地铁隧道的断面选择及内力计算
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某地铁区间盾构管片计算2017-04-15目录1 设计信息1.1 软件说明1.2 隧道信息1.3 荷载信息1.4 控制参数2 分析结果2.1 荷载计算结果2.2 抗浮验算2.3 内力位移计算结果2.4 管片验算1设计信息1.1软件说明计算采用的软件是 sap 系列1.2隧道信息1.2.1断面信息说明:角度按逆时针旋转,0°表示水平直径右端点处。
以下除特别说明外均相同,不再赘 述。
隧道断面基本几何参数:管片总数:6片 衬砌外直径D1: 6.200m 衬砌内直径D2: 5.500m第一管片块的右侧与 Y 轴的夹角0 s : 7.500 螺栓总数:10相邻螺栓(组)间夹角:36.000 ° 顶部螺栓偏角3 : 18.000 °断面圆心坐标:(0.000,0.000,0.000)具体几何参数:管片环接头几何参数编号角度 (° )X 坐标 (m) 丫坐标(m) 编号 角度 (° ) X 坐标 (m) 丫坐标(m) 172.000.902.786252.00-0.90-2.787创.原」氐断面示意團管片几何参数隧道位置:地表至隧道顶部的距离H(m): 16.93地下水面至隧道顶部的距离Hw(m): 10.00 1.2.2 土层参数1.2.3材料参数管片材料:管片混凝土标号:C50管片实际宽度:1.000 m管片容重:25.000 kN/m A3管片接头:管片环接头1.3荷载信息设计工况数目:1工况1自重+水土压力+地基抗力--弹簧,共3种荷载。
荷载图荷载组合系数:永久荷载: 1.35可变何载: 1.40偶然荷载: 1.001.3.1 水土压力计算参数表:1.3.2地层弹簧地层弹簧数值种类:单一地层弹簧地层弹簧的剪切刚度ks: 1.000 kN/m A2弹性抗力系数法向kn: 20000.000 kN/mA2地层弹黄1.4设计参数计算模型:梁弹簧模型管片拼装模式:通缝拼装网格大小:0.201.5管片验算参数2分析结果2.1荷载计算结果2.1.1 水土压力水土压力计算结果2.2抗浮验算计算结果浮力:295.869kN抗浮力:1776.530kN满足2.3内力位移计算结果说明:(1)弯矩、接头张开角均以内侧张开为正,反之则为负;(2) 内力值为管片实际宽度的内力值,而非单位延米。
软土地区地铁盾构隧道课程设计说明书(共00页)姓名杨均学号 070849导师丁文琪土木工程学院地下建筑与工程系2010年7月1. 设计荷载计算1.1 结构尺寸及地层示意图ϕ=7.2ϕ=8.92q=20kN/m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:mm 43800 50*849+1350h ==灰。
按照课程设计题目,以下只进行基本使用阶段的荷载计算。
1.2 隧道外围荷载标准值计算 (1) 自重2/75.835.025m kN g h =⨯==δγ(2)竖向土压若按一般公式:21/95.44688.485.37.80.11.90.185.018q m KN h ni i i =⨯+⨯+⨯+⨯+⨯==∑=γ 由于h=1.5+1.0+3.5+43.8=48.8m>D=6.55m ,属深埋隧道。
应按照太沙基公式或普氏公式计算竖向土压:a 太沙基公式:)tan ()tan (0010]1[tan )/(p ϕϕϕγB hB he q e B c B --⋅+--= 其中:m R B c 83.6)4/7.75.22tan(/1.3)4/5.22tan(/0000=+=+=ϕ(加权平均值0007.785.5205.42.7645.19.8=⨯+⨯=ϕ) 则:2)9.8tan 83.68.48()9.8tan 83.68.48(11/02.18920]1[9.8tan )83.6/2.128(83.6p m KN e e =⋅+--=-- b 普氏公式:2012/73.2699.8tan 92.7832tan 32p mKN B =⨯⨯==ϕγ 取竖向土压为太沙基公式计算值,即:21/02.189p m KN e =。
(3) 拱背土压mkN R c /72.286.7925.2)41(2)41(2G 22=⨯⨯-⨯=⋅-=πγπ。
其中:3/6.728.1645.11.728.10.8645.1m KN =+⨯+⨯=γ。
明挖法地铁区间隧道结构计算一、横断面几何尺寸及力学模型几何尺寸力学模型二、单元类型衬砌结构:beam3地层弹簧:Link10侧向约束:link11、beam3单元输入参数:(1)实常数(Real Constants)AREA –横截面积IZZ –横截面惯性矩HEIGHT –梁高由于衬砌中不同位置的厚度不一样,故需定义多个实常数。
(2)材料参数(Material Properties)EX——弹模DENS——密度PRXY——泊松比其它选项采用默认即可2、Link10单元(1)Real ConstantsAREA –横截面积,取单位面积1。
(2)Material PropertiesEX——弹模,需满足E*A=地层抗力刚度其它选项采用默认即可3、link1单元(1)Real ConstantsAREA –横截面积,取单位面积1。
(2)Material PropertiesEX——弹模,为了不影响计算结果取足够小,如1。
三、结点力计算1、均布荷载时中间结点:2/)(11-+-=n n x x p Fn两端结点:2/)(121x x p F -= 2/)(1--=N N N x x p F2、梯形荷载时中间结点:[]))(2())(2(611111n n n n n n n n y y p p y y p p Fn -++-+=++--两端结点:[]))(2(6112211y y p p F -+= []))(2(6111---+=N N N N N y y p p F三、建立ANSYS 模型/prep7et,1,beam3et,2,link10et,3,link1keyopt,2,3,1 !*****只受压******R,1,0.9,0.06075,0.9, , , ,R,2,1,0.0833,1, , , ,R,3,0.8,0.04267,0.8, , , ,R,4,0.4,0.00533,0.4, , , ,R,5,1, ,R,6,1, ,!定义混凝土衬砌材料mp,ex,1,3.45e10 mp,prxy,1,0.2 mp,dens,1,2500 mp,ex,2,5e7 mp,prxy,2,0.01 mp,ex,3,1mp,prxy,3,0.01!建立几何模型K,1,0,0K,2,0,6.06K,3,5.05,6.06K,4,10.1,6.06K,5,10.1,0K,6,5.05,0L,1,2L,2,3L,3,4L,4,5L,5,6L,3,6L,6,1!设置划分单元大小为0.5m/个Lsel,allLESIZE,all,0.5, , , , , , ,1 Type,1Mat,1Real,1Lmesh,2Lmesh,3Real,2Lmesh,5Lmesh,7Real,3Lmesh,1Lmesh,4Real,4Lmesh,6!复制建立地层弹簧nsel,s,loc,y,-0.1,0.1 NGEN,2,500,all, , , ,-1, ,1, NGEN,2,1000,24, , , 1, , ,1, allsel,all*do,i,24,46type,2real,5mat,2e,i,i+500*enddotype,3real,6mat,3e,24,1024nsel,s,loc,y,-1.1,-0.9nsel,a,,,1024d,all,allallsel,all四、计算结点荷载假定:p=2.2e5kN/m;q1=1e5kN/m;q2=1.7e5kN/m。
1 工程概况 (1)1.1工程场地地层特征 (1)2.2 工程水文特征 (1)2 结构设计 (2)2.1城市轨道交通地下工程类型 (2)2.2 选定施工方法 (2)2.3 隧道断面设计 (3)3 结构计算 (3)3.1荷载计算模式 (3)3.2 荷载计算方法 (4)3.3 围岩压力的计算 (6)3.4 衬砌内力计算 (7)3.5 衬砌强度检算及配筋 (9)3.5.1 强度检算原理 (9)3.5.2 强度检算及配筋 (11)3.5.3 配筋结果 (13)3.6 区间隧道复合式衬砌设计参数 (13)4 小结 (14)1 工程概况1.1工程场地地层特征场地的地层上而下划分为6层,各层特征及描述如表1-1,强度参数如表1-2。
2.2 工程水文特征地下水主要赋存于卵石层中,属兰州断陷盆地松散岩类孔隙性潜水,是兰州市的主要水源地。
水位埋深10.0m,水位具有由北西向南东缓慢降低的趋势,水位变化幅度一般2.0m-3.0m。
表1-1 地层特征表表1-2 岩土抗剪强度指标建议值表2 结构设计2.1城市轨道交通地下工程类型根据设计任务书要求,本次设计城市轨道交通地下工程的结构类型选取地下区间隧道。
2.2 选定施工方法在隧道施工中,开挖方法是影响围岩稳定的重要因素。
因此,在选择开挖方法时,应对隧道断面大小及形状、围岩的工程地质条件、支护条件、工期要求、机械配备能力、经济性等相关因素进行综合分析,在保证围岩稳定或减少对围岩扰动的前提下,采用恰当的开挖方法。
在本地下区间隧道的施工方法选取过程中,按照“安全、可靠、经济、适用”的原则,根据本工程的实际地质情况确定使用暗挖法施工。
由于地层中主要是黄土,细砂、中砂、卵石,而且地下水较发育,岩体松散,透水,工程地质条件较差,确定该工程所处地质条件为V级围岩,故开挖时架立临时支撑,设置临时仰拱,采用暗挖法中较为安全的交叉中隔壁法(CRD法)。
交叉中隔壁法(CRD法)水平方向分两部,上下分三部开挖。
1. 设计荷载计算1.1 结构尺寸及地层示意图ϕ=7.2ϕ=8.92q=20kN/m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:mm 43800 50*849+1350h ==灰。
按照课程设计题目,以下只进行基本使用阶段的荷载计算。
1.2 隧道外围荷载标准值计算(1) 自重 2/75.835.025m kN g h =⨯==δγ(2)竖向土压 若按一般公式:21/95.44688.485.37.80.11.90.185.018q m KN h ni i i =⨯+⨯+⨯+⨯+⨯==∑=γ由于h=1.5+1.0+3.5+43.8=48.8m>D=6.55m ,属深埋隧道。
应按照太沙基公式或普氏公式计算竖向土压:a 太沙基公式:)tan ()tan (0010]1[tan )/(p ϕϕϕγB hB he q e B c B --⋅+--= 其中:m R B c 83.6)4/7.75.22tan(/1.3)4/5.22tan(/0000=+=+=ϕ(加权平均值0007.785.5205.42.7645.19.8=⨯+⨯=ϕ) 则:2)9.8tan 83.68.48()9.8tan 83.68.48(11/02.18920]1[9.8tan )83.6/2.128(83.6p m KN e e =⋅+--=-- b 普氏公式:2012/73.2699.8tan 92.7832tan 32p mKN B =⨯⨯==ϕγ 取竖向土压为太沙基公式计算值,即:21/02.189p m KN e =。
(3) 拱背土压 mkN R c /72.286.7925.2)41(2)41(2G 22=⨯⨯-⨯=⋅-=πγπ。
其中:3/6.728.1645.11.728.10.8645.1m KN =+⨯+⨯=γ。
(4) 侧向主动土压 )245tan(2)245(tan )(q 0021ϕϕγ-⋅--⋅+=c h p e e其中:21/02.189p m KN e =,3/4.785.5205.41.7645.18m KN =⨯+⨯=γ0007.785.5205.42.7645.19.8=⨯+⨯=ϕkPa c 1.1285.5205.41.12645.12.12=⨯+⨯=则:2000021/00.121)27.745tan(1.122)27.745(tan 02.189q m KN e =-⨯⨯--⨯= 2000022/06.154)27.745tan(1.122)27.745(tan )85.54.702.189(q m KN e =-⨯⨯--⨯⨯+=(5) 水压力按静水压考虑:a 竖向水压:2w1w w1/478.24=48.8×9.8=H =p m KN γ b 侧向水压:2w1w w1/478.24=48.8×9.8=H =q m KN γ2w2w w2/532.14=5.5)(48.8×9.8=H =q m KN +γ(6) 侧向土壤抗力 衬砌圆环侧向地层(弹性) 压缩量:)R 0.0454k EI 24()]R q (q -)q (q -)p [2(p =4c 4cw2e2w1e1w1e1⋅+⋅+++ηδ 其中:衬砌圆环抗弯刚度取2376.123265120.35×0.1103.45EI m KN ⋅=⨯⨯= 衬砌圆环抗弯刚度折减系数取7.0=η;则:m 34410617.057.366600811.2261)925.2200000.04546.232651.70(24925.2)]14.325(154.06-)24.784(139.19-)24.78402.189([2=-⨯==⨯⨯+⨯⨯⨯+++⨯δ2-3r /35.1210617.000002=y k =q m KN =⨯⨯⋅(7) 拱底反力 w c c 1R R 2π -0.2146R +πg +p =P γγe其中:21/02.189p mKN e =2/75.8m kN g = 3/6.728.1645.11.728.10.8645.1m KN =+⨯+⨯=γ,与拱背土压对应 则:2R /91.17410 955.2 2π-6.7955.20.2146+75.8π+189.02=P m KN =⨯⨯⨯⨯⨯。
一、 结构尺寸隧道内径:5400;隧道外径:6000;管片厚度:300mm 管片宽度:1500mm 二、 计算原则选择区间隧道地质条件较差、隧道埋深较大、地面有特殊活载(地面建筑物 桩基、铁路线等)等不同地段进行结构计算。
三、 计算模型计算模型采用修正惯用设计法。
考虑管片接头影响,进行刚度折减后按均质圆 环进行计算;水平地层抗力按三角形抗力考虑;计算结果考虑管片环间错缝拼装 效应的影响进行内力调整。
弯曲刚度有效率 n =0.8,弯矩增大系数E =0.3。
计算 简图如下图所示。
使用ANSYS?序软件进行结构计算。
四、 计算荷载荷载分为永久荷载、活载、附加荷载和特殊荷载等四种。
1) 永久荷载:管片自重、水土压力、上部建筑物基础产生的荷载。
考虑地层特征 采取水土合算或水土分算。
2) 活载:地面超载一般按20KN/m 计;有列车通过地段按40KN/m 计。
3) 附加荷载:施工荷载一一盾构千斤顶推力,不均匀注浆压力,相邻隧道施工影 响等。
4) 特殊荷载:地震力一一按抗震基本烈度为7度计算,人防荷载按六级人防计算, 按动载化为静载计算。
五、 内力计算1、一般地段:地质条件较差、埋深较大地段(地面超载 20KN/m ):里程YCK5+990地面超载压力基底竖向反力修正惯用设计法计算模型计算模型节点划分选取地质钻孔为MEZ2-A073隧道埋深约33.9m,地下水位在地面下5.0m。
地层由上至下分别为<1>-7.3m; <5-1>-39.2m ; <5-2>-20m。
隧道所穿过地层为<5-2>。
隧道横断面与地层关系如下图所示:<!> [<5- 1 >O<5 —2>隧道横断面与地层关系2、列车通过地段:地面超载 40KN/m,里程YCK6+050选取地质钻孔为 MEZ2-A166隧道埋深约35.5m,地下水位在地面下12.5m。
隧道断面计算公式隧道断面计算是确定隧道横截面积和形状的过程。
隧道断面的形状和尺寸对隧道的稳定性和使用条件有重要影响。
在进行隧道设计时,需要依据工程要求和地质条件来确定合适的断面形状和尺寸。
以下是常见的隧道断面计算公式和相关参考内容。
1. 地质勘探和地质参数:在进行隧道断面计算之前,需要进行地质勘探,获取地质参数,包括地质岩性、地应力、地下水等。
这些地质参数对隧道断面计算具有重要影响。
地质参数的获取可依据国家规范或工程师的经验进行判断。
2. 地层压力计算公式:根据地层压力的计算公式可估算隧道断面所受的地层压力。
常用的地层压力计算公式包括:- Terzaghi地压公式:P = k_h * γ_h * h- 吉环地压公式:P = k_n * γ_v * h其中,P为地层压力,k_h和k_n为地压系数,γ_h和γ_v为地层重度,h为覆土深度。
地压系数可根据地质条件和经验取值。
3. 支护结构计算公式:隧道施工过程中需要进行支护,支护结构的设计也需要进行断面计算。
常用的支护结构计算公式包括:- 钢支撑计算公式:N = (σ_1 + σ_3)/2- 混凝土衬砌计算公式:h = N * m其中,N为地层压力,σ_1和σ_3为地应力,h为衬砌厚度,m为混凝土抗压强度。
这些公式可依据设计要求和工程经验进行合理取值。
4. 断面形状计算:隧道断面的形状决定了隧道的稳定性和使用条件。
常见的隧道断面形状有圆形、马蹄形、矩形等。
断面形状计算的主要目标是确定隧道拱顶高度、宽度和截面积。
常用的断面形状计算公式包括:- 圆形断面计算:A = π * r^2, P = 2 * π * r + h- 马蹄形断面计算:A = (b1 + b2) * h/2, P = b1 + b2 + 2 * h其中,A为断面面积,P为断面周长,r为拱顶半径,h为拱高。
b1和b2为马蹄形断面的底宽和顶宽。
参考内容:- 《公路隧道设计规范》(JTJ 042-96)- 《铁路隧道设计规范》(TB 10002.1-2005)- 《城市轨道交通隧道设计规范》(GB 50486-2010)- 相关学术论文和专业书籍。