1、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：11 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（kN/m3）饱和重度（kN/m3）弹性抗力系数(Mp
2、a/m）变形模量E（GPa）泊松比内摩擦角（）粘聚力C(Mpa)杂填土2.31626500.80.4200.005粉土4.51826.2900.90.35210.01细砂7.61926.61001.20.32220.01圆砾土7.819.527.01201.50.32250.01粉质粘土9.120.027.51501.80.32230.02卵石土15.920.027.82002.00.30270.03基岩223002.50.35350.0412 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
3、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
4、、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20
5、KPa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
6、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
7、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
8、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：2237.58kN5.2.2 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求受压区钢筋面积取则受压区钢筋面积：选用618，=1527求受拉区
9、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618，=1527，非超筋，满足要求。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：2429.42kN5.3.2 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 受压区钢筋面积取则受压区钢筋面积：选用616，=1206求受
10、拉区钢筋面积 受压区计算高度:则受拉区钢筋面积为：采用616，=1206mm2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：2770.67KN5.4.2 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求受压区钢筋面积取则受压区钢筋面积：选用616，=1206求受拉区钢筋面积 受压区计算高
11、度:则受拉区钢筋面积为：采用618，=1527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618，1527受拉618，1527侧板受压616，1206受拉616，1206底板受压616，1206受拉618，1527 根据构造要求，内外两层主筋之间设拉筋，采用8400X400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
12、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GB5015720032 铁路隧道设计规范TB1000320053 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
