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隧道设计计算书 北京交通大学 李俊 11231214 《地下结构课程设计》任务书 ——地铁区间隧道结构设计 学校：北京交通大学 学院：土木建筑工程学院 姓名：李俊 学号：11231214 班级：土木1108班 指导教师：贺少辉、孙晓静 25 一、设计任务 对某区间隧道进行结构检算，求出内力，并进行配筋计算。具体设计基本资料如下： 1．1 工程地质条件 线路垂直于永定河冲、洪积扇的轴部，第四纪地层沉积韵律明显，地层由上到下依次为：杂填土、粉土、细砂、圆砾土、粉质粘土、卵石土。其主要物理力学指标如表1，本地区地震烈度为6度。 表1 各层土的物理力学指标 土的类型 厚度（m） 天然重度γ（kN/m3） 饱和重度γ（kN/m3） 弹性抗力系数(Mpa/m） 变形模量E（GPa） 泊松比μ 内摩擦角ф（º） 粘聚力C(Mpa) 杂填土 2.3 16 26 50 0.8 0.4 20 0.005 粉土 4.5 18 26.2 90 0.9 0.35 21 0.01 细砂 7.6 19 26.6 100 1.2 0.32 22 0.01 圆砾土 7.8 19.5 27.0 120 1.5 0.32 25 0.01 粉质粘土 9.1 20.0 27.5 150 1.8 0.32 23 0.02 卵石土 15.9 20.0 27.8 200 2.0 0.30 27 0.03 基岩 22 300 2.5 0.35 35 0.04 1．2 其他条件 地下水位在地面以下12m处；隧道顶板埋深14m；采用暗挖法施工，隧道断面型式为马蹄形。 隧道位置形状图 隧道内部尺寸设计： 结构净宽 11.900m 结构净高 8.812m 结构底板厚度 500mm 结构顶板厚度 450mm 结构侧板厚度 450mm 二、设计过程 2.1 根据给定的隧道埋深判断结构深、浅埋； 可以采用《铁路隧道设计规范》推荐的方法，即有 上式中s为围岩的级别；B为洞室的跨度；i为B每增加1m时的围岩压力增减率。 由于隧道拱顶埋深14m，位于粉土层、细砂层和圆砾土中，根据《地铁设计规范》10.1.2可知 “暗挖结构的围岩分级按现行《铁路隧道设计规范》确定”。 围岩为Ⅵ级围岩。则有 因为埋深，可知该隧道为极浅埋。 2.2 计算作用在结构上的荷载； 1 永久荷载 A 顶板上永久荷载 a. 顶板自重（考虑初衬和二衬的自重） b 地层竖向土压力 由于拱顶埋深14m，则顶上土层有杂填土、粉土、细砂，且地下水埋深12m，应考虑土层压力和地下水压力的影响。 c. 地层竖向水压力 B 底板上永久荷载（考虑初衬和二衬的自重） a. 底板自重 b. 水压力（向上）： C 侧墙上永久荷载 地层侧向压力按主动土压力的方法计算，由于埋深在地下水位以下，需考虑地下水的影响。(采用水土分算) a. 侧墙自重 b. 隧道侧墙上部土压力： 用朗肯主动土压力方法计算 c. 对于隧道侧墙图层分界处土压力，隧道侧墙有两处分界处土压力： 第一处： 第二处： d. 对于隧道侧墙底部土压力 e. 对于隧道侧墙水压力 2 可变荷载 A顶板上可变荷载 按《地铁设计规范》10.2.1中第三条规定： 在道路下面的潜埋暗挖隧道，地面的车辆荷载按20KPa的均布荷载取值，并不计动力作用影响。 人行荷载按照4KPa的均布荷载取值，并不计动力作用影响。 B底板上可变荷载 主要为列车车辆运行的可变荷载，一般取为 C 侧墙上可变荷载 由于到隧道上部地面车辆的运行和过往的行人，会导致侧向压力的增大： 2.3 进行荷载组合 1、承载能力极限状态 荷载组合采用1.2恒载+1.4活载 根据以上各种计算，作用在隧道上的设计荷载有： 拱顶： 设计恒载：-408.44 设计活载：-33.6 底板： 设计恒载：132.46 设计活载：-8 侧墙（顶部）： 设计恒载： 180.50（x方向） 设计活载： 11.62（x方向）； （底部）： 设计恒载： 382.48（x方向）； 设计活载： 11.62（x方向）； 2、正常使用极限状态 荷载组合采用 恒载+活载 根据以上各种计算，作用在隧道上的设计荷载有： 拱顶： 设计恒载：-302.55 设计活载：-24 底板： 设计恒载：88.12 设计活载：-5.7 侧墙（顶部）： 设计恒载： 133.7（x方向） 设计活载： 8.3（x方向）； （底部）： 设计恒载：283.32（x方向）； 设计活载： 8.3（x方向）； 2.4绘制结构受力图 根据承载能力极限状态荷载组合值，可以分别计算出拱顶、底板、侧墙和中墙的设计荷载值，如下图： 2.5、利用midas程序计算结构内力 用隧道通用有限元程序—MIDAS/GTS，MIDAS/GTS是目前最先进的土木隧道结构分析系统，它对土木隧道结构的分析中所需要的各种功能进行了综合的考虑。MIDAS/GTS的广泛使用，为土木建筑物的建模和分析提供了很大的便利。 1、 建立隧道模型 首先定义材料属性，本设计采用C30混凝土，截面厚度为0.45m,长度按1m来计算，然后利用Midas GTS绘制二维隧道截面模型，并划分节点数为54个，如图所示： 然后建立单元坐标系及节点号如图所示： 边界条件 利用曲面弹簧功能定义模型的边界条件。选择赋予地基弹簧的节点后输入相应的地基反力系数，根据隧道跨越的不同土体建立不同的地基反力系数。 荷载组合：根据承载能力极限状态荷载组合，组合设计为1.35倍静力荷载+1.4倍动力荷载； 根据正常使用极限状态荷载组合，组合设计为静力荷载+动力荷载。 2、根据MIDAS软件绘制受力图如图： 轴力图 弯矩图 剪力图： 三、结构配筋计算 1.基本条件 2、 顶板配筋计算 2.1 设计条件 通过上述数据，我们发现在使用期间顶板承受的最大正弯矩和最大负弯矩值为 最大弯矩：199.95kN.m 最大轴力：2237.58kN 5.2.2 计算过程 截面尺寸： 计算长度 ： 弯矩设计值，轴力设计值, 偏心矩： 附加偏心矩： 初始偏心矩： 偏心距增大系数： ，取 所以构件长细比对截面曲率影响的系数 则偏心矩增大系数： 则计算偏心距为： 因此，可按大偏心受压构件进行计算 ①求受压区钢筋面积 取 则受压区钢筋面积： 选用6Φ18，=1527 ‚求受拉区钢筋面积 受压区计算高度: 则受拉区钢筋面积为： 经过反复的裂缝宽度验算，采用6Φ18，=1527 ，非超筋，满足要求。 ƒ裂缝宽度验算 ，所以不用验算裂缝宽度。 5.3 侧板配筋计算 5.3.1 设计条件 通过上述数据，我们发现在使用期间侧墙承受的最大弯矩和最大剪力值为 最大弯矩：366.5kN.m 最大轴力：2429.42kN 5.3.2 计算过程 截面尺寸： 计算长度 ： 弯矩设计值，轴力设计值, 偏心矩： 附加偏心矩： 初始偏心矩： 偏心距增大系数： ，取 所以构件长细比对截面曲率影响的系数 则偏心矩增大系数： 则计算偏心距为： 因此，可按大偏心受压构件进行计算 ① 受压区钢筋面积 取 则受压区钢筋面积： 选用6Φ16，=1206 ‚求受拉区钢筋面积 受压区计算高度: 则受拉区钢筋面积为： 采用6Φ16，=1206mm2 ƒ裂缝宽度验算 ，所以不用验算裂缝宽度。 5.4 底板配筋计算 5.4.1 设计条件 通过上述数据，我们发现在使用期间底板承受的最大正弯矩和最大负弯矩值为 最大弯矩:238.19KN.m, 对应轴力：2770.67KN 5.4.2 计算过程 截面尺寸： 计算长度 ： 弯矩设计值，轴力设计值, 偏心矩： 附加偏心矩： 初始偏心矩： 偏心距增大系数： ，取 所以构件长细比对截面曲率影响的系数 则偏心矩增大系数： 则计算偏心距为： 因此，可按大偏心受压构件进行计算 ①求受压区钢筋面积 取 则受压区钢筋面积： 选用6Φ16，=1206 ‚求受拉区钢筋面积 受压区计算高度: 则受拉区钢筋面积为： 采用6Φ18，=1527 ƒ裂缝宽度验算 ，所以不用验算裂缝宽度。 四、最终配筋 结果如下表所示： 受力情况 配筋 受力情况 配筋 顶板 受压 6Φ18，1527 受拉 6Φ18，1527 侧板 受压 6Φ16，1206 受拉 6Φ16，1206 底板 受压 6Φ16，1206 受拉 6Φ18，1527 根据构造要求，内外两层主筋之间设拉筋，采用φ8@400X400钢筋，隔一拉一，梅花形布设。分布钢筋采用直径14mmHRB335钢筋，间距200mm。 五、设计总结 通过这次设计训练，我对隧道设计有了更深刻的了解。在做课程设计中，将平时学到的原理知识在实践中具体化，让我学会了如何使用各种资料来完成一次设计，提高了实践能力，同时也对轨道的设计能够更好的整体把握。 本次设计利用了Midas GTS有限元软件，让我感受到了用软件来计算结构内力的方便和准确，要想成为一名优秀的土木人，就应该熟悉掌握有关有限元的软件。 总的来说，这次课程设计很有收获。从一开始的无头绪到最后算出结果的过程，让我的基础知识更加扎实，培养了我独立思考问题的能力，能够学以致用。 经过这一学期的地下工程学习，我受益匪浅，也感受到了作为一名土木人，身上的责任与职责，最后感谢两位老师的悉心教育和指导，老师的细心指导让我对地下工程有了全新的认识，真心的祝愿老师笑口常开、桃李满园。 六、参考资料： [1] 《地铁设计规范》GB50157—2003 [2] 《铁路隧道设计规范》TB10003—2005 [3] 贺少辉《地下工程》2008年版 北京交通大学出版社、清华大学出版社 [4] 李志业、曾艳华《地下结构设计原理与方法》2005年版西南交通大学出版社