暗挖马蹄形断面隧道结构计算书.doc

暗挖隧道 断面A结构计算书
一、 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版)，荷载组合按《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)执行，断面尺寸配筋计算及相关验算按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）相关规定执行。
二、 工程地质与水文地质情况
结构所处地质属于第四系地质，土层基本上以填土、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
1.8
16.5
－
－
－
2
粉土
1.1
19.2
29
29
－
2--1
粉质粘土
0.5
19.5
36
19
0.48
2
粉土
1.7
19.2
29
29
－
2--3
粉细砂
1.0
19.5
0
25
0.40
2--4
中粗砂
2.5
19.8
0
32
0.40
5
卵石圆砾
2.7
21.0
0
50
0.25
5--1
中粗砂
1.2
20.5
0
40
0.33
6--2
粉土
3.0
19.1
18
28
0.41
7--1
中粗砂
2.2
20.8
0
32
0.2
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55 MPa/m3。
三、 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1所示。

图1：暗挖隧道单线马蹄形断面图
四、 模型及荷载组合
1. 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。计算时假定初衬承担全部土荷载，不承担水荷载。二衬承担70％的土荷载及全部的水荷载。
2. 荷载组合：
基本组合
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
基本组合×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。
五、 荷载计算及计算简图
1. 荷载计算
地面超载：20kN/m3，由于结构覆土比较高，计算中地面超载可忽略不计；
1） 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%，则：
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＝100.3 kN/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。
2） 二衬荷载标准值：
a) 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＝75.3 kN/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。
b) 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=4.7 kN/m
=5.8×10=58.0kN/m
底拱水压力：p3=p2=58.0 kN/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＝49.5 kN/m
=(150.0+5.33×10.3×0.7)×0.33＝62.2 kN/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。
2. 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
1. 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，ζ为相对受压区高度。
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＝1.0
η＝0.80
ζ
配筋
ζ
配筋
拱顶
91
-436
3.0
0.186
4Φ25
0.148
3Φ25
拱中部
-90
-620
2.5
0.264
3Φ25
0.209
3Φ22
边墙底部
-101
-728
1.0
0.310
3Φ25
0.245
3Φ20
底板侧部
68
-473
-1.0
0.198
3Φ18
0.157
3Φ16
底板中部
-107
-512
-3.5
0.218
4Φ25
0.174
3Φ25
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）
2. 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《混凝土结构设计规范（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。断面结构承载能力按偏心受力构件，对称配筋计算，承载能力组合状态下内力图见图8～图13，计算结果见表3～表6。
1） 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
-323
3.0
0.088
5Φ18
拱中部
-80
-537
2.0
0.146
3Φ16
边墙底部
-102
-684
1.5
0.186
4Φ16
底板边部
102
-679
1.5
0.185
4Φ16
底板中部
-146
-610
2.5
0.167
5Φ20

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
-239
5Φ18
0.14
0.3
拱中部
-59
-398
4Φ16
0.10
0.2
边墙底部
-76
-507
5Φ16
0.11
0.2
底板边部
76
-503
5Φ16
0.11
0.2
底板中部
-108
-452
5Φ20
0.21
0.3
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）

2） 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
-345
3.0
0.094
4Φ16
拱中部
-69
-543
2.0
0.148
2Φ16
边墙底部
-110
-714
1.5
0.194
4Φ16
底板边部
110
-731
1.5
0.200
4Φ16
底板中部
-135
-670
2.5
0.183
5Φ18

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
-256
4Φ16
0.19
0.3
拱中部
-51
-402
3Φ16
0.12
0.2
边墙底部
-81
-529
5Φ16
0.14
0.2
底板边部
81
-541
5Φ16
0.14
0.2
底板中部
-100
-496
5Φ18
0.21
0.3

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）

3） 抗浮检算
由于此段地下水位较深，因此不做抗浮验算。

4） 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
-427
3.0
1066
5Φ18
拱中部
-110
-754
2.0
484
3Φ16
边墙底部
132
-893
1.5
643
4Φ16
底板中部
-195
-787
2.5
1468
5Φ20
由表中数据可以看出，人防偶然组合时的结构配筋略小于基本组合的结构配筋，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) 基本信息
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应系数K = 0.99
底压系数 : 0.80
顶板Pci: 90.88(kPa)
底板Pci: 72.70(kPa)

(5) 构件自振圆频率计算
顶板自振圆频率 343.072 (1/s)

(6) 动力系数 Kd计算
顶板允许延性比 3.000
底板允许延性比 3.000
顶板动力系数 Kd 1.050
底板动力系数 Kd 1.000

(7) 等效均布静荷载标准值qe计算
顶板等效均布静荷载标准值qe 95.421
底板等效均布静荷载标准值qe 72.702
边墙等效均布静荷载标准值qe 29.580