地下建筑结构课程设计__隧道盾构施工

目录

1 荷载计算-------------------------------------3 1.1 结构尺寸及地层示意图-----------------------3 1.2 隧道外围荷载标准值-------------------------3 1.2.1 自重--------------------------------3 1.2.2 均布竖向地层荷载----------------------4 1.2.3 水平地层均布荷载----------------------4 1.2.4 按三角形分布的水平地层压力--------------5 1.2.5 底部反力-----------------------------5 1.2.6 侧向地层抗力--------------------------5 1.2.7 荷载示意图----------------------------6 2 内力计算---------------------------------------6 3 标准管片配筋计算--------------------------------8 3.1 截面及内力确定-----------------------------8 3.2 环向钢筋计算--------------------------------8 3.3 环向弯矩平面承载力验算-----------------------11 4 抗浮验算-------------------------------------10 5 纵向接缝验算--------------------------------12 5.1 接缝强度计算------------------------------12 5.2 接缝张开验算------------------------------14 6 裂缝张开验算------------------------------15

7 环向接缝验算----------------------------16 8 管片局部抗压验算-----------------------------17 9 参考文献-------------------------------18

1

一. 荷载计算

1.1结构尺寸及地层示意图

2q=20kN/m500100015008KL173L273B2138D350550062003501388人工填土kN/m3褐黄色粘土kN/m3220512802925灰色淤泥质粘土kN/m3c=12.kPa B135001645灰色砂质粉土kN/m3灰色淤泥质粉质粘土kN/m3c=12.2kPa 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：

135517502205mm

1.2隧道外围荷载标准值计算 1.2.1自重

gh25kN/m30.35m8.750kN/m2

h——钢筋混凝土自重（kN/m3）；—-管片厚度（m）； 1.2.2均布竖向地层荷载

2

①竖向地层荷载：

q1ihi0.5181819.13.58.72.205874.19kN/m2i1n ②地面超载：

q220kN/m2

③近似均布拱背土压力：

G0.43R2ib0.433.127.60615.070kN/m2 q32R2R23.1其中： i1.6458.07.11.287.606kN/m2

1.6451.28qq1q2q374.19205.07099.26kN/m2

1.2..3水平地层均布荷载

p1qtan2(45)2ctan(45)

22其中：

衬砌圆环侧向各个土层的土壤重度 --内摩擦角

C--粘聚力的加权平均值

81.6457.14.2057.353kN/m3

5.858.901.6457.204.2057.6780

5.85c12.21.64512.14.20512.128kPa5.85

则：

7.67807.67800p199.26tan(45)212.128tan(45)54.66KPa22

20 3

1.2.4按三角形分布的水平地层压力

7.6780p22RHtan(45)22.9257.353tan(45)32.876KPa22

220其中：

1.2.5拱底反力

RH3.13.10.352.925m2

11PRqg0.2146RHRHw99.268.750.21462.9257.3532.9251022116.73KPa

1.2.6侧向土层抗力

PKky(12cos)

其中：

1.0×0.353123265.625KNm2 衬砌圆环抗弯刚度:EJ3.4510127衬砌圆环抗弯刚度折减系数:0.3； 则：

y(2qP1P2g)RH24(EJ0.045kRH)44

4(299.2654.6632.868.75)2.9254.11103m4424(0.3123265.6250.0452102.925)3ky(12cos)200004.111082.12KPa PkmaxP

3ky(12cos)200004.1110(12)34.02KPa kmin取PK48.1KPa

4

1.2.7荷载示意图

图1-2 圆环外围荷载示意图

二、 内力计算

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）：

5

g1.28.7510.5kN/m2

q1.2q11.4q21.2q31.274.191.4201.25.070123.112kN/m2p11.254.6665.60kN/m2

p21.232.87639.451kN/m2PR1.2116.73140.076kN/m2Pk1.248.157.72kN/m2

隧道圆环内力计算结果

荷 重 均布竖向地层截面/度 弧度 内力 自重 g(kN/㎡) 10.5 0 18 36 54 72 90 108 126 144 162 180 0 18 36 54 72 90 108 126 144 162 0 0.314 0.628 0.942 1.256 1.57 1.884 2.198 2.512 2.826 3.14 0 0.314 0.628 0.942 1.256 N KN 1.57 1.884 2.198 2.512 2.826 48.21 59.78 63.67 57.84 41.54 2.93 2.93 2.93 2.93 2.93 360.07 354.34 313.97 242.89 148.05 545.88 556.41 571.13 588.60 607.12 0.00 18.22 66.09 125.35 173.40 0.03 -44.25 -106.36 -160.23 -156.34 0.01 4.08 21.44 47.05 70.01 0.00 12.64 34.12 48.31 56.78 954.20 961.22 964.05 949.81 940.55 M kN.m 44.917 38.401 20.341 -5.023 -31.36 -51.241 -57.34 -43.679 -6.735 53.736 134.302 -15.36 -11.63 -1.09 14.37 31.93 轴线半径 RH(m) 2.925 2.925 2.925 2.925 2.925 2.925 2.925 2.925 2.925 2.925 2.925 2.925 2.93 2.93 2.93 2.93 2.93 荷载 q(kN/㎡) 123.112 314.94 259.24 111.84 -75.50 -238.31 -323.27 -306.52 -188.42 19.49 296.88 616.61 -38.17 -1.95 93.42 213.08 313.76 水压 q(kN/㎡) -25.667 -10.432 0.802 6.939 7.377 2.074 -8.452 -23.171 -40.644 -59.163 -76.916 573.62 558.39 547.15 541.02 540.58 水平均布荷载 底部反力 P1(kN/㎡) 65.6 -140.31 -113.54 -43.44 43.23 113.41 140.31 113.67 43.66 -43.02 -113.28 -140.31 191.88 173.58 125.65 66.38 18.39 PR(kN/㎡) 140.08 -58.73 -52.51 -34.49 -6.41 28.98 68.21 106.04 121.16 69.68 -95.91 -401.98 43.66 41.52 35.33 25.68 13.52 △水平压力 P2(kN/㎡) 39.451 -35.44 -30.26 -15.43 6.19 28.35 42.17 39.91 19.94 -10.54 -37.91 -48.94 36.12 34.29 28.38 18.37 6.93 Pk引起的圆环内力 每米内力 Pk(kN/㎡) 57.72 -58.77 -50.23 -25.45 12.98 54.50 74.72 47.87 -35.23 -25.29 -50.14 -58.77 59.70 56.78 48.31 34.12 12.64 40.94 40.66 14.18 -17.59 -37.05 -47.03 -64.82 -105.73 -37.05 -5.79 24.00 851.45 850.97 877.13 913.00 937.74 6

180 3.14 15.51 2.93 38.74 624.87 191.88 -51.22 79.28 -59.70 839.36

根据表格所示，在1260度时轴力最大和弯矩最大

三、 标准管片配筋计算 3.1 截面及内力确定

由上述内力计算，取M-105.73kNm，N964.05KN进行内力计算，衬砌管片同时受到较大的正弯矩与负弯矩，采用对称配筋。简化模型为b=1000mm，h=350mm，保护层厚度取50mm。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：

EJZ--衬砌圆环抗弯刚度3.1

55.202m4JPJZ2.7522d27.601m4243.12.75

J2P

EJ0.63.4510727.06156.016107KNm2而管片的内力： a.最大负弯矩时：

Ms(1)M(10.3)105.73137.45kNm NSN964.05kN

b.最大正弯矩时：

Ms(1)M(10.3)40.9453.2kNm NsN850.97kN

7

3.2 环向钢筋计算 3.2.1按最大负弯矩配筋

e0MS137.45142.6mm NS964.05取：1.1。

ese0as1.1142.617550281.86mm

h2hes'e0as'1.1142.61755031.86mm

2aass50mm

采用非对称配筋

e0/h01.1142.6/3000.520.3，先按大偏心计算，假设

xbh00.56300168mm

对于大偏心构件，取sfsd，，对MAs取矩，

0Ndesfcdbx(h0)fsd(h0as')x2As'1.0964.051000281.86-22.41000168（300-168/2）=负值

280（300-50）所以，按照构造配筋，取As'0.2%bh0.21000350/100700mm2 取4ø16钢筋，面积为804mm^2

将As'700mm2带入公式As'fsd(h0as')0Ndesfcdbx(h0) 可得-x2300x9943.20 算出x=35.2mm

xbh0168mm,所以取sfsd，对N取力得平衡

'fcdbxfsdAs'0NdfsdAs

x212带入数据算得：As=73.14mm^2<0.2%bh

8

所以去As=0.2%bh=700mm^2 取4ø16，供给面积为804mm^2

3.3环向弯矩平面承载力验算（按轴心受压验算）

NiSN964.05kN

Ibh33502101.036mm A12bh1265029250l018032.826i101.036

查《混凝土结构设计原理》表3-1，得轴心受压稳定系数：

0.986，A2700mmS

7000.200300（纵向钢筋配筋率）

1000350A350000mm2（构件截面面积）

'N0.9(fsdAs'fcdbx)0.90.986(28070022.4350000)7131.15kN964.05KN

满足要求

四、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：

9

KGG12FGGP F式中：

G——隧道自重

G——拱背土压力 P——垂直荷载 F——水浮力 则：Kg2RHG(P1PW)2RH 2RHW8.7522.9250.433.127.6061(65.677.05)22.925 

2.925210 4.191.1 满足要求

其中：水压力：PwwH107.70577.05kN/m2

五. 纵向接缝验算 5.1接缝强度计算

近似地把螺栓看作受拉钢筋，假设选用1根螺栓。按偏心受压钢筋混凝土截面尽行计算。 5.1.1.负弯矩接头（1260截面）

M105.730.774.011kNm N964.05kN M74.011e0N964.0576.8mm

e

a20mm，eie0ea96.8mm

10

N1400621248.4KN 1000其中：N1--螺栓预应力引起的轴向力，取M30细螺纹 由：

X0

N+N1=fcbx

964.051031248.410322.41000x

得：x54.13mm0.56h0168mm 为大偏心受压,则：

xhxnN1(h0)N()222 Ke0Nei2248400(30054.1335054.13)964050()222 96405096.8 2.5021.55 满足要求 5.1.2正弯矩接头（00截面）

M53.2kNm N850.97kN M53.2e0N850.9762.5mm

ea20mm，eie0ea82.5mm

由：

X0

N+N1= fcdbx

8509702248400100022.4x得：

x49.07mm0.56h0168mm

11

为大偏心受压,则：

xhxnN1(h0)N()222 Ke0Nei2248400(30049.0735049.07)850970()222 85097049.07 7.341.55 满足要求

5.2接缝张开裂度验算

管片拼装之际由于受到螺栓（5.8级），在接缝上产生预应力：

c1N1N1e0 FW其中：

Ne1——螺栓预应力引起的轴向力，取M30细螺纹

(N1282.6KN )

0——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及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

选取不利接缝截面（1260），计算如下：

c1N1N1e0248400248400×250.406N/mm22FW35010001/6×1000×350

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c2N2M29640500.7105.71060.60/mm22FW35010001/61000×350

由此可得接缝变形量：

lnc1c2El

其中：

E——防水涂料抗拉弹性模量（取3MPa） l——涂料厚度（取5mm） n——螺栓个数。 则：lc1c2El0.4061.19551.315mml3mm 3环向每米宽度内选用1只螺栓即可满足要求，但是根据以上接缝强度计算每沿米宽度需要2只螺栓才能满足要求。考虑安全问题，所以取2只螺栓。

六、裂缝张开验算

取最大弯矩处进行裂缝验算（即1260截面），此处满足要求，则其他位置亦可满足。

M105.73KNm N964.05KN

e0eh

00M105.73109.67mm N964.05109.670.3660.55 30013

根据GB50010-2002的8.1.2对e00.55的偏心受压构件可不验

h0算裂缝宽度。所以，管片裂缝张开满足要求。 七、环向接缝验算

环缝的综合伸长量：ll1l2 其中:管片伸长量: l1纵向螺栓伸长量: l2EW1Ml1

1EW2Ml2

2管片弯矩取最大值，即为126°时弯矩最大 混凝土面积：Ah(3.122.752)6.429106mm2 按环形断面计算：

AfAf2AfSyhcSy3007006.24910622.42700300

4.3061030.3

sinsinsin(6.0461031800)0.019 M[Ahfc(r1r2sin)2AsfyRH]231007000.0196.42910622.4()2700300700 23.142135.758KNm

0.1（6.245.54）混凝土：W118.147m3

3.12135.7581061000l14.134103mm 49E1W13.451018.14710Ml1计算纵向螺栓（M30，45钢）

2，700mmASfy400knmm2，螺栓长度为160mm

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M8ASRHf0yF

cos216.8750cos228.1250cos239.3750F1cos5.6253.2973cos5.6250cos5.6250cos5.6250

cos250.6250cos261.8750cos273.1250cos284.3750F20.72210000cos5.625cos5.625cos5.625cos5.625FF1F24.019

M862129254004.01923360.679KNm

Lcos125.6250cos216.8750cos228.1250cos239.37503.281

L2cos250.6250cos261.8750cos273.1250cos284.37500.719

2LL14.000

2W2l2nASRHR862129254.0005.810107mm2

HEW2Ml2223360.67916073.06310mm 572.1105.81010ll1l24.2481033.0631074.249103mm3mm

满足要求

八、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。圆形衬砌外径为6200mm，内径5500mm，盾构外径6340mm，盾构千斤顶中心线直径5815mm，盾构千斤顶共24台，每台最大顶力为1500Kn，顶块受力面积尺寸为695mm350mm。

根据规范GB50010-2002，验算

Fl1.35clfcAln

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1AAbl69535031.732

695350式中：

Fl——局部受压面上作用的局部荷载或局部压力设计值,取1500kN；

fc——混凝土轴心抗压强度设计值，取23.1N/mm2。 ——混凝土强度影响系数,取1.0； ——混凝土局部受压时的强度提高系数；

c1A——混凝土局部受压面积，取690mm350mm

lAln——混凝土局部受压净面积，取690mm350mm

A——局部受压的计算底面积；

b1.35clfcAln1.351.01.73222.4695350

13138.521KN1500KN 满足要求

九、参考文献

1.《混凝土结构基本原理》 顾祥林主编 同济大学出版社 2.《地下建筑结构》 朱合华主编 中国建筑工业出版社 3.《盾构隧道衬砌设计指南》 国际隧协编写 翟进营 译 4. 混凝土结构设计规范GB50010-2002

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