暗挖马蹄形断面隧道结构计算书.docx
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暗挖马蹄形断面隧道结构计算书
暗挖隧道断面A结构计算书
一、工程概况
暗挖隧道断面A适用于里程：
右CRK0+385.715～K0+876.000，左CRK0+385.715～K0+906.500。
施工采用暗挖台阶法，覆土高度从3.7m到10.8m。
选取覆土最深的右线CRK0+488.000处断面进行结构内力计算。
计算程序采用Midas有限元软件（6.1.1版），荷载组合按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）执行，断面尺寸配筋计算及相关验算按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）相关规定执行。
二、工程地质与水文地质情况
结构所处地质属于第四系地质，土层基本上以填土、粉土、粉质粘土、砂土和圆砾卵石为主，含有一定的粘土；结构所处土层为卵石圆砾（5），中粗砂（5--1），粉土（6--2），中粗砂（7--1），结构上主要覆土为填土、粉土、粉质粘土、粉细砂、中粗砂。
根据提供的地质资料，计算采用地质资料提供的地层参数，其地质情况及参数选取见表1。
计算水位采用地质报告提供的抗浮水位（标高30m）。
表1：
土层参数表
编号
土层名称
厚度（m）
容重（kN/m3）
C（kPa）
φ（°）
静侧压系数
1--1
杂填土
1.8
16.5
－
－
－
2
粉土
1.1
19.2
29
29
－
2--1
粉质粘土
0.5
19.5
36
19
0.48
2
粉土
1.7
19.2
29
29
－
2--3
粉细砂
1.0
19.5
0
25
0.40
2--4
中粗砂
2.5
19.8
0
32
0.40
5
卵石圆砾
2.7
21.0
0
50
0.25
5--1
中粗砂
1.2
20.5
0
40
0.33
6--2
粉土
3.0
19.1
18
28
0.41
7--1
中粗砂
2.2
20.8
0
32
0.2
覆土加权容重
=19.4kN/m3；
断面所在土层加权容重
＝20.3kN/m3，
断面土层加权侧压系数为
=0.33，
水平与竖直基床系数按地质报告资料取平均值为55MPa/m3。
三、结构尺寸的拟定
结构高6.28m，宽5.9m，初衬厚0.25m，二衬厚0.3m，具体结构断面尺寸如图1所示。
图1：
暗挖隧道单线马蹄形断面图
四、模型及荷载组合
1.计算模型
本次计算按照平面应变模型进行，采用结构－荷载模式。
根据地下结构的埋深以及穿越土层的地质特点，将结构覆土换算成上覆土荷载和侧土压力荷载，施加在结构上进行结构内力分析。
二衬结构计算时考虑水压力的作用，采用水土分算及水土合算分别进行内力分析。
计算时假定初衬承担全部土荷载，不承担水荷载。
二衬承担70％的土荷载及全部的水荷载。
2.荷载组合：
基本组合
1.35×永久荷载标准值＋1.4×0.7×活载标准值
准永久组合
永久荷载标准值＋0.7×活载标准值
施工阶段荷载组合
基本组合×0.9
抗震偶然组合
1.2×永久荷载标准值＋1.4×0.7×活载标准值＋地震荷载标准值
人防偶然组合
1.2×永久荷载＋人防荷载
对于暗挖地下区间及附属结构计算，初衬由施工阶段荷载组合控制，二衬由正常使用极限状态（最大裂缝）或承载能力极限状态控制，本区间暗挖隧道断面小，埋深大，偶然组合不控制二衬结构的配筋。
五、荷载计算及计算简图
1.荷载计算
地面超载：
20kN/m3，由于结构覆土比较高，计算中地面超载可忽略不计；
1）初衬荷载标准值：
覆土加权容重
＝19.4kN/m3，断面土层加权容重
＝20.30kN/m3。
土层含水量w>20%，考虑施工降水作用含水量w减少10%，则：
覆土计算容重
；
断面土层计算容重
顶拱竖向土压力：
＝10.8×17.6+0.125×18.5=192.4kN/m
结构侧向土压力：
=192.4×0.33＝63.5kN/m
=（192.4+6.03×18.5）×0.33＝100.3kN/m
底拱地基反力由地基弹簧变形提供，结构自重由程序自行考虑。
2）二衬荷载标准值：
a）水土合算
顶拱竖向土压力：
＝10.8×19.4×0.7+0.4×20.3×0.7=152.3kN/m
结构侧向土压力：
=152.3×0.33＝50.3kN/m
=（152.3+5.33×20.3×0.7）×0.33＝75.3kN/m
底拱地基反力由地基弹簧变形提供，结构自重由程序自行考虑。
b）水土分算
顶拱竖向水压力：
=（11.2-10.7）×10=4.7kN/m
结构侧向水压力：
p1=p0=4.7kN/m
=5.8×10=58.0kN/m
底拱水压力：
p3=p2=58.0kN/m
顶拱竖向土压力：
＝10.8×19.4×0.7+0.4×10.3×0.7=150.0kN/m
结构侧向土压力：
=150.0×0.33＝49.5kN/m
=（150.0+5.33×10.3×0.7）×0.33＝62.2kN/m
底拱地基反力按计算由地基弹簧变形提供，结构自重由程序自行考虑。
2.计算简图
初衬计算简图见图2，二衬计算简图见图3（水土合算）、图4（水土分算）。
图2：
暗挖隧道马蹄形断面初衬计算简图
图3：
暗挖隧道马蹄形断面二衬计算简图（水土合算）
图4：
暗挖隧道马蹄形断面二衬计算简图（水土分算）
六、计算结果及配筋计算
1.初衬计算结果及配筋计算
计算参数：
初衬混凝土为C20；b=1m，h=0.25m，净保护层厚c=40mm；结构重要性系数取为0.9，按对称配筋计算。
初衬内力图见图5～图7。
配筋结果见下表，其中L0为构件计算长度，η为经验系数，ζ为相对受压区高度。
表2：
暗挖隧道马蹄形断面初衬计算结果表
位置
M（kN.m）
N（kN）
L0（m）
η＝1.0
η＝0.80
ζ
配筋
ζ
配筋
拱顶
91
-436
3.0
0.186
4Φ25
0.148
3Φ25
拱中部
-90
-620
2.5
0.264
3Φ25
0.209
3Φ22
边墙底部
-101
-728
1.0
0.310
3Φ25
0.245
3Φ20
底板侧部
68
-473
-1.0
0.198
3Φ18
0.157
3Φ16
底板中部
-107
-512
-3.5
0.218
4Φ25
0.174
3Φ25
注：
底板净保护层厚度为外40mm，内20mm，脚部考虑锁脚锚杆及钢域的影响，可减小配筋。
初衬结构最大剪力值（承载能力状态）为375kN，需配置间距为200mm的Φ14抗剪钢筋
图5：
暗挖隧道单线马蹄断面初衬弯矩图（单位kN.m）
图6：
暗挖隧道单线马蹄断面初衬剪力图（单位kN）
图7：
暗挖隧道单线马蹄断面初衬轴力图（单位kN）
2.二衬计算结果及配筋计算
计算参数：
二衬混凝土为C30；h=0.3m，b=1.0m；净保护层厚c=35mm；按对称配筋计算；裂缝验算按《混凝土结构设计规范（GB50010-2002）》的有关规定执行，其中结构外侧允许裂缝最大宽度为0.2mm，内侧为0.3mm。
断面结构承载能力按偏心受力构件，对称配筋计算，承载能力组合状态下内力图见图8～图13，计算结果见表3～表6。
1）水土合算计算结果
表3：
暗挖隧道马蹄形断面二衬配筋计算（水土合算）
位置
M（kN.m）
N（kN）
L0（m）
ζ
配筋
拱顶
97
-323
3.0
0.088
5Φ18
拱中部
-80
-537
2.0
0.146
3Φ16
边墙底部
-102
-684
1.5
0.186
4Φ16
底板边部
102
-679
1.5
0.185
4Φ16
底板中部
-146
-610
2.5
0.167
5Φ20
表4：
暗挖隧道马蹄形断面二衬裂缝验算（水土合算）
位置
M（kN.m）
N（kN）
配筋
W（mm）
允许w（mm）
拱顶
72
-239
5Φ18
0.14
0.3
拱中部
-59
-398
4Φ16
0.10
0.2
边墙底部
-76
-507
5Φ16
0.11
0.2
底板边部
76
-503
5Φ16
0.11
0.2
底板中部
-108
-452
5Φ20
0.21
0.3
水土合算时二衬结构最大剪力值（承载能力状态）为198kN，小于构件混凝土的抗剪承载力335kN。
因此，仅需按构造配置箍筋。
图8：
承载能力组合下暗挖隧道单线马蹄断面二衬轴力图（单位kN）
图9：
承载能力组合下暗挖隧道单线马蹄断面二衬剪力图（单位kN）
图9：
承载能力组合下暗挖隧道单线马蹄断面二衬弯矩图（单位kN.m）
2）水土分算计算结果
表5：
暗挖隧道马蹄形断面二衬配筋计算（水土分算）
位置
M（kN.m）
N（kN）
L0（m）
ζ
配筋
拱顶
80
-345
3.0
0.094
4Φ16
拱中部
-69
-543
2.0
0.148
2Φ16
边墙底部
-110
-714
1.5
0.194
4Φ16
底板边部
110
-731
1.5
0.200
4Φ16
底板中部
-135
-670
2.5
0.183
5Φ18
表6：
暗挖隧道马蹄形断面二衬裂缝验算（水土分算）
位置
M（kN.m）
N（kN）
配筋
W（mm）
允许w（mm）
拱顶
59
-256
4Φ16
0.19
0.3
拱中部
-51
-402
3Φ16
0.12
0.2
边墙底部
-81
-529
5Φ16
0.14
0.2
底板边部
81
-541
5Φ16
0.14
0.2
底板中部
-100
-496
5Φ18
0.21
0.3
水土分算时二衬结构最大剪力值（承载能力状态）为200kN，小于构件混凝土的抗剪承载力335kN。
因此，仅需按构造配置箍筋。
图10：
承载能力组合下暗挖隧道单线马蹄断面二衬轴力图（单位kN）
图11：
承载能力组合下暗挖隧道单线马蹄断面二衬剪力图（单位kN）
图12：
承载能力组合下暗挖隧道单线马蹄断面二衬弯矩图（单位kN.m）
3）抗浮检算
由于此段地下水位较深，因此不做抗浮验算。
4）人防验算
人防抗力等级为5级，人防验算时只进行配筋验算，不进行裂缝验算。
人防荷载采用理正有限元计算软件（人防）计算得到，作用于拱顶的等效均布静荷载标准值qe1＝95.4kN/m2，作用于拱底的等效均布静荷载标准值qe2＝72.7kN/m2。
作用于侧墙的等效均布静荷载标准值为ee＝30kN/m2。
由此计算出的结构人防偶然组合（1.2×永久荷载＋人防荷载）的内力图见图13～图15，配筋验算时混凝土强度提高50％，钢筋强度提高35％，验算结果见表7
。
表7：
暗挖隧道马蹄形断面人防偶然组合配筋验算
位置
M（kN.m）
N（kN）
L0（m）
AS（mm2）
配筋
拱顶
135
-427
3.0
1066
5Φ18
拱中部
-110
-754
2.0
484
3Φ16
边墙底部
132
-893
1.5
643
4Φ16
底板中部
-195
-787
2.5
1468
5Φ20
由表中数据可以看出，人防偶然组合时的结构配筋略小于基本组合的结构配筋，因此人防偶然组合不控制设计。
图13：
人防偶然组合下暗挖隧道单线马蹄断面二衬轴力图（单位kN）
图14：
人防偶然组合下暗挖隧道单线马蹄断面二衬剪力图（单位kN）
图15：
人防偶然组合下暗挖隧道单线马蹄断面二衬弯矩图（单位kN.M）
附录：
人防荷载计算
（1）基本信息
抗力等级:
5
覆盖土厚12.000（m）
短跨净跨L0=5.000（m）
结构形式:
非平顶结构
顶板不考虑上部建筑物的影响
不是饱和土
（2）空气冲击波超压△Pms计算
顶板△Pms=100.00
（3）土中压缩波的最大压力Ph计算
波速比:
2.00
起始压力波速:
200.00（m/s）
应变恢复比:
0.20
顶板计算时土的计算深度:
12.000（m）
升压时间0.060（s）
顶板Ph=91.79（kPa）
（4）结构上的核爆炸动载最大值Pci计算
结构顶板核爆动载综合反应系数K=0.99
底压系数:
0.80
顶板Pci:
90.88（kPa）
底板Pci:
72.70（kPa）
（5）构件自振圆频率计算
顶板自振圆频率343.072（1/s）
（6）动力系数Kd计算
顶板允许延性比3.000
底板允许延性比3.000
顶板动力系数Kd1.050
底板动力系数Kd1.000
（7）等效均布静荷载标准值qe计算
顶板等效均布静荷载标准值qe95.421
底板等效均布静荷载标准值qe72.702
边墙等效均布静荷载标准值qe29.580
升级会员 