(完整word版)软土地区地铁盾构隧道课程设计计算书(word文档良心出品)

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

q=20kN/m250010001500人工填土kN/m3褐黄色粘土kN/m38KL1738L273B243800350012801645灰色砂质粉土kN/m3灰色淤泥质粉质粘土kN/m3c=12.2kPa B1138D35055006200138350

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：

h灰1350+849*50 43800mm。

按照课程设计题目，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 gh250.358.75kN/m

（2）竖向土压

若按一般公式：

2925灰色淤泥质粘土kN/m3c=12.kPa 

qihi180.581.09.11.08.73.548.88446.95KN/m2i1n 由于h=1.5+1.0+3.5+43.8=48.8m>D=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)B0(c/B0)B0p1[1e]qeB0 tanhh其中：

B0Rc/tan(22.50/4)3.1/tan(22.507.70/4)6.83m

8.901.6457.204.2057.70）（加权平均值 5.85则：

(tan8.9)(tan8.9)6.83(812.2/6.83)6.836.83p11[1e]20e189.02KN/m2 tan8.948.848.8b普氏公式：

p122B027.9228269.73KN/m 3tan3tan8.90取竖向土压为太沙基公式计算值，即：

pe1189.02KN/m2（3） 拱背土压

。

G2(1其中：

4)Rc22(14)2.92527.628.72kN/m。

1.6458.01.287.17.6KN/m3。

1.6451.28（4） 侧向主动土压

qe(pe1h)tan2(450)2ctan(450)

22其中：

pe1189.02KN/m2，

81.6457.14.2057.4KN/m3

5.858.901.6457.204.2057.70

5.85

c12.21.64512.14.20512.1kPa

5.85则：

7.707.700qe1189.02tan(45)212.1tan(45)121.00KN/m2

2220qe27.707.700(189.027.45.85)tan(45)212.1tan(45)154.06KN/m22220（5） 水压力

按静水压考虑： a竖向水压：

pw1=wHw1=9.8×48.8=478.24KN/m2

b侧向水压：

qw1=wHw1=9.8×48.8=478.24KN/m2 qw2=wHw2=9.8×(48.85.5)=532.14KN/m2

（6） 侧向土壤抗力

衬砌圆环侧向地层（弹性）压缩量：

4[2(pe1pw1)-(qe1qw1)-(qe2qw2)]Rc= 4 24(EI0.0454kRc)其中：

1.0×0.353123265.6KNm2 衬砌圆环抗弯刚度取EI3.4510127衬砌圆环抗弯刚度折减系数取0.7； 则：

[2(189.02478.24)-(139.19478.24)-(154.06532.14)]2.9254= 24(0.7123265.60.0454200002.9254)2261.110.617103m3666008.57qr=ky=200000.61710-312.35KN/m2

（7） 拱底反力

πPR=pe1+πg+0.2146Rc- Rc w

2其中：

pe1189.02KN/m2

g8.75kN/m2

1.6458.01.287.17.6KN/m3，与拱背土压对应

1.6451.28则：

πPR=189.02+π8.75+0.21462.9557.6- 2.955 10174.91KN/m2。

2（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 截面/度 内力 pe1+pw1 800.71 0 0 0 8 8 8 40.5 40.5 40.5 73 73 73 90 90 90 105.5 105.5 105.5 138 138 138 159 159 159 180 180 180 N/KN Q/KN N/KN Q/KN M/KNm N/KN 0.00 0.00 45.36 qe1+qw1 719.09 2103.33 0.00 2062.59 qe2+qw2-qe1-qw1 104.35 -93.00 95.38 0.00 -90.28 94.45 13.27 -27.18 69.20 59.10 78.07 16.72 54.68 111.60 0.00 19.08 109.15 7.26 -26.17 -0.73 101.42 -91.32 -91.38 177.30 -68.06 -130.20 209.85 0.00 qk=kδ 14.82 15.33 0.00 15.18 2.13 -4.35 11.66 9.95 2.94 9.61 0.00 0.00 3.68 -3.57 11.39 10.26 14.31 5.49 15.33 0.00 自重 g 10.50 97.47 0.00 92.84 -12.54 3.46 -5.12 2208.93 0.00 每米内力

M/KNm 1712.65 -1538.06 -15.09 30.97 M/KNm 1646.30 -1478.48 -322.78 289.88 267.92 -240.61 987.85 1216.18 -14.65 29.95 4.96 7.67 -4.47 2213.11 10.21 2295.10 19.83 -29.02 35.92 2377.25 16.34 13.87 Q/KN -1156.62 1038.72 M/KNm -1419.85 1275.11 N/KN Q/KN N/KN Q/KN N/KN Q/KN M/KNm N/KN Q/KN N/KN Q/KN N/KN Q/KN 2141.88 179.80 -654.84 588.08 2342.08 0.00 0.00 0.00 14.51 -25.51 -77.67 M/KNm -1712.65 1538.06 19.18 -35.28 -79.08 48.24 2390.33 5.12 24.20 M/KNm -1468.03 1318.38 2174.82 150.21 603.13 -541.65 179.02 -160.77 1048.63 1161.60 1164.63 -1045.91 300.79 1833.21 783.58 -703.70 0.00 0.00 2103.33 0.00 14.09 -33.74 -60.16 52.48 2388.45 41.15 15.18 72.33 54.54 40.92 68.88 0.00 1.24 34.67 -13.27 19.11 31.94 2354.98 M/KNm 1272.75 -1143.00 -12.11 28.29 23.61 13.14 2338.74 M/KNm 1712.65 -1538.06 -15.09 39.58 0.00 5.12 2333.62 内力（红色线条）分布图如下：

M3.46 92.84 97.47 -77.67 -79.08 -60.16 15.18 54.54 68.88

图2-1 弯矩分布图（KNm）

N2213.11 2208.93 2295.10 2377.25 2390.33 2388.45 2354.98 2338.74 2333.62

图2-2 轴力分布图（受压KN）

-12.54 0.00Q-29.02 13.87 24.20 41.15 72.33

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截面处内力进行内力计算。根据修正惯用法中的η-ξ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：

1.0×0.353EI0.73.451086285.92KNm2

127而管片的内力：

Ms(1)M(10.3)92.84120.69KNm NsN2213.11KN3.2 环向钢筋计算

假设为大偏心构件。

e0取：

Ms120.6957mmNs2213.11

k1.1aa/50mm

eke0ha1.15717550187.7mm2

采用对称配筋：

NbxRWx//NebxRW(h0)AgRg(h0a/)2

其中：

b=1000mm

钢筋选用HRB335钢，则

RW=23.1N/mm2/Rg=300N/mm2

由此：

2390.331031000x23.1

x/2390.33103187.71000x23.1(300)Ag300(30050)

2得：

(2a/100mm)(x103.48mm)(0.55h0165mm)确为大偏心。 由此算出：

/Ag0

取：

/AgAg0.2%1000300600mm2选配4B14（Ag=615.75 mm）。

3.3环向弯矩平面承载力验算（按偏心受压验算）

/

2

NsN2390.33KN

iIbh33502101mm A12bh12650650l0/i(Rc)/i(2925)/10132.8

18001800查《混凝土结构基本原理》表4-1，得轴心受压稳定系数：

0.98

/Ag2615.751231.50mm2

/1231.503%

1000350

取A1000350350000mm2

//Ncu(ARwAgRg)0.98(35000023.11231.50300)8285.36KN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。 V72.33KN 剪跨比：

65029250l18011.13.0

h0300故取3.0。

矩形截面钢筋混凝土偏心受压构件斜截面抗剪承载力：

VuA1.75ftbh0fyvsvh00.07Nc 1s其中：

ft——混凝土抗拉强度（1.89N/mm2）

fyv——钢筋抗剪承载力（HPB235级，210N/mm2） Nc——轴向压力（要求0.3fcA） 检验轴压力上限：

0.3fcA0.323.110003502425.5KNNc2390.33KN

又由：

Vcu1.751.8910003000.072390.33103415.38KNV72.33KN31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A8@200。

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：

KG/GPRjQ

其中：

G/——隧道自重 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：

Kg2RcG(pe1pw1)2RcRc2w8.7522.92528.72667.2622.92515.22.925210

（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：

cNAn

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：

An则：

(1302312)412518.46mm2

c28000022.4N/mm2Rw23.1N/mm2

12518.46即需在螺帽下设置一定厚度的内径为31mm、外径为130mm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：

/f(b/fb)hfbh00，

6502.9250l0/h1809.4814，取ηs=1.0 ，

0.35h350as50125mm， 221.3×97.47esse0ys1× ×1000+125=182.36mm，

2208.93ysz[0.870.12(1/f)(h023002)]h0[0.870.12()]300163.57mmes182.36 ，

ssNs(esz)2390.33×103×(182.36-163.57)=445.88N/mm2

Asz615.75×163.57；

再根据桥涵规范6.4.3条：

裂缝宽度：

WtkC1C2C3ssEs(30d)0.2810，

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=1.5 ） C3——与构件受力性质有关的系数（取0.9 ）

——配筋率（0.0060.02）

则：

Wtk1.01.50.9445.883014()0.39mm0.2mm

2.01050.28100.006；

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：

ssNs(esz)2390.33×103×(182.36-163.57)=227.59N/mm2

Asz1206.37×163.57，

227.593016()0.20mm0.2mm 52.0100.28100.006；

则：

Wtk1.01.50.9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：

c1N1N1e0 FW其中：

N1——螺栓预应力引起的轴向力（由《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：

c2N2M2FW

其中：

N2、M2——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（80），计算如下：

c1N1N1e0280000280000×250.457N/mm22FW35010001/6×1000×350

c2N2M22213.111030.792.8410623.14N/mmFW35010001/6×1000×3502

均为压力，接缝不会张开。

由此可得接缝变形量：

lc1c2lE

其中：

E——防水涂料抗拉弹性模量（取3MPa） l——涂料厚度（取5mm） 则：

lc1c20.4572.69l×53.72mm[l]3mmE3 2c1c20.45722.69l×52.96mm[l]3mm

E3若用两只螺栓：

l即环向每米宽度内选用两只螺栓即可满足要求。

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）：

M=-77.670.754.37kNm N=2377.25kN M54.37e00.023mmN2377..25

由：

X0

N+Ng=Rw bx

2377.25×103+2×280000=23.1×1000x

x127.1mm0.55h0165mm

为大偏心受压,则：

Ke0xhxAgRg(h0)N()222Ne02×280000×(300-127.1/2)+2377.25×103×(350/2-127.1/2)7.251.552377.25×103×23

满足要求。

b正弯矩接头（8截面处）：

M=92.84kNm N=2213.11kN M92.84

e00.042mmN2213.11

由：

X0

N+Ng=Rw bx

2213.11×103+2×280000=23.1×1000xx120.05mm0.55h0165mm

为大偏心受压,则：

Ke0xhxAgRg(h0)N()222Ne02×280000×(300-127.1/2)+2377.25×103×(350/2-127.1/2)2.061.5532377.25×10×81

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5~10mm。

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：

10.15%1000600450mm2，配B12@250(As=452mm2)； 212

侧 墙（一侧）：0.20%1000600600mm2，配B14@250(As=616mm)；

212

中 墙（一侧）：0.20%1000400400mm2，配B12@250(As=452mm)。

2顶、底板（一侧）：

（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B12@200；

b 沿着框架转角处外侧的钢筋，其钢筋弯曲半径R=200mm＞18×10=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B12@100 （6） 锚固长度

根据桥涵规范9.1.4条规定，取:

受压钢筋：la≥25d=25×18=450mm； 受拉钢筋（直端）：la≥30d=30×18=540mm，la≥30d=30×12=360mm； 受拉钢筋（弯钩端）：la≥25d=30×18=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。