暗挖马蹄形断面隧道结构计算书.doc

1、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

2、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 1.8 16.5 2 粉土 1.1 19.2 29 29 2-1 粉质粘土 0.5 19.5 36 19 0.482 粉土 1.7 19.2 29 29 2-3 粉细砂 1.

3、0 19.5 0 25 0.402-4 中粗砂 2.5 19.8 0 32 0.405 卵石圆砾 2.7 21.0 0 50 0.255-1 中粗砂 1.2 20.5 0 40 0.336-2 粉土 3.0 19.1 18 28 0.417-1 中粗砂 2.2 20.8 0 32 0.2覆土加权容重 =19.4kN/m3；iih0断面所在土层加权容重 20.3kN/m3 ，ii1断面土层加权侧压系数为 =0.33，iihK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

4、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

5、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/m 3，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/m 3，断面土层加权容重 20.30kN/m 3。土层含水量 1w20%，考虑施工降水作用含水量 w 减少 10%，则：覆土计算容重 ；30/6.17.mkN断面土层计算容重 31 /5.8.0顶拱竖向土压力：10

6、.817.6+0.12518.5=192.4kN/m100he结构侧向土压力：=192.40.3363.5kN/m1K=(192.4+6.03 18.5)0.33100.3 kN/m122e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/m7.07.01hhe结构侧向土压力：=152.30.3350.3kN/m1K=(152.3+5.33 20.3 0.7)0.3375.3 kN/m11227.0Khe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

7、拱竖向水压力： =(11.2-10.7)10=4.7kN/mwhp10结构侧向水压力：p 1= p0=4.7 kN/m=5.810=58.0kN/m2底拱水压力：p 3=p2=58.0 kN/m顶拱竖向土压力：10.819.40.7+0.410.30.7=150.0kN/m7.0)(7.011hhew结构侧向土压力：=150.00.3349.5 kN/m1K=(150.0+5.3310.30.7)0.3362.2 kN/m1122 7.0Khew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

8、） 。e=9.kN/m 63.5k/12e =10.3kN/e =10.3kN/21 6.5k/图 2：暗挖隧道马蹄形断面初衬计算简图e =50.3kN/m12e =75.3kN/me=152.3k/e =75.3kN/m21e =50.3kN/m图 3：暗挖隧道马蹄形断面二衬计算简图（水土合算） e =49.5kN/12e =6.k/m50./e =62.kN/m1e =49.k/pp .7/2p 58.0/ p 58.0/21p .7/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=0.25

9、m ，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1.0 0.80位置 M(kN.m) N(kN) L0（ m） 配筋 配筋拱顶 91 -436 3.0 0.186 425 0.148 325拱中部 -90 -620 2.5 0.264 325 0.209 322边墙底部 -101 -728 1.0 0.310 325 0.245 320底板侧部 68 -473 -1.0 0.198 318 0.157 316底板中部 -10

10、7 -512 -3.5 0.218 425 0.174 325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-473 -473 -514 -512 -512 -512 -512 -512 -513 -472 -472 -740 -728 -71 -706 -695 -692 -69 -704 -692 -63 -620-5 -512 -46 -437 -436 -465 -51 -56 -620 -6 -692-704 -69 -692 -695 -705

11、-71 -728 -740 MIDAS/CivlPOST-PROESORBEA IAGM二 二-4.2905e+02-.7342-4.856e+02-.1390-5.42e+02-.706-5.9859e+02-6.27042-.536e+02-6.809-7.12e+02-.4075CB: 1MAX :27IN41二 二 :二 二 二 二二 二 kN二 二 :10/29/04二 二 -二 二X:0.0Y:-1.Z:0.0图 5：暗挖隧道单线马蹄断面初衬弯矩图（单位 kN.m）453 269 6 17 -2 3 3 -17 -71 -273 -456 347 237 137 47 -82 -1

12、9 130 93 41 -6 -108 -13-136 -17 -82 81 16 135 13 109 68 -41 -93 -139 82 -47 -137 -237 -347 MIDAS/CivlPOST-PROESORBEA IAGM二 二 -z4.5349e+02.70852.16e+02.0571.289e+020.0-4.2586e+01-1.172-2.06e+0-.9432-3.70e+0-4.522CB: 1MAX :IN1二 二 :二 二 二 二二 二 k二 二 :10/29/04二 二 -二 二X:0.0Y:-1.Z:0.0图 6：暗挖隧道单线马蹄断面初衬剪力图（单位

13、kN）263 -68 -98 -106 -106 -106 -107 -107 -10 -71 263 263 10 -60 -69 -69 -43 -52 -85 -90 -90 -74 -40 46 7 91 91 7 48 -38 -74 -90 -90 -85 -52 -43 -69 -70 -60 10 263 MIDAS/CivlPOST-PROESORBEA IAGM二 二 -y2.63017e+02.941.578e+02.62191.853e+029.4616.13205e+02.7410.0e+0-3.952781-7.1439e+0-.0672CB: 1MAX :IN7二

14、 二 :二 二 二 二二 二 k*m二 二 :10/29/04二 二 -二 二X:0.0Y:-1.Z:0.0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

15、计算（水土合算）位置 M(kN.m) N(kN) L0(m) 配筋拱顶 97 -323 3.0 0.088 518拱中部 -80 -537 2.0 0.146 316边墙底部 -102 -684 1.5 0.186 416底板边部 102 -679 1.5 0.185 416底板中部 -146 -610 2.5 0.167 520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 -239 518 0.14 0.3拱中部 -59 -398 416 0.10 0.2边墙底部 -76 -507 516 0.11 0.2底

16、板边部 76 -503 516 0.11 0.2底板中部 -108 -452 520 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。 -32 -348-38 -46 -487 -537 -570 -574 -570 -57 -594 -619 -684 -679 -617 -612 -610 -610 -612 -617 -679 -684 -620 -594 -57 -570 -574 -570 -537 -487-3 -389 -348-32 MIDAS/CivlPOST-PROESORBEA

17、IAGM二 二-3.16481e+02-.95-3.821e+02-4.1659-.2e+02-4.83-5.1670e+02-.3-5.84e+02-6.1-.5084e+02-6.35CB: 1MAX :IN2二 二 :二 二 二 二 二 二 二 二 二 k二 二 :10/29/04二 二 -二 二X:0.0Y:-1.Z:0.0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）69 103 124 127 109 7-39 -9 87 35 -72 -142 -59 160 198 109 36 -36 -109 -198 -160 59 142 72 -35 -87 9

18、39 -7 -108 -126 -124 -104-70 MIDAS/CivlPOST-PROESORBEA IAGM二 二 -z1.9813e+02.6251.14e+029.08715.4539e+01.8011.e+0-5.4051-9.83e+0-1.2612-.5e+0-1.9812CB: 1MAX :5IN20二 二 :二 二 二 二 二 二 二 二 二 k二 二 :10/29/04二 二 -二 二X:0.0Y:-1.Z:0.0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）97 85 60 2 -5 -80 -80 -73 30 -1016 79 102102

19、-79 -130 -146 -146 -130 -79 102 102 79 16 -10 30 -73 -80 -80 -5 21 59 85 96 MIDAS/CivlPOST-PROESORBEA IAGM二 二 -y1.0764e+027.92515.671e+03.428611.70e+00.-3.267e+01-5.5-7.8236e+01-1.072-.230e+0-1.457192CB: 1MAX :4IN18二 二 :二 二 二 二 二 二 二 二 二 k*m二 二 :10/29/04二 二 -二 二X:0.0Y:-1.Z:0.0图 9：承载能力组合下暗挖隧道单线马蹄断面二衬

20、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 -345 3.0 0.094 416拱中部 -69 -543 2.0 0.148 216边墙底部 -110 -714 1.5 0.194 416底板边部 110 -731 1.5 0.200 416底板中部 -135 -670 2.5 0.183 518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 -256 416 0.19 0.3拱中部 -51 -402

21、 316 0.12 0.2边墙底部 -81 -529 516 0.14 0.2底板边部 81 -541 516 0.14 0.2底板中部 -100 -496 518 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。-345 -369 -407 -452 -49 -543-570 -572 -569 -578 -59 -632 -714 -731 -674 -672 -670 -670 -672 -674 -731 -714 -632 -59-578 -569 -572 -570 -543 -49-5

22、-408 -370-345 MIDAS/CivlPOST-PROESORBEA IAGM二 二-3.8654e+02-.729-4.034e+02-.57-4.812e+02-5.65-.249e+02-5.8136-6.27e+02-.5941-6.07e+02-7.369CB: 1MAX :IN14二 二 :二 二 二 二 二 二 二 二 二 k二 二 :10/29/04二 二 -二 二X:0.0Y:-1.Z:0.0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）67 97 14 15 97 67-49 -105 94 4 -8 -167 -90 152 0 1 37

23、-37 -1 -20 -152 90 167 8 -4 -94 105 49 -68 -96 -14 -15 -98-68 MIDAS/CivlPOST-PROESORBEA IAGM二 二 -z2.027e+021.63.279e+029.0615.42e+01.893610.0e+0-5.43961-9.0e+0-1.2732-.69e+0-2.062CB: 1MAX :5IN20二 二 :二 二 二 二 二 二 二 二 二 k二 二 :10/29/04二 二 -二 二X:0.0Y:-1.Z:0.0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）80 69 46 -2

24、-51 -69 -69 -59 -17 -25-23 76 1010 -6 -18 -135 -135 -18 -6 10 10 76 -23 -25 -17 -60 -69 -69 -51 -2 46 69 80 MIDAS/CivlPOST-PROESORBEA IAGM二 二 -y1.0971e+028.48516.5260e+04.312.081e+0.-2.36578e+01-4.3-6.8167e+01-9.0342-1.576e+02-.3480CB: 1MAX :3IN18二 二 :二 二 二 二 二 二 二 二 二 k*m二 二 :10/29/04二 二 -二 二X:0.0Y

25、:-1.Z:0.0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 qe272.7kN/m 2。作用于侧墙的等效均布静荷载标准值为 ee30kN/m 2。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

26、 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 518拱中部 -110 -754 2.0 484 316边墙底部 132 -893 1.5 643 416底板中部 -195 -787 2.5 1468 520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。-760 -76 -785 -815 -893 -81 -79 -791 -78 -78 -791 -79 -81 -893 -815 -785 -76 -760 -427 -461

27、 -516 -583 -62 -721-764 -769 -769 -764 -721 -653-58 -518 -462-428 MIDAS/CivlPOST-PROESORBEA IAGM二 二-4.18951e+02-.62076-5.e+02-.48325-5.919e+02-6.3457-.698e+02-7.203-.6947e+02-8.02-.5196e+02-8.32CB: 1MAX :IN2二 二 :二 二二 二 k二 二 :12/03/204二 二 -二 二X:0.0Y:-1.Z:0.0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）14 45 -91

28、 -18 -71 214 259 142 46 -46 -142 -259 -214 71 18 91 -45 -14-94 -14 -170 -174 -150 -104 51 30 -130 -51 105 149 17 17142 95 MIDAS/CivlPOST-PROESORBEA IAGM二 二 -z2.59371e+02.12.650e+021.789.03e+012.5860.0e+0-7.351-1.894e+02-.6502-2.1e+02-.59368CB: 1MAX :5IN20二 二 :二 二二 二 k二 二 :12/03/204二 二 -二 二X:0.0Y:-1.

29、Z:0.0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）43 -10 24 105 132 132 -107 -174 -195 -195 -174 -107 132 132 105 24 -10 43 -135 -120 -84 -32 75 10 10 10 10 10 10 75 -31 -83 -19-135 MIDAS/CivlPOST-PROESORBEA IAGM二 二 -y1.360e+02.09737.286e+014.590.0e+0-1.67361-4.04e+0-7.61721-.05834e+02-1.21-.6508e+02-1.94CB: 1

30、MAX :3IN17二 二 :二 二二 二 k*m二 二 :12/03/204二 二 -二 二X:0.0Y:-1.Z:0.0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 (

31、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