【《重庆轨道交通工程TBM试验段荷载计算过程案例》3900字】

重庆轨道交通工程TBM试验段荷载计算过程案例目录TOC\o"1-3"\h\u26291重庆轨道交通工程TBM试验段荷载计算过程案例 1104001.1工程概况 1169841.2设计计算标准 2295381.3结构计算理论及方法 3203841.3.1荷载模式 3284221.3.2计算理论 4117491.4结构尺寸 4117151.5荷载计算 5321651.5.1荷载组合及分项系数 5206721.5.2计算断面选取 5152611.5.3水土荷载计算方法 823471.6荷载计算结果 815421.6.1IV级深埋—高水位 8284321.6.2IV级深埋—低水位 993551.6.3IV级浅埋—高水位 9174101.6.4IV级浅埋—低水位 10125071.7管片结构内力计算 12101801.7.1IV级深埋—高水位 12279291.7.2IV级深埋—低水位 14142391.7.3IV级浅埋—高水位 16323671.7.4IV级浅埋—低水位 1853841.8内力计算结果汇总 20137101.9小结 21重庆轨道交通四号线二期工程为本研究论文的依托工程，为了验证在该工程TBM区间试验段中使用无筋钢纤维管片安全可靠，在详细了解试验段区间内工程地质情况之后按照我国《地铁设计规范》（GB50157-2013）REF_Ref11499\w\h[46]中的相关要求，分析计算作用在管片结构上的荷载。工程概况四号线二期线路全长约32.8km，共设车站14座，地下段长约21.3km，高架段长约11.5km。复合式TBM段区间涉及范围包括：铁山坪站~干坝子站区间、鱼嘴站~鱼庙路站区间、高石坎站~复盛站区间、复盛站~王家城站区间、王家城站~生基堡站区间、生基堡站~龙兴站区间、高石塔站~普福站区间。重庆四号线二期工程总平面施工图如REF_Ref16447\h图STYLEREF1\s21所示。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s11重庆四号线二期工程总平面施工图沿线的岩层主要由砂质泥岩和砂岩构成，砂质泥岩约占70%、砂岩约占30%。钢纤维管片试验段长度200米，位于区间明挖段后，主要穿越岩层为砂质泥岩与砂岩互层，拱顶埋深10~13m，围岩级别为Ⅳ级，为浅埋隧道，地下水类型为裂隙水和孔隙水，无稳定地下水位。地面环境条件简单，有1条市政道路，其余为荒地。区间地质纵断面如REF_Ref16561\h图STYLEREF1\s22与REF_Ref16571\h图STYLEREF1\s23所示。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s12区间小里程端右线地质纵断面图图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s13区间大里程端右线地质纵断面图设计计算标准主体结构正常使用设计年限不小于100年。TBM区间结构为一级安全等级，重要性系数取1.1。结构裂缝可允许的开裂宽度为0.2mm，计算直径变形不大于2%D，（D为盾构隧道外径）。结构抗震设防类别为重点设防类，6度抗震设防烈度，三级抗震设防等级，抗震构造措施按二级抗震等级使用。TBM区间结构按常6、核6进行人防设计。TBM区间结构为二级防水等级。TBM区间结构抗浮安全系数：当忽略侧摩阻力时，不小于1.05；考虑侧摩阻力时，不应小于1.15。TBM区间结构为一级耐火等级。结构计算理论及方法荷载模式（1）永久荷载：1、结构自重：结构构件的容重按相关规范规定的数值取用；2、覆土重：根据设计单位提供的区间岩土工程勘察报告计算；3、侧向土压力：根据设计单位提供的区间岩土工程勘察报告计算；4、水压力：根据勘察报告中的水位计算，采用水压力梯形分布模式；5、侧向地层抗力：由地层弹簧施加；6、地基垂直抗力：由地层弹簧作用，地层弹簧刚度根据岩土工程勘察报告计算。（2）可变荷载：1、地面超载：按20kPa均布荷载计算。（3）偶然荷载;1、地震力：按6度设防计算。2、人防荷载：按6级人防计算。荷载分布情况如下REF_Ref16662\h图STYLEREF1\s24所示。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s14荷载模式计算理论（1）修正惯用法将由多块管片拼接而成环状衬砌结构简化成匀质完整圆环进行计算，但由于管片之间有接缝的存在，在简化计算时需在抗弯强度上乘刚度折减系数η，用来体现拼接带来的整体刚度折减。施加地层荷载之后即可得到结构全环上的内力分布。同时错缝拼装的方式会使得管片上的弯矩相对于通缝接缝来说有所提高，因此，将计算出的弯矩需要乘弯矩提高系数（1+ξ），作为管片截面上的真实弯矩，在接缝处的弯矩要乘以弯矩降低系数（1-ξ），从而得到修正后的弯矩分布。（2）直梁弹簧元法直梁弹簧元法是将全环管片看作组合起来的直梁单元，将直梁单元划分的越小，计算结果越接近圆环管片结构真实值，计算时用弹簧元模拟直梁单元之间的连接，弹簧元可以设置轴向、切向和转动刚度，分别传递连接处的轴力、剪力和弯矩，荷载加在直梁—弹簧结构体上，同时考虑地层抗力的作用，进而求得衬砌管片的内力。在此次设计计算中采用修正惯用法，取系数ξ=0.3，弯矩提高系数为1.3，刚度折减系数η=0.7。结构尺寸盾构隧道衬砌外径6600mm，内径5900mm。衬砌环宽度1500mm，厚度350mm。结构断面如REF_Ref16760\h图STYLEREF1\s25。管片均采用错缝拼装。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s15结构断面示意图荷载计算荷载组合及分项系数荷载组合及分项系数如REF_Ref6342\h表STYLEREF1\s21所示表STYLEREF1\s2SEQ表\*ARABIC\s11荷载组合及分项系数表永久荷载可变荷载偶然荷载人防荷载地震荷载基本组合构件强度计算1.31.5－－准永久组合构件裂缝验算1.00.8－－构件变形验算1.00.8－－抗震偶然组合验算1.2（1.0）0.6－1.3人防偶然组合验算1.2（1.0）－1.0－基本组合抗浮稳定验算1.0－－－注：结构重要性为一级，重要性系数1.1；括号内数字为该荷载对结构作用有利时的分项系数取值；为准永久值系数。计算断面选取根据《铁路隧道设计规范》（TB10003-2016）REF_Ref12433\w\h[47]深埋隧道与浅埋隧道的划分原则：按2.5倍围岩压力计算高度为划分标准，洞室埋深H≥2.5ha为深埋隧道；ha＜H＜2.5ha，为浅埋隧道；洞室埋深H＜ha，为超浅埋隧道。在本次试验段区间内包含深埋和浅埋两种埋深，需依据不同计算方法分别计算作用在管片结构上的荷载。（1）深埋隧道围岩压力计算方法计算深埋隧道围岩压力时，应按松散压力考虑，垂直以及水平压力按式2-1~2计算。深埋隧道围岩压力计算示意图如REF_Ref17002\h图STYLEREF1\s26所示。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s16深埋隧道围岩压力计算示意图 （STYLEREF1\s2SEQ公式\*ARABIC\s11） （STYLEREF1\s2SEQ公式\*ARABIC\s12）式中：——围岩级别；——宽度影响系数，；——坑道宽度；——每增加1m时的围岩压力递减率：当时，取；当时，取。水平均布压力按REF_Ref6914\h表STYLEREF1\s22中规定确定。表STYLEREF1\s2SEQ表\*ARABIC\s12围岩水平均布压力围岩级别Ⅰ～ⅡⅢⅣⅤⅥ水平均布压力0<0.15q(0.15~0.3)q(0.3~0.5)q(0.5~1.0)q（2）浅埋隧道围岩压力计算方法当地面水平或接近水平，且隧道埋深小于前述标准时，应按浅埋隧道进行设计。浅埋隧道围岩压力计算示意图如REF_Ref17096\h图STYLEREF1\s27所示。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s17浅埋隧道围岩压力计算示意图垂直压力可按式2-3~5计算 （STYLEREF1\s2SEQ公式\*ARABIC\s13） （STYLEREF1\s2SEQ公式\*ARABIC\s14） （STYLEREF1\s2SEQ公式\*ARABIC\s15）式中：——围岩重度(kN/m3)；——洞顶离地面的高度(m)；——顶板土柱两侧摩擦角(°)，为经验数值；——坑道跨度(m)；——侧压力系数；——围岩计算摩擦角(°)；——产生最大推力时的破裂角(°)。水平压力可按式2-6计算 （STYLEREF1\s2SEQ公式\*ARABIC\s16）式中：——内外侧任意点至地面的距离(kN/m3)。经计算IV级围岩深浅埋划分标准2.5ha=2.5×4.176=10.44m在试验段内选择深埋、浅埋两处典型断面进行计算：（1）断面一：IV级深埋选取覆岩大于10.44m处断面，覆土0m，属于IV级深埋。（2）断面二：IV级浅埋选取覆岩等于10.44m处断面，覆土0m，属于IV级浅埋。水土荷载计算方法（1）覆盖水土压力计算原则水、土压力取静止水土压力，水土分算，结构自重软件自动加载，钢纤维混凝土管片重度取25kN/m3，取1m宽结构进行计算。（2）地下水位计算原则常水位与抗浮水位两种工况，因抗浮水位较高，致计算结果轴力较大，故抗浮水位工况下对结构较为有利；本次计算分高水位工况和低水位工况，高水位工况抗浮水位取至管片衬砌结构顶部，低水位工况最低水位取至管片衬砌结构底部。荷载计算结果IV级深埋—高水位（1）土压力a.隧道顶部竖向土荷载:=4.18×26=108.58kN/m2b.隧道顶部竖向超载:=20kN/m2c.侧向压力:隧道顶部侧向土压力:=0.3×108.58=32.574kN/m2隧道底部侧向土压力:=0.3×108.58=32.574kN/m2侧向地面超载:=0.3×20=6.0kN/m2（2）水压力:=10.44m=10×10.44×0.2=20.88kPa=10×(10.44+6.6)×0.2=34.08kPaIV级深埋—低水位（1）土压力a.隧道顶部竖向土荷载：=4.18×25.6=107.008kN/m2b.隧道顶部竖向超载：=20kN/m2c.侧向压力:隧道顶部侧向土压力：=0.3×107.008=32.102kN/m2隧道底部侧向土压力：=0.3×108.58=32.574kN/m2侧向地面超载：=0.3×20=6.0kN/m2IV级浅埋—高水位（1）土压力：a.隧道顶部竖向土荷载：kN/mb.拱顶覆土荷载：kN/mc.隧道顶部竖向超载：=20kN/m2d.侧向土压力：kN/mkN/m侧向地面超载：0.24×20=4.8kN/m2（2）水压力mkPakPaIV级浅埋—低水位（1）土压力：a.隧道顶部竖向土荷载：kN/mb.拱顶覆土荷载：kN/mc.隧道顶部竖向超载：=20kN/m2d.侧向土压力：kN/mkN/m侧向地面超载：0.24×20=4.8kN/m2管片结构内力计算IV级深埋—高水位（1）准永久组合图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s18轴力图图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s19弯矩图图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s110剪力图（2）基本组合图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s111轴力图图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s112弯矩图图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s113剪力图IV级深埋—低水位（1）准永久组合图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s114轴力图图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s115弯矩图图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s116剪力图（2）基本组合图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s117轴力图图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s118弯矩图图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s119剪力图IV级浅埋—高水位（1）准永久组合图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s120轴力图图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s121弯矩图图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s122剪力图（2）基本组合图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s123轴力图图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s124弯矩图图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s125剪力图IV级浅埋—低水位（1）准永久组合图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s126轴力图图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s127弯矩图图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s128剪力图（2）基本组合图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s129轴力图图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s130弯矩图图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s131剪力图内力计算结果汇总表STYLEREF1\s2SEQ表\*ARABIC\s13IV级深埋高水位内力计算结果结构部位内侧外侧准永久组合最大弯矩值(kN.m)66.9266.57调整后弯矩值(kN.m)86.99686.541对应轴力值(kN)287424基本组合最大弯矩值(kN.m)85.9483.67调整后弯矩值(kN.m)111.722108.771对应轴力值(kN)448644表STYLEREF1\s2SEQ表\*ARABIC\s14IV级深埋低水位内力计算结果结构部位内侧外侧准永久组合最大弯矩值(kN.m)73.4171.31调整后弯矩值(kN.m)95.492.7对应轴力值(kN)258425基本组合最大弯矩值(kN.m)109.9106.8调整后弯矩值(kN.m)142.87138.84对应轴力值(kN)387637表STYLEREF1\s2SEQ表\*ARABIC\s15IV级浅埋高水位内力计算结果结构部位内侧外侧准永久组合最大弯矩值(kN.m)74.9866.24调整后弯矩值(kN.m)97.47486.112对应轴力值(kN)434626基本组合最大弯矩值(kN.m)109.396.47调整后弯矩值(kN.m)142.1125.4对应轴力值(kN)629909表STYLEREF