软土地区地铁盾构隧道管片的设计

软土地区地铁盾构隧道

衬砌的设计

姓 名：

班 级：

学 号：

指导老师：

土木工程学院岩土施工教研室

2013年6月

目 录

一、荷载计算---------------------------------------------3

1.1、结构尺寸级地层示意图----------------------------3

1.2、隧道外围荷载标准值计算--------------------------3

二、内力计算---------------------------------------------6

三、标准管片的荷载计算-----------------------------------9

3.1、截面及内力确定----------------------------------9

3.2、环向钢筋计算------------------------------------9

3.3、环向弯矩平面承载力验算--------------------------12

四、抗浮验算---------------------------------------------12

五、纵向接缝验算-----------------------------------------13

5.1、接缝强度计算------------------------------------13

5.2、接缝张开裂度验算--------------------------------15

六、裂缝张开验算-----------------------------------------17

七、环向接缝验算-----------------------------------------18

八、管片局部抗压验算-------------------------------------20

九、构造说明---------------------------------------------21

十、参考文献---------------------------------------------21

一、 荷载计算

1.1、结构尺寸及地层示意图

由任务书知：灰色淤泥质粉质粘土上层厚度进行调整： h1355228308195mm

1.2、隧道外围荷载标准值计算

1.1.1自重计算

gh25KN/m30.35m8.750kN/m3

1.1.2均布竖向地层荷载

h=1.5+1.0+3.5+8.195=14.195m>D=6.2m 即属深埋隧道 竖向地层荷载：

q1ihi0.5181819.13.58.78.9158127.870kN/m2n

i1

地面超载：

q220kN/m2

近似均布拱背土压力：

.6458.07.11.280

i1

1.6451.2807.606kN/m3 即：qG

32R0.43R2ib

2R0.433.127.6061

23.15.069kN/m2

所以：qq1q2q3127.870205.069152.939kN/m2

1.1.3水平地层均布荷载

P

1qtan2(452)2ctan2(452)

其中：

衬砌圆环侧向各个土层的土壤重度

--内摩擦角

C--粘聚力的加权平均值

81.6457.14.2057.353KN/m3

5.85

8.901.6457.204.205

5.857.6780

c12.21.64512.14.205

5.8512.128kPa

所以:

7.67807.6780

0P1152.939tan(45)212.128tan(45)95.683kPa2220

1.1.4按三角形分布的水平地层压力

由：RH6.25.512.925m22

2 7.6780

P22RHtan(45)22.9257.353tan(45)32.876kPa2220

1.1.5拱底反力

PRqg11RHw152.9393.148.7502.92510165.789kPa22

1.1.6侧向土层抗力

PKky(12cos) 且

7由《混凝土结构设计规范》知：Ec3.4510kPa

衬砌圆环抗弯刚度:

EI3.4510713.14(6.245.54)9.522108kNm2 64

衬砌圆环抗弯刚度折减系数:0.3

4(2qP1P2g)RHy424(EI0.045kRH)

(2152.93995.68332.8758.7503.14)2.925424(0.39.5221080.04521042.9254)2.186106m

Pkmaxky(12cos)21042.1861064.372102kPa Pkminky(12cos)21042.186106(12)1.811102kPa 即取：PK2.562102kPa

7.67807.67800

P1152.939tan(45)212.128tan(45)95.683kPa

22

2

1.1.4按三角形分布的水平地层压力由：RH

6.25.51

2.925m22

2

7.6780

P22RHtan(45)22.9257.353tan(45)32.876kPa

22



20

1.1.5拱底反力

PRqg

11

RHw152.9393.148.7502.92510165.789kPa22

1.1.6侧向土层抗力

PKky(12cos) 且

7

由《混凝土结构设计规范》知：Ec3.4510kPa

衬砌圆环抗弯刚度:

EI3.45107

1

3.14(6.245.54)9.522108kNm2 64

衬砌圆环抗弯刚度折减系数:0.3

4

(2qP1P2g)RHy4

24(EI0.045kRH)

(2152.93995.68332.8758.7503.14)2.9254

24(0.39.5221080.04521042.9254)2.186106m

Pkmaxky(12cos)21042.1861064.372102kPa

Pkminky(12cos)21042.186106(12)1.811102kPa

即取：PK2.562102kPa

1.1.7荷载示意图

圆环外围荷载示意图

二、内力计算（用荷载-结构法按均质圆环计算衬砌内力）

取一米长度圆环进行计算，其中荷载采用设计值，即考虑荷载组合系数。计算结果如下表（已考虑荷载组合系数）：

g1.28.75010.500kN/m2

q1.2q11.4q21.2q31.2127.8701.4201.25.069187.527kN/m2

2 qw1.21012kN/m

2

P1.232.87639.451kN/m P1.2165.789198.947kN/m

2

P1.295.683114.820kN/m12

2

R

PK1.22.5621023.074102kN/m2

隧道圆环内力计算表

155 3 83

93 5 94 68 83 41 24 63 19 51 49 09 25 32 68 98 63 79

21

由以上表格知：，在1200度时轴力最大Nmax677.896kN，1100弯矩最大Mmax161.816kN.m。 三、标准管片的配筋计算 3.1 截面及内力确定

由上述内力计算，取M161.816kNm，N677.896kN进行内力计算，衬砌管片同时受到较大的正弯矩与负弯矩，采用对称配筋。简化模型为b=1000mm，h=350mm，保护层厚度取50mm。根据修正惯用法中的η-ξ法，由于纵缝接头的存在而导致结构整体刚度降低，取圆环整体刚度为：

EI0.73.45107

1

10.3586285.936kPa12

最大负弯矩时：

Ms(1)M(10.4)(161.816)226.542kNm

NsN677.896kN

最大正弯矩时：

Ms(1)M(10.4)114.234159.928kNm

NsN677.869kN

3.2 环向钢筋计算

3.2.1按最大负弯矩配筋（假设为大偏心构件）

Ms226.542e0334.184mm

Ns677.896h350

eamax(20,)max(20,)20mm

3030

eie0ea20334.184354.184mm

,

50mm 取：1.1，asas

e、ei

h,

as1.1354.18417550264.602mm 2

2

采用对称配筋： 其中：b=1000mm，fc=23.1N/mm，11.00

钢筋选用HRB335钢，则：f,y=300N/mm2

由：N1fcbx

知：677.8961031100023.1x

得：x29.346mm0.55h00.55(35050)165mm

x29.346mm2a,

s100mm

近似取：

x2a,

s100mm

所以：确定为大偏心受拉构件 对A，

s取矩：

、

N(eAi

h

sA,s

Ne

a,s)f,(h,

y0as)

f,

,y(h0as)

677.896103(1.1354.18417550)(30050)

2391.639mm2300

所以：

As2391.639mm20.2bh00.2%1000300600mm2

（配筋率满足要求）

选配1018的HRB335的钢筋（As2545

mm2） 3.2.2按最大正弯矩配筋（ 假设为大偏心构件）

福建工程学院土木工程系勘查技术与工程

e0

Ms159.928

235.918mm Ns677.896

eamax(20,

h350)max(20,)20mm 3030

eie0ea20235.918255.918mm

,

取：1.1，asas50mm

e,ei

h,as1.1255.91817550156.510mm 2

2

采用对称配筋： 其中：b=1000mm，fc=23.1N/mm，11.00

,2

=300N/mm钢筋选用HRB335钢，则：fy

由：N1fcbx

知：677.8961031100023.1x

得：x29.346mm0.55h00.55(35050)165mm

,

x29.346mm2as100mm

近似取：

,

x2as100mm

所以：确定为大偏心受拉构件 对As取矩：

AsAs,

Ne

,,

fy(h0as)

、

，

N(ei

h

as,)fy,(h0as,)

677.896103(1.1255.91817550)1414.633mm2

300(30050)

所以：

As1414.633mm20.2bh00.2%1000300600mm2

福建工程学院土木工程系勘查技术与工程

（配筋率满足要求）

选配1014的HRB的钢筋（As1539

mm2） 所以：从安全角度考虑按最大负弯矩配筋。 3.3环向弯矩平面承载力验算（按偏心受压验算）

NSN677.896kN

3i

IAbh12bhh350101.036mm

650650

l01800RH180

3.1429253316.625mm l0i3316.625101.03632.826

所以：确定为大偏心构件

e,ei

h2a,

s1.1354.18417550264.602mm

对A，

s取矩。

A,

Ne，677.896s

f,103264.6022

,y(h0as)

300(30050)2391.635mm

A,s2391.635mm20.2bh00.2%1000300600mm2（纵向钢筋配筋率满足要求）

所以选配525的HRB的钢筋（A,

s2454

mm2） Abh1000350350000mm2（构件截面面积）

N0.9(f,,yAsfcA)

0.9(300245423.1350000)7939.080kN677.896kN

所以：满足要求 四、抗浮验算

福建工程学院土木工程系勘查技术与工程

盾构隧道位于含地下水的土层中时受到地下水的浮力作用，故需验算隧道的抗浮稳定性，用抗浮系数：

K

G1G2GGP

 FF

式中：

G——隧道自重

G——拱背土压力 P——垂直荷载 F——水浮力

且：水压力：PwwH1013.695136.950kN/m2 则：K

g2PHG(P1PW)2RH

2

RHw

8.75023.142.9250.433.127.6061(114.820136.950)22.925



3.142.925210

6.1981.1

抗浮稳定性满足要求 五. 纵向接缝验算 5.1接缝强度计算

近似地把螺栓看作受拉钢筋，假设选用2根螺栓。按偏心受压钢筋混凝土截面尽行计算:

5.1.1.负弯矩接头（1100截面）

M161.8160.7113.271kNm

M113.271e0167.585mm

N675.901

福建工程学院土木工程系勘查技术与工程

N675.901kN

eamax(20,

h30)max(20,35030

)20mm eie0ea20167.585187.585mm

取5.8级的M30细螺纹，则螺栓预应力引起的轴向力

N400621

11000

248.4kN

由：

X0

N+N1=fcbx

675.9011032248.410323.11000x

得：x50.766mm0.55h0165mm 所以：确定为大偏心受压构件 则：

nNx)N(hx

Ke0

1(h0)

Ne i

2248400(30050.76635050.766



)675901()675901187.585

1.8741.55

所以：负弯矩接缝强度满足要求 5.1.2正弯矩接头（100截面）

M114.2340.779.964kNm N411.788kN

e0

MN79.964

411.788

194.187mm 福建工程学院土木工程系勘查技术与工程

eamax(20,

h350)max(20,)20mm 3030

eie0ea20194.187214.187mm

取5.8级的M30细螺纹，则螺栓预应力引起的轴向力

400621

N1248.4kN

1000

由：

X0

N+N1=fcbx

411.7881032248.410323.11000x

得：x39.333mm0.55h0165mm 所以：确定为大偏心受压构件 则：

xhx

nN1(h0)N()

 Nei

39.33335039.333

)411788() 411788214.187

Ke0

2248400(300

2.3041.55

所以：正弯矩接缝强度满足要求

5.2接缝张开裂度验算（选取不利接缝截面110）

管片拼装之际由于受到螺栓（5.8级），在接缝上产生预应力： 其中：

N1——螺栓预应力引起的轴向力，取M30细螺纹(N1248.4KN )

e0——螺栓与重心轴偏心距（取25mm）

福建工程学院土木工程系勘查技术与工程

15

F、W——衬砌截面面积和截面距

即：c1

c1

N1N1e0

FW

N1N1e[1**********]00×252

0.406N/mm 2FW35010001/6×1000×350

当接缝受到外荷载，由外荷载引起的应力： 其中：

N2及M2——外荷载，由外荷载引起的内力

F、W——衬砌截面面积和截面距

即：c2

c2

N2M2

FW

N2M26759010.7161.81610623.617N/mmFW35010001/61000×3502

由此可得接缝变形量：

其中：E——防水涂料抗拉弹性模量（取4MPa）

l——涂料厚度（取4mm） n——螺栓个数 所以满足要求 即：

l

nc1c2

l E

c1c20.4063.617

l43.211mml3mmE4

l

所以1只螺栓不满足要求 又

福建工程学院土木工程系勘查技术与工程

16

l

2c1c20.40623.617

l42.805mml3mm

E4

所以2个螺栓满足要求

根据以上接缝强度计算每延米宽度需要2只螺栓才能满足要求。考虑安全问题，所以取2只螺栓。 六、裂缝张开验算(偏心受压构件)

取最大弯矩处进行裂缝验算（即1100截面），此处满足要求，则其他位置亦可满足。

M161.816kNm N675.901kN

即：e0

M161.819245.963mm N675.901

e0245.9630.8200.55 h0300

由以上计算知配筋为1018的HRB335的钢筋（As2545，mm2）

c50mm

查《混凝土结构设计规范GB50010-2002》知：Es2105N/mm2，

det32mm，

650650l0RH3.1429253316.625mm 00

180180

l03316.6259.47614,s1.0 h350

ee0

h350

as245.96350370.963mm 22

h023002

h0[0.870.12()]h0[0.870.12()]300237.456mm

e370.963

福建工程学院土木工程系勘查技术与工程

17

h0)Ah675901(370.963237.456)

sk

N(e149.319N/mm2

s02545237.456

ste

A0.5bh2545

0.51000350

0.0145 1.10.65ftk

.1

0.652.64

te1sk

0.0145149.3190.307

2.1

sk

(1.9c0.08

deq

maxEs

)

te

2.10.307149.319210

5

(1.9500.0832

0.0145) 0.131mm

由max0.131

mmllim0.2mm 所以：管片裂缝张开宽度满足要求。 七、环向接缝验算

管片弯矩取最大值，即为1100时弯矩最大 混凝土面积：

Ah(3.122.752)6.429106mm2

按环形断面计算：

,

Asfy2545300

A,

hfc2Asfy6.24910623.122545300

5.2341030.3

sinsinsin(5.2341031800)0.0164

M[Ahfr1r2c(

2)2Asin

sfyRH]



6.42910623.1(

3100275002)225453002925.0164

3.142292.124kNm

福建工程学院土木工程系勘查技术与工程

18

混凝土：

0.1（6.245.54）W118.147m318.147109mm3

3.1

所以管片伸长量：

Ml12292.12410610003

l13.66110mm

E1W13.4510418.147109

mm2，fy400N/mm2，螺栓计算纵向螺栓（M30，45钢）Ag621

长度为160mm。 且：

cos2180cos2270cos2360cos2450cos2540

F1cos900000

cos9cos9cos9cos9cos9

cos2630cos272cos2810

4.556

cos90cos90cos92

即：FF14.556 所以：

M10AgRHfyF

1062129254004.5563.3101010Nmm

又：

L1cos290cos2180cos2270cos2360cos2450cos2540cos2630cos2720cos28104.500

即：LL14.500 所以：W2

2

nAgRH

RH

L1062129254.5008.174107mm2

所以纵向螺栓伸长量：

Ml13.3101010160l20.309mm 57

E2W22.1108.17410

故环峰的综合伸长量：

福建工程学院土木工程系勘查技术与工程

19

ll1l23.6611030.3090.313mm3mm

所以：环缝的伸长量满足要求

八、管片局部抗压验算

由于管片连接时在螺栓上施加预应力，故需验算螺栓与混凝土连接部位的局部抗压强度。圆形衬砌外径为6200mm，内径5500mm，盾构外径6340mm，盾构千斤顶中心线直径5815mm，盾构千斤顶共24台，每台最大顶力为1500Kn，顶块受力面积尺寸为695mm350mm。

由规范《混凝土结构设计规范-GB50010-2002》知:

Fl1.35clfcAln 且：1Ab69535031.732 AL695350

Fl——局部受压面上作用的局部荷载或局部压力设计值,取

1500kN；

f——混凝土轴心抗压强度设计值，取23.1N/mm2。

c

——混凝土强度（C50）影响系数,取1.0； c

——混凝土局部受压时的强度提高系数； 1

A——混凝土局部受压面积，取690mm350mm l

A——混凝土局部受压净面积，取690mm350mm ln

A——局部受压的计算底面积； b

即：

1.35clfcAln1.351.01.73223.169535013138.521kN

kN13138.521kN 又：Fl1500

所以：局部抗压满足要求

九、构造说明

9.1混凝土保护层厚度：地下结构的特点是外侧与土、水相接触，内测相对湿度较高。故受力钢筋保护层厚度最小厚度比地面机构增加5~10mm。本设计中c=50mm。

9.2、横向受力钢筋：为便于施工，将横向钢筋与纵向分布钢筋制成焊网。外侧横向钢筋为一闭合钢筋圈，内侧钢筋则沿横向通常配置。

9.3、分布钢筋由于考虑混凝土的收缩、温差影响、不均匀沉降等因素的作用，必须配置一定数量的纵向分布钢筋。纵向分布钢筋的配筋率：顶、底板应大于0.15%，对侧墙应大于0.20%。

9.4、箍筋：断面厚度足够，不用配置箍筋。

9.5、刚性节点构造：框架转角处的节点构造应保证整体性。

9.6、锚固长度：根据《公路隧道设计规范-JTG D70-2004》取:受压钢筋：la≥25d=25×18=450mm；受拉钢筋（直端）：la≥30d=30

×18=540mm，la≥30d=30×12=360mm；受拉钢筋（弯钩端）：la≥25d=30

×18=450mm。

9.7端部钢筋弯起:根据根据《公路隧道设计规范-JTG D70-2004》,并考虑施工方便，端部钢筋弯起均取为50mm。

十、参考文献

1.《混凝土结构基本原理》 顾祥林主编 同济大学出版社

2.《地下建筑结构》 朱合华主编 中国建筑工业出版社

3.《盾构隧道衬砌设计指南》 国际隧协编写 翟进营 译

混凝土结构设计规范-GB50010-2002》

4.《