1、山东科技大学学生毕业设计（论文）1山 东 科 技 大 学本科毕业设计（论文）题 目 青岛地铁 3 号线汇泉广场站3号出入口结构设计学 院 名 称 土木工程与建筑学院 专 业 班 级 城市地下空间工程 山东科技大学学生毕业设计（论文）2摘 要城市地下轨道交通已成为城市交通的重要模式，城市地铁在城市交通运输中也起到了越来越重要的作用。自 1863 年伦敦建成世界上第一条地下铁道,迄今地铁建设已积累了 130 余年的经验与理论成果，在地铁隧道设计与施工方面的技术水平越来越成熟。我国地铁建设事业起步较晚。改革开放以来,随着国民经济的不断发展,我国的城市化进程也在逐步加快。经济的发展,人们生活水平的提高
2、,城市规模的扩大,城市人口的急剧增加,城市交通面临着严峻的局势，就在这时，地铁建设才越来越多的进入到人们的视野里。本设计为青岛市地铁 3 号线汇泉广场站 3 号出入口结构设计，运用荷载- 结构法进行隧道衬砌结构力学计算，利用规范规定、工程类比、理论推导等多种方法结合进行结构设计，如对于隧道断面形状尺寸的设计采用工程类比法借鉴青岛市其他地铁隧道工程经验，利用规范规定方法进行材料系数选取、隧道深浅埋判断荷载计算、衬砌结构配筋等，利用理论推导及数值近似方法进行隧道衬砌内力、弹性抗力计算。关键词： 隧道出入口结构 结构-荷载法 新奥法 初期支护 山东科技大学学生毕业设计（论文）3AbstractUrb
3、an underground rail transportation has become the important mode of urban transportation, and urban subway plays an increasingly important role in urban transportation Since 1863 London built the worlds first underground railway, subway construction has accumulated more than 130 years of experience
4、and theoretical results so far, the design ofand construction of metro tunnel technology became more and more mature. Chinas subway construction began late. Since the reform and opening up, along with the continuous development of the national economy, our countrys urbanization process is gradually
5、accelerated. Economic development, peoples living standards improve, the expansion of city scale, the rapid increase of urban population, urban traffic facing a grim situation, at this moment, the subway construction to more and more into the peoples vision.The design for the Qingdao City Subway Lin
6、e 3, Huiquan Square Station No. 3 out of inlet structure design, the use of load structure method for tunnel lining structure mechanics calculation, use a variety of methods such as specification, engineering analogy, theoretical derivation with structural design, such as for tunnel cross-section sh
7、ape and size design of the engineering analogy method from Qingdao city subway tunnel engineering experience, for coefficient of material selection, the tunnel depth buried to determine the load calculation, lining reinforcement using standard methods, by theoretical derivation and numerical approxi
8、mation method for tunnel lining internal force and the elastic resistance calculation山东科技大学学生毕业设计（论文）4Key Words: Tunnel air duct structure - load method, initial support for the new Austrian Tunnelling Method, two times lining山东科技大学学生毕业设计（论文）7目 录摘 要前 言 .1第一章 绪 论 41.1 本课题的研究目的和意义 41.2 本课题的主要研究内容 71.3
9、 设计规范及设计标准 12第二章 工程概况 142.1 工程地理位置及设计范围 142.2 工程地质概况 14第三章 隧道总体设计 .203.1 隧道线路选址 203.2 隧道的几何设计 21第四章隧道衬砌内力计算 .224.1 概述 224.2 隧道衬砌荷载类型及组合 244.3 隧道衬砌内力计算 32第五章 隧道衬砌验算及配筋 . 605.1 隧道衬砌的截面强度验算 605.2 隧道二次衬砌配筋计算 61第六章 隧道施工组织设计 .666.1 隧道施工总体说明 666.2 施工组织机构及施工队伍安排 696.3 隧道施工方法和工序 706.4 施工组织注意事项 74专题设计 76山东科技大
10、学学生毕业设计（论文）8参考文献 .89附录 1 英文原文 .100致谢 .147山东科技大学学生毕业设计（论文）9第一章 绪 论1.1本课题的研究目的和意义本设计为地铁出入口隧道结构设计，为城市地下轨道交通辅助隧道，采用的结构断面形式为直墙拱式，通过此次对地铁隧道出入口工程设计施工全过程的毕业设计，目的是使自己能够熟练运用隧道工程有关设计计算的方法和施工规范，并能系统地掌握隧道工程的荷载计算基本理论和隧道衬砌支护结构设计方法，熟悉隧道设计的全过程，掌握隧道设计的基本原则，基本方法，基本程序和基本技术，积累隧道设计和施工组织的基础经验。培养综合运用理论知识和专业知识的基本技能，提高分析与解决实
11、际问题的能力，为毕业后尽快适应工作奠定基础。此次毕业设计通过自己独立自主的完成一项隧道工程项目的毕业设计，将有利于使自己各方面的知识系统化，在设计工作的实践中，锻炼了我们自主进行调查研究、收集资料、查阅资料及阅读文献的能力，也培养了自己的独立操作能力，以及与组内成员的协作意识。设计过程中，伴随着不断地发现问题、查找资料、解决问题，使得自己独立解决问题的能力得到大大提高，对于自己以后的工作和学习生活具有很大帮助，自己的学习能力得到了很大的提高。设计过程中还包括了工程制图的相关内容，有助于我们日后进入工作岗位，快速适应工作内容，并进行更深一步的学习。在今天一线城市加紧进行的地铁建设步伐的背景下，我
12、们地下空间工程本科毕业生进行隧道的相关设计，将有助于我们提高自己的专业技术知识，提前培养自己的专业素养，迅速成长为城市地下交通隧道以及各种公路铁路隧道建设者中的中坚力量。山东科技大学学生毕业设计（论文）10在这次城市地铁隧道设计的过程中，除了利用已经学习的新奥法施工理念，还丰富了自己的隧道设计理念，当隧道为城市地下空间隧道结构时，我们不仅应考虑隧道安全性、经济性，还应考虑到隧道对地下环境的破坏，特别是对地下水的影响，因为城市地下水位的下降可能直接造成城市道路的沉降量过大，严重的造成地面裂缝，行人、车辆无法通行，因此，对于城市地下隧道的设计尤其注意地下水不能随意排放，而应采取对地下水影响较小的全
13、封闭式隧道衬砌结构，提高防水设计等级而不做过多隧道外排水措施，减少大量排水对地面造成的沉降危害，并对隧道衬砌的裂缝严格控制，这样做可以显著减小对城市地下水环境的破坏，同时也符合现代建筑工程对环境保护的要求。这些是我从本次设计中对设计理念的深刻学习。1.2 本课题的主要研究内容本毕业设计工程为青岛地铁 3 号线汇泉广场车站出入口结构，结构形式为直墙拱式，支护类型为初期支护锚喷网加永久支护二次衬砌，从设计及施工方面概括来说有以下几个方面的内容：1.2.1隧道线路设计影响隧道位置选择的因素较多，如地质条件、水文地质条件、地形和地貌条件、投资条件、工期要求甚至于当地环境控制要求等。在众多因素中，根本性
14、的因素是地质条件和地形条件。隧道位置的选择与公路线路相互位置存在辩证关系。隧道工程有大小之分，对于一般的中、短隧道，原则上应依从于线路的位置，并根据具体的地质、地形条件做些小幅度的调整，以利于隧道施工。而对于长大隧道是线路的重点控制工程，其工程规模大、投资高、工期长，能否顺利施工是整条线路的重中之重，因此，在线路方案必选时，线路就得依从于隧道山东科技大学学生毕业设计（论文）11最优方案。城市地铁线路的选择尤其要注意地表以上建筑物和构筑物的基础，地铁施工尽量减少对地面正常交通的影响。1.2.2隧道横断面设计隧道横断面包括隧道建筑限界、通风以及其他所需的断面积，断面的形状和尺寸应根据围岩压力求得最
15、经济值。本设计隧道需满足其功能性要求即作为出入口结构供给其他隧道通风的作用，因此其隧道断面设计为上半部分作为人行通道，下半部分作为送出入口，并根据此来进行隧道建筑限界、隧道断面的形状尺寸设计。本隧道横断面设计通过工程类比，对比青岛市其他地铁隧道的断面设计形式，确定最终方案。1.2.3隧道支护结构设计隧道初期支护的设计采用理论计算方法和工程经验类比法结合进行设计，通过计算围岩塑性区半径并参考规范规定，确定初期支护锚杆的间距、长度，确定喷射混凝土厚度和钢筋网钢筋间距，初次衬砌仅起到保护开挖面，使其没有危石掉落，提高隧道施工的安全性。二次衬砌及其配筋由计算得到的衬砌内力通过混凝土结构设计规范中的概率
16、极限法确定。1.2.4隧道防排水设计、通风防尘设计、隧道爆破设计隧道防排水设计可以从两方面考虑，其一是通过改变围岩的渗透系数，降低地下水向隧道内的涌人量，这是限制排放的根本；其二是通过设置防水层和增强衬砌混凝土的抗渗抗裂性能，以达到阻隔地下水的目的，这是结构防水的最后保障。但事实上真正起到限制排放作用的主要在于降低围岩的渗透系数。隧道限制排水的技术措施有：超前预注浆、回填注浆、径向注浆。隧道通风设计选择时主要考虑隧道长度和交通条件，同时还要考虑气象、环境、地形、以及地质等条件。在充分考虑各种因素后，选择既有效又经济的通风方式。隧道工程通风方式包括全横向式通风、半横向式通风、山东科技大学学生毕业
17、设计（论文）12纵向式通风。横向式通风以车道下面作为送出入口，上部作为排出入口，气流从下往上横向流动。半横向式通风为了对于除圆形断面之外的其他断面形式的隧道换风便利，尽量减少通风管道断面的方式做了改进。全横向和半横向通风方式，由于需要隔离较大的隧道断面空间作为出入口，同时需要大功率的轴流风机通过斜（竖）井排出洞内废气，因此需要花费较大的工程费用和营运费用。而纵向式通风的竖井式纵向隧道通风，大大提高了隧道断面利用率，缩短了隧道独头通风的距离，在长大隧道的施工过程中被普遍采用。隧道防尘设计：目前，在隧道施工中采取的防尘措施是综合性的，即湿式凿岩，机械通风，喷雾洒水和个人防护相结合，综合防尘。隧道爆
18、破设计：隧道开挖前应做好爆破设计，这也是隧道施工进度计划、工期、材料等的依据。隧道爆破设计应做到“有图、有表、有计算、有说明”。随着隧道施工理念新奥法的不断推广，对隧道光面爆破技术提出了更高的要求，光面爆破技术要求隧道爆破施工尽可能减少对围岩的扰动，保护围岩的完整性，充分发挥隧道围岩的自承能力。1.2.5监控量测设计地下水控隧道工程现场监控量测中最主要的成果就是反映围岩和支护结构的力学信息，根据信息类型的不同，隧道工程的监测内容可分为下述三类：目测观测。对围岩的破碎发育情况、隧道周边变形、支护结构开裂破坏等现象直接肉眼根据经验进行观察，以此判断围岩稳定性。位移监测。通过专门量测设备为获取隧道周
19、边位移、拱顶下沉、围岩内部位移和地表下沉等信息而进行的现场监控量测。位移监测设备简单、易于操作。山东科技大学学生毕业设计（论文）13受力监测。指通过专门量测设备为获取围岩与支护结构间的接触应力、围岩及支护结构内部应力状态、锚杆轴力等信息而进行的现场监控量测。1.2.5专题设计部分矿山法隧道：矿山法的国内外发展概况；矿山法的分类、盾构法施工的适用条件、施工流程；矿山法施工中常见的工程问题；1.3设计规范及设计标准1.3.1主要标准规范本设计主要采用的设计规范主要有以下：JTGD 70-2004公路隧道设计规范TB 10003-2005铁路隧道设计规范GB 50086-2001锚杆喷射混凝土支护技
20、术规范 SL 377-2007水利水电工程锚喷支护技术规范TB 10108-2002铁路隧道喷锚构筑法技术规范 GB 50157-2003地铁设计规范山东科技大学学生毕业设计（论文）14GB 50010-2010混凝土结构设计规范GB 50009-2012建筑结构荷载规范TB 10204-2002铁路隧道施工规范GB 50108-2008地下工程防水技术规范 1.3.2设计标准（1）地铁工程地下结构中，除应急疏散结构平台结构设计使用年限为 50 年外，其余结构设计使用年限均为 100 年，设计按此要求进行耐久性设计。临时结构（矿山法隧道复合式衬砌的初期支护）可不考虑其耐久性要求，但需满足施工期
21、间的使用要求。（2）地铁结构中永久性构件荷载应按荷载效应基本组合进行试用阶段的承载能力计算时，取 0=1.1，进行施工阶段的承载能力计算时，取0=1.0 ，在按荷载效应的偶然组合进行承载能力计算时，取 0=1.0。作为临时结构构件设计的 0=0.9。（3）青岛市为 6 度抗震设防区，设计基本地震加速度值为 0.05g。地下结构按抗震设计，抗震等级为三级，应采取 相应的抗震构造措施，提高结构的整体抗震能力。非承重构件亦应采取抗震措施。(4)本工程地下结构所处环境类别有一般环境、氯化物环境（地下水中氯离子浓度100mg/L）和化学腐蚀环境（地下水中硫酸根离子浓度200mg/L 或地下水中侵蚀性二氧
22、化碳浓度15mg/L）。对于主体结构迎土面构件，一般环境下其环境作用等级按-C 级，化学腐蚀环境或氯化物环境条件下其环境作用等级应根据水中离子浓度按照混凝土结构耐久性设计规范确定。对于结构内部构件，按干燥环境考虑，环境作用等级按-A 级。（5）钢筋混凝土构件（不含临时构件）正截面的裂缝控制等级一般为三级，即允许出现裂缝。在荷载作用下钢筋混凝土构件的表面裂缝计算山东科技大学学生毕业设计（论文）15宽度限制：结构内部混凝土构件（柱、楼板、楼板梁、站台板、楼梯等）不大于 0.4mm，主体结构迎土面构件（板、墙、衬砌等）的迎土面裂缝宽度不大于 0.2mm，背土面不大于 0.3mm。当保护层设计厚度超过
23、 30mm 时，可取 30mm 计算裂缝最大宽度。（6）地下水位下的地下结构设计按最不利情况进行抗浮稳定性验算。在不计地层侧壁摩阻力时，抗浮安全系数 Kf1.05 ；当计及地层侧壁摩阻力并采用标准值（极限值）时，抗浮安全系数 Kf 1.15。（7）出入口支护结构的布置，需满足辅助隧道施工的需要和建筑限界要求，并考虑结构受力后的变形和施工误差等因素。（8）出入口支护结构采用荷载结构模式，计算分析对象为纵向长1m 的出入口结构和地层，并选择最不利位置（内力最大处）进行衬砌计算。（9）地下结构须具有战时防护功能并做好平战转换功能。在规定的设防部位，结构设计按 6 级人防的抗力标准进行验算，并设置相应
24、的防护设施。地铁隧道与既有通道联通时，应保证设防标准不降低。（10）地下结构主要构件的耐火等级为一级。第二章 工程概况2.1工程地理位置及设计范围汇泉广场站位于文登路与延安路交汇路口东侧，文登路正下方。车站有效站台中心里程为 K2+816.059。本站设 3 座风道，3 个出入口，1 个疏散通道。本次设计为 2 号风道和 3 号出入口结构设计，2 号风道和 3 号出山东科技大学学生毕业设计（论文）16入口位于汇泉车站主体西南侧，周边较空旷，2 号风道西侧为已 建成的“人民会堂站汇泉广场站区间 2 号竖井及其横通道”，距 2 号风道约 10m，埋深 15m 左右。本风道埋深 9.5m，采用明挖法
25、施工，为尽 量减小风道对横通道的影响，风道围护结构采用围护桩钢支撑体系。主体结构为单层单跨箱型结构，3 号出入口出地面段为 U 型槽结构。2 号风道结构长度约为 42.4 米，宽度为 12.8m，结构顶板厚度为 500mm，结构底板厚度为 500mm，结构侧墙厚度为 500mm（300mm），覆土深 度为 2.95m，底板位于强风化中亚带。3 号出入口结构长度约为 32.4 米，宽度为 5.67.5m，结构顶板厚度为 500mm，结构底板厚度为 500mm （300mm、700mm），结构侧墙厚度为 500mm（300mm、700mm），覆土深度为 04.55m，底板位于强风化带。 围护结构型
26、式：本基坑分两期施工，一期施工 2 号风道基坑，采用围护桩 +内支撑体系；二期施工 3 号出入口基坑，采用桩锚体系且需待 2 号风道主体结构完工后方可施工；坑设旋喷桩止水帷幕，具体见设计图纸。本出入口为非防倒塌出入口，楼梯的设计不考虑人防荷载。2.2 工程地质概况本次勘本节摘自青岛市地铁一期工程（3 号线）地质勘察一标段汇泉广场站详细勘察阶段岩土工程勘察报告 2.2.1工程地质根据青岛市建委推广的青岛市区第四系层序划分标准地层层序编号，依据野外钻探资料，本区间共揭示了 6 个标准层，划分了 13 个亚层，地层由新到老、自上而下分述如下：第四系（Q）山东科技大学学生毕业设计（论文）17第四系（Q
27、）主要由全新统人工填土、全新统冲洪积层、上更新统冲洪积层组成，描述如下：（1）第四系全新统人工填土层第层杂填土：杂色，松散，揭露层厚：0.50-2.50m ，平均：1.48m。第1 层素填土：褐色、黄褐色，松散，厚度 0.50-2.90m，平均厚度1.46m。（2）第四系上更新统冲洪积层第层粉质粘土：黄褐 褐黄色，可塑-硬塑状，层厚：1.50-4.10m，平均：2.79m。第层含砂粘性土：黄褐色，硬塑状为主，层厚：0.40-4.60m ，平均：2.19m。基岩基岩主要为燕山晚期侵入花岗岩为主，部分燕山晚期侵入脉岩，岩性主要为花岗斑岩，呈脉状穿插其间，于不同岩性接触带见有糜棱岩、碎裂岩，描述如下
28、：（1）燕山晚期花岗岩按风化程度划分为强风化岩带、中风化岩带和微风化岩带，各带（亚带）的工程特征详细描述如下：第上层强风化花岗岩上亚带：浅肉红色- 黄褐色，结构构造已大部破坏，揭露层厚：1.40-2.70m。该层岩石坚硬程度为极软岩，岩体完整程度为极破碎，岩体基本质量等级为 V 级。第中层强风化花岗岩中亚带：浅肉红色，结构构造已大部破坏，层厚度为：2.20-9.80m，平均厚度 5.73m。该层岩石坚硬程度为极软岩，岩体完整程度为极破碎，岩体基本质量等级为 V 级。第下层强风化花岗岩下亚带：浅肉红-肉红色，结构构造已破坏，层厚度为：1.00-7.20m，平均层厚 3.68m。该层岩石坚硬程度为
29、极软岩，岩体完整程度为极破碎，岩体基本质量等级为 V 级。山东科技大学学生毕业设计（论文）18第层花岗岩微风化带：肉红色，粗粒结构，块状构造，节理裂隙发育，以构造、风化裂隙为主，层厚度为：0.70-14.0m ，平均层厚 6.20m。该层岩石坚硬程度为软岩，岩体完整程度为较破碎，岩体基本质量等级为IV 级。第层花岗岩微风化带：肉红色，粗粒结构，块状构造，节理不发育，岩芯较完整，坚硬，该层在场地内分布广泛，未揭穿，最大揭露厚度20.30m。该层岩石坚硬程度为坚硬岩，岩体完整程度为较完整，岩体基本质量等级 III 级。（2） 燕山晚期侵入岩脉第2 层强风化带花岗斑岩：原岩风化强烈，结构构造大部分已
30、破坏，揭露层厚度为 7.5m。该层岩石坚硬程度为极软岩，岩体完整程度为极破碎，岩体基本质量等级为 V 级。第2 层中风化带花岗斑岩;肉红色，斑状结构，块状结构，节理、裂隙较发育，层厚度为：1.00-5.50m，平均层厚 3.22m。该层岩石坚硬程度为软岩，岩体完整程度为较破碎，岩体基本质量等级为 V 级。第2 层：微风化带花岗斑岩：肉红色，斑状结构，块状构造，局部节理裂隙发育，以构造、风化裂隙为主，揭露层厚度为：0.80-20.30m ，平均层厚 8.94m。该层岩石坚硬程度为坚硬岩，岩体完整程度为较完整，岩体基本质量等级 III 级。（3）构造岩第4 层砂土状碎裂岩：褐黄-灰绿色，结构构造大
31、部分已被破坏，节理裂隙极发育，层厚度为：15.60m。该层岩石坚硬程度为极软岩，岩体完整程度为极破碎，岩体基本质量等级为 V 级。第4 层块状碎裂岩：褐黄色，原岩为花岗岩，节理裂隙发育，地层厚度为：8.10-24.10m。该层岩石坚硬程度为软岩，岩体完整程度为破碎，岩体基本质量等级为 V 级。地铁隧道出入口结构设计截面 3-3 处地层物理力学参数见表 2.1山东科技大学学生毕业设计（论文）19地层物理力学参数表 2.1快剪 岩层或土层基床系数 K岩土分层 岩土名称 重度(kN/m3)粘聚力C(kPa)内摩擦角（）水平(MPa/m)竖直(MPa/m)静止侧压力系数K0泊松比天然状态下单轴极限抗压
32、强度标准值fc土石工程分级 隧道围岩分级 、 1杂填土、素填土17.5 0 15 8 6 / / / I VI粉质粘土 18.9 28 11 28 20 0.44 0.31 / II VI含砂粘性土19.2 30 20 40 35 0.42 0.30 / III V下强风化花岗岩23.5 / 45 250 200 0.39 0.28 / IV IV中风化花岗岩24.5 / 55 550 500 0.35 0.26 30 V III2微风化花岗岩24.5 / 65 1000 900 0.30 0.23 110 VI II山东科技大学学生毕业设计（论文）202.2.2水文地质本次勘察工作区内的地下
33、水类型按赋存方式主要为：第四系松散土层孔隙水，基岩裂隙水。本车站所处场地地貌类型为剥蚀斜坡，第层粉质粘土、第 层含砂粘性土富水性一般，透水性较差，场地地下水位埋深 4.80-13.60m。根据场地工程地质、水文地质条件，结合拟建车站结构特征及青岛市的地区经验，建议抗浮设防水位绝对标高按 7.0m 取值。2.2.3工程地质条件评价本场地地貌形态为剥蚀斜坡，地势较平坦，场地地面标高为 14.40-16.61m。本暗挖车站经过的岩层主要为强-微风化花岗岩、花岗斑岩，部分地段经过青岛山派生断裂，断裂带内主要为砂土状碎裂岩、块状碎裂岩，其隧道围岩分级为 VI 级，其余段的强-微风化隧道围岩分级为 III
34、-V 级。受砂土状碎裂岩、块状碎裂岩影响隧道围岩分级为 VI 级，强风化上、中亚带及强风化花岗斑岩隧道围岩分级为 V 级，该层岩土开挖时，拱部无支护时，可产生较大坍塌，侧壁有时会失去稳定，因此，应优先采用复合式衬砌，施工时应注意局部岩石软硬不均匀对施工的影响。本次场地地下水类型主要为基岩裂隙水，主要含水层为强、中风化岩带的基岩裂隙水。基坑涌水量 376.62m3/d，属富水性较差地层。综合评价本场地范围水文地质条件属简单类型。综合评价本暗挖车站岩土工程条件属中等复杂类型，暗挖范围内的岩土工程条件中等。本车站施工时应注意隧道顶围岩级别为 VI 级和 V 级地山东科技大学学生毕业设计（论文）21段
35、，围岩较易坍塌，处理不当会出现大坍塌。本场地不存在可液化土层，可不考虑地震液化问题。本场地为可进行建筑的一般场地。本场地属于场地基本稳定区，适合地铁站建设。第三章 隧道总体设计隧道总体设计通常包括隧道选址、隧道几何设计、衬砌内轮廓线及几何尺寸拟定，本设计研究对象为地铁车站出入口结构，因此隧道选址上需依附于地铁车站的选址，本章将着重介绍隧道几何尺寸、内轮廓线的确定。3.1隧道线路选址建设部影响隧道位置选择的因素较多，如地质条件、水文地质条件、地形和地貌条件、投资条件、工期要求甚至于当地环境控制要求等。在众多因素中，根本性的因素是地质条件和地形条件。隧道位置的选择与公路线路相互位置存在辩证关系。隧
36、道工程有大小之分，对于一般的中、短隧道，原则上应依从于线路的位置，并根据具体的地质、地形条件做些小幅度的调整，以利于隧道施工。而对于长大隧道是线路的重点控制工程，其工程规模大、投资高、工期长，能否顺利施工是整条线路的重中之重，因此，在线路方案必选时，线路就得依从于隧道最优方案。在确定线路时，通常在多个线路方案中，根据地形图和各种调查资料，进行经济技术比较之后，最后确定一条线路。一般线路比较的要点是：线形适当（平面顺势，纵坡均衡、横面合理），顺应地形，路线延长对邻近山东科技大学学生毕业设计（论文）22地区的影响；安全性、用地、建设投资、养护费、行驶性能，施工难易，与当地环境和景观相协调等。采用该
37、隧道方案时，尤其是长大隧道通风、照明及养护管理费用较大，应当综合考虑。3.2隧道的几何设计水隧道净空指隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间，包括隧道建筑限界、通风以及其他所需的断面积，断面的形状和尺寸应根据围岩压力求得最经济值。隧道建筑限界是为了保证隧道内各种交通的正常运行与安全，而规定在一定宽度和高度范围内不得有任何障碍物的空间限界。设计时，应满足公路工程技术标准（JTG B012003)中规定值，设计公路隧道建筑限界横断面。隧道净空除应在符合隧道建筑限界的规定外，还应考虑洞内排水、通风、照明、防火、监控、营运管理等附属设施所需的空间，并考虑施工时必要的变形预留量，使确定的断面形式及尺寸达到安全、
38、经济、合理。再确定隧道净空断面时，应尽力选择净断面利用率高、结构受力合理的衬砌形式。横断面设计时考虑通风对断面的影响。本设计采用全横向通风方式，需要隔离较大的隧道断面空间作为出入口，因此其横断面设计为隧道竖向中间位置设置中板，隧道下半部分作为地铁车站主体通风用送出入口，上部结构可作为人行通道或地铁车站进站通道。设计衬砌断面还需解决衬砌结构形式、内轮廓线、轴线、和厚度问题。内轮廓线原则上应尽可能的接近建筑限界，力求开挖和衬砌的数量最小。衬砌断面的轴线也尽可能与断面压力曲线重合，使各截面主要承受压应力，根据围岩等级、受力状态、防水要求等选择内衬的截面形式，可以根据作图法确定道路隧道衬砌内轮廓线。当
39、主要承受竖向压力或同时承受不大的山东科技大学学生毕业设计（论文）23水平侧压力时，可采用三心圆拱加直墙式衬砌，本隧道围岩等级较高，围岩完整性较好，隧道侧压力较小，因此采用直墙拱式隧道衬砌结构形式。本设计隧道衬砌结构详细尺寸见毕业设计图纸 3.1隧道衬砌结构详细尺寸 3.1 山东科技大学学生毕业设计（论文）24第四章 隧道衬砌内力计算4.1概述隧道结构工程特性、设计原则和方法与地面结构完全不同，隧道结构是由周边围岩和支护结构两者组成共同的并相互作用的结构体系。各种围岩都是具有不同程度自稳能力的介质，即周边围岩在很大程度上是隧道结构承载的主体，其承载能力必须加以充分利用。隧道衬砌的设计计算必须结合
40、围岩自承能力进行，隧道衬砌除必须保证有足够的净空外，还要求有足够的强度，以保证在使用寿限内结构物有可靠的安全度。显然，对不同形式的衬砌结构物应该用不同的方法进行强度计算。19 世纪末，混凝土已经是广泛使用的建筑材料，它具有整体性好，可在现场根据需要进行模注等特点。在应用初期，地下结构的建造和计算的理论基础为线弹性结构力学即地下弹性连续拱形框架结构阶段，此种计算方法将隧道拱形衬砌看作一种超静定弹性结构，作用在结构上的荷载为地层压力，这种方法忽视了地层对结构变形所产生的弹性抗力。所谓弹性抗力是指支护结构发生向围岩方向的变形引起的围岩对支护结构的约束反力，其作用是限制衬砌变形改善衬砌受力状态提高衬砌
41、结构承载力，衬砌在受力过程中的变形，一部分有离开围岩形成脱离区的趋势，另一部分压紧围岩形成抗力区，如下图所示:因此，选择合理的弹性抗力系数有助于优化支护方案设计，减小支护成本。在本设计中，隧道出入口结构采用直墙拱形形式，除考虑主动荷载外，还应考虑拱圈和边墙处弹性抗力作用。山东科技大学学生毕业设计（论文）25隧道衬砌结构内力计算通常可分为结构力学法和弹性力学法，其中弹性力学法建立在连续介质力学的基础上，认为在变形过程中，衬砌和地层是一个整体，两者相互之间依靠连续条件联系。但是，由于数学上的困难，此种方法只有少量简单的洞室模型才能求得解析解，而绝大部分不得不依靠数值解法来实现。本设计借助 ANSY
42、S 有限元分析软件进行数值模拟分析用来校核结构力学方法计算得到的结果，校核支护结构设计的安全性。隧道结构计算中的荷载结构法属于结构力学法，在这里结构是指衬砌结构，荷载主要是指开挖硐室后由松动岩土自重所产生的地层压力。在结构力学法分析过程中，首先确定地层压力，然后计算衬砌结构在地层压力及其他荷载作用下的内力分布，最后根据内力分布再进行衬砌结构的断面验算。可以看到，荷载结构法和计算地面结构时所采用的结构力学方法基本相同，主要差别是衬砌结构在变形过程中受到周围介质的限制。本设计直墙拱式隧道衬砌的主要受力构件是拱圈和边墙，他们整体相连，而墙底支撑在基岩上。设计计算过程采用荷载结构法，将拱圈和边墙分开考
43、虑，认为拱圈是一个拱脚弹性固定的无铰拱，拱圈弹性抗力假设为二次抛物线分布。边墙视为弹性地基梁，全部抗力由温克尔假定确定。墙顶和拱脚弹性固结，墙脚与基岩有较大摩擦力，无水平位移发生，它在基岩上的作用，视为刚性体。4.2隧道衬砌荷载类型及组合4.2.1隧道荷载类型山东科技大学学生毕业设计（论文）26一般来依靠力学计算设计衬砌结构的厚度、钢筋布置用量等，取决于隧道所受荷载的大小。荷载结构法计算的基本思路就是由荷载计算内力，再由内力设计衬砌结构。隧道结构主要承受的荷载包括：永久荷载。永久荷载又称静荷载，指长期作用在结构上且大小、方向和作用点不变的荷载，如结构自重、岩土体压力和地下水压力。根据铁路隧道设
44、计规范出入口荷载计算可按浅埋隧道松散围岩压力考虑，采用规范所给出的公式计算。可变荷载。可变荷载又称活荷载，是指在结构物施工和使用期间可能存在的变动荷载，其大小和作用位置都可能变化。比如公路隧道中的车辆荷载、人群荷载、施工荷载、地面堆载、材料堆载。本设计中，施工荷载按 10kPa 计算，结构设计中应考虑各种施工荷载可能发生的组合，地面超载一般按 20kPa 计算。偶然荷载。偶然荷载又称动荷载。指瞬时作用的荷载。如车辆爆炸荷载、车辆撞击荷载以及在抗震区进行地下结构设计时，需计算地震波作用下的动荷载作用。青岛市为 6 度抗震设防区，设计基本地震加速度值为 0.05g。其他荷载。指使结构产生内力和变形
45、的各种其他因素，例如：混凝土材料收缩、温度变化、结构不均匀沉降等因素引起结构产生内力。在本设计中地铁结构中永久构件在按荷载效应基本组合进行使用阶段的承载能力计算时， 取 01.1，进行施工阶段的承载能力计算时， 取 0 1.0，在按荷载效应的偶然组合进行承载能力计算时，取01.0。作为临时构件设计的结构，在按荷载效应的基本组合进行承载能力计算时， 取 00.9。山东科技大学学生毕业设计（论文）27围岩压力与结构自重是隧道结构计算的基本荷载。铁路隧道设计规范TB 10003-2005 中在对隧道结构进行计算时，列出了荷载类型，只考虑本设计需计算的荷载种类，如下表 4.1 所示山东科技大学学生毕业
46、设计（论文）28表 4.1 作用（荷载）分类荷载类型荷载名称 荷载计算及取值结构自重 按实际考虑竖向压力 按铁路隧道设计规范判断深埋和浅埋围岩压力水平压力 按规范侧压力系数计算永久荷载水压力 按水工隧道设计规范采用静水压力折减的方法人群荷载 按 4KN/m2 考虑可变荷载基本可变荷载施工荷载、地面堆载、材料堆载按 10KN/m2 考虑偶然荷载地震作用 按设防烈度 6 度考虑4.2.2荷载组合采用概率极限法设计隧道结构时，结构的作用设计值按式 4-1 计算山东科技大学学生毕业设计（论文）29(4-1) =其中， -作用分项系数-作用标准值本设计考虑按施工阶段、使用阶段和特殊荷载作用的不同工况进行
47、荷载组合，选择最不利荷载组合作用下进行内力计算，对构件进行强度计算时荷载采用设计值进行计算。(1) 施工期间的基本组合：永久荷载+可变荷载，不考虑水压力影响；(2) 使用阶段：基本组合：永久荷载+可变荷载，考虑水压力影响；偶然组合：永久荷载+可变荷载+地震荷载；(3)进行正常使用极限状态下的衬砌裂缝宽度验算时，荷载组合采用标准组合值进行计算。荷载组合如表 4.2：表 4.2 荷载组合表组 合 荷 载 种 类 永 久 荷 载 可 变 荷载 地 震 荷载基 本 组 合 1： 永 久 荷 载 +基 本 可 变 荷载 1.35 1.4 /标 准 荷 载 2： 永 久 荷 载 +基 本 可 变 荷载 1
48、.0 1.0 /偶 然 荷 载 3： 永 久 荷 载 +地 震 荷 载 1.2 1.0 1.3由表格得出，考虑按照荷载最不利原则，选取使用阶段荷载基本组合为设计计算组合。山东科技大学学生毕业设计（论文）304.2.3隧道衬砌荷载计算一、隧道围岩压力的计算本设计计算断面为青岛地铁 3 号线 2 号出入口结构 3-3 断面，其断面结构详图见本设计图 3.1 隧道衬砌断面详图。根据断面设计图，确定其计算参数为：（1）隧道净高：H=内轮廓线高度+衬砌厚度=4.2+1.6=5.8m隧道净跨：B=内轮廓线宽度+衬砌厚度=6+1.7=7.7m（2）隧道深浅埋的判断：本设计隧道结构埋深为 12.6m，根据公路
49、隧道设计规范中附录E.0.1，浅埋和深埋隧道的分界，按荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素综合判定。按荷载等效高度的判定公式为： （4-2） =(22.5)式中： -浅埋隧道分界深度-荷载等效高度值，按 qh计算，其中 q 为按 )5(1245.0qsBi算出的深埋隧道垂直均布压力，其中 s 为隧道围岩等级，对于本设计围岩等级为 III 级围岩，B 为隧道净跨，B5m 时，i 取 0.1。对于三级围岩，取 ;=2对于本设计的隧道地质及尺寸参数，计算得，=0.4523124.51+0.1(7.75)=56.007，=56.00724.5=2286，=2=4.57212.6对于三级围岩，取 ;=2对于本设计的隧道地质及尺寸参数，计算得山东科技大学学生毕业设计（论文
