地铁区间隧道设计算例

《地铁区间隧道结构设计计算书》

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2013年6月24日

目录

一、 设计任务 ..................................................................... 3

1、1工程地质条件 ............................................................. 3 1、2其他条件 ................................................................. 3

二、 设计过程 ..................................................................... 5

2.1根据给定的隧道或车站埋深判断结构深、浅埋： ................................ 5 2.2计算作用在结构上的荷裁； .................................................. 5 2.3进行荷载组合 .............................................................. 8 2.4绘出结构受力图 ............................................................ 9 2.5利用midas gts程序计算结构内力 ............................................ 10

附录： .......................................................................... 14

2

地铁区间隧道结构设计计算书

一、设计任务

对某区间隧道进行结构检算，求出荷载大小及分布，画出荷载分布图，同时 利用软内力。具体设计基本资料如下：

1、1工程地质条件

工程地质条件

线路垂百丁永定河冲、洪积厨的轴部，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。

表1 各层土的物理力学指标

一摩天然重 饱和重 度弹性抗 力变形模 量泊松 内角粘聚 力 E (GPa) 比p 擦系数 Y sat C(MP a) 应Y 土的类型 厚度 (111) (°) 杂填土 粉土 细砂 圆砾土 粉质粘土 卵石土 2.0 6.0 4.0 7.5 6.0 12.0 (kN/m 3) 16 18 19 19.5 20.0 20.0 22 (kN/m 3) 24 26 27 27.5 28 28.5 29 (MPa/m ) 50 90 100 120 中一 0.4 0.35 0.32 0.32 0.32 0.30 0.35 0.005 0.01 0.01 0.01 0.8 0.9 1.2 1.5 20 21 22 25 基岩 150 200 300 1.8 2.0 2.5 23 27 35 0.02 0.03 0.04 1. 2其他条件

其他条件

地下水位在地面以下5m处：隧道顶部埋深6m；采用暗挖法施工。隧道段 而为圆形盾构断面。断面图如下：

3

圆砾土

4

二、设计过程

2.1根据给定的隧道或车站埋深判断结构深.浅埋；

可以采用《铁路隧道设计规范》推荐的方法，即有

h* = 0.45 X 2—1 X [1 + i（B 一 5）]

上式中s为伟I岩的级别；B为洞室的跨度；i为B每增加lm时的I制岩压力增减 率。 由于隧道拱顶埋深6m,位于杂填土、粉土层、细砂层中，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级闱岩。则有

h* = 0.45 X 2$-1 X [14- i（B 一 5）] =0.45 X 26-1 X [1 + 0.1（6 一 5）]

=15.84m

因为埋深九（=6m） < h* = 15.84m,可知该隧道为极浅埋。

2.2计算作用在结构上的荷m

1永久荷载

A顶板上永久荷载

a.顶板（盾构上部管片）自重

q = y. d = 25 X 0.3 = 7.5KPa

b.地层竖向土压力

由于拱顶埋深6 m,则顶上土层有杂填土、粉土，且地下水埋深5m,应考 虑土层圧力和地

下水床力的影响。（粉土使用水土合算）

4 顶=Y/ihj = 2x16 + 3x18+1x26

=112KPa

5

B底板上永久荷载 a.底板白重

q = y. d = 25 X 0.3 = 7.5KPa

b.水压力（向上）:

q 水（底）=Yw- h = 10 x7 = 7 OK Pa

C侧墙上永久荷载

地层侧向床力按主动土床力的方法计算，由于埋深在地下水位以下，需考虑水的彫响。（分图层水土合算，砂土层按水土分算）

a. 侧墙自重

q = y. d = 25 X 0.3 = 7.5KPa

b. 对于隧道侧墙上部土压力：

用朗肯主动土压力方法计算

)=tan2(45。-#) =0.472 2

^<=（Ex,hi）Ka

=[2 X 16 + 3 X 18 + 1 X 26]Ka

=52.86KPa

c.对于隧道侧墙图层分界处土压力

Ka / = tan2

（45。一 学）=tan2（45。—鲁）=0-472

如2仲-孕） （》内）血上

=0.455 (16 X 2 + 3 X 18 + 3 x 26)Ka f. = 77AlKPa=

=[2 X 16 + 3 x 18 + 3 x 26]Ka下=74.62KPa

d.对于隧道圆心高度土压力

q 上=(^Yt^Ka^ + Yw^

=(2 X 16 4- 3 X 18 + 3 X 26 + (27 - 10) X l)Ka下 + 10 X 1

6

地下

=92.35KPa

e.对于隧道侧墙底部水土总床力

Ka + Ywht

[2 X 16 + 3 X 18 + 3 X 26 + 4 X (27 - 10)]Ka + 10 X 4 = 145.56/fPa

f.对于隧道侧墙水压力

q 水(阅心)=Yw-^i = 10 X 1 = lOKPa

q 7^(底)== 10 X 4 = 40KPa

2可变荷 A顶板上可变荷载

按《地铁设计规范》10.2.1中第三条规定：

在道路下而的潜埋暗挖隧道，地面的午辆荷载按lOKPa的均布荷载取值, 动力作用影响。

人行荷载可以不用考虑。

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

[(1 + [i)nP0 一 L]十 B=1.145X 4 X 80 4-18 4- 4

=5.1KPa

C侧墙上可变荷载

由「到隧道上部地面车辆的运行，会导致侧向压力的增大:

q 啣=10 X /Ca = 10 X 0.455 = 4・55KPa

3偶然荷

并不计

7

在本设计中，仅考虑比较简单的情况，偶然荷载可以不用计算。

2.3进行荷载组合

h承载能力极限状态

荷载组合采用1.35 X永久荷载+ 1.3 X可变荷载

根据以上各种计算，作用在隧道上的设计荷載有: 拱顶:设计恒载:-161.33 KPa 设计活载：・13 KPa

底板：设计恒载：8437 KPa 设计活载：663 KPa

侧墙（顶部）：设计恒载：7136KPa 设计活载:5.92 KPa

（底部）：设计恒载：196.51KPa

设计活载:5.92 KPa

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:-119.5 Oa 设计活载：・10 KPa 底板：设计恒载：62.5 KPa 设计活载：・5.1 KPa

侧墙（顶部）：设计恒载：52.86 KPa 设计活载：4.55KPa

（底部）：设计恒载：145.56KPa

设计活载：4.55 KPa

2.4绘出结构受力

根据荷载组合值，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midasgts程序计算结构内力

首先应进行单元划分，然后定义荷载和截面，加入边界条件。 在niicias程序中施加各类荷载，然后运行后就可得到单元

注：管片采用C50混凝土，无配筋。

2. 175

LO-B«an Fx

轴力图

ID ELEMENT FORCE UNIT(kN)

10.5%

1.60777—002

1 .Q44z26+002

5.3%

2.08068e*002

4.3%

2.31714c<002

2.55360e4-002 3.8% 3.8% 2 790rfie+002 3.02662e*002

3.8%

•3.262£6e・002

3.8% •3499441002 6.7%

-3.735£9e+002 3.97235e+002

5^-4.208616*002

4.8%

4.445z/e*UU2 -4.68173e+002

5.7%• “ '.918193002 4.8%

=5110.5%65e*002

・ 5 39111e*002

zhtl)

10

剪力图

IDEuEMEMT FORCE

Fz

UNIT(kh)

一 2 5才2 773e*001 —

-*2 2156*001 Vl8E933i001 5.8%

♦ 1 5CO21 e*001

6 9%

♦ 1 23103e*001

fi.7%

ax: 2.55e+001

8.3% 7 J% 7%

♦9018G*000

-*5 72bZc5e*-UOO

7.6% >24^02e^000 •G.56744C-001 7

2.72©+001

♦ 4.14851 e-OCO 8.7X>

7 44027^0CO c 4%

-1D7320e*OC1

8.2%

--1 40?38i0C1 b.o%

-1.73155e^0C1 ——-2D6D73e-0C1 238Wlr-0C1

1.2% — _ ——-27i9U8e*un

ZA (1)

弯矩

ID ELEMENT FO^CE

UNT(Mrn)

- 1

53776^4.0)

1

■ 8J% *1 306”C01 ■ 5 0%

♦ 1 07533e*C01 lU.I%

— ♦844TlhCOO

120%

-------- —*6125e+COO 7 0% ----------- ♦381679MCOO c 8% ------- --- ♦! 50462e*CO0 ■ 5.8%

T— $D7S6e・001 6.6% .3.11970e+0J0

I -5.43186e4.030

I R

77440204030

6.6%

1DO：C2efO31

5 8%

・1 23683x001

-1,46E05e+031

4.7%

,—-1 69927e*031 —-13304*001 2.3%

•216170*001

MW畅

JI

11

由于隧道断面为圆形，实际情况上部图压力与下部水浮力随宽度变化并不 为均值.大致变化为下图，在运用MIDAS GTS运算时采用下图荷载图式

lOKPa

7 5KPa 5 lKPa

M才1 u圆砾土

水

Jk力

MIDAS GTS运算图示如下

轴力图

■4*

1DEL=MB^r

FORCE FX

UMI(irM)

00%

-1 OeiOCb^OD：

4 3% 晟-14703^*002 —.1 825302 3 3咯

•2 2F87308

33%

---------- 2 6560*02 3脱 ——.3.IC725S40D2 2 9%

—―3.51^4X)2 38% --3.9257&4032 38%

43342002

4 d%

-4.7441^4002 — -5.15342^*002 1S7%

-5.5t2bW4OD2 6

7%

-5.9718^002

5 7%

---------- 6.361135^002 6 7%

---------- 6.7£O3te^O02 13.3%

•7.1 £059^002

土仙/八

剪力图

IDH-EMENr FORCE

Fi

UNIT(kN)

M .21466aO01 2

2%

*3.68361 »001

3.8%

OgOOl ——

42.6215le-O01 3」％

*2.09045ct001

4l .559406^001

37% 3 5%

11.0283^001 44 97297e^OOO

3 $怖

-—-3.37fO1c-OO1 鼻-5.eOSe4OCO 5.1/v --I.C9iOCetOC1 3.2%

——-I.G2691e40C1 8.5%

■2」5797e4001

5.1%

——.2 F8We40C1 4.8%

---------- 3.22CO7e-*OC1 3 5^^

——-3 7511 >4001 1.6%

-4.x«2l8e400l

LO-Btan Jz .吉彳

弯矩图

IDELZhJEMT FORCE IWIWir)

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由图可知第二种情况结构所受内力较大，当圆形隧道断面很大时，考虑实际 情况，改变荷载图示是有必要的。

附录:

《地下结构课程设计》任务书一一地铁区间隧道结构设计

本次地卜•结构课程设计是进行城帀地铁区间隧道的结构设计，涉及“地卜工程”这门课 的主要理论，通过设计，使学生更深入地掌握所学理论。 一、 基本要求

1、 对设计从全局上把握，思路清晰，完成全部设计任务； 2、 设计计算正确无误，图纸清晰，符合规范要求；

3、 按计划及时上交设计，每位同学的计算参数不同，如发现抄袭者，将记为零分。

二、 设计任务

对某区间隧道进行结构计算(采用断面3),求出内力。具体设计基本资料如2

1、工程地质条件

线路垂直于永定河冲、洪枳扇的轴部，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 土的类型 表1 各层土的物理力学指标

厚度 天然重 度饱和重度 弹性抗力 变形模量 泊松 比内摩擦 粘聚力 P 角e (°) C(MPa) 系数 (m) E (GPa) Y Y (kN/ms) 杂填土 粉土 细砂 圆砾土 粉质粘土 卵石土 (kN/m1) 24 26 27 27.5 28 28 5 29 2 0 6 0 4.0 7.5 6 0 12.0 16 18 19 19.5 20 0 20 0 (MPa/m) 50 90 100 120 150 200 300 0 8 09 1.2 15 18 20 2 5 04 0 35 0 32 0 32 0 32 0 30 0 35 20 21 25 23 27 35 0 005 001 001 0 01 0 02 0 03 0 04 基岩 2、其他条件 三、 设计过程

地下水位在地而以下5m处：隧道顶部埋深6m：采用暗挖法施工。

1、 根据给定的隧道或车站埋深判断结构深、浅埋； 2、 计算作用在结构上的荷載(仅按使用阶段考虑)：

3、 进行荷载组介，只按照基本组介构件计算(135X永久荷载+13X可变荷载)； 4、 绘出结构荷载图；

5、 利用ANSYS或Sap或Midas程序计算结构内力，绘出结构内力图(弯矩图、轴力图和 剪力

图)；

6、 提交完整的设计书。

四、 成果提交

成果包括两部分：计算书和图纸。计算甘应规范，包括设计基本资料、详细的计算过程、 结构荷載图、内力图。图纸应清晰，各项计算符合规范要求。

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