济阳路济阳-三林线路旁通道土层冻结加固设计计算书

天地科技股份有限公司设计计算书（共53页）工程项目名称上海市轨道交通7号线工程专业项目名称济阳三林线路旁通道土层冻结加固图纸编号SM7B12021/2JGP010115设计/日期校审/日期审定/日期目录第一部分冻结壁设计计算11设计依据12设计概况121设计内容122旁通道与隧道结构关系123旁通道结构特征224地面及地层条件23冻结壁承载力计算331冻结壁厚度确定332冻结壁结构力学计算333冻结壁有限元数值计算10第二部分隧道预应力钢支架计算421设计依据422计算机计算软件423计算内容4231上部均匀受力情况4332考虑不均匀受力情况47第三部分应急防护门计算501设计条件502水土压力计算503构件计算50第四部分初期支护计算531通道处支架GJ1计算532喇叭口处支架GJ2计算54第一部分冻结壁设计计算1设计依据1、上海市轨道交通7号线工程联络通道冻结工法设计（锦秋路站上海大学站）岩土工程勘察报告（补堪）项目编号03020C0684第一分册,上海市城市建设设计研究院，二六年八月。2、上海市轨道交通7号线工程锦秋路站上海大学站旁通道及泵站构造图（SM7B12021/2JGY0603B1），上海市政工程设计研究院。旁通道泵站结构详细尺寸以上海市政工程设计研究院图纸为准。2设计概况21设计内容受上海市城市建设设计研究院的委托，2006年10月天地科技股份有限公司对上海市轨道交通7号线工程锦秋路站上海大学站旁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。根据7号线其它旁通道评审情况，在2008年01月按评审提出的共性意见，对本旁通道部分图纸进行修改（详见已发的B版施工图）。旁通道由与隧道钢管片相接的喇叭口、水平通道和泵站构成。地面为陈太路，设计采用水平冻结法加固地层，以确保施工安全和减轻对周围地面环境的影响。22旁通道与隧道结构关系盾构隧道与新开挖旁通道（含冻结壁）以及集水井平面位置关系见图1图1旁通道（含冻结壁）与隧道关系23旁通道结构特征旁通道由与上、下行线隧道相交的水平通道及通道中部的集水井组成见图2。按旁通道线路设计，旁通道位置上、下行盾构隧道中心线间距为13200M,旁通道与上、下行隧道开口处隧道中心标高分别为15889M、15881M。水平通道为直墙圆弧拱结构，集水井为矩形结构，通道和集水井均采用两次衬砌，其中通道初衬（钢支架喷射混凝土）厚度为320MM（喇叭口为350MM），集水井初衬厚度为300MM；通道的开挖轮廓长约960M，宽354M，高426M，局部（喇叭口处）高约466M，宽460M；集水井开挖轮廓长500M，宽392M，深33M。图2旁通道结构示意图24地面及地层条件旁通道上方地面为祁连山路，位于陈太路与祁连山路交汇处西60M。地势相对较平坦，地面标高约440M，旁通道施工范围内地层分布为淤泥质粘土层，层厚810850M、平均830M，层底标高10501116M、平均1090M。土质均匀，夹少量薄层砂，含云母、有机质，干强度高，韧性高，无摇振反应，光滑。湿度为饱和，流塑状态，压缩性高。11粘土层，层厚170330M、平均237M，层底标高12601433M、平均1326M。土质均匀，含云母和有机质，干强度高，韧性高，无摇振反应，光滑。湿度为饱和，软塑状态，压缩性高。粉质粘土层，层厚400520M、平均443M，层底标高16601953M、平均1770M。土质均匀致密，含铁锰质锈斑及结核，无摇振反应，稍有隧道管片隧道集水井通道支护层防水层喇叭口隧道结构层光滑，韧性中等，干强度高。湿度为饱和，可塑状态，压缩性中等。1砂质粉土层，层厚7301000M、平均863M，层底标高25202696M、平均2633M。含云母，夹薄层粘性土，土质不均，干强度低，韧性低，摇振反应中等，无光泽反应。湿度为湿，密实度为密实，压缩性中等。由于上述部分地层容易压缩、在动力作用下易流变，开挖后天然土体本身难以自稳。其中旁通道下部与集水井全部（含冻结壁）位于承压含水的1砂质粉土层中，施工时容易发生水土流失，考虑承压含水层影响，因此，在施工旁通道和集水井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，施工底部冻结孔时采取必要措施防止喷水涌砂。3冻结壁承载力计算31冻结壁厚度确定根据上海市旁通道冻结法技术规程要求，冻结壁的力学计算模型按均质线弹性体简化，其力学特性参数取设计冻结壁平均温度下的冻土力学特性指标。设计选取10冻土的弹性模量和泊松比分别为150MPA和03，由于集水井底部接近1砂质粉土层，粘性土层冻土强度指标为抗压35MPA，抗折18MPA，抗剪15MPA；冻结壁承载力验算采用许用应力法，强度检验安全系数按类冻结壁选取抗压20，抗折30，抗剪20。冻结壁顶面所受土压力按上覆土体重量和超载计算，侧面承受水土压力按侧压系数07计算，集水井底板地基反力取主动土压力与水压力之和，设计按最不利条件考虑承压水头30M。土的平均重度取185KN/M3。设计根据上海轨道交通旁通道施工经验，考虑到集水井底部冻结壁位于1承压含水层的砂质粉土层中，而旁通道位置隧道中心埋深为2029M,集水井底板埋深2593M，因而确定旁通道和集水井外围冻结壁厚度18M，喇叭口处的冻结壁厚度不小于15M。32冻结壁结构力学计算321通道部分（1）模型由于旁通道的通道部分与集水井是分阶段施工，即通道部分施工完毕永久结构混凝土达到设计强度的60以上方施工集水井，设计将通道侧墙冻结壁及通道与集水井间冻结壁做为固定支座，取通道部分处建立模型见下图。通道冻结壁计算模型图取模型长度1M，冻结壁厚度18M。旁通道上覆土体范围从埋深1234313093M。（2）荷载冻结壁承受上部竖直地压力PSHQ土体容重，取185KN/M3；H上覆土层埋藏深度，取1784918375M；Q地面超载，取Q20KPA；PS11851784920350KPA035MPAPS21851837520360KPA036MPA。冻结壁承受侧向水平地压力PCKPSPC侧墙承受水平地压力，MPA；K侧压力系数，取K07。侧墙上部承受水平地压力PC上07（1851784920）1030245MPA。侧墙下部承受水平地压力PC下07（1852189020）1030297MPA。（3）内力旁通道喇叭口冻结壁计算模型及内力、位移分布见下图。A弯矩图B剪力图C轴力图D位移分布图冻结壁正应力M/WN/A冻结壁正应力，MPA；M冻结壁弯距，KNM；W冻结壁截面模量，M3；WBH2/61182/6054M3。N冻结壁轴力，KN；A计算截面面积，M2；ABH11818M2。喇叭口拱顶中部0108/0540102/180193，0257MPA侧墙上部0239/0540243/180307，0577MPA侧墙中部0147/0540822/180184，0829MPA侧墙下部0308/0540898/180071，107MPA最大压应力为MAX0307MPA35MPA安全系数K35/MAX35/030711420最大拉应力为MAX0829MPA18MPA安全系数K18/MAX18/082921730最大剪应力为MAX3QMAX/2A30307/2180256MPA15MPA安全系数K15/MAX15/025558820最大弹性位移为003MM，位于通道中部拱顶。322集水井部分（1）模型由于集水井开挖上部通道部分已经施工完毕，设计将集水井侧墙冻结壁及通道与集水井间冻结壁做为固定支座，建立模型见下图。集水井冻结壁计算模型图取模型长度1M，冻结壁厚度18M。集水井上覆土体范围从埋深2185325153M。（2）荷载冻结壁承受侧向水平地压力PCKPSPC侧墙承受水平地压力，MPA；K侧压力系数，取K07。侧墙上部承受水平地压力PC上07（1852185320）1030297MPA。侧墙下部承受水平地压力PC下07（1852515320）1030340MPA。冻结壁底板承受竖直方向地压力集水井底板冻结壁承受竖直向上的地压力有下部土体的作用力和底板水压力（静水压力及承压水作用力），按下式计算PSSHSHTTG245/2S水体容重，取10KN/M3；水土混合容重与水体容重差，取3KN/M3；HS水计算深度，由于勘察报告未明确给定，设计根据本区的地质情况，按不利原则考虑，取地下水位埋深05M，承压水头按30M考虑。HS25153M；HT土计算深度，取22153M；内摩擦角，根据勘察报告取集水井位置土层平均值15；PS1025153322153TG24515/2290KPA0290MPA。（3）内力旁通道集水井冻结壁计算模型及内力、位移分布见下图。A弯矩图B轴力图C剪力图D位移分布图冻结壁正应力M/WN/A冻结壁正应力，MPA；M冻结壁弯距，KNM；W冻结壁截面模量，M3；WBH2/61182/6054M3。N冻结壁轴力，KN；A计算截面面积，M2；ABH11818M2。侧墙上部0326/0540298/180439，0732MPA侧墙下部0253/0540426/18023，0705MPA底板中部0150/0540355/18008，0475MPA底板两侧0253/0540519/18018，0757MPA最大压应力为MAX0439MPA35MPA安全系数K35/MAX35/043979720最大拉应力为MAX0757MPA18MPA安全系数K18/MAX18/075723730最大剪应力为MAX3QMAX/2A30537/2180447MPA15MPA安全系数K15/MAX15/044733620最大弹性位移为001MM，位于集水井底板中部。通过以上结构力学计算表明旁通道的冻结壁强度和位移均满足旁通道冻结通过以上结构力学计算表明旁通道的冻结壁强度和位移均满足旁通道冻结法技术规程要求。33冻结壁有限元数值计算设计确定对旁通道和集水井的冻结壁承载力采用FLAC3D300软件计算，主要分析在既有隧道旁通道开挖后，冻土结构的应力场及位移情况，通过对冻土承载能力的分析，确定冻结法施工安全性。331旁通道与集水井冻结壁模型数值模拟分析计算采用地层结构模型，假定冻土为弹性材料，未冻土为弹塑性材料，旁通道钢筋混凝土结构假定为线弹性材料，设计选取10冻土的弹性模量和泊松比分别为150MPA和03。并设定旁通道在开挖前地层处于初始平衡状态，最终得到的分析结果就是开挖后冻土受力和变形状态。模型建立时对实际情况进行部分简化。3311地层条件地面标高为2100M，盾构主隧道中心线标高为19513M，旁通道主要位于灰色淤泥质粘土层中，旁通道底部与集水井全部包括下部冻结壁位于承压含水层的1砂质粉土层中，本旁通道考虑承压含水层1层的影响，设计按最不利条件考虑（承压水头30M）。旁通道位置各土层物理参数见表1。表1地层物理参数表土层层号土层名称厚度（M）重度KG/M3粘聚力KPA内摩擦角压缩模量MPA泊松比1灰色沙质粉土391807024543303灰色淤泥质粉质粘土451801301153460311灰色淤泥质粘土105175130952740312灰色沙质粉土40518650280912033灰色粉质粘土11418315015033703枌质粘土11018318014035031粉砂9018541280437033312模型尺寸整个几何模型尺寸长宽高为280M（沿主隧道轴线方向）6020M（沿联络通道轴线方向）457M（沿竖直方向），总共划分了79092个单元，84767个节点；右盾构隧道中心坐标为（71，0，19513）。旁通道与集水井拟定的各类模型详见图3（A）3（F）。图3（A）旁通道冻结壁力学模型YXZ图3（B）评估范围几何模型剖面图3（C）旁通道几何模型立面XYZ图3（D）旁通道开挖位置示意图YXZ图3（E）冻结壁范围YXZ图3（F）集水井开挖示意图332计算结果及分析用有限元法进行冻土帷幕的受力与变形的云图见图4（A1）（P4）。3321集水井开挖前内力分析在旁通道开挖后、集水井开挖前的FLAC3D模拟所得的应力极值与强度指标比较后的安全系数，以及其产生的位置见表2。表2应力极值及其产生的位置表比较项目表示意义模拟所得极值（MPA）极值产生位置冻土强度指标（MPA）（粘性土层中）安全系数ZZ竖直方向正应力073旁通道侧壁3552XX沿旁通道轴线方向正应力0578旁通道与隧道相连处顶板3550YY沿盾构主隧道轴线方向正应力047旁通道与隧道相连处顶板3540XY法向为竖直方向平面上的剪应力019旁通道喇叭口侧墙15102XZ法向为盾构隧道轴线方向的平面0117旁通道顶板、底板与侧墙1523XYZ上的剪应力相连转角处YZ法向为旁通道轴线方向的平面上的剪应力024旁通道圆拱拱脚处15107MAX最大主应力0859旁通道与隧道相连处拱脚3538由表2可见，集水井开挖前，最大主应力位置的冻土抗压强度安全系数为38故旁通道开挖时，冻土强度满足旁通道冻结法技术规程要求是安全的。用有限元法进行冻土帷幕的受力与变形验算，其模型见图4（A1）（H4）。33211应力云图332AZZ图4（A1）隧道中心至旁通道顶板竖直方向正应力云图6YZXY图4（A2）隧道中心至旁通道底板竖直方向正应力云图7XYZ图4（A3）旁通道中部到左侧隧道竖直方向正应力云图8332BXXXYZ图4（B1）隧道中心至旁通道顶板沿隧道轴线方向正应力云图9YZXY图4（B2）隧道中心至旁通道底板沿隧道轴线方向正应力云图10XYZ图4（B3）旁通道中部至左侧隧道沿隧道轴线方向正应力云图11332CYYYXZ图4（C1）隧道中心至旁通道顶板沿垂直隧道轴线方向正应力云图YZXY图4（C2）隧道中心至旁通道底板沿垂直隧道轴线方向正应力云图ZYX图4（C3）旁通道中部至左侧隧道沿垂直隧道轴线方向正应力云图332DXYYXZ图4（D1）隧道中心线至旁通道顶板，法向为竖直方向的平面上的剪应力云图YZXY图4（D2）隧道中心线至旁通道底板，法向为竖直方向的平面上的剪应力云图图4（D3）旁通道中部到左侧隧道，法向为竖直方向的平面上的剪应力云图332EXZ图4（E1）隧道中心线至旁通道顶板,法向为旁通道轴线方向的平面上的剪应力云图XYZYZXY图4（E2）隧道中心线至旁通道底板,法向为旁通道轴线方向的平面上的剪应力云图图4（E3）旁通道中部至左侧隧道法向为隧道轴线方向的平面上竖直方向的剪应力云图332FYZYXZ图4（F1）隧道中心线至旁通道顶板,法向为盾构隧道轴线方向的平面上的剪应力云图YZXYXYZ图4（F2）隧道中心线至旁通道底板法向为垂直隧道轴线方向的平面上，竖直方向的剪应力云图图4（F3）旁通道中部至左侧隧道法向为垂直隧道轴线方向的平面上，竖直方向的剪应力云图332GMAXYXZ图4G1隧道中心到旁通道顶板，最大主应力云图YZXY图4G2隧道中心到旁通道底板，最大主应力云图XYZ图4G3旁通道中部到右侧盾构主隧道，最大主应力云图33212变形云图YXZ图4（H1）旁通道中心线竖直方向位移云图图4（H2）隧道中心线至旁通道顶板竖直方向位移云图YZXY图3（H3）隧道中心线至旁通道底板竖直方向位移云图XYZ图4（H4）旁通道中部至隧道竖直方向位移云图由图可见，竖向位移极值在旁通道顶部为101MM（向下），底部为100MM（向上）。3322集水井开挖后内力分析将集水井开挖后FLAC3D模拟所得结果与强度指标比较后，应力极值及其产生的位置见表3。需要说明的是，集水井开挖后内力分析和变形分析的结果，都是在旁通道开挖后的内力变形值基础上叠加得到的。应力最大值全都出在旁通道顶板表面。表3应力极值及其产生的位置表比较项目表示意义模拟所得极值（MPA）极值产生位置冻土强度指标（MPA）安全系数ZZ竖直方向正应力0749联络通道与主盾构隧道相连处侧墙3541XX沿盾构主隧道轴线方向正应力0584联络通道与主盾构隧道相连处侧墙3550YY沿垂直盾构主隧道轴线方向正应力0529联络通道顶板35102YXZXY法向为盾构隧道轴线方向的平面上，垂直盾构轴线方向的剪应力0209联络通道喇叭口侧墙1593XZ法向为盾构隧道轴线方向的平面上，竖直方向的剪应力0167联络通道与主盾构隧道相连处侧墙1510YZ法向为垂直盾构隧道轴线方向的平面上，竖直方向的剪应力0257联络通道拱脚及集水井侧墙1568MAX最大主应力08933联络通道与主盾构隧道相连处侧墙3537由表3可见，旁通道集水井开挖后，最大主应力位置的冻土抗压强度安全系数为26，故旁通道集水井开挖时，冻土强度满足旁通道冻结法技术规程要求是安全的。因而旁通道及集水井的施工是安全的。集水井开挖后的应力云图见图4（I1）（P4）33221应力云图332IZZ图4（I1）隧道中心至旁通道顶板竖直方向正应力云图6YZXY图4（I2）隧道中心至旁通道底板竖直方向正应力云图7XYZ图4（I3）旁通道中部到左侧隧道竖直方向正应力云图8332JXXXYZ图4（J1）隧道中心至旁通道顶板沿隧道轴线方向正应力云图9YZXY图4（J2）隧道中心至旁通道底板沿隧道轴线方向正应力云图10XYZ图4（J3）旁通道中部至左侧隧道沿隧道轴线方向正应力云图11332KYYYXZ图4（K1）隧道中心至旁通道顶板沿垂直隧道轴线方向正应力云图YZXY图4（K2）隧道中心至旁通道底板沿垂直隧道轴线方向正应力云图ZYX图4（K3）旁通道中部至左侧隧道沿垂直隧道轴线方向正应力云图332LXYYXZ图4（L1）隧道中心线至旁通道顶板，法向为竖直方向的平面上的剪应力云图YZXY图4（L2）隧道中心线至旁通道底板，法向为竖直方向的平面上的剪应力云图图4（L3）旁通道中部到左侧隧道，法向为竖直方向的平面上的剪应力云图332MXZ图4（M1）隧道中心线至旁通道顶板,法向为旁通道轴线方向的平面上的剪应力云图XYZYZXY图4（M2）隧道中心线至旁通道底板,法向为旁通道轴线方向的平面上的剪应力云图图4（M3）旁通道中部至左侧隧道法向为隧道轴线方向的平面上竖直方向的剪应力云图332NYZYXZ图4（N1）隧道中心线至旁通道顶板,法向为盾构隧道轴线方向的平面上的剪应力云图YZXYXYZ图4（N2）隧道中心线至旁通道底板法向为垂直隧道轴线方向的平面上，竖直方向的剪应力云图图4（N3）旁通道中部至左侧隧道法向为垂直隧道轴线方向的平面上，竖直方向的剪应力云图332OMAXYXZ图5O1隧道中心到旁通道顶板，最大主应力云图YZXY图5O2隧道中心到旁通道底板，最大主应力云图XYZ图5O3旁通道中部到右侧盾构主隧道，最大主应力云图33222变形云图YXZYXZY图5（P1）旁通道中心线竖直方向位移云图图5（P2）隧道中心线至旁通道顶板竖直方向位移云图YZXY图5（P3）隧道中心线至旁通道底板竖直方向位移云图XYZ图5（P4）旁通道中部至隧道竖直方向位移云图由图可见，竖向位移极值在旁通道顶部为1118MM（向下），底部为150MM（向上）。YXZ第二部分隧道预应力钢支架计算1设计依据1、建筑结构可靠度设计统一标准GB5006820012、建筑结构荷载规范GB500092001（2006年版）3、钢结构设计规范GB5001720034、旁通道冻结法技术规程DG/TJ0890220065、旁通道及泵站结构图（上海市隧道工程轨道交通设计研究院）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2005年版3计算内容工程概况本工程施工内容为锦秋路站上海大学站区间隧道旁通道主体结构，采用水平冻结法加固地层，矿山法暗挖施工。根据上海市隧道工程轨道交通设计研究院提供的旁通道及泵站结构标准图要求，为减轻冻土冻胀及旁通道开挖施工对隧道产生不利影响，在上下行线旁通道处开口环的不开口处，隧道两侧各架两榀预应力隧道支架，两榀钢支架间距240M，在旁通道两侧沿隧道方向对称布置。每榀支架有8个支点，由5个QLD50螺旋千斤顶提供预应力，施加预应力最大为500KN（根据隧道院提供的设计图纸）。钢支架计算简图及荷载图如下。31上部均匀受力情况普16A普25普普8普普普普普普普普A支架计算简图荷载图计算结果输出总信息结构类型多层钢框架12设计规范按钢结构设计规范计算结构重要性系数100节点总数14柱数21梁数0支座约束数3标准截面总数4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120基础计算信息不计算基础梁刚度增大系数100钢结构净截面面积与毛截面面积比085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0800钢结构受拉柱容许长细比300钢结构受压柱容许长细比150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/500地震作用计算不考虑地震作用支座约束信息112111213111314111标准截面信息311标准截面类型135,225A,0000普通槽钢组合235,225A,0010普通槽钢组合335,216A,0010普通槽钢组合435,218A,0000普通槽钢组合312标准截面特性截面号XCYCIXIYA1007800012500067182E04026442E04069820E022008300012500067182E04081295E05069820E023006800008000017324E04037702E05043900E024006800009000025454E04037880E05051380E02截面号IXIYW1XW2XW1YW2Y1098100E01061540E01053740E03053740E03033900E03033900E032098100E01034123E01053740E03053740E03097946E04097946E043062800E01029305E01021660E03021660E03055444E04055444E044070400E01027152E01028280E03028280E03055706E04055706E04恒荷载计算节点荷载节点号弯矩垂直力水平力4000000500007000000500008000383003220010000383003220011000500000000所有钢柱的总重量KG1410钢梁与钢柱重量之和KG1410钢结构应力图钢结构应力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）从应力图上可以看出，在这种荷载工况作用下，应力较大的杆件是7、11、13、14、15、18号，最大应力比为09310（7、11号杆），满足强度、稳定等要求。32考虑不均匀受力情况由于冻土冻胀力的不均匀性，荷载图右下平面外稳定应力比（对应长细比）右上平面内稳定应力比（对应长细比）柱左强度计算应力比钢结构应力图说明钢结构应力图杆件的编号与工况1相同，从应力图上可以看出，在这种荷载工况作用下，应力较大的杆件是14、15号，最大应力比为09310，满足强度、稳定等要求。通过计算，支架结构各构件平面内满足强度、稳定等要求。可以承受50T预应力，起到控制隧道管片变形作用。所选构件断面经济、合理。此外，在平面外（即两榀支架间）采用两榀斜撑，形成空间稳定结构体系。各连接节点按内力选用螺栓及焊缝连接。第三部分应急防护门计算1设计条件旁通道处地面标高约为440M，隧道中心标高约为15889M。防护门门顶标高为1469M，防护门门底标高为1709M。根据地质报告，旁通道处各土层如下淤泥质土11粉质粘土暗绿色粉质粘土1砂质粉土地下水位为05M。2水土压力计算门迎水面承受水土压力按侧压系数07计算，土的平均重度取185KN/M3。水土压力门顶处（埋深1909M）24791581XPS门底处（埋深2149M）