地铁区间隧道结构设计

地铁区间隧道结构设计

一、设计任务

对某区间隧道进行结构检算，求出力，并进行配筋计算。具体设计基本资料如下：

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7度。

1.2 其他条件

地下水位在地面以下4.2处；隧道顶板埋深10.7m；采用暗挖法施工，隧道断面型式为5心圆马蹄形结构。

二、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》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10.7m，位于粉土层、细砂层和圆砾土中，根据《地铁设计规》10.1.2可知

“暗挖结构的围岩分级按现行《铁路隧道设计规》确定”。

围岩为Ⅵ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（可只考虑二衬）

b. 地层竖向土压力

由于拱顶埋深10.7m，则顶上土层有杂填土、粉土、细砂，且地下水埋深4.2m，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

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。(为简化计算，按水土分算)

a. 侧墙自重

b. 对于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

=

d. 对于隧道圆心高度土压力

=

e. 对于隧道侧墙底部土压力

f. 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》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10KPa的均布荷载取值，并不计动力作用影响。

人行荷载可以不用考虑。

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，会导致侧向压力的增大：

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

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：-290.3

设计活载：-14

底板：设计恒载：148.6

设计活载：-7

侧墙（顶部）：设计恒载： 170.5（x方向；-150（y方向）

设计活载： 5.81（x方向）；-175（y方向）

（底部）：设计恒载： 292.6（x方向）；-150（y方向）

设计活载： 3.262（x方向）；-175（y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：-241.9

设计活载：-10

底板：设计恒载：123.8

设计活载：-5

侧墙（顶部）：设计恒载： 142.1（x方向；-125（y方向）

设计活载： 4.15（x方向）；-125（y方向）

（底部）：设计恒载：243.8（x方向）；-125（y方向）

设计活载： 2（x方向）；-125（y方向）

2.4 绘出结构受力图

根据荷载组合值，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力，弯矩图和轴力图（如下）。

（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）正常使用极限状态

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）

1. 配筋计算

经过计算，可知中墙顶部为最不利位置，沿隧道纵向取1m的计算单元，弯矩最大为204.05kN.m，轴力为383.55kN，以此截面为控制截面进行配筋，为简

便计算，可以对称配筋。

由于截面长度b=1.0m ，高度h=0.4m ，计算长度L=0.5m ，由于L

5,=h

η<长细比可不用考虑偏心距增大系数的影响(即0)。

0204.050.5320.30.12383.55

M e m h m

N =

==>=可先按照大偏心受压情况进行计算设计。 钢筋采用二级HRB335，混凝土C30，保护层厚度为50mm ，相对界限受压区高度

0.550b ξ=。

偏心距0/20.5320.4/20.050.682s e e h a m η=+-=+-=

受压区高度3

1383.551026.821.014.31000c N x mm f b α⨯===⨯⨯

'10''032

(/2)

()

383.5510682 1.014.3100026.82(34026.82/2)300(34050)1567c s s y s Ne f bx h x A A f h a mm α--==

-⨯⨯-⨯⨯⨯⨯-=⨯-=

可以采用620mm φ，

'21884s s A A mm ==，满足间距要求

（如右图）。

对于中墙，承受压力较大，为883kN ,而且弯矩非常小，可看作轴心受压构件。

32288310 1.766/14.3/,1000500c c N N mm N mm A σ⨯===<⨯满足条件。

2. 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=-，其中 2.01tk f =，