地下结构课程设计

《地下结构课程设计》计算书
——地铁区间隧道结构设计
1 设计任务
本次地下结构课程设计是进行城市地铁区间隧道的结构设计，涉及“地下工程”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。

其余详细设计任务资料见附录。

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
1.2 其他条件
地下水位在地面以下6m处；隧道顶板埋深10m；采用暗挖法施工，隧道断面型式为马蹄形。

1.3 暗挖区间断面
2 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
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，B>5m时，i取0.1，B<5m时，i取0.2。

由于隧道顶板埋深10m，所以该隧位于细砂层和圆砾土中，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”，查表得围岩为Ⅳ级围岩，则有
则
可知该隧道埋深为浅埋。

2.2 计算作用在结构上的荷载
2.2.1 永久荷载
1.结构自重（只考虑二衬）
顶板自重：
侧墙自重：
底板自重：
2.地层压力
a. 地层竖向压力
由于拱顶埋深10m，则拱顶上方土层有杂填土、粉土、细砂，且地下水埋深6m，应考虑土层压力和地下水压力的影响，对于浅埋洞室，本设计按照极浅埋的形式进行竖向土压力计算，即。

b. 地层水平压力
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，采用朗肯主动土压力方法计算：
地下结构处于细沙土层与圆砾土土层中，所以在土层交界面出会有土压力突变。

细沙：
圆砾土：
拱顶处：
=77.68KPa
土层交界面以上：
土层交界面以下：
洞底处：
3.水压力
水压力随着深度线性增加，在拱顶处为水压力，在洞底处为浮力，在侧墙上为垂直于侧墙的侧压力。

拱顶处：
水
洞底处：
水
2.2.2 可变荷载
1.地面车辆荷载
按20KPa均布荷载作用于地层上考虑
2.地铁车辆荷载及其冲击力
轴重140KN，轮重70KN，标准轨距为1435mm，不计入冲击力的影响。

则地铁车辆均布荷载为。

3.人群荷载
按4KPa的均布荷载标准值计算。

4.地面超载引起的可变荷载
由于隧道上部地面车辆的运行，会导致侧向压力的增大。

拱顶处：
土层交界面以上：
土层交界面以下：
洞底处：
2.2.3 偶然荷载
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
2.3.1承载能力极限状态
荷载组合采用基本组合，即为1.35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：-299.66KPa
设计活载：-33.6KPa
侧墙（顶部）：设计恒载：158.87KPa（x方向）；-253KPa（y方向）
设计活载：12.74KPa（x方向）
（底部）：设计恒载：331.63KPa（x方向）；-253KPa（y方向）
设计活载：11.37KPa（x方向）
底板：设计恒载：163.3KPa
设计活载：-9.03KPa
2.3.2正常使用极限状态
荷载组合采用标准组合，即为1.0恒载+1.0活载，根据以上各计算，作用在隧道上的设计荷载有：
拱顶：设计恒载：-221.97KPa
设计活载：-24KPa
侧墙（顶部）：设计恒载：117.68KPa（x方向）；-187.43KPa（y方向）
设计活载：9.1KPa（x方向）
（底部）：设计恒载：245.65KPa（x方向）；-187.43KPa（y方向）
设计活载：8.12KPa（x方向）
底板：设计恒载：120.97KPa
设计活载：-6.45KPa
2.4 绘出结构受力图
结构受力图如下图所示：
2.5 利用midas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midas程序中施加各类荷载，然后运行后就可得到单元内力，弯矩图和轴力图。

2.5.1 承载能力极限状态
隧道断面的弯矩图
隧道断面的轴力图
2.5.2 正常使用极限状态
隧道断面的弯矩图
隧道断面的轴力图
2.6 结构配筋计算和截面配筋图绘制（隧道结构取最不利截面配筋）2.6.1主筋配筋计算
经过结果分析，可知侧墙与底板的拐角处（拱脚处）为最不利位置，沿隧道纵向取1m的计算单元，弯矩最大为467.93kN.m，轴力为1549.54kN，以此截面为控制截面进行配筋，为简便计算，采用对称配筋。

由于截面宽度b=1.0m，高度h=0.45m，计算长度L=0.7m，由于长细比为L/h<5，长细比较小时，偏心受压构件的纵向弯曲变形很小，附加弯矩的影响可忽略。

材料采用：钢筋HRB335，，
混凝土C25，，，，
保护层厚度为40mm，则=50mm，相对界限受压区高度，。

(1)判别大小偏压
则为大偏压结构。

(2)配筋
，取为
偏心距
受压区高度
=2386.6
可以采用8 20， ，满足间距等要求。

配筋图如下图所示。

2.6.2 腹筋配筋计算
根据结果表格可查出最大的剪力为Q=576.75KN ，混凝土承担的最大剪力为 ，因此需要配置腹筋，即箍筋。

箍筋采用HPB300， 。

箍筋间距为
配置箍筋取箍筋间距为100，即为 ，经验算满足最小配箍率的要求。

2.7裂缝验算
裂缝验算公式：max (1.90.08
)eq
sk
cr s
te
d w c E σαψ
ρ=+
由于是偏心受压构件： 2.1cr α=
1.10.65
tk
te sk f ψρσ=-
=149.52MPa 则有
则
=0.14mm<0.2mm
所以裂缝宽度满足要求。

附录一课程设计任务书
一、基本要求
1、对设计从全局上把握，思路清晰，独立完成全部设计任务；
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检算，求出内力，并进行配筋计算。

具体设计基本资料如下：
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
2、其他条件
地下水位在地面以下6m处；隧道顶板埋深10m；采用暗挖法施工，隧道断面型式为马蹄形。

三、设计过程
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载；（仅按使用阶段考虑）；
3、进行荷载组合；（至少一种荷载组合）
4、绘出结构受力图；
5、利用sap或ansys或midas程序计算结构内力；
6、结构配筋计算和截面配筋图绘制；（隧道结构取最不利截面配筋）
7、裂缝宽度检算；（可选作）
8、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。

计算书应规范，包括设计基本资料、详细的计算过程、结构受力图、内力图、配筋计算。

图纸包括配筋图，其他小图在计算书中，包括断面图、荷载图、内力图，图纸应清晰，各项计算符合规范要求且应列出参考文献。

附录二 GTS程序运行结果内力数据表格
参考文献
[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] 关宝树《地下工程》2007年版高等教育出版社。