人高路道路工程二期隧道结构计算书

人高路道路工程二期隧道结构计算书全一册人高路道路工程二期隧道结构计算书隧道结构计算说明书1工程概况及地质条件1.1工程概况人高路道路工程二期位于已建机场东联络北线以北，寨子路以南，规划御复路以东以及规划疏港大道以西。项目南起已实施完成的一期终点：人高路-机东北交叉口，由南往北分别与黄胡路、横一路和寨子路相交形成简易菱形立交。本次设计采用城市主干道标准，隧道段标准路幅为双向8车道，设计车速50km/h。全线设置隧道1座，隧道设置于右线，采用单洞单向四车道隧道方案。隧道建筑限界净宽为17.25m，净高5.0m。其洞身结构按新奥法进行设计施工，采用复合衬砌，初期支护以喷射混凝土、钢架、锚杆和钢筋网等为主要支护手段；二次衬砌采用钢筋混凝土结构。表1.1二衬衬砌参数洞室类别衬砌类型拱墙仰拱厚度（mm）配筋（HRB400）厚度（mm）配筋隧道Ⅳ级围岩复合式衬砌7006φ227006φ22Ⅴ级围岩复合式衬砌8006φ288006φ28明洞Ⅴ级围岩明洞衬砌8006φ288006φ28注：二衬采用C35钢筋混凝土。图1.1Ⅳ级围岩复合式衬砌（单位：cm）图1.2Ⅴ级围岩复合式衬砌（单位：cm）图1.3V级围岩明洞衬砌（单位：cm）1.2地质条件1.2.1地形地貌勘察区属构造剥蚀丘陵地貌，山丘呈浑圆状，山丘斜坡坡角一般10～35°，局部可达50°～70°。丘间洼地宽缓，地形坡角一般0～10°。勘察区地势起伏，最低位于左线K1+800处，高程为184.09m，最高点位于右线K0+500处，高程为255.34m，相对高差71.25m。1.2.2气象、水文根据收集的重庆气象资料表明：勘察区地处北半球亚热带内陆的四川盆地东部，地处川东平行岭谷中，属东南亚季风环流控制范围，具备亚热带湿润季风气候特性，复杂多样的地貌类型，使其具有较明显的气候垂直带谱结构。区内气候特点是：气候温和、四季分明、雨量充沛，具冬暖、夏热、秋长的气候特点。多年平均气温17.6℃，极端最高气温41.7℃，极端最低气温-1.8℃，最热为每年7月中旬至8月中旬，最冷为每年12月下旬至次年1月中旬。年平均无霜期为335天，霜冻一般出现在每年小雪至次年立春前后（即12～1月），轻者地面草丛上白霜，重者水田起薄冰，多发生于每次寒潮过后的晴天。整年多云雾，全年日照时间不超过1276小时，全年日照平均率为25%，8月日照时间最多为平均223小时，10月平均日照时间20小时。春天为纯东南风，风力一般1～2级，夏季多东南风和西北风，风向不稳定，往往夹着雷暴，风力为阵性大风，最大可达8级，伏天午时多南风，一般1级微风，秋冬季节为西北风，风向较稳定，最大5级。冬春季节多为高积云和层积云，云积稳定，终日笼罩，不见天日。夏季多为积雨云和雷雨云，云层变化大，分布不均，积散较快。秋天多为云朵，移动缓慢，显得秋高气爽。多年年平均降雨量为1085.1～1141.8mm，多年最大日降雨量126.6mm，最大日降雨量266.6mm(2007年7月17日)，降雨主要集中在每年5～9月份，降雨量占全年总降雨量的70%，多年平均相对湿度78%，绝对湿度17.6mb，因大气污染，时有酸雾酸雨发生，大气降雨是该区域内地表水及地下水的主要补给源，地表水汇入河沟内。项目区域内地表水体主要表现下坝水库、青年水库、农田、鱼塘和小冲沟。青年水库、下坝水库位于重庆市渝北区龙兴镇下坝村，属于长江水系御临河支流，青年水库集雨面积7.78km2，总库容21.9万立方米，下坝水库总库容24.57万立方米,青年水库可灌面积290亩，是一座以防洪、灌溉为主兼养殖的综合利用的小Ⅱ型水库。该枢纽工程由大坝、溢洪道、放水设施组成。水库大坝为均质土坝，最大坝高11.87米，坝顶高程205.0米，坝轴线长55.0米；左溢洪道堰顶高程为201.85m，右岸溢洪道堰顶高程为201.75m。该工程始建于1958年10月，于1959年4月竣工，2013年进行了维修整治。下坝水库总库容24.57万立方米，道路沿线局部分布有鱼塘、农田、小溪沟，现场调查，水深约0.5～1.5m，之外无其它地表水体。1.2.3地质构造拟建场地在构造单元上属于大盛场向斜南东翼，岩层呈单斜产出，岩层倾向280°～301°、倾角66°～75°，岩层面为硬性结构面，结合程度差。区内未发现断层及次级褶皱，岩层构造简单，岩土层序正常。受区域构造应力及外营力作用影响，岩体风化裂隙发育，据踏勘和区域地质资料，岩体发育构造裂隙如下：①倾向25°～30°，倾角80°～81°，延伸1.0～2.0m,间距0.6～1.0m，裂面较平整，张开1～3mm，无充填物；为软弱结构面，结合很差。②倾向178°～191°，倾角74°～79°，延伸1.0～3.0m，间距1.0～2.0m，裂面较平整，闭合状，无充填物，为软弱结构面，结合很差。1.2.4地层岩性通过地面调查和钻探揭示，场地内地层为第四系全新统人工填土层(Q4ml)、第四系全新统残坡积层(Q4el+dl)、和侏罗系中统沙溪庙组地层（J2s）。1、第四系全新统(1)人工填土层（Q4ml）素填土：杂色，结构稍密，稍湿，主要由粉质粘土和碎块石组成，碎块石含量10%-40%，粒径5-45mm，粉质粘土干强度中等，韧性中等，无摇震反应，可塑，回填时间大于1年。揭露最大厚度15.80m(ZK68)。填方主要分布在人类工程活动较多的公路附近、居民民房及在左线K0+250～K0+700段。(2)残坡积层(Q4el+dl)粉质粘土:黄褐色，呈可塑状，无摇震反应，切面稍有光泽，干强度中等，韧性中等，局部含少量碎石，约5-10%，粒径2-10cm；经钻探揭露粉质粘土在拟建场地内主要分布于地形相对较低的洼地地带或地形平缓地带，揭露最大厚度为8.10m(ZK133)。2、侏罗系中统沙溪庙组地层(J2s)场区内基岩为砂岩、泥岩，分布连续稳定。(1)砂岩(J2s-Ms)：黄褐色、灰黄色、灰色、灰白色、青灰色。主要由长石等矿物组成，中～粗粒结构，钙质胶结为主，中厚层状构造，局部含泥质。场地内广泛分布。(2)泥岩(J2s-Ss)：紫红色、暗紫红色。由粘土矿物成分组成，泥质结构，钙、泥质胶结，中厚层状构造，局部含砂质较重。在拟建场地广泛分布。根据《市政工程地质勘察规范》(DBJ50-174-2014)结合钻取岩芯风化程度，在钻孔深度范围内可划分强、中等风化带：(1)强风化带：岩体结构破坏严重，岩体破碎，岩芯多呈碎块状、短柱状；强风化揭露厚度一般0.75～2.50m，风化裂隙发育，胶结结构大部分已破坏，强度极低，岩块手易折断；(2)中等风化带：岩石结构致密，岩体较完整，钻取岩芯多呈柱状、短柱状，中等风化岩层层理结构清晰。场地内第四系覆盖层厚0.30～15.80m，基岩面大致随地形起伏而起伏，基岩面坡度角一般5°～20°。1.2.5不良地质作用及主要工程地质问题经调查，该段拟建道路场地内不良地质作用不发育，未发现滑坡、崩塌、塌陷、泥石流、采空区、地面沉降等地质灾害；未发现有埋藏的河道、沟浜、墓穴、防空洞等对工程不利的埋藏物；钻探揭露岩石层位连续稳定，无地下洞穴、破碎带分布,仅在ZK195钻孔23.10-24.0m段发现一软弱夹层。综上所述：勘察区不良地质现象不发育，勘察区主要工程地质问题为该路段路基、路堑挖填方边坡稳定性问题、隧道围岩稳定性问题及桥梁基础开挖稳定性问题。1.2.6水文地质条件隧址区穿越山脊，区内土体分布于隧道进口洞及出洞口范围，厚度厚薄不宜，进洞口及出洞口主要为透水性差的粘性土，地处斜坡，排泄条件好，富水性差，含水贫乏。地下水多顺坡向作短途径流后排向地势低洼的南北两侧台地及沟谷内。地下水的季节性明显，隧道所处地形地质条件决定隧址区地下水较贫乏，赋存少量裂隙水。本次勘察对各钻孔的水位进行了观测，钻孔中未发现地下水。区内砂岩为含水层，且砂岩泥岩互层，泥岩为相对隔水层，故区内地下水条件存储条件差。因此，勘察区浅表层内地下水较贫乏。根据现场调查，场区周边无厂矿企业，无污染水源存在，附近无污染源流经或渗入场区，场地岩土未受污染，依据《公路工程地质规范》JTGC20-2011附录K表K.0.3判定场地环境类别划为Ⅲ类，按《公路工程地质勘察规范》JTGC20-2011附录K条和当地经验判定，地下水和土体对混凝土结构有微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋有微腐蚀，土对钢结构有微腐蚀性。1.2.7水、土化学特征本次勘察取水样1组由重庆渝碚实验检测中心进行腐蚀性实验。水质分析成果表表3-1实编号验下坝水库SY1阳离子Ca2+mg/L74.69阴离子CI-mg/L12.58Mg2+mg/L17.47SO42-mg/L143.19Na++K+mg/L21.77HCO3-mmol/L169.38总硬度mg/L258.45游离CO2mg/L8.37总碱度mg/L138.91侵蚀性CO2mg/L4.70暂时硬度mg/L138.91PH值7.47永久硬度mg/L119.54注：根据《公路工程地质规范》JTGC20-2011附录K表K.0.2-1、表K.0.2-2和表K.0.2-3中，地表水对混凝土结构及钢筋混凝土结构中钢筋为微腐蚀性。负硬度mg/L0.00PH值-7.80根据现场调查，场区周边无厂矿企业，无污染水源存在，附近无污染源流经或渗入场区，场地岩土未受污染，依据《公路工程地质规范》JTGC20-2011附录K表K.0.3判定场地环境类别划为Ⅲ类，按《公路工程地质勘察规范》JTGC20-2011附录K条和当地经验判定，地下水和土体对混凝土结构有微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋有微腐蚀，土对钢结构有微腐蚀性。2结构计算模型2.1计算软件隧道结构计算采用MIDAS/GTS有限元分析软件。2.2计算依据(1)《人高路道路二期工程》隧道设计图设计文件(2)《重庆市两江新区人高路道路二期工程(K0+000～K3+080段)工程地质勘察报告》(重庆市二零八勘察设计院)(3)《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010（2006年修订版))(4)《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004)(5)《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)2.3计算模型隧道支护参数是根据工程类比和经验，并参照规范拟定，其中初期支护措施对隧道施工安全有很大影响，其参数应根据地质情况及监控量测结果及时调整。二衬受力、变形对工程运营有重大影响，本计算主要检算隧道使用期间二衬的受力、变形，计算对象为隧道二衬结构。二衬计算采用主动荷载加地层弹性约束模型，按平面杆系有限元法进行计算，对隧道典型衬砌进行结构计算。其中地层与结构的共同作用采用地层弹簧（只能受压）模拟，深埋和浅埋衬砌内力计算模型见图2.1和2.2，图2.1深埋隧道荷载结构计算模型图2.2浅埋隧道荷载结构计算模型图2.3明洞荷载结构计算模型3荷载计算3.1荷载分类地下结构设计，应根据结构型式、受力条件、地下水情况等因素，按下表所列荷载对结构整体可能出现的最不利组合进行计算。表3.1荷载分类表荷载分类荷载名称永久荷载结构自重地层压力隧道上部和破坏棱体范围的设施及建筑物压力混凝土收缩及徐变作用地基下沉影响力水压力及浮力侧向地层抗力及地基反力可变荷载基本可变荷载地面车辆荷载地面车辆荷载引起的侧向土压力其它可变荷载施工荷载温度变化影响偶然荷载地震作用人防荷载 注：施工荷载指设备运输及吊装荷载、施工机具及人群荷载，相邻工程施工的影响等。3.2荷载计算方法1）结构自重：为沿衬砌横断面分布的竖向荷载；2）竖向地层压力：暗挖隧道按围岩等级、覆盖层厚度、开挖毛洞宽度判别隧道是浅埋或深埋，分别按浅埋或深埋计算竖向地层压力。3）水平地层压力：暗挖隧道按围岩等级、覆盖层厚度、开挖毛洞宽度判别隧道是浅埋或深埋，分别按浅埋或深埋计算水平地层压力。4）侧向地层抗力和地基反力：根据结构型式及其在荷载作用下的变形、结构的刚度、施工方法及加固措施合理确定。3.3计算参数与结果隧道二次衬砌采用C35硂，钢筋均为HRB400。根据《公路隧道设计规范》取值：C35混凝土弹性模量=32.25GPa，泊松比c=0.3，重度=25kg/m3。围岩参数根据《重庆市两江新区人高路道路二期工程(K0+000～K3+080段)工程地质勘察报告》确定。根据规范计算可以得到围岩荷载如表3.2所示。二衬按一定比例承担围岩荷载，二衬荷载如表3.3。表3.2围岩荷载隧道断面类型围岩荷载竖向荷载q(kPa)侧向荷载e1(kPa)侧向荷载e2(kPa)隧道Ⅳ级围岩复合式衬砌479.4275.78114.88Ⅴ级围岩复合式衬砌464.01194.89194.89表3.3二衬荷载隧道断面类型围岩荷载竖向荷载q(kPa)侧向荷载e1(kPa)侧向荷载e2(kPa)隧道Ⅳ级围岩复合式衬砌191.7730.3145.95Ⅴ级围岩复合式衬砌371.21155.91211.15表3.4明洞荷载衬砌类型压力方向位置拱顶拱脚墙顶墙脚明洞衬砌垂直压力上坡侧55.21188.16//下坡侧54.91181.07//侧压力上坡侧14.8850.7324.9540.73下坡侧14.7348.5623.8433.084计算结果4.1Ⅳ级围岩复合式衬砌1）衬砌内力图4.1.aⅣ级围岩复合式衬砌弯矩图图4.1.bⅣ级围岩复合式衬砌轴力图表4.1.aⅣ级围岩复合式衬砌内力值构件计算内力弯矩（kN·m）轴力（kN）内侧外侧拱顶273.47807.84拱腰289.411106.73墙脚204.721318.18仰拱202.161253.112）衬砌验算按破损阶段法验算衬砌截面强度及抗裂验算，结果如下表4.1.b所示。表4.1.bⅣ级围岩复合式衬砌结构强度及抗裂验算表位置截面厚度(mm)混凝土配筋（HRB400）安全系数裂缝宽度（mm）e0/h0拱顶700C356φ226.04—0.530拱腰700C356φ226.81—0.409墙脚700C356φ228.47—0.243仰拱700C356φ228.79—0.252各截面位置均安全系数K>2.4，各截面e0/h0均小于0.55，不用验算裂缝宽度,Ⅳ级围岩复合式衬砌设计满足结构强度和抗裂要求。4.2Ⅴ级围岩复合式衬砌1）衬砌内力图4.2.aⅤ级围岩复合式衬砌弯矩图图4.2.bⅤ级围岩复合式衬砌轴力图表4.2.aⅤ级围岩复合式衬砌内力值构件计算内力弯矩（kN·m）轴力（kN）内侧外侧拱顶11573136拱腰12914034墙脚8244402仰拱87942182）衬砌验算按破损阶段法验算衬砌截面强度及抗裂验算，结果如下表4.7.b所示。表4.2.bⅤ级围岩复合式衬砌结构强度及抗裂验算表位置截面厚度(mm)混凝土配筋（HRB400）安全系数裂缝宽度（mm）e0/h0拱顶800C356φ282.68—0.501拱腰800C356φ282.54—0.435墙脚800C356φ283.42—0.254仰拱800C356φ283.43—0.283各截面位置均安全系数K>2.4，各截面e0/h0均小于0.55，不用验算裂缝宽度,Ⅴ级围岩复合式衬砌设计满足结构强度和抗裂要求。。4.3Ⅴ级围岩明洞衬砌计算1）衬砌内力图4.3.aⅤ级围岩明洞衬砌弯矩图图4.10.bⅤ级围岩明洞衬砌轴力图表4.3.aⅤ级围岩明洞衬砌内力值构件计算内力弯矩（kN·m）轴力（kN）内侧外侧拱顶225.01520.23拱腰347.226921.13墙脚88.971026.91仰拱171.59993.362）衬砌验算按破损阶段法验算衬砌截面强度，并计算正常使用状态下裂缝宽度，结果如下表4.10.b所示。表4.3bⅤ级围岩明洞衬砌结构安全系数及裂缝宽度表位置截面厚度(mm)混凝土配筋（HRB400）安全系数裂缝宽度（mm）e0/h0拱顶800C356φ225.880.13—拱腰800C356φ224.920.19—墙脚800C356φ2214.90—0.136仰拱800C356φ2212.55—0.270各截面位置均满足安全系数K>2.4，拱顶和拱腰截面最大裂纹宽度小于0.2mm；墙脚和仰拱截面e0/h0均小于0.55，不用验算裂缝宽度。Ⅴ级围岩明洞衬砌设计满足结构容许应力和抗裂要求。5工程类别5.1工程案例一：广州东二环高速公路龙头山隧道图5-1龙头山隧道建筑限界及内轮廓龙头山隧道是同三、京珠国道主干线广州绕城公路的关键工程，为一分离式双洞八车道高速公路隧道，隧道设计净宽18m，净高8.95m，设计行车速度100km/h，隧道桩号