东沟隧道18米仰拱栈桥设计方案.doc

郑州至西峡高速公路尧山至栾川段YLTJ-1合同段 东沟隧道专项施工方案
郑州至西峡高速公路尧山至栾川段YLTJ-1标

东沟隧道仰拱栈桥设计方案与计算书

编制：
审核：
审批：

四川公路桥梁建设有限公司
郑西高速尧栾段YLTJ-1项目经理部

二0一七年五月

东沟隧道仰拱栈桥设计方案与验算书
一、 工程概况
工 程 名 称
里 程
长度(m)
围岩级别(m)
Ⅲ级
Ⅳ级
Ⅴ级
明洞
东沟隧道
左洞
ZK4+306～K5+937
1631
387/ 23%
538/33%
671/41%
35
右洞
K4+319～K5+955
1636
230/14%
700/42%
669/41%
37
1、东沟隧道在位于柳树沟村东沟组附近，为左右分离式隧道。左洞起讫桩号：ZK4+306～K5+937；右洞起讫桩号：K4+319～K5+955。详细情况见下表

2、东沟隧道地属伏牛山系，海拔高程320-450m,山势陡峭，河沟纵横，进口交通条件较差，出口交通条件较好,小里程至大里程为2.2%上坡。
3、东沟隧道设计为双向四车道隧道，采用的主要技术标准如下：
（1）道路等级：山岭区高速公路；
（2）设计行车速度：100Km/h；
（3）地震：隧址区内地震动峰值加速度为0.05g，地震基本烈度Ⅵ度。
（4）隧道建筑限界：隧道净宽：0.75+0.75+2×3.75+1+1=11m；隧道净高：5m。
4、该段隧道地质条件较复杂，受断层破碎带影响，隧道中可能出现涌水、突泥、塌方、滑坡等危险。隧道围岩等级主要为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级，初期支护为网喷混凝土、锚杆、型钢钢架组成，Ⅳ、Ⅴ级围岩地段型钢钢架、墙、仰拱全环安设，每0.6～1m一榀。二次衬砌采用C30防水混凝土，防水等级为P8。
二、仰拱栈桥设计方案
东沟隧道洞口、浅埋段及Ⅴ级围岩段采用环形开挖预留核心土法施工，Ⅳ级围岩采用上下台阶法施工，Ⅲ级围岩采用全断面开挖施工。出渣采用无轨运输，仰拱超前衬砌，二衬施工采用一次全幅灌注方式，一次灌注长度12 m，距开挖掌子面40～100 m。为解决仰拱施工与开挖运输作业面的干扰，采用仰拱栈桥来保证仰拱施工时运输道路的通畅。
1、 仰拱栈桥设计
（1）行走车辆的情况
在衬砌前，通过仰拱栈桥的主要施工机械、车辆为ZL50装载机、红岩金刚自卸汽车、砼运输车，小松PC240挖掘机等，其自重、宽度等基本参数见表1。
表1主要施工机械车辆状况
设备名称
空载重量
（t）
重载重量
（t）
行走宽度
（mm）
轮胎宽度
（cm）
轮距净宽
（mm）
ZL50装载机
16.36
21.36
2780
59.69
2160
红岩自卸车
12.5
40
2500
28.32
1860
砼运输车
13.35
25
2498
28.32
1860
PC240挖掘机
23.1
25
2980

（2）荷载的确定
根据表1，以红岩金刚自卸汽车重载时作为仰拱栈桥的验算荷载，其前桥重量12t，后桥重量为28 t。
（3）宽度及每片梁的工字钢数量
仰拱栈桥的单片宽度1.25m，中心距离2.15 m,为达到仰拱栈桥的宽度，考虑每片梁采用5组I40a工字钢组成，工字钢的间距为13.5cm,总宽为1.25m。
（4）仰拱栈桥长度
根据每次二初浇筑长度，确定仰拱栈桥的长度为18m，计划每次捡底12m，每段的搭接长度2m。
（5） 最不利荷载布置
当红岩金刚自卸汽车的第一个后轮位于过轨梁中间时，为弯距最不利荷载，前轮与后轮的间距为3500mm,两个后轮的间距为1300mm，前轮重6T,两后轮分别重7t的荷载作用在单片梁上，梁的长度为9m。其受力简图为：

当红岩金刚自卸汽车的第二个后轮位于过轨梁梁端时，为剪力最不利荷载，前轮与后轮的间距为3500mm,两个后轮的间距为1300mm，前轮重6T,两后轮分别重7t的荷载作用在单片梁上，梁的长度为9m。其受力简图为：

2、受力验算
（1）单片梁的最大弯矩
单片梁由5根I40a工字钢拼成,由5根工字钢共同承受汽车荷载,则：
P1=6000x9.8=58.8KN
P2=7000x9.8=68.6KN
查《公路桥涵计算手册》I40a工字钢,其每延米重量为67.6kg/m,即q=0.662KN/m，由工字钢自重产生的弯距示意图为：

由汽车荷载产生的弯矩包络图为：

可以看出由由工字钢自重产生的最大弯矩为：
M重=ql2/8=0.662×142/8=16.22KN.m
汽车荷载产生的跨中最大弯矩为：
M汽=538.51KN.m
单片梁跨中最大弯矩为:
Mmax= M重+ M汽=16.22+538.51=554.73 KN.m
（2）单片梁的最大剪力
由工字钢自重产生的剪力为：
Q重=ql/2=0.662×14/2=4.634KN
由汽车荷载产生的梁端最大剪力为：
Q汽=P1(14-3.5-1.3)/14+P2(14-1.3)/14+P2=58.8×9.2/14+68.6×12.7/14+68.6=169.47KN
单根工字钢承受的最大剪力为:
Q= Q重+ Q汽/5=4.634+169.47/5=38.528 KN
（2）工字钢的强度验算
根据最大弯矩得出工字钢最大应力，即：σ=Mmax／Wx，Wx为工钢截面抵抗矩，查《公路桥涵计算手册》知单根I40a工字钢的载面抵抗矩为：Wx=1085.7cm3 ，5根工字钢的最大应力为：
σ=Mmax/Wx=(554.73x106)/(5x1085.7x103)=102MPa<215 MPa
工字钢的材料为Q235，其抗拉强度为215MPa,可知工字钢的最大应力小于其抗拉强度，安全系数为2.1，符合要求。
（3）工字钢的剪应力验算
查《公路桥涵计算手册》可知I40a工字钢
Ix=21714cm4 Sx=631.2cm3
Ix/ Sx=34.4cm d=10.5mm
故根据栈桥纵梁最大剪应力，并据此校核剪应力强度
满足要求。
（4）栈桥挠度验算
将两后轮合并成简化成一个集中荷载，则后轮产生的最大挠度为：
<
前轮引起的最大挠度为：
<
挠度满足要求。
（5）工字钢的确定
由计算可知，使用5片I40a工字钢，满足施工要求。
三、仰拱栈桥加工
每幅仰拱栈桥由两片梁板组成，每片梁板由5根I40a工字钢焊接而成，梁长18 m，工字钢间距13.5 cm，每两根I40a工字钢中间每隔100cm用I20a工字钢焊接联接成一个整体。I40a工字钢顶面满焊间距为10cm的C22钢筋。具体设计图见图1、图2。

图1  仰拱栈桥梁板断面图

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图2仰拱栈桥梁侧面图