暗挖马蹄形断面隧道结构计算书

暗挖隧道断面A结构计算书工程概况暗挖隧道断面A适用于里程：右CRK0+385.715～K0+876.000，左CRK0+385.715～K0+906.500。施工采用暗挖台阶法，覆土高度从3.7m到10.8m。选取覆土最深的右线CRK0+488.000处断面进行结构内力计算。计算程序采用Midas有限元软件(6.1.1工程地质与水文地质情况结构所处地质属于第四系地质，土层根本上以填土、粉土、粉质粘土、砂土和圆砾卵石为主，含有一定的粘土；结构所处土层为卵石圆砾〔5〕，中粗砂〔5--1〕，粉土〔6--2〕，中粗砂〔7--1〕，结构上主要覆土为填土、粉土、粉质粘土、粉细砂、中粗砂。根据提供的地质资料，计算采用地质资料提供的地层参数，其地质情况及参数选取见表1。计算水位采用地质报告提供的抗浮水位〔标高30m〕。表1：土层参数表编号土层名称厚度(m)容重(kN/m3)C(kPa)φ(°)静侧压系数1--1杂填土1.816.5－－－2粉土1.119.22929－2--1粉质粘土0.519.536190.482粉土1.719.22929－2--3粉细砂1.019.50250.402--4中粗砂2.519.80320.405卵石圆砾2.721.00500.255--1中粗砂1.220.50400.336--2粉土3.019.118280.417--1中粗砂2.220.80320.2覆土加权容重=19.4kN/m3；断面所在土层加权容重＝20.3kN/m3，断面土层加权侧压系数为=0.33，水平与竖直基床系数按地质报告资料取平均值为55MPa/m3。结构尺寸的拟定结构高6.28m，宽5.9m，初衬厚0.25m，二衬厚0.3m，具体结构断面尺寸如图图1：暗挖隧道单线马蹄形断面图模型及荷载组合计算模型本次计算按照平面应变模型进行，采用结构－荷载模式。根据地下结构的埋深以及穿越土层的地质特点，将结构覆土换算成上覆土荷载和侧土压力荷载，施加在结构上进行结构内力分析。二衬结构计算时考虑水压力的作用，采用水土分算及水土合算分别进行内力分析。计算时假定初衬承当全部土荷载，不承当水荷载。二衬承当70％的土荷载及全部的水荷载。荷载组合：根本组合1.35×永久荷载标准值＋1.4×0.7×活载标准值准永久组合永久荷载标准值＋0.7×活载标准值施工阶段荷载组合根本组合×0.9抗震偶然组合1.2×永久荷载标准值＋1.4×0.7×活载标准值＋地震荷载标准值人防偶然组合1.2×永久荷载＋人防荷载对于暗挖地下区间及附属结构计算，初衬由施工阶段荷载组合控制，二衬由正常使用极限状态〔最大裂缝〕或承载能力极限状态控制，本区间暗挖隧道断面小，埋深大，偶然组合不控制二衬结构的配筋。荷载计算及计算简图荷载计算地面超载：20kN/m3，由于结构覆土比拟高，计算中地面超载可忽略不计；初衬荷载标准值：覆土加权容重＝19.4kN/m3，断面土层加权容重＝20.30kN/m3。土层含水量w>20%，考虑施工降水作用含水量w减少10%，那么：覆土计算容重；断面土层计算容重顶拱竖向土压力：＝10.8×17.6+0.125×18.5=192.4kN/m结构侧向土压力：=192.4×0.33＝63.5kN/m=(192.4+6.03×18.5)×0.33＝100.3kN/m底拱地基反力由地基弹簧变形提供，结构自重由程序自行考虑。二衬荷载标准值：水土合算顶拱竖向土压力：＝10.8×19.4×0.7+0.4×20.3×0.7=152.3kN/m结构侧向土压力：=152.3×0.33＝50.3kN/m=(152.3+5.33×20.3×0.7)×0.33＝75.3kN/m底拱地基反力由地基弹簧变形提供，结构自重由程序自行考虑。水土分算顶拱竖向水压力：=(11.2-10.7)×10=4.7kN/m结构侧向水压力：p1=p0=4.7kN/m=5.8×10=58.0kN/m底拱水压力：p3=p2=58.0kN/m顶拱竖向土压力：＝10.8×19.4×0.7+0.4×10.3×0.7=150.0kN/m结构侧向土压力：=150.0×0.33＝49.5kN/m=(150.0+5.33×10.3×0.7)×0.33＝62.2kN/m底拱地基反力按计算由地基弹簧变形提供，结构自重由程序自行考虑。计算简图初衬计算简图见图2，二衬计算简图见图3〔水土合算〕、图4〔水土分算〕。图2：暗挖隧道马蹄形断面初衬计算简图图3：暗挖隧道马蹄形断面二衬计算简图〔水土合算〕图4：暗挖隧道马蹄形断面二衬计算简图〔水土分算〕六、计算结果及配筋计算初衬计算结果及配筋计算计算参数：初衬混凝土为C20；b=1m，h=0.25m，净保护层厚c=40mm；结构重要性系数取为0.9，按对称配筋计算。初衬内力图见图5～图7。配筋结果见下表，其中L0为构件计算长度，η为经验系数，表2：暗挖隧道马蹄形断面初衬计算结果表位置M(kN.m)N(kN)L0〔m〕η＝1.0η＝0.80ζ配筋ζ配筋拱顶91-4363.00.1864Φ250.1483Φ25拱中部-90-6202.50.2643Φ250.2093Φ22边墙底部-101-7281.00.3103Φ250.2453Φ20底板侧部68-473-1.00.1983Φ180.1573Φ16底板中部-107-512-3.50.2184Φ250.1743Φ25注：底板净保护层厚度为外40mm，内20mm，脚部考虑锁脚锚杆及钢域的影响，可减小配筋。初衬结构最大剪力值〔承载能力状态〕为375kN，需配置间距为200mm的Φ14抗剪钢筋图5：暗挖隧道单线马蹄断面初衬弯矩图〔单位kN.m〕图6：暗挖隧道单线马蹄断面初衬剪力图〔单位kN〕图7：暗挖隧道单线马蹄断面初衬轴力图〔单位kN〕二衬计算结果及配筋计算计算参数：二衬混凝土为C30；h=0.3m，b=1.0m；净保护层厚c=35mm；按对称配筋计算；裂缝验算按《混凝土结构设计标准〔GB50010-2002〕》的有关规定执行，其中结构外侧允许裂缝最大宽度为0.2mm，内侧为0.3mm水土合算计算结果表3：暗挖隧道马蹄形断面二衬配筋计算〔水土合算〕位置M(kN.m)N(kN)L0(m)ζ配筋拱顶97-3233.00.0885Φ18拱中部-80-5372.00.1463Φ16边墙底部-102-6841.50.1864Φ16底板边部102-6791.50.1854Φ16底板中部-146-6102.50.1675Φ20表4：暗挖隧道马蹄形断面二衬裂缝验算〔水土合算〕位置M(kN.m)N(kN)配筋W(mm)允许w(mm)拱顶72-2395Φ180.140.3拱中部-59-3984Φ160.100.2边墙底部-76-5075Φ160.110.2底板边部76-5035Φ160.110.2底板中部-108-4525Φ200.210.3水土合算时二衬结构最大剪力值〔承载能力状态〕为198kN，小于构件混凝土的抗剪承载力335kN。因此，仅需按构造配置箍筋。图8：承载能力组合下暗挖隧道单线马蹄断面二衬轴力图〔单位kN〕图9：承载能力组合下暗挖隧道单线马蹄断面二衬剪力图〔单位kN〕图9：承载能力组合下暗挖隧道单线马蹄断面二衬弯矩图〔单位kN.m〕水土分算计算结果表5：暗挖隧道马蹄形断面二衬配筋计算〔水土分算〕位置M(kN.m)N(kN)L0(m)ζ配筋拱顶80-3453.00.0944Φ16拱中部-69-5432.00.1482Φ16边墙底部-110-7141.50.1944Φ16底板边部110-7311.50.2004Φ16底板中部-135-6702.50.1835Φ18表6：暗挖隧道马蹄形断面二衬裂缝验算〔水土分算〕位置M(kN.m)N(kN)配筋W(mm)允许w(mm)拱顶59-2564Φ160.190.3拱中部-51-4023Φ160.120.2边墙底部-81-5295Φ160.140.2底板边部81-5415Φ160.140.2底板中部-100-4965Φ180.210.3水土分算时二衬结构最大剪力值〔承载能力状态〕为200kN，小于构件混凝土的抗剪承载力335kN。因此，仅需按构造配置箍筋。图10：承载能力组合下暗挖隧道单线马蹄断面二衬轴力图〔单位kN〕图11：承载能力组合下暗挖隧道单线马蹄断面二衬剪力图〔单位kN〕图12：承载能力组合下暗挖隧道单线马蹄断面二衬弯矩图〔单位kN.m〕抗浮检算由于此段地下水位较深，因此不做抗浮验算。人防验算人防抗力等级为5级，人防验算时只进行配筋验算，不进行裂缝验算。人防荷载采用理正有限元计算软件〔人防〕计算得到，作用于拱顶的等效均布静荷载标准值qe1＝95.4kN/m2，作用于拱底的等效均布静荷载标准值qe2＝72.7kN/m2。作用于侧墙的等效均布静荷载标准值为ee＝30kN/m2。由此计算出的结构人防偶然组合〔1.2×永久荷载＋人防荷载〕的内力图见图13～图15，配筋验算时混凝土强度提高50％，钢筋强度提高35％，验算结果见表7。表7：暗挖隧道马蹄形断面人防偶然组合配筋验算位置M(kN.m)N(kN)L0(m)AS(mm2)配筋拱顶135-4273.010665Φ18拱中部-110-7542.04843Φ16边墙底部132-8931.56434Φ16底板中部-195-7872.514685Φ20由表中数据可以看出，人防偶然组合时的结构配筋略小于根本组合的结构配筋，因此人防偶然组合不控制设计。图13：人防偶然组合下暗挖隧道单线马蹄断面二衬轴力图〔单位kN〕图14：人防偶然组合下暗挖隧道单线马蹄断面二衬剪力图〔单位kN〕图15：人防偶然组合下暗挖隧道单线马蹄断面二衬弯矩图〔单位kN.M〕附录：人防荷载计算(1)根本信息抗力等级:5覆盖土厚12.000(m)短跨净跨L0= 5.000(m)结构形式:非平顶结构顶板不考虑上部建筑物的影响不是饱和土(2)空气冲击波超压△Pms计算顶板△Pms=100.00(3)土中压缩波的最大压力Ph计算波速比:2.00起始压力波速:200.00(m/s)应变恢复比:0.20顶板计算时土的计算深度:12.000(m)升压时间0.060(s)顶板Ph=91.79(kPa)(4)结构上的核爆炸动载最大值Pci计算结构顶板核爆动载综合反响系数K=0.99底压系数: