1、软土地区地铁盾构隧道课程设计说明书（共 00页）姓 名 杨 均学 号 070849 导 师 丁 文 琪土木工程学院地下建筑与工程系2010年 7月1 设计荷载计算1.1 结构尺寸及地层示意图3506205138B18DB273L1K73L281280灰 色 淤 泥 质 粘 土kN/mc=.Pa 93灰 色 淤 泥 质 粉 质 粘 土kN/c=.Pa 6453332q=0kN/m50 褐 黄 色 粘 土kN/m1035灰 色 砂 质 粉 土人 工 填 土5380图 1-1 结构尺寸及地层示意图如图，按照要求，对灰色淤泥质粉质粘土上层厚度进行调整：。m4380 5*9+130h灰按照课程设计题目，
2、以下只进行基本使用阶段的荷载计算。1.2 隧道外围荷载标准值计算（1 ） 自重2/75.83.02kNgh（2 ）竖向土压若按一般公式：21 /95.468.5.3780.19.85.0q mKNhnii 由于 h=1.5+1.0+3.5+43.8=48.8mD=6.55m，属深埋隧道。应按照太沙基公式或普氏公式计算竖向土压：a 太沙基公式： )tan()tan(001 001tn)/(p BhBheqecB其中：mRc 83.6)4/7.52tan(/.3)4/5.2ta(/ 000 （加权平均值 ）00.87619.则： 2)9.8tan3.64()9.8tan3.64(1 /0.1201
3、9.tan)/28(3.6p mKNee b 普氏公式： 20012 /73.69.8ta73ta mKNB取竖向土压为太沙基公式计算值，即：。21/.89pmKNe（3 ） 拱背土压。mkNRc /72.86.925.)41()4(2G2 其中：。3/.728.165.0mKN（4 ） 侧向主动土压 )245tan(2)4(tan)(q 0021 chpe其中：，21/0.89mKNe3/4.75.0.1764mKN 00 .8.2kPac1.285.0.4126.12则： 20021 /.1)27.45tn(.)7.(tan0.9q mKNe 20022 /6.154)7.45tan(.)
4、7.45(tan)8.54.8(e （5 ） 水压力按静水压考虑：a 竖向水压： 2w11 /478.=.9H=pmKNb 侧向水压： 211 /qw22 53.14=)(489=（6 ） 侧向土壤抗力衬砌圆环侧向地层（弹性）压缩量： )R0.45kEI2(q(-q-)p( 4c4cw2ew1ew1e 其中：衬砌圆环抗弯刚度取 237 6.1250.13.I mKN衬砌圆环抗弯刚度折减系数取 ；.则： m3 441067.5.360812 )925.0.452(4 .13(16-)2789.-)9( = 2-r /=ykqKN（7 ） 拱底反力 wcc1R R2-0.46+gpPe其中： 21
5、/.89mKNe2/75.8mkNg，与拱背土压对应3/6.78.164.0mKN则：。2R /91.740 95.2 -.95.20.4+589.02=P mKN（8 ） 荷载示意图图 1-2 圆环外围荷载示意图2 内力计算2.1 用荷载-结构法按均质圆环计算衬砌内力取一米长度圆环进行计算，其中荷载采用设计值，即考虑荷载组合系数。计算结果如下表（已考虑荷载组合系数）：表 2-1 隧道圆环内力计算结果垂直荷载 水平荷载 水平三角荷载 地基抗力 自重pe1+pw1 qe1+qw1 qe2+qw2-qe1-qw1qk=k g截面/度 内力 800.71 719.09 104.35 14.82 10
6、.50 每米内力 0 M/KNm 1712.65 -1538.06 -93.00 -15.09 30.97 97.47 0 N/KN 0.00 2103.33 95.38 15.33 -5.12 2208.93 0 Q/KN 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 8 M/KNm 1646.30 -1478.48 -90.28 -14.65 29.95 92.84 8 N/KN 45.36 2062.59 94.45 15.18 -4.47 2213.11 8 Q/KN -322.78 289.88 13.27 2.13 4.96 -12.54 40.5 M/KNm 267
7、.92 -240.61 -27.18 -4.35 7.67 3.46 40.5 N/KN 987.85 1216.18 69.20 11.66 10.21 2295.10 40.5 Q/KN -1156.62 1038.72 59.10 9.95 19.83 -29.02 73 M/KNm -1419.85 1275.11 78.07 14.51 -25.51 -77.67 73 N/KN 2141.88 179.80 16.72 2.94 35.92 2377.25 73 Q/KN -654.84 588.08 54.68 9.61 16.34 13.87 90 M/KNm -1712.65
8、 1538.06 111.60 19.18 -35.28 -79.08 90 N/KN 2342.08 0.00 0.00 0.00 48.24 2390.33 90 Q/KN 0.00 0.00 19.08 0.00 5.12 24.20 105.5 M/KNm -1468.03 1318.38 109.15 14.09 -33.74 -60.16 105.5 N/KN 2174.82 150.21 7.26 3.68 52.48 2388.45 105.5 Q/KN 603.13 -541.65 -26.17 -13.27 19.11 41.15 138 M/KNm 179.02 -160
9、.77 -0.73 -3.57 1.24 15.18 138 N/KN 1048.63 1161.60 101.42 11.39 31.94 2354.98 138 Q/KN 1164.63 -1045.91 -91.32 10.26 34.67 72.33 159 M/KNm 1272.75 -1143.00 -91.38 -12.11 28.29 54.54 159 N/KN 300.79 1833.21 177.30 14.31 13.14 2338.74 159 Q/KN 783.58 -703.70 -68.06 5.49 23.61 40.92 180 M/KNm 1712.65
10、-1538.06 -130.20 -15.09 39.58 68.88 180 N/KN 0.00 2103.33 209.85 15.33 5.12 2333.62 180 Q/KN 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 内力（红色线条）分布图如下：M15.8 463.46 9287-79.08 -6图 2-1 弯矩分布图（KNm）2354.98 0237.5 893167N图 2-2 轴力分布图（受压 KN）Q-29.01541387 4.5723 图 2-3 剪力分布图（KN）3 标准管片(B)配筋计算3.1 截面及内力确定由上述内力计算，取 80 截面处内力进行内
11、力计算。根据修正惯用法中的 - 法，由于纵缝接头的存在而导致结构整体刚度降低，取圆环整体刚度为： 2379.86251.3.450EI mKN而管片的内力： Ms .04.9).0()1(KNs.23N3.2 环向钢筋计算 假设为大偏心构件。 ms571.23690e0取：.1ka0/mahke 7.185071.20 采用对称配筋： WbxRN)()2(/0/0ahRAheg其中： 1m=b2W3.N/R钢筋选用 HRB335 钢，则2/g0/由此： 1.313.29x )503()230(.207.80 / gAx得： )165.()4.13()12( 0/ mhmxa 确为大偏心。由此算
12、出： 0/gA取： 2/ 60310%2. mg选配 4B14（A /g=615.75 mm2） 。3.3 环向弯矩平面承载力验算（按偏心受压验算） KNs.39NmbhAIi 102518.321/)9586(/)8065(/ 00 iRilc查混凝土结构基本原理表 4-1，得轴心受压稳定系数：9.2/ 50.136.72mAg %3501./ 取 235010mA NKRgwcu 36.825)05.123.0(98.)(N/满足要求。3.4 箍筋计算根据混凝土结构基本原理 ，按照偏心受压构件进行计算。KNV3.72剪跨比： 0.31302951860 hl故取 。.矩形截面钢筋混凝土偏心
13、受压构件斜截面抗剪承载力： csvytu NhAfbfV07.175.0其中：ft混凝土抗拉强度（ 1.89N/mm2）fyv钢筋抗剪承载力（HPB235 级，210N/mm 2）Nc轴向压力（要求 ）Afc3.0检验轴压力上限： KNKNAf cc 3.2905.241.230. 又由： VVcu 3.728.4153.907.3089.751 既不需要计算配箍，按构造要求即可。根据混凝土结构基本原理中所述构造要求，选配四肢箍 A8200。4 基本使用阶段验算4.1 抗浮验算盾构隧道位于含地下水的土层中时受到地下水的浮力作用，故需验算隧道的抗浮稳定性，用抗浮系数： QRPGKj/其中：G/隧
14、道自重G拱背土压力P垂直荷载Rj井壁与土壤间摩擦力Q水浮力则： 2.1510925. 9.26.78.275.8)(21wccecRpGgK（注：上述计算中由于相对于垂直荷载摩擦力非常小，为计算简便，将摩擦力忽略不计）满足要求。4.2 管片局部抗压验算由于管片连接时在螺栓上施加预应力，故需验算螺栓与混凝土连接部位的局部抗压强度。在于应力作用下，混凝土所受到的局部压应力： ncAN其中：N螺栓预应力（同上，取 280KN）An螺帽（或垫片）与混凝土接触净面积，取： 2246.1584)310(m则： 22/1.3/.6.1258NRNwc 即需在螺帽下设置一定厚度的内径为 31mm、外径为 13
15、0mm 的钢圆环垫片。4.3 管片裂缝验算取最大弯矩处进行裂缝验算（即 00 截面） ，此处满足要求，则其他位置亦可满足。根据桥涵规范 6.4.4 条：，)(0/ bhfff，取 s=1.0 ，148.935.2186/00 l，mahyss2，182.36m=5+028.9371 0sse，m57.1630).()(.87. 0/ hezsf；23 /45.8=16.57.3.)-(82029.)( mNzAeNss再根据桥涵规范 6.4.3 条：裂缝宽度：，)1028.3(W321dECstk其中：C1钢筋表面形状系数（对带肋钢筋取 1.0 ）C2作用长期影响系数（取 1+0.5N1/Ns
16、=1.5 ）C3与构件受力性质有关的系数（取 0.9 ）配筋率（ ）02.6.0则：；mtk 2.039.)06.18.43(.459.1W不满足要求，需增加钢筋。经计算，钢筋改配为 6B16 即可满足要求，验算过程如下：，23 /27.59=16.5720)-(.)( NzAeNss则：；mtk .0.)0.8.(.75905.1W满足要求。同理，对标准管片进行验算，也需增加配筋为 6B16 。综上所述，衬砌管片的配筋量由裂缝要求控制。弯矩越小，裂缝越大？4.4 管片接缝张开验算管片拼装之际由于受到螺栓（8.8 级） ，在接缝上产生预应力：WeNFc011其中：N1螺栓预应力引起的轴向力（由
17、钢结构基本原理取 280KN）e0螺栓与重心轴偏心距（取 25mm）F、 W衬砌截面面积和截面距当接缝受到外荷载，由外荷载引起的应力： Mc22其中：N2、M 2外荷载，由外荷载引起的内力F、 W衬砌截面面积和截面距选取最不利接缝截面（8 0） ，计算如下： 2211 /457.0310/683528mNec 226322 /1./.970.FNc 均为压力，接缝不会张开。由此可得接缝变形量： lElc21其中：E防水涂料抗拉弹性模量（取 3MPa）l涂料厚度（取 5mm）则： mlllc 372.35369.247.021 若用两只螺栓： llElc 96.21 即环向每米宽度内选用两只螺栓
18、即可满足要求。4.5 纵向接缝强度验算近似地把螺栓看作受拉钢筋，由此进行强度验算。a 负弯矩接头（73 截面）：mkN37.540.-76=M 237.5kN=Ne2.20由：Xxwgb R=+x1023.=8021237.53mhx65.为大偏心受压,则： 5.12.72310237.51./)-(50/.+/)-(028)()(00 NexhxRAKge满足要求。b 正弯矩接头（8 截面处）：m92.4kN=M 213.kN=e04.1.380由：Xxwgb R=N+x1023.=802123.3mhx65.05为大偏心受压,则： 5.106.2810237.517./)-(350/2.2
19、+1/)-(028)()( 300 NexxRAKge满足要求。5 构造说明（1 ） 混凝土保护层厚度地下结构的特点是外侧与土、水相接触，内测相对湿度较高。故受力钢筋保护层厚度最小厚度比地面机构增加 510mm。本设计中 c=40mm。（2 ） 横向受力钢筋为便于施工，将横向钢筋与纵向分布钢筋制成焊网。外侧横向钢筋为一闭合钢筋圈，内侧钢筋则沿横向通常配置。（3 ） 分布钢筋由于考虑混凝土的收缩、温差影响、不均匀沉降等因素的作用，必须配置一定数量的纵向分布钢筋。纵向分布钢筋的配筋率：顶、底板应大于 0.15%，对侧墙应大于 0.20%，则本设计的纵向分布钢筋：顶、底板（一侧）： ，配 B1225
20、0(As=452mm2)；2m450610%5.2侧 墙（一侧）： ，配 B14250(As=616mm2)；中 墙（一侧）： ，配 B12250(As=452mm2)。2.（4 ） 箍筋断面厚度足够，不用配置箍筋。（5 ） 刚性节点构造框架转角处的节点构造应保证整体性，根据此处钢筋的布置原则，此点构造说明如下：a 沿斜托单独配置直线钢筋 B12200；b 沿着框架转角处外侧的钢筋，其钢筋弯曲半径 R=200mm1810=180mm ；c 为避免在转角部分的内侧发生拉力时，内侧钢筋与外侧钢筋无联系，是表面混凝土容易脱落，故在角部配置箍筋 B12100（6 ） 锚固长度根据桥涵规范 9.1.4 条规定，取:受压钢筋：l a25d=2518=450mm；受拉钢筋（直端）：l a30d=3018=540mm，l a30d=3012=360mm；受拉钢筋（弯钩端）：l a25d=3018=450mm。（7 ） 端部钢筋弯起根据桥涵规范 9.1.5 条，并考虑施工方便，端部钢筋弯起均取为 50mm。
