东沟隧道18米仰拱栈桥设计方案精编版

郑州至西峡高速公路尧山至栾川段YLTJ-1标

东沟隧道仰拱栈桥设计方案与计算书

编制：

审核：

审批：

四川公路桥梁建设有限公司

郑西高速尧栾段YLTJ-1项目经理部

二0一七年五月

东沟隧道仰拱栈桥设计方案与验算书

一、工程概况

1、东沟隧道在位于柳树沟村东沟组附近，为左右分离式隧道。左洞起讫桩号：

ZK4+306～K5+937；右洞起讫桩号：K4+319～K5+955。详细情况见下表

2、东沟隧道地属伏牛山系，海拔高程320-450m,山势陡峭，河沟纵横，进口交通条件较差，出口交通条件较好,小里程至大里程为2.2%上坡。

3、东沟隧道设计为双向四车道隧道，采用的主要技术标准如下：

（1）道路等级：山岭区高速公路；

（2）设计行车速度：100Km/h；

（3）地震：隧址区内地震动峰值加速度为0.05g，地震基本烈度Ⅵ度。

（4）隧道建筑限界：隧道净宽：0.75+0.75+2×3.75+1+1=11m；隧道净高：5m。

4、该段隧道地质条件较复杂，受断层破碎带影响，隧道中可能出现涌水、突泥、塌方、滑坡等危险。隧道围岩等级主要为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级，初期支护为网喷混凝土、锚杆、型钢钢架组成，Ⅳ、Ⅴ级围岩地段型钢钢架、墙、仰拱全环安设，每0.6～1m一榀。二次衬砌采用C30防水混凝土，防水等级为P8。

二、仰拱栈桥设计方案

东沟隧道洞口、浅埋段及Ⅴ级围岩段采用环形开挖预留核心土法施工，Ⅳ级围岩采用上下台阶法施工，Ⅲ级围岩采用全断面开挖施工。出渣采用无轨运输，仰拱超前衬砌，二衬施工采用一次全幅灌注方式，一次灌注长度12 m，距开挖掌子面40～100 m。为解决仰拱施工与开挖运输作业面的干扰，采用仰拱栈桥来保证仰拱施工时运输道路的通畅。

1、仰拱栈桥设计

（1）行走车辆的情况

在衬砌前，通过仰拱栈桥的主要施工机械、车辆为ZL50装载机、红岩金刚自卸汽车、砼运输车，小松PC240挖掘机等，其自重、宽度等基本参数见表1。

表1主要施工机械车辆状况

根据表1，以红岩金刚自卸汽车重载时作为仰拱栈桥的验算荷载，其前桥重量12t ，后桥重量为28 t 。

（3）宽度及每片梁的工字钢数量

仰拱栈桥的单片宽度1.25m ，中心距离2.15 m,为达到仰拱栈桥的宽度，考虑每片梁采用5组I 40a 工字钢组成，工字钢的间距为13.5cm,总宽为1.25m 。 （4）仰拱栈桥长度

根据每次二初浇筑长度，确定仰拱栈桥的长度为18m ，计划每次捡底12m ，每段的搭接长度2m 。 （5） 最不利荷载布置

当红岩金刚自卸汽车的第一个后轮位于过轨梁中间时，为弯距最不利荷载，前轮与后轮的间距为3500mm,两个后轮的间距为1300mm ，前轮重6T,两后轮分别重7t 的荷载作用在单片梁上，梁的长度为9m 。其受力简图为：

当红岩金刚自卸汽车的第二个后轮位于过轨梁梁端时，为剪力最不利荷载，前轮与后轮的间距为3500mm,两个后轮的间距为1300mm，前轮重6T,两后轮分别重7t的荷载作用在单片梁上，梁的长度为9m。其受力简图为：

2、受力验算

（1）单片梁的最大弯矩

单片梁由5根I40a工字钢拼成,由5根工字钢共同承受汽车荷载,则：

P1=6000x9.8=58.8KN

P2=7000x9.8=68.6KN

查《公路桥涵计算手册》I40a工字钢,其每延米重量为67.6kg/m,即q=0.662KN/m，由工字钢自重产生的弯距示意图为：

由汽车荷载产生的弯矩包络图为：

可以看出由由工字钢自重产生的最大弯矩为：

M重=ql2/8=0.662×142/8=16.22KN.m

汽车荷载产生的跨中最大弯矩为：

M汽=538.51KN.m

单片梁跨中最大弯矩为:

Mmax= M重+ M汽=16.22+538.51=554.73 KN.m

（2）单片梁的最大剪力

由工字钢自重产生的剪力为：

Q重=ql/2=0.662×14/2=4.634KN

由汽车荷载产生的梁端最大剪力为：

Q汽=P1(14-3.5-1.3)/14+P2(14-1.3)/14+P2=58.8×9.2/14+68.6×

12.7/14+68.6=169.47KN

单根工字钢承受的最大剪力为:

Q= Q重+ Q汽/5=4.634+169.47/5=38.528 KN

（2）工字钢的强度验算

根据最大弯矩得出工字钢最大应力，即：σ=Mmax／Wx，Wx为工钢截面抵抗矩，查《公路桥涵计算手册》知单根I40a工字钢的载面抵抗矩为：Wx=1085.7cm3，5根工字钢的最大应力为：

σ=Mmax/Wx=(554.73x106)/(5x1085.7x103)=102MPa<215 MPa 工字钢的材料为Q235，其抗拉强度为215MPa,可知工字钢的最大应力小于其抗拉强度，安全系数为2.1，符合要求。

（3）工字钢的剪应力验算

查《公路桥涵计算手册》可知I40a工字钢

Ix=21714cm 4 Sx=631.2cm 3

Ix/ Sx=34.4cm d=10.5mm 故根据栈桥纵梁最大剪应力，并据此校核剪应力强度

[]MPa MPa d S Q x x 5127.015

.10217142

.631528.38max max =<=⨯⨯=⨯I ⨯=

ττ满足要求。

（4）栈桥挠度验算

将两后轮合并成简化成一个集中荷载，则后轮产生的最大挠度为：

34mm 5

21714102.1481410268.648EI Pl f 5

3

53max

=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯==

114250][=⨯=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡= 前轮引起的最大挠度为：

mm EI Pl f 155

21714101.24814108.58485

3

53max

=⨯⨯⨯⨯⨯⨯==

114250][=⨯=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡= 挠度满足要求。 （5）工字钢的确定

由计算可知，使用5片I 40a 工字钢，满足施工要求。

三、仰拱栈桥加工

每幅仰拱栈桥由两片梁板组成，每片梁板由5根I 40a 工字钢焊接而成，梁长18 m ，工字钢间距13.5 cm ，每两根I 40a 工字钢中间每隔100cm 用I 20a 工字钢焊接联接成一个整体。I 40a 工字钢顶面满焊间距为10cm 的C 22钢筋。具体设计图见图1、图2。

图1 仰拱栈桥梁板断面图