输水隧道结构检算计算书

1、输水隧道设计计算书二一一年七月批 准 ： 审 核： 校 核：编 写：目 录1 设计计算依据12 设计原则13 结构设计检算原则14 设计计算范围45 计算模式及材料参数45.1计算模式45.2地层参数55.3支护材料参数56 荷载计算57 隧道结构检算87.1 按承载能力极限状态的隧道结构安全性检算87.1.1 初支结构安全性检算8工况一下衬砌结构安全性检算12工况二下衬砌结构安全性检算16工况三下衬砌结构安全性检算20工况四下衬砌结构安全性检算247.2按正常使用极限状态的长期组合效应下衬砌结构裂缝检算278 结论及建议33 1 设计计算依据(1)水工隧道设计规范DL/T 5195-2004

2、(2)水工混凝土计规范DL/T 5057-1996(3)水工建筑物荷载设计规范DL5077-1997(4)水工建筑物抗震设计规范DL5073-2000(5)水利水电工程结构可靠度设计统一规范GB50199(6)锚杆喷射混凝土支护技术规范GB50086(7)水利水电工程地质勘察规范GB50287(8)水工建筑物地下开挖工程施工技术规范DL/T 5099(9)水工建筑物水泥灌浆施工技术规范DL/T 5148(10)水电站进水口设计规范SD303(11)地勘报告2 设计原则(1)区间隧道设计应满足城市规划、隧道使用、施工工艺的要求，同时应尽可能减小对周边环境、地面交通的影响，减少建筑物的拆迁和管线的

3、改移。(2)结构设计应满足城市规划、输水功能、施工、防水、防腐蚀等要求， 结构在施工和使用区间应具有足够的强度、刚度、稳定性和足够的耐久性；(3)区间隧道内净空尺寸应满足输水量、设备布置、施工工艺等要求，并考虑施工误差、结构变形、测量误差等影响。(4)根据地质条件、区位环境、周边建筑及管线、道路交通等情况，合理选择施工方法和结构形式，尽量减少施工期间和建成后对环境造成的不利影响。(5)结构按抗震设防烈度7度进行抗震验算，并在结构设计中采取相应的抗震构造措施，提高结构的整体抗震性能；(6)结构防水应满足国家颁布的有关地下工程防水技术规范的规定。3 结构设计检算原则结构设计考虑持久状况，按承载能力

4、极限状态和正常使用极限状态进行设计。(1)按承载能力极限状态设计时，应考虑下列两种作用（荷载）效应组合：基本组合：由永久和可变作用效应组合。偶然荷载：由永久、可变加地震荷载偶然作用效应组合。按承载能力极限状态计算时所采用的荷载效应组合如表3-1。表3-1 承载能力极限状态作用（荷载）效应组合表设计状况作用组合主要考虑情况作用类别岩石压力衬砌自重内水压力地震荷载持久状况基本组合正常水位情况（工况一）1）2）3）-水位不可控情况（工况二）1）2）5）-短暂状况基本组合隧洞放空检修情况（工况三）1）2）-偶然状况偶然组合正常水位情况+地震荷载（工况四）1）2）3）6）注：表中数字含义参见表3-3；

5、上表适用于二衬结构检算时荷载组合，而在对初期支护进行安全性检算时，不包括内水压力作用分项。表3-3 作用（荷载）分类及其分项系数表作用分类作用名称作用分项系数永久作用1）围岩压力1.0（0.0）2）衬砌自重1.1（0.9）可变作用3）正常水位时的内水压力1.14）最低水位时的内水压力1.15）不能控制其水位时的内水压力1.2偶然作用6）地震引起土体和结构的惯性力1.0注1：表中内水压力分项系数取值根据DL/T5057-1966附录注2：除经专门论证，否则，当作用效应对结构有力时，作用分项系数取表中第三栏括号内的数字。(2)按正常使用极限状态设计时，应考虑下列两种作用效应组合： 短期组合，可变作

6、用的短期效应与永久作用效应的组合。 长期组合，可变作用的长期效应与永久作用效应的组合。按正常使用极限状态计算时所采用的荷载效应组合如表3-2。表3-2 正常使用极限状态作用（荷载）效应组合表设计状况作用组合主要考虑情况作用类别及分项系数岩石压力衬砌自重内水压力持久状况基本组合正常水位情况（工况五）1.01.01.0(3)承载能力极限状态计算公式对基本组合，采用下列极限状态表达式。 (3-1)式中：结构重要性系数，本隧道对应于结构安全级别为级，重要性系数取0.9。设计状况系数，对应于持久状况、短暂状况、偶然状况，可分别取用1.0、0.95、0.85。S(·)作用效应函数；R(·

7、;)支护的抗力函数；永久作用分项系数，按表3-3选用；可变作用分项系数，按表3-3选用；永久作用标准值，参照水工建筑物荷载计算规范（DL5077-1997）计算；可变作用标准值，参照水工建筑物荷载计算规范（DL5077-1997）计算；材料强度设计值，C20喷射混凝土轴心抗压强度设计值取10.0MPa，C30浇筑混凝土轴心抗压强度设计值取20.0MPa；支护几何参数，取衬砌厚度0.45m；结构系数，钢筋混凝土衬砌取1.20；对钢筋混凝土结构，根据水工混凝土结构设计规范（D5057-1）相关规定进行检算，具体表达如式(3-2)和式(3-3)所示，结合结构重要性系数和设计状况系数，分别对结构轴力和

8、弯矩进行检算。 (3-2) (3-3)式中各变量含义详见水工混凝土结构设计规范（D5057-1）。对偶然组合，应采用下列极限状态设计表达式。 (3-4)式中：偶然作用代表值。结构的轴力和弯矩计算方法同上。(4)正常使用极限状态验算规定：对短期组合，应采用下列设计表达式 (3-5)对长期组合应采用下列设计表达式 (3-6)式中：C1，C2衬砌开裂宽度限值，长期组合时取0.25mm，短期组合时取0.30mm；材料强度标准值，C30浇筑混凝土轴心抗拉强度取2.0MPa；Ss(·)、S1(·)作用效应短期组合和长期组合的功能函数；可变作用标准值的长期组合系数，本标准规定取1.0。其

9、他变量含义同前。计算中裂缝宽度计算公式如下式(3-7)和(3-8)所示。 (3-7) (3-8)式7、8中变量含义详见水工隧道设计规范（DL/T 5195-2004）附录。4 设计计算范围石家庄市民心河二期工程桥西明渠水系工程（南段）ZK1ZK3暗挖隧道。隧道结构采用双衬结构，初衬为25cm厚的C20喷射混凝土，二衬为45cm厚的C30钢筋混凝土。主要计算内容为隧道埋深最大处（ZK3附近）断面二衬结构内力（轴力、弯矩）和裂缝宽度。5 计算模式及材料参数5.1计算模式隧道工程建筑物是埋置于地层中的结构物，它的受力和变形与围岩密切相关，支护结构与围岩作为一个统一的受力体系相互约束，共同工作。这种共

10、同作用正是地下结构与地面结构的主要区别。根据本工程浅埋及松散地层的特点，采用“荷载结构”模式，即将支护和围岩分开考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承。支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约束来实现的。计算荷载考虑永久荷载、可变荷载和偶然荷载。永久荷载包括围岩松动压力、结构自重，可变荷载为上游正常水位情况下隧道内部的内水压力，偶然荷载为地震引起的结构惯性力。考虑地层对结构的弹性抗力。5.2地层参数隧道洞身主要处于粉质粘土中，隧道上部土层厚度及参数如表5-1。表5-1 土层物理力学参数表地层参数层厚/m容重/(kN·m-3)摩擦角/粘聚力c/k

11、Pa弹性模量E/MPa弹性抗力系数K/(MPa·m-1)1.0-5.021.140.63.525.340.16.518.572.55.3支护材料参数支护材料的主要物理力学指标如表5-2所示。表5-2 支护材料的主要物理力学指标支护材料弹性模量E/GPa泊松比摩擦角/粘聚力c/MPa容重/(kN·m-3)0.20.2注：钢筋混凝土容重按25 kN/m3取值。6 荷载计算(1)永久作用（荷载）包括围岩松动压力、衬砌自重。围岩松动压力计算：作用在单位长度隧道上的垂直土压力标准值可按下式计算： (6-1)式中：Fsk隧道垂直土压力标准值（kN/m）； 土层的容重（kN/m3）；Hd

12、隧道顶以上填土高度（m），为9.95m； D1隧道宽度（m），为5.4m；Ks埋管垂直土压力系数，与地基刚度有关，取1.08。=1.08×（1.0×17.5+5.0×18.5+3.5×19.0+0.45×19.6）×5.4=1080.8单位宽度上松动压力标准值为：=200.148（kN/m2） 作用在单位长度上埋管的侧向土压力标准值可按下式计算： (6-2)式中：Ftk埋管侧向土压力标准值（kN/m）；H0埋管中心线以上填土高度（m），为69.9-56.7=13.2m；Dd埋管高度（m），为7.0m；Kt侧向土压力系数，土层似摩擦角，

13、取35°。=0.27。=0.27×(1.0×17.5+5.0×18.5+3.5×19.0+3.7×19.6)×7.0=470.615(kN/m)单位高度上侧向土压力标准值为：=67.231(kN/m2)。 衬砌自重：在有限元计算中，自重标准值通过对模型赋予构件质量和重力加速度实现。(2) 可变作用（荷载）包括上游正常水位情况下隧道内部的静水压力标准值。 (6-3)式中：隧道内静水压强(N/m2)；水的密度，103kg/m3；上游水位与隧道中心线高差(m)，为67.48-56.68+179×5×10-3=1

14、1.7m；重力加速度，取9.8m/s2。=9.8×103×11.7=1.1466×105(N/m2)(3)偶然荷载计算偶然荷载考虑地震作用力。 本地区地震按7度设防。支护结构为双层衬砌结构，马蹄形结构的地震荷载图式如图6-1。图6-1 马蹄形框架的地震荷载图式 初支结构的水平惯性力式中 综合影响系数，与工程重要性、隧道埋深、地层特性等有关，规范中建议，对于非岩石地基，=0.25； Kh水平地震系数，7度地区，Kh=0.1； m1 上部衬砌质量(kg)；m1 =3.27×1×2500= 8175 kg； H 上部衬砌的高度(m)；H =5.3m；

15、 m2 仰拱质量(kg)；m2=1.6575×1×2500= 4143.75 kg； f 仰拱的矢高(m)；f =1.7m。(，取10。求得385.6N/m， 609.4N/m。二衬结构的水平惯性力式中 综合影响系数，与工程重要性、隧道埋深、地层特性等有关，规范中建议，对于非岩石地基，=0.25； Kh水平地震系数，7度地区，Kh=0.1； m1 上部衬砌质量(kg)；m1 =5.39×1×2500= 13475 kg； H 上部衬砌的高度(m)；H =5.05m； m2 仰拱质量(kg)；m2=2.49×1×2500= 6225 k

16、g； f 仰拱的矢高(m)；f =1.45m。(，取10。求得667.1N/m， 1073.3N/m。洞顶上方土柱的水平惯性力为： (6-6)式中上方土柱的质量。重量为1000.7kN。 0.25×0.1×1000.7×103=25018N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，在7度地震区=1°30，土层的内摩擦角=18.5°。因此，结构一侧的主动侧向土压力增量为： (6-7)式中，=0.55；=0.52。 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。得2017Pa。7 隧道结构检算

17、7.1 按承载能力极限状态的隧道结构安全性检算 初支结构安全性检算(1)施工期间初支结构安全性检算按工况一下（不含内水压力分项）荷载组合效应计算，初期支护安全性检算计算模式如图7-1，初支结构变形如图7-7，初支结构的轴力(N)如图7-3，弯矩()如图7-4。图7-1 工况一下初支结构计算模式图图7-2 工况一下初支结构变形图图7-3 工况一下初支结构轴力图（单位：N）图7-4 工况一下初支结构弯矩图（单位：N M）(2) 初支结构内力，弯矩数据见表7-1。(3) 支护结构安全性检算设定隧道初期支护采用格栅钢架，钢架采用25mm主筋，对称配筋，钢筋纵向间距0.5m，截面厚度为0.25m，配筋率

18、为0.78%，钢筋保护层厚度取35mm，喷射混凝土强度等级为C20。可通过式1、2、3对钢筋混凝土结构截面内力进行安全性检算，详细计算方法及要求标准参见水工混凝土计规范（DL/T 5057-1996）。计算结果如表7-1。表7-1 工况一下（不含内水压力）初支结构检算表单元轴力(N) 弯矩()作用效应轴力(N) 支护抗力轴力(N)作用效应弯矩()支护抗力弯矩()检算结果合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格检算结果合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格续表7-1检算结果合格合

19、格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格工况一下衬砌结构安全性检算(1)工况一下二衬结构安全性检算计算模式如图7-5，二衬结构变形如图7-6，二衬结构的轴力(N)如图7-7，弯矩()如图7-8。图7-5 工况一下衬砌计算模式图图7-6 工况一下衬砌结构变形图图7-7 工况一下二衬结构轴力图（单位：N）图7-8 工况一下二衬结构弯矩图（单位：N M）(2) 二衬结构内力，弯矩数据见表7-2。(3) 二衬结构安全性检算设定隧道二衬结构采用22mm主筋，对称配筋，钢筋纵向间距0.15m，截面厚度为0.45m，配筋率为0.59%，钢筋保护层厚度取60mm，混凝土强度等级为C30。可通

20、过式1、2、3对钢筋混凝土结构截面内力进行安全性检算，详细计算方法及要求标准参见水工混凝土计规范（DL/T 5057-1996）。计算结果如表7-2。表7-2 工况一下二衬结构检算表检算结果合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格续表7-2检算结果合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格续表7-2检算结果合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格工况二下衬砌结构安全性检算工况二下计算模式图如图7-9，支护结构变形如图7-10，二衬结构的轴力(N)如图7-11

21、，弯矩()如图7-12。图7-9 工况二下计算模式图图7-10 工况二下二衬结构变形图图7-11 工况二下二衬结构轴力图（单位：N）图7-12 工况二下二衬结构弯矩图（单位：N M）二衬结构内力，弯矩数据及安全性检算方法同前，计算结果见表7-3。表7-3 工况二下二衬结构检算表检算结果合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格续表7-3检算结果合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格续表7-3检算结果合格合格合格合格合格合格合格合格工况三下衬砌结构安

22、全性检算工况三（隧道放空检修时）下计算模式图如图7-13，支护结构变形如图7-14，二衬结构的轴力(N)如图7-15，弯矩()如图7-16。图7-13 工况三下计算模式图图7-14 工况三下二衬结构变形图图7-15 工况三下二衬结构轴力图（单位：N）图7-16 工况三下二衬结构弯矩图（单位：N M）衬砌结构安全性检算可通过式1、2、3对钢筋混凝土结构截面内力进行计算。详细计算方法及要求标准参见水工混凝土计规范（DL/T 5057-1996）。二衬结构内力，弯矩数据及安全性检算结果见表7-4。表7-4 工况三下二衬结构检算表检算结果合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格

23、合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格续表7-4检算结果合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格工况四下衬砌结构安全性检算工况四下计算模式图如图7-17，支护结构变形如图7-18，二衬结构的轴力(N)如图7-19，弯矩()如图7-20。图7-17 工况四下计算模式图图7-18 工况四下二衬结构变形图图7-19 工况四下二衬结构轴力图（单位：N）图7-20 工况四下二衬结构弯矩图（单位：N M）衬砌结构安全性检算可通过式2、3、4对钢筋混凝土结构截面内力进行计算。详细计算方法及要

24、求标准参见水工混凝土计规范（DL/T 5057-1996）。二衬结构内力，弯矩数据及安全性检算结果见表7-5。表7-5 工况四下二衬结构检算表检算结果合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格续表7-5检算结果合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格7.2按正常使用极限状态的长期组合效应下衬砌结构裂缝检算工况五下计算模式图如图7-21，支护结构变形如图7-22，二衬结构的轴力(N)如图7-23，弯矩()如图7-24。图

25、7-21 工况五下计算模式图图7-22 工况五下二衬结构变形图图7-23 工况五下二衬结构轴力图（单位：N）图7-24 工况五下二衬结构弯矩图（单位：N M）衬砌结构裂缝检算可通过式6、7、9进行计算。详细计算方法及要求标准参见水工混凝土计规范（DL/T 5057-1996）。长期组合效应下裂缝宽度限值为0.25mm。二衬结构内力，弯矩数据及裂缝宽度检算结果见表7-6。表7-6 工况五下二衬结构裂缝宽度检算表（钢筋保护层为60mm）检算结果大合格大合格大合格大合格大合格合格合格大合格大合格大合格大合格大0.271 不合格大0.280 不合格大0.265 不合格大合格大合格大合格续表7-6检算结果合格合格大合格大合格大合格大合格大合格大合格大合格大合格合格合格合格合格合格大合格大合格大合格大合格大合格大合格合格合格大合格大合格大合格大合格大合格大合