城市轨道交通地下区间隧道结构设计计算书

1、城市轨道交通地下区间隧道结构设计计算书TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc18118 1 工程概况 工程概概况1.1工程程场地地地层特征征场地的地层层上而下下划分为为6层，各各层特征征及描述述如表11-1，强强度参数数如表1-22。2.2 工工程水文文特征地下水主要要赋存于于卵石层层中，属属兰州断断陷盆地地松散岩岩类孔隙隙性潜水水，是兰兰州市的的主要水水源地。水水位埋深深10.0m，水位位具有由由北西向向南东缓缓慢降低低的趋势势，水位位变化幅幅度一般般2.00m-33.0mm。表1-1 地层特特征表层号土层名称岩性描述第四系全新统（Q4）1-1杂填填土杂色，广泛泛分布于

2、于本场地地地表和和道路表表面、建建筑场地地表面、垃垃圾填埋埋场，成成份复杂杂，以粉粉土、中中粗砂、卵卵石、圆圆砾为主，含含砖块、水水泥块、煤煤渣、生生活垃圾圾等，一一般稍密密，路基基基础经经压实处处理，达达密实状状态。该该层厚度度3.00 m。2-1黄土土状土灰黄色、深深灰色，硬硬塑，大大空隙、针针状空隙隙及虫孔孔发育，有有铁锰质质及钙质质条纹，含含植物根根系、蜗蜗牛壳、云云母片等等，具水水平层理理。塑形形指数IIp平均均值为113.55，室内内定名为为粉质粘粘土，本本层层顶顶深度33.0mm，厚度度3.00m。液液性指数数IL=0.110，压压缩系数数a1-2=00.455MPaa-1，为为

3、中压缩缩性土。地地下水位位低于该该层。广广泛分布布于二级级阶地上上部。该该层土层层从上至至下，灰灰黄色部部分，粉粉粒含量量较高；深灰色色部分，粘粘粒含量量较高；该层底底部局部部存在220cmm400cm厚厚的粉细细砂层。2-5细砂砂灰黄色，湿湿，一般般粒径00.255mm-2mmm为主，含含量大于于50%，矿物物成分主主要为石石英、长长石、云云母等。局局部地段段加有中中砂，含含少量圆圆砾、砾砂。含含量5%-155%。具具水平层层理，稍稍密。该该层分布布不连续续，以薄薄层状或或透镜体体状分布布于卵石石层顶面面，本次次勘探揭揭露透镜镜体厚度度0.55m。2-10卵卵石杂色、灰白白色，局局部夹有有薄

4、层或或透镜状状砂层，广广泛分布布于地黄黄土状土土之下。据颗分分资料及及现场调调查，该该层漂石石、卵石石含量占占50%600%，一一般粒径径20mmm660mmm，漂石石含量较较少，最最大粒径径为5000mmm。粒径径2mmm200mm的的圆砾含量占占17%288%，中中粗砂填填充。卵卵石、圆圆砾母岩成成分主要要为砂岩岩、花岗岗岩、石石英岩、硅硅质岩、钙钙钙质泥泥岩、燧燧石等。级级配不良良，磨圆圆度较好好、分选选性较差差。水下下部分饱饱和，重重型动力力触探锤锤击数修修正值的的平均值值N633.5=23.82，密密实。该该层分布布稳定，层层顶埋深深6.55m，厚厚度6.0m。第四系下更更新统（Q1

5、）3-7 中中砂青灰色，饱饱和，一一般粒径径0.225mmm-2mmm为主主，含量量大于550%，矿矿物成份份主要为为石英、长长石、云云母等。局局部地段段加有细细砂或粗粗砂，含含少量圆圆砾、砾砂，含含量5%-155%。具具水平层层理，密密实。该该层分布布不连续续，以薄薄层状或或透镜体体状分布布于3-11卵卵石层中中，本次次勘探揭揭露透镜镜体厚度度0.77m-11.2mm。3-11卵卵石黄绿色、青青灰色，饱饱和，局局部夹有有薄层或或透镜状状砂层，广广泛分布布于二级级阶地上上部。据据颗分资资料及现现场勘查查，该层层漂石和和卵石含含量占550%-60%，一般般粒径220mmm-500mm，漂漂石含量

6、量较少，最最大粒径径可达4450mmm；粒粒径2mmm-220mmm的圆砾含量占占20%300%；中中粗砂填填充。卵卵石、圆圆砾母岩成成分主要要为砂岩岩、花岗岗岩、石石英岩、硅硅质岩、钙钙质泥岩岩、燧石石等。级级配不良良、磨圆圆度较好好，分选选性较差差。泥质质微胶结结，局部部成钙质质弱胶结结，钻孔孔局部可可形成柱柱状岩心心。重型型动力触触探锤击击数修正正值的平平均值NN63.5=228.225，密密实。该该层分布布稳定，层层顶埋深深10.8m-13.64mm，厚度度大。本本次勘探探最大深深度400m未揭揭穿该层层。据区区域资料料该层厚厚度可达达2000m-3300mm。表1-2 岩土土抗剪强强

7、度指标标建议值值表岩土编号岩土名称直接剪切试试验备注快剪粘聚力c(kPa)内摩擦角（）1-1杂填土0122-10卵石0403-11卵石2043微胶结2 结构设设计2.1城市市轨道交交通地下下工程类类型根据设计任任务书要要求，本本次设计计城市轨轨道交通通地下工工程的结结构类型型选取地地下区间间隧道。2.2 选选定施工工方法在隧道施工工中，开开挖方法法是影响响围岩稳稳定的重重要因素素。因此此，在选选择开挖挖方法时时，应对对隧道断断面大小小及形状状、围岩岩的工程程地质条条件、支支护条件件、工期期要求、机机械配备备能力、经经济性等等相关因因素进行行综合分分析，在在保证围围岩稳定定或减少少对围岩岩扰动的

8、的前提下下，采用用恰当的的开挖方方法。在本地下区区间隧道道的施工工方法选选取过程程中，按按照“安安全、可可靠、经经济、适适用”的的原则，根根据本工工程的实实际地质质情况确确定使用用暗挖法法施工。由由于地层层中主要要是黄土土，细砂砂、中砂砂、卵石石，而且且地下水水较发育育，岩体体松散，透透水，工工程地质质条件较较差，确确定该工工程所处处地质条条件为VV级围岩岩，故开开挖时架架立临时时支撑，设设置临时时仰拱，采采用暗挖挖法中较较为安全全的交叉叉中隔壁壁法(CCRD法法)。交叉中隔壁壁法(CCRD法法)水平方方向分两两部，上上下分三三部开挖挖。先开开挖中隔隔壁左侧侧的3部，及及时支护护并封闭闭临时仰

9、仰拱，再再开挖右右侧分部部及支护护，形成成左右两两侧开挖挖及支护护相互交交叉的情情形。同同一层左左右两部部开挖工工作面相相距122m，上上下层开开挖工作作面相距距保持33.6mm，且待待喷射混混凝土强强度达到到设计强强度的770%后后开挖相相邻部位位。根据据监控量量测结果果，中隔隔壁及临临时仰拱拱在仰拱拱浇筑前前逐段拆拆除，每每段拆除除长度112m。仰仰拱的浇浇筑距开开挖面118m，每每次浇筑筑长度66m。为为避免仰仰拱浇筑筑对开挖挖工作的的影响，需需架设临临时仰拱拱栈桥。滞滞后仰拱拱12mm进行拱拱墙二次次衬砌的的整体浇浇筑。CCRD的的爆破应应缩短循循环进尺尺，采用用少装药药、弱爆爆破，以

10、以减小爆爆破对中中隔壁及及临时仰仰拱的影影响。开开挖步序序见图22-1。图2-1 CRDD法施工工步序图图(单位位：m) = 1 * ROMAN I超前支支护；11左侧侧上部开开挖； = 2 * ROMAN III左侧上上部初期期支护；2左侧中中部开挖挖； = 3 * ROMAN IIII左侧中中部初期期支护；3左侧侧下部开开挖； = 4 * ROMAN IV左侧侧下部初初期支护护；4右侧上上部开挖挖； = 5 * ROMAN V右侧上上部初期期支护；5右侧中中部开挖挖； = 6 * ROMAN VII右侧中中部初期期支护成成环；66右侧侧下部开开挖； = 7 * ROMAN VII右右侧下部

11、部初期支支护； = 8 * ROMAN VVIIII仰拱及及混凝土土填充； = 9 * ROMAN IX二次衬衬砌2.3 隧隧道断面面设计该区间隧道道采用单单洞双线线隧道，根据铁铁路隧道道设计规规范和和铁路路工程建建设通用用参考图图，隧隧道断面面采用的的复合式式衬砌的的形式，该该隧道处处于V级围岩段段，隧道道预留变变形量为为12ccm,因因此隧道道的开挖挖净高和和净宽初初步拟定定见表2-1所示。除除去预留留变形量量，隧道道的断面面宽144.388m，高高12.24mm。隧道道断面图图见附图图。表2-1 隧道开开挖净高高和净宽宽围岩级别开挖净高(m)开挖净宽(m)12.48814.6223 结构

12、计计算3.1荷载载计算模模式隧道结构的的设计计计算包括括对初期期支护和和二次衬衬砌的设设计计算，本设设计只对对二次衬衬砌的设设计检算算，初期期支护由由工程类类比法确确定，不不对其进进行计算。二二次衬砌砌的设计计计算采用用荷载结构模模型，将将全部荷荷载施加加到衬砌砌结构上上，根据据求得的的衬砌内内力对已已拟定配配筋的衬衬砌进行行检算，并并对检算算未通过过的衬砌砌调整截截面配筋筋，直到到检算通通过为止止。整个个设计检检算过程程如下：(1)确定定隧道的的围岩级级别及相相应埋深深；(2)根据据围岩级级别和衬衬砌内轮轮廓尺寸寸，由工工程类比比法初步步拟定隧隧道的支支护和衬衬砌参数数，绘制制复合式式衬砌断

13、断面图；(3)由铁铁路隧道道设计规规范，计算围岩压力并确定典型计算断面；(4)采用用荷载结构模模型，利利用ANNSYSS建模进进行衬砌砌内力的的计算；(5)由计计算求得得的弯矩矩、轴力力进行衬衬砌结构构配筋的的检算。3.2 荷荷载计算算方法(1)隧道道深浅埋埋的判定定原则深、浅埋隧隧道分界界深度至至少应大大于坍方方的平均均高度且且有一定定余量。根根据经验验，这个个深度通通常为222.5倍的的坍方平平均高度度值，即即： (33-1)式中，深浅埋埋隧道分分界的深深度(mm)；等效荷荷载高度度值(mm)；系数222.5在在松软的的围岩中中取高限限，在较较坚硬围围岩中取取低限。当隧道覆盖盖层厚度度时为

14、超超浅埋，时为浅埋，时为深埋。(2)当隧隧道埋深深h小于或或等于等等效荷载载高度hhq（）时，为为超浅埋埋隧道，围围岩压力力按隧道道顶部全全土柱重重量计算算。围岩垂直均均布松动动压力为为： (3-2)式中，围岩容容重(kN/mm3)，见表表3-11；隧道埋埋置深度度(m)；围岩水平压压力e按朗金金公式计计算：隧道顶部水水平压力力：(33-3aa)隧道底部水水平压力力： (3-3b)表3-1 围岩压压力相关关计算参参数取值值围岩级别容重(kNN/m33)弹性反力系系数K(MPaa/m)岩体两侧摩摩擦系角角()计算摩擦角角() = 4 * ROMAN IV21.53500.855 = 5 * RO

15、MAN V18.51500.645(3)当隧隧道埋深深h大于等等效荷载载高度hhq且小于于深浅埋埋分界深深度（）时，为为一般浅浅埋隧道道，围岩岩压力按按谢家烋烋公式计计算：围岩垂直均均布松动动压力为为： (3-4) (3-5) (3-6)式中，坑道跨跨度(mm)；围岩的的容度(kN/mm3)；洞顶覆覆土厚度度(m)；岩体两两侧摩擦擦角()，见见表2-2；侧压力力系数；围岩计计算摩擦擦角()，见见表2-2；产生最最大推力力时的破破裂角()；隧道开开挖高度度(m)。围岩水平压压力按梯梯形分布布，由下下式确定定：隧道顶部水水平压力力： (3-7aa)隧道底部水水平压力力： (33-7bb)(4)当隧

16、隧道埋深深h大于或或等于深深浅埋分分界深度度Hp（）时，为为深埋隧隧道，围围岩压力力按自然然拱内岩岩体重量量计算：单线、双线线及多线线铁路隧隧道按破破坏阶段段设计，垂垂直均布布压力为为： (3-8)式中，等效荷荷载高度度值(mm)；围岩级级别，如如 = 3 * ROMAN IIII级围岩岩；围岩的的容重(kN/mm3)；宽度影影响系数数，其值值为： (3-9)式中，坑道宽宽度(mm)；每增加加1m时，围围岩压力力的增减减率(以m为基准准)，当5mm时，取取。围岩的水平平均布松松动压力力按表33-2计计算求得得。表3-2 围岩水水平均布布压力围岩级别 = 4 * ROMAN IV = 5 * R

17、OMAN V水平均布压压力0.2q0.2q3.3围岩岩压力的的计算(1)隧道道深浅埋埋判定隧道开挖最最大轮廓廓尺寸：B=144.622m，=122.488m等效荷载高高度：深浅埋分界界深度：由于围岩为为级，岩岩体软弱弱破碎、节节理发育育、强-弱风化化且含地地下水，故故取。根据本区间间隧道所所处地质质条件，设置隧道道埋深约约为133m，且且故为一般浅浅埋隧道道。(2) = 5 * ROMAN V级级围岩压压力的计计算一般浅埋隧隧道围岩岩压力按按谢家烋烋公式计计算：对于级围围岩，计计算摩擦擦角，则，垂直均布松松动压力力：水平松动压压力：隧道顶部：隧道底部：3.4 衬衬砌内力力计算衬砌内力的的计算采

18、采用荷载载结构模模型，利利用有限限元软件件ANSSYS进进行计算算。ANNSYSS加载求求解过程程如下：(1)设置置分析类类型：隧隧道采用用结构分分析模型型；(2)前处处理：设设置单元元类型、实实常数、材材料属性性，建模模并划分分单元；(3)求解解：施加加边界条条件、荷荷载并求求解；(4)后处处理：显显示并保保存变形形图、弯弯矩图、轴轴力图和和单元结结果表。隧道的ANNSYSS结构计计算模型型如图33-1，在在该结构构计算模模型中，衬衬砌结构构是承载载主体，承承受围岩岩的竖向向、水平平松动压压力和结结构自重重，围岩岩对衬砌砌变形的的约束作作用通过过弹簧单单元来模模拟。图3-1 结构计计算模型型

19、图ANSYSS建模时时，各种种材料参参数取值值如表33-3。表3-3 衬砌及及围岩计计算参数数衬砌及围岩岩容重(kNN/m33)弹性模量(GPa)弹性抗力系系K(MMPa/m)泊松比C35混凝凝土2531.50.2级围岩18.5150利用ANSSYS建建模求得得的结果果如下图图3-2、图3-3分别是是隧道弯弯矩图和和轴力图图。图3-2 区间隧隧道衬砌砌弯矩图图(单位位：Nm)图3-3 区间隧隧道衬砌砌轴力图图(单位位：N)3.5 衬衬砌强度度检算及及配筋3.5.11 强度度检算原原理按照铁路路隧道设设计规范范应按按破损阶阶段法和和容许应应力法检检算隧道道衬砌的的强度。(1)素混混凝土矩矩形截面

20、面的检算算 = 1 * GB3 混凝土矩矩形截面面中心及及偏心受受压构件件的抗压压强度应应按下式式计算： (3-110)式中，Raa混凝凝土或砌砌体的抗抗压极限限强度；K安全全系数，见见表3-4；N轴向向力（MMN）；B截面面宽度(m)；H截面面厚度(m)；构件的的纵向弯弯曲系数数，对于于隧道衬衬砌、明明洞拱圈圈及墙背背紧密回回填的边边墙，可可取=11.0；轴向力力偏心影影响系数数，计算算公式如如下：且表3-4 混凝土土和砌体体结构的的强度安安全系数数材料种类混凝土砌体荷载组合主要荷载主要荷载+附加荷载主要荷载主要荷载+附加荷载破坏原因混凝土或砌砌体达到抗压极限限强度2.42.02.72.3混

21、凝土达到到抗拉极限强度3.63.0 = 2 * GB3 从抗裂要要求出发发，混凝凝土矩形形截面偏偏心受压压构件的的抗拉强强度按下下式计算算： (3-111)式中，混凝土土的抗拉拉极限强强度，见见表3-5；截面偏偏心距(m)；表3-5 衬砌材材料力学学指标衬砌材料衬砌、钢筋筋力学指指标抗拉极限强强度(MMPa)弯曲抗压极极限强度度(MPPa)抗拉极限强强度(MMPa)计算强度(MPaa)C30混凝凝土22.528.12.2C35混凝凝土25.732.12.4HRB3335360HPB2335260对混凝土矩矩形构件件，按铁铁路隧道道设计规规范规规定的安安全系数数及材料料强度竖竖直计算算结果表表明

22、，当当时，有有抗压强强度控制制承载能能力，不不必检算算抗裂；当时，由由抗拉强强度控制制承载能能力，不不必检算算抗压。(2)钢筋筋混凝土土矩形截截面的检检算 = 1 * GB3 大偏心受受压构件件的检算算钢筋混凝土土矩形截截面的大大偏心受受压构件件()其截面面强度应应按下列列公式计计算： (3-12)或 (3-113)中性轴的位位置按下下式确定定： (3-114)当轴向力作作用于钢钢筋与的重心心之间时时，式中中左边第第二项取取正号；当作用用于和两重心心以外时时，则取取负号。如计算中考考虑受压压钢筋时时，则混混凝土受受压区高高度应符符合，如如不符合合，则按按下式计计算： (3-15)式中，轴向力力

23、(MNN)；K钢筋筋混凝土土结构强强度安全全系数，见见表3-8；，钢筋筋和的重心心至轴向向力作用用点的距距离(mm)；表3-6 钢筋混混凝土结结构的强强度安全全系数荷载组合主要荷载主要荷载+附加荷荷载破坏原因钢筋达到计计算强度度或混凝凝土达到抗压或或抗剪极极限强度度2.01.7混凝土达到到抗拉极极限强度度2.42.0 = 2 * GB3 小偏心受受压构件件的检算算钢筋混凝土土矩形截截面小偏偏心受压压构件()，其截截面强度度应按下下式计算算 (33-166)当轴向力作作用于钢钢筋和的重心心之间，尚尚应符合合下列要要求： (33-177)3.5.22 强度度检算及及配筋按照要求应应对 = 5 *

24、ROMAN V级围岩岩的隧道道衬砌进进行配筋筋检算。首首先根据据衬砌厚厚度采用用最小配配筋率初初配配筋筋，根据据规范要要求采用用允许应应力法反反算强度度安全系系数K，若安安全系数数大于规规范要求求的安全全系数，则则只需按按最小配配筋率配配筋即可可；若反反算得出出的安全全系数小小于规范范要求，则则需要增增加配筋筋率，反反复计算算直至强强度安全全系数大大于规范范要求为为止。对于V级围围岩一般般隧道衬砌砌结构，按按偏心受受压构件件对称配配筋，取取每侧4420钢筋筋，则单单侧的环环向主筋筋筋面积,混凝土土用C335，保护层层厚度取取50mmm，纵纵向筋采用1122250，箍箍筋采用用82500。配筋筋

25、结果检检算见表表3-7。表3-7 区间隧隧道衬砌砌配筋检检算表单元号轴力(N)弯矩(Nm)偏心距e00(mmm)截面高度(mm)Ag(mmm2)大小偏心判断安全系数1-2.344E+006-2.199E+00593.8885001256小偏心4.052-2.366E+006-2.044E+00586.5445001256小偏心4.113-2.411E+006-1.622E+00567.2115001256小偏心4.324-2.488E+006-9.977E+00440.1445001256小偏心4.675-2.577E+006-2.944E+00411.4665001256小偏心5.136-2

26、.644E+0063.56EE+04413.4665001256小偏心4.937-2.711E+0068.40EE+04431.0335001256小偏心4.458-2.755E+0061.10EE+05539.8445001256小偏心4.229-2.777E+0061.12EE+05540.3885001256小偏心4.1710-2.788E+0069.62EE+04434.5445001256小偏心4.2611-2.799E+0066.92EE+04424.8445001256小偏心4.4412-2.788E+0063.85EE+04413.8445001256小偏心4.6813-2.7

27、88E+0061.02EE+0443.685001256小偏心4.9114-2.788E+006-1.066E+0043.815001256小偏心4.9115-2.788E+006-1.877E+0046.715001256小偏心4.8416-2.800E+006-7.000E+0032.55001256小偏心4.9117-2.788E+0063.32EE+04411.9885001256小偏心4.7318-2.722E+0061.16EE+05542.6555001256小偏心4.2219-2.644E+0062.60EE+05598.3995001256小偏心3.5320-2.511E+0

28、063.49EE+055139.3345001256小偏心3.2721-2.300E+0062.95EE+055128.4425001256小偏心3.6922-2.088E+0061.39EE+05566.8445001256小偏心5.0223-1.933E+006-8.411E+00443.6116001256小偏心7.2724-1.877E+006-2.988E+005159.7726001256小偏心5.3825-1.844E+006-3.544E+005192.4496001256大偏心4.4926-1.844E+006-3.211E+005174.4486001256大偏心4.992

29、7-1.844E+006-2.499E+005135.116001256小偏心5.7928-1.855E+006-1.766E+00595.1666001256小偏心6.4329-1.866E+006-1.255E+00567.16001256小偏心6.9830-1.866E+006-1.066E+00557.1886001256小偏心7.231-1.855E+006-1.255E+00567.2886001256小偏心732-1.855E+006-1.766E+00595.5446001256小偏心6.4533-1.844E+006-2.499E+005135.4466001256小偏心5.

30、834-1.844E+006-3.211E+005173.9956001256大偏心4.9935-1.877E+006-3.544E+005189.6616001256大偏心4.536-1.933E+006-2.988E+005154.446001256小偏心5.2737-2.088E+006-8.411E+00440.3666001256小偏心6.838-2.300E+0061.39EE+05560.45001256小偏心4.6439-2.511E+0062.95EE+055117.4465001256小偏心3.4940-2.655E+0063.49EE+055131.7755001256小

31、偏心3.1741-2.733E+0062.60EE+05595.3665001256小偏心3.4642-2.788E+0061.16EE+05541.6555001256小偏心4.1443-2.811E+0063.32EE+04411.8335001256小偏心4.6744-2.799E+006-7.000E+0032.55001256小偏心4.9245-2.799E+006-1.877E+0046.75001256小偏心4.8346-2.799E+006-1.066E+0043.85001256小偏心4.947-2.799E+0061.02EE+0443.675001256小偏心4.948-2.799E+0063.85EE+04413.7995001256小偏心4.6649-2.799E+0066.92EE+04424.7885001256小偏心4.4450-2.788E+0069.62EE+04434.5775001256小偏心4.2751-2.766E+0061.12EE+0554