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+385.715K0+876.000，左CRK0+385.715K0+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)()静侧压系数1-1杂填土1.816.52粉土1.119.229292-1粉质粘土0.519.536190.482粉土1.719.229292-3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1.40.7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1.40.7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w20%，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：10.817.6+0.12518.5=192.4kN/m结构侧向土压力： =192.40.3363.5kN/m=(192.4+6.03 18.5)0.33100.3 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：10.819.40.7+0.420.30.7=152.3kN/m结构侧向土压力： =152.30.3350.3kN/m=(152.3+5.33 20.3 0.7)0.3375.3 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=5.810=58.0kN/m底拱水压力：p3=p2=58.0 kN/m顶拱竖向土压力：10.819.40.7+0.410.30.7=150.0kN/m结构侧向土压力：=150.00.3349.5 kN/m=(150.0+5.3310.30.7)0.3362.2 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，为经验系数，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）1.00.80配筋配筋拱顶91-4363.00.1864250.148325拱中部-90-6202.50.2643250.209322边墙底部-101-7281.00.3103250.245320底板侧部68-473-1.00.1983180.157316底板中部-107-512-3.50.2184250.174325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14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)配筋拱顶97-3233.00.088518拱中部-80-5372.00.146316边墙底部-102-6841.50.186416底板边部102-6791.50.185416底板中部-146-6102.50.167520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72-2395180.140.3拱中部-59-3984160.100.2边墙底部-76-5075160.110.2底板边部76-5035160.110.2底板中部-108-4525200.210.3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）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)配筋拱顶80-3453.00.094416拱中部-69-5432.00.148216边墙底部-110-7141.50.194416底板边部110-7311.50.200416底板中部-135-6702.50.183518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59-2564160.190.3拱中部-51-4023160.120.2边墙底部-81-5295160.140.2底板边部81-5415160.140.2底板中部-100-4965180.210.3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）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qe195.4kN/m2，作用于拱底的等效均布静荷载标准值qe272.7kN/m2。作用于侧墙的等效均布静荷载标准值为ee30kN/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135-4273.01066518拱中部-110-7542.0484316边墙底部132-8931.5643416底板中部-195-7872.51468520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