅分布在天津市局部地区。(2) 潜水 第四系孔隙潜水的地下水位埋深一般为0 52 5m,年平均地下水位埋深为1 61 8m,年变化幅度的多年平均值约为0 8m。高水位期出现在雨季后期的9月份,低水位期出现在干旱少雨的45月。潜水主要依靠大气降水入渗和地表水体入渗补给,故地下水位的波幅变化较大,赋存于人工填土层层、第陆相层层及第海相层层的相对含水层中,以第、第陆相层的1、1层粉质粘土为相对隔水底板。潜水层一般埋深为1215m。(3) 微承压水 赋存于第陆相层及以下粉砂和粉土中的地下水具有微承压性,第陆相层及以下的2、2、2、和2粉土、4、4、5、4、5和4粉细砂层 中的地下水为微承压水。以第、第陆相层的1、1层粉质粘土为相对隔水顶板,含水层厚度较大,分布相对稳定,微承压水稳定水位埋深3 05 0m左右,水位受季节影响不大,水位变化幅度小。微承压水接受上层潜水的越流补给,同时以渗透方式补给深层地下水。水位观测初期,该层水上升很快,一般在30min之内即完成全部上升高度的80%左右,30min之后水位上升速度变缓,经过24h之后,水位一般稳定于潜水位以下。粉土中微承压性没有粉细砂层中微承压水表现的强烈。微承压水一般埋深为1270m。 表层地下水类型为第四系孔隙潜水，地下水埋藏较浅，勘测期间地下水埋深0.83.2m（高程2.940.23m），主要赋存于第I海相层的粉土、粘性土与粉土互层的地层中，含水层水平、垂直向渗透性差异较大，当局部地段夹有粉砂薄层时，其富水性、渗透性相应增大。接受大气降水和地表水入渗补给，地下水具有明显的丰、枯水期变化，丰水期水位上升，枯水期水位下降，多年变化平均值0.8m。主要含水介质颗粒较细，水力坡度小，地下水径流十分缓慢。排泄方式主要有蒸发、人工开采和下渗补给下部承压水。微承压水以第陆相层的湖沼相沉积1、1层粉质粘土为主要隔水顶板，地铁工程影响范围内微承压水主要赋存于2、2、2粉土及3、3粉砂、4、4、4细砂中，以1、1层为相对隔水层。主要接受上层潜水的渗透补给，与上层潜水水力联系紧密，排泄以相对含水层中的径流形式为主，同时以渗透方式补给深层地下水。该层地下水水位受季节影响较小。微承压水水位埋深4.26.7m(高程-0.51-3.06m) ，微承压水头为隔水层顶板至稳定水位距离。本场地表层地下水类型主要为第四系孔隙潜水，赋存于、陆相层及其以下的粉土、粉细砂层的地下水具微承压性，为微承压水。 经过勘察，已查明该区间隧道地下水位在丰水期3米左右，取为3米；在枯水期，地下水位为3.4米左右，取为3.4米。表层潜水对混凝土结构有弱腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具中等腐蚀，对钢结构具中等腐蚀。下部微承压水对混凝土结构具硫酸盐中等腐蚀，对钢筋混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀，对钢结构具中等腐蚀。三、地面环境、建筑分布情况鼓楼站东南角站区间西起位于南马路与南门外大街、城厢中路交叉口的鼓楼站，自天津市第一中级人民法院前南马路下出发，沿南马路东行，穿越城厢东路与荣业大街，最终到达位于南马路、通南路与东马路、和平路交叉口的东南角站。南马路北侧为天津市中级人民法院及在建的铜锣湾广场，南马路南侧为滨江金耀亚飞汽车广场、待建滨江机电大厦的空地及23层旧式住宅区。区间外皮距滨江金耀亚飞汽车广场4层建筑12m，距铜锣湾广场沿街4层建筑17m，距中级人民法院17层大厦50m以上。四、周边交通情况南马路是天津城区的主要交通要道，平日里交通压力比较大，有多条公交路线通行。在鼓楼站到东南角站区间中，又有城厢东路、荣业大街与其相交叉，局部的交通情况也是比较拥堵。同时，该地区多为一些居民娱乐、消费场所，在节假日时，交通最为繁忙，经常会发生交通拥堵的情况。五、地下管线情况南马路两侧地下管线密集，主要管线为上水、污水、雨水、煤气、电力、热力及电话等，其中雨、污水管埋藏较深，管底埋深约在2.84.3米左右，其它管线埋深均较浅。管线情况较为复杂，施工时要注意个管线的情况，避免发生管辖的破坏。盾构管片的确定盾构管片尺寸、材料配比及相应参数的确定要考虑本地区工程地质、水文地质的情况，以及地面交通情况、地面建筑的分布和地下管线的埋设等情况。管片的材料采用钢筋混凝土材料，其耐腐蚀强、造价相对比较低、加工制作比较容易，部分隧道联络线间的特殊部位会采用铸铁管片或钢管片。盾构隧道的线路是由直线及曲线所组成, 为了满足盾构隧道在曲线上偏转及纠偏的需要, 应设计楔形衬砌环。 楔形衬砌环与直线衬砌环相组合，直线地段除施工纠偏外, 多采用标准衬砌环;曲线地段可通过标准衬砌环与左、右转弯衬砌环组合使用,以模拟曲线，但无法拟合竖曲线。管片需要 3种类型。区间采用单层衬砌。具体管片尺寸：管片内径5500毫米；管片厚350毫米( (0.04-0.06)D大的取小值，小的取大值 )；管片宽度1200毫米；管片分块采用六分块：3个标准块A、2个邻接块B、1个封顶块K；管片的拼装方式采用错缝连接；管片连接方式采用弯螺栓连接；管片接触面构造形式为管片环缝设置榫槽，纵缝不设置榫槽；衬砌环的组合形式为标准环（3）+ 左转弯环（1）+ 右转弯环组合（1）+ 封顶环（1）。荷载计算浅埋地层计算：因为该土层多为粘性土土质地层，且为地层设计阶段，所以采用水土合算。采用全土柱法计算，水平侧压力系数采用铁路隧道设计规范推荐的公式计算。拱顶垂直围岩压力：P=2.219.1+1.219.5+0.219.9+0.820+1.619+3.220.1+3.220.65=246.28 （kpa）拱背荷载： =3.13.1-（3.143.13.1/4）20.332=84 （kpa）该地区岩层围岩级别为级，由规范查得 =40，=18则水平侧压力系数=0.2597拱顶水平围岩压力：（246.28+84）0.2597=85.77 （kpa）拱底水平围岩压力：（246.28+20.51.2+3.620.22+1.420.25+84）0.2597=118.43（kpa）地震荷载：盾构隧道衬砌为圆形断面，则有 （其中m为衬砌质量；D为衬砌外直径。）该地区地震烈度为7度，取0.1；隧道为土质隧道，取0.25。 地震荷载为 4018.2 （N）参照规范查得土质地层的抗力，弹性抗力系数K取402.8（kpa）垂直超载：按 20 （kpa）取值水平超载：按 6 （kpa）取值深埋地层计算：因为该土层多为粘性土土质地层，且为地层设计阶段，所以采用水土合算。采用泰沙基深埋理论计算。理论计算图为：土层的平均容重：（3.419.1+119.4+20.21.8+20.54.5+20.651.8+20.52.1）/14.6=20.08 kg/土层的平均似摩擦角：=（14.54.4+10.41.8+10.54.5+192.1+10.52.1+10.50.4+22.62.8+12.43.0）/20.8=13.976竖向垂直压力式中 b-表示上方岩体水平方向变形范围的一半。该地层中b取7.946米 K取11.5 取为1.3 h取14.6米则有=221.0 （kpa）拱背荷载：=3.13.1-（3.143.13.1/4）20.332=84 （kpa）水平侧压力： (+P) =（221+84）0.2597=79.21 （kpa）地震荷载：盾构隧道衬砌为圆形断面，则有 （其中m为衬砌质量；D为衬砌外直径。）该地区地震烈度为7度，取0.1；隧道为土质隧道，取0.25。 地震荷载为 4018.2 （N）参照规范查得土质地层的抗力，弹性抗力系数K取402.8（kpa）垂直超载：按 20 （kpa）取值水平超载：按6（kpa）取值经比较两截面的内力情况，选取深浅埋交界截面作为计算截面。计算地层弹性抗力：假定作用于两侧的水平土压力是随着衬砌向地基内位移而产生的，在衬砌水平直径的上下450中心角范围内呈三角形分布。水平直径上点的土压力与衬砌向地基内的水平位移成正比。考虑了土压力的位移：式中，土、水压引起的B点位移；土、水压引起的与上述方向相反的B点位移；式中， E弹性模量Pa； -拱背压力 I截面惯性矩; -计算半径 -上侧水平压力 -折减系数，取0.8 -下侧水平压力 - K-弹性抗力系数(五级偏弱围岩) P-上部竖向力 地层弹性抗力： 计算图示：荷载组合计算：荷载分项系数荷载类型荷载名称分项系数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永久荷载结构自重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水压力及浮力1.351.01.21.2可变荷载基本可变荷载地面车辆荷载及其冲击力1.41.0地面车辆荷载引起的侧向土压力1.41.0其它可变荷载温度变化影响力1.41.0施工荷载1.41.0偶然荷载8度地震荷载1.05级人防荷载1.0基本组合：1.35 永久荷载+1.4 可变荷载即竖向力为：（246.28+84）1.35+201.4=473.878 （kpa）地层反力：（246.28+84+3.5）1.35+201.4=478.603 （kpa）拱顶水平力为：85.771.35+61.4=124.19（kpa）拱底水平力为：118.431.35+61.4=168.29（kpa）标准组合：1.0 永久荷载+1.0 可变荷载即竖向力为：1.0330.28+1.020=350.28（kpa）底层反力：1.0 (330.28+3.5)+1.020=353.78 （kpa）拱顶水平力为：1.085.77+1.06=91.77 （kpa）拱底水平力为：1.0118.43+1.06=124.63 （kpa）地震组合：1.2 永久荷载+1.0 7度地震荷载即竖向力为：1.2 330.28=396.336 （kpa）地层反力：1.2（330.28+3.5）=400.536（kpa）拱顶水平力为：85.771.2+1.04.0182=104.9422 （kpa）拱顶水平力为：118.431.2+1.04.0182=146.1342 （kpa）管片计算：（1）、基本组合荷载结构受力图：结构弯矩图：结构轴力图：数据值：PRINT ELEMENT TABLE ITEMS PER ELEMENT * POST1 ELEMENT TABLE LISTING * STAT CURRENT CURRENT CURRENT CURRENT CURRENT CURRENT ELEM NI NJ MI MJ QI QJ 1 -0.812926E+06 -0.812926E+06 -0.317030E+06 -0.312749E+06 -0.214353E+05 -0.214353E+0 2 -0.820528E+06 -0.820528E+06 -0.312749E+06 -0.300679E+06 -0.604371E+05 -0.604371E+05 3 -0.835423E+06 -0.835423E+06 -0.300679E+06 -0.281169E+06 -0.976931E+05 -0.976931E+05 4 -0.857270E+06 -0.857270E+06 -0.281169E+06 -0.254790E+06 -0.132089E+06 -0.132089E+06 5 -0.885564E+06 -0.885564E+06 -0.254790E+06 -0.222323E+06 -0.162574E+06 -0.162574E+06 6 -0.919652E+06 -0.919652E+06 -0.222323E+06 -0.184742E+06 -0.188178E+06 -0.188178E+06 7 -0.958742E+06 -0.958742E+06 -0.184742E+06 -0.143196E+06 -0.208038E+06 -0.208038E+06 8 -0.100192E+07 -0.100192E+07 -0.143196E+06 -0.989772E+05 -0.221416E+06 -0.221416E+06 9 -0.104819E+07 -0.104819E+07 -0.989772E+05 -0.535019E+05 -0.227710E+06 -0.227710E+06 10 -0.109644E+07 -0.109644E+07 -0.535019E+05 -0.827353E+04 -0.226473E+06 -0.226473E+06 11 -0.114552E+07 -0.114552E+07 -0.827353E+04 0.351470E+05 -0.217421E+06 -0.217421E+06 12 -0.119335E+07 -0.119335E+07 0.351470E+05 0.753582E+05 -0.201351E+06 -0.201351E+06 13 -0.123787E+07 -0.123787E+07 0.753582E+05 0.111247E+06 -0.179705E+06 -0.179705E+06 14 -0.127724E+07 -0.127724E+07 0.111247E+06 0.142116E+06 -0.154574E+06 -0.154574E+06 15 -0.131076E+07 -0.131076E+07 0.142116E+06 0.167575E+06 -0.127481E+06 -0.127481E+06 16 -0.133805E+07 -0.133805E+07 0.167575E+06 0.187555E+06 -0.100049E+06 -0.100049E+06 17 -0.135909E+07 -0.135909E+07 0.187555E+06 0.202320E+06 -0.739296E+05 -0.739296E+05 18 -0.137420E+07 -0.137420E+07 0.202320E+06 0.212451E+06 -0.507302E+05 -0.507302E+05 19 -0.138403E+07 -0.138403E+07 0.212451E+06 0.218829E+06 -0.319386E+05 -0.319386E+05 20 -0.138955E+07 -0.138955E+07 0.218829E+06 0.222595E+06 -0.188562E+05 -0.188562E+05 21 -0.139196E+07 -0.139196E+07 0.222595E+06 0.225099E+06 -0.125368E+05 -0.125368E+05 22 -0.139269E+07 -0.139269E+07 0.225099E+06 0.227842E+06 -0.137349E+05 -0.137349E+05 23 -0.139469E+07 -0.139469E+07 0.227842E+06 0.224428E+06 0.170938E+05 0.170938E+05 24 -0.138884E+07 -0.138884E+07 0.224428E+06 0.215722E+06 0.435941E+05 0.435941E+05 25 -0.138689E+07 -0.138689E+07 0.215722E+06 0.209060E+06 0.333566E+05 0.333566E+05 26 -0.138511E+07 -0.138511E+07 0.209060E+06 0.203046E+06 0.301138E+05 0.301138E+05 27 -0.138208E+07 -0.138208E+07 0.203046E+06 0.196338E+06 0.335904E+05 0.335904E+05 28 -0.137651E+07 -0.137651E+07 0.196338E+06 0.187711E+06 0.431978E+05 0.431978E+05 29 -0.136726E+07 -0.136726E+07 0.187711E+06 0.176115E+06 0.580663E+05 0.580663E+05 30 -0.135342E+07 -0.135342E+07 0.176115E+06 0.160720E+06 0.770879E+05 0.770879E+05 31 -0.133434E+07 -0.133434E+07 0.160720E+06 0.140955E+06 0.989690E+05 0.989690E+05 32 -0.130967E+07 -0.130967E+07 0.140955E+06 0.116533E+06 0.122291E+06 0.122291E+06 33 -0.127935E+07 -0.127935E+07 0.116533E+06 0.874607E+05 0.145574E+06 0.145574E+06 34 -0.124366E+07 -0.124366E+07 0.874607E+05 0.540404E+05 0.167346E+06 0.167346E+06 35 -0.120318E+07 -0.120318E+07 0.540404E+05 0.168529E+05 0.186210E+06 0.186210E+06 36 -0.115920E+07 -0.115920E+07 0.168529E+05 -0.231896E+05 0.200506E+06 0.200506E+06 37 -0.111466E+07 -0.111466E+07 -0.231896E+05 -0.647159E+05 0.207936E+06 0.207936E+06 38 -0.107109E+07 -0.107109E+07 -0.647159E+05 -0.106293E+06 0.208191E+06 0.208191E+06 39 -0.102950E+07 -0.102950E+07 -0.106293E+06 -0.146553E+06 0.201595E+06 0.201595E+06 40 -0.990842E+06 -0.990842E+06 -0.146553E+06 -0.184219E+06 0.188605E+06 0.188605E+06 41 -0.955986E+06 -0.955986E+06 -0.184219E+06 -0.218129E+06 0.169802E+06 0.169802E+0642 -0.925707E+06 -0.925707E+06 -0.218129E+06 -0.247263E+06 0.145880E+06 0.145880E+06 43 -0.900674E+06 -0.900674E+06 -0.247263E+06 -0.270755E+06 0.117633E+06 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-0.127481E+07 -0.127481E+07 0.131702E+06 0.101455E+06 0.151456E+06 0.151456E+06 80 -0.123590E+07 -0.123590E+07 0.101455E+06 0.662760E+05 0.176151E+06 0.176151E+06 81 -0.119173E+07 -0.119173E+07 0.662760E+05 0.268205E+05 0.197567E+06 0.197567E+06 82 -0.114370E+07 -0.114370E+07 0.268205E+05 -0.159047E+05 0.213939E+06 0.213939E+06 83 -0.109485E+07 -0.109485E+07 -0.159047E+05 -0.604158E+05 0.222882E+06 0.222882E+06 84 -0.104684E+07 -0.104684E+07 -0.604158E+05 -0.105155E+06 0.224023E+06 0.224023E+06 85 -0.100082E+07 -0.100082E+07 -0.105155E+06 -0.148621E+06 0.217650E+06 0.217650E+06 86 -0.957893E+06 -0.957893E+06 -0.148621E+06 -0.189403E+06 0.204209E+06 0.204209E+06 87 -0.919060E+06 -0.919060E+06 -0.189403E+06 -0.226210E+06 0.184302E+06 0.184302E+06 88 -0.885232E+06 -0.885232E+06 -0.226210E+06 -0.257897E+06 0.158668E+06 0.158668E+06 89 -0.857201E+06 -0.857201E+06 -0.257897E+06 -0.283493E+06 0.128171E+06 0.128171E+06 90 -0.835619E+06 -0.835619E+06 -0.283493E+06 -0.302222E+06 0.937802E+05 0.937802E+05 91 -0.820988E+06 -0.820988E+06 -0.302222E+06 -0.313515E+06 0.565468E+05 0.565468E+05 92 -0.813222E+06 -0.813222E+06 -0.313515E+06 -0.317030E+06 0.176002E+05 0.176002E+05 MINIMUM VALUES ELEM 23 23 1 92 9 9 VALUE -0.139469E+07 -0.139469E+07 -0.317030E+06 -0.317030E+06 -0.227710E+06 -0.227710E+06 MAXIMUM VALUES ELEM 1 1 23 22 84 84 VALUE -0.812926E+06 -0.812926E+06 0.227842E+06 0.227842E+06 0.224023E+06 0.224023E+06计算：采用基本组合来对结构进行配筋计算。基本组合单元的内力如图表所示。 基本组合单元内力表最大弯矩(kN m)轴力(kN)正弯矩227.8421394.69负弯矩317.030813.222按矩形截面对称配筋计算,该断面的配筋主要参考混凝土结构设计规范（GB50010-2002）和建筑结构设计规范（GB500009-2001）。结构的安全等级为一级，结构重要性系数取1.1。考虑到错缝拼装时弯矩并不是