3号线出、入段线区间
盾构管片结构计算书
计 算： 复 核： 审 核：
中铁隧道勘测设计院有限公司
2012年11月 成都
目 录
1、计算原则 .............................................. 1 2、计算标准 .............................................. 1 3、计算断面 .............................................. 1 4、计算基本假定及模型 .................................... 2 5、模型计算分析 .......................................... 3 6、作用效应组合 .......................................... 4 7、计算结果及分析 ........................................ 6 8、附图 .................................................. 8
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成都地铁3号线一期盾构区间标准断面结构计算书
1、计算原则
1.1 区间隧道结构采用以概率理论为基础的极限状态设计法，以可靠指标
度量结构构件的可靠度，采用以分项系数的设计表达进行设计。 1.2 结构构件根据承载力极限状态及正常使用极限状态的要求，分别进行
下列计算和验算。
（1）承载力：所有结构构件均应进行承载力（包括压曲失稳）计算。 （2）变形：对使用上需控制变形值的结构构件，应进行变形验算。 （3）抗裂及裂缝宽度：对使用上要求不出现裂缝的构件，需进行混凝土拉
应力验算；对使用上允许出现裂缝的构件，需按荷载的短期效应组合并考虑长期效应组合的影响求出最大裂缝宽度进行裂缝宽度验算。 1.3 结构计算简图的确定，需符合结构的实际工作条件，并反映结构与周围
地层的相互作用。
2、计算标准
2.1 对于盾构法施工隧道，按荷载的短期效应组合，并考虑长期效应组合的
影响所求得的钢
筋混凝土裂缝允许宽度不大于0.2mm。
2.2 区间结构安全等级为一级，结构重要性系数取1.1，偶然组合时取1.0。 2.3 区间结构按7地震烈度设防；按6级人防设防。
2.4 作用效应计算模式不定性分项系数取为1.0，结构几何尺寸分项系数取
为1.0，作用效应系数均取为1.0。
3、计算断面
依据《北郊车辆段出、入段线区间详勘报告》的工程地质勘察报告，地层主要计算参数见表1，隧道衬砌结构参数见表1：
各土层物理、力学参数建议值表 表3-1
层 地层名序 称
重
度γ
干重 度
快剪
饱和快剪
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三轴压三轴压静止泊基床系数 承载缩(uu) 缩 侧压松(MPa/m) 力特
(kN/m3) γd (kN/m3) （cu） 力系比 数 v k0 C φC φ C φ C φ (kPa) (°) (kPa) (°) (kPa) (°) (kPa) (°) 征值fak (kPa) 1-1 杂填土 1-2 素填土 3-1-1 新黄土 3-1-2 新黄土 3-2 古土壤 4-1-1 老黄土 4-1-2 老黄土 4-2 古土壤 16.5 19.2 18.6 18.8 19.6 19.5 13.7 15.5 15.2 14.9 15.8 15.7 5.0 10.0 8.0 10.0 30.0 20.0 28.0 16.0 32.0 20.0 20.0 12.0 28.0 14.0 30.0 18.0 10 15 17 21 20 20 20 8 13 12 14 10 12 13 30 28 25 20 24 25 15 14 16 14 16 15 33 30 26 22 26 28 18 24 21 16 18 20 0.75 0.55 0.46 0.42 0.44 0.42 0.40 0.45 水垂直 平Kv Kx 0.43 15 10 0.35 20 15 0.32 40 42 0.30 40 35 0.31 50 45 0.30 50 45 0.29 50 45 0.31 50 45 80 160 140 170 140 150 170 盾构区间计算工况 表3-2 计算编号 DG1 围岩级别 Ⅴ级 埋深（m） 11.6 水位 14.9 里程 YDK10+140 3.2 工程材料
（1）混凝土： 衬砌环预制钢筋混凝土管片混凝土强度等级为C50，抗渗等
级≥S10
（2）钢筋： HPB235、HRB335钢筋。
4、计算基本假定及模型
4.1 基本假定
（1）假定支护结构为弹性梁，且梁的变形为小变形，将结构离散为足够多
个等厚度直杆梁，进行整体分析。
（2）假定支护与周围岩土体间密贴，结构一次成型。回填材料的力学参数
不小于周围岩土体的力学参数，且回填密实。
（3）用布置于各节点上的法向弹簧单元来模拟围岩与结构间的相互约束，
即不计结构与周围岩土体间的切向摩擦力；假定弹簧不承受拉力，即不计围岩与衬砌间的粘结力。弹簧受压时的反力即为围岩对结构的弹性抗力。
4.2 计算模型与计算简图
目前国内常用的盾构计算模型可分为四种：弹性匀质圆环法、梁～弹簧模型计算法、弹性地基梁法和有限元法。本次盾构隧道衬砌内力计算采用弹性地基梁法进行计算。弹性地基梁法采用SAP程序软件进行模拟计算分析。
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结构计算简图如下图：
图2 弹性-地基梁模型计算法
计算中考虑地层的弹性抗力作用。其中衬砌环的计算刚度采用(EI)计=(EI)实，配筋时设计弯矩采用M设=(1+)M计，接头螺栓的设计弯矩采用M设=(1-)M计。这里为弯曲刚度有效率，取0.65；为弯矩增大系数，取0.3。
5、模型计算分析
弹性-地基梁模型计算法 5.1 计算荷载 5.1.1 永久作用部分
（1）结构自重：简化为沿隧道中心线分布的竖向荷载（q），隧道结构自重标准值可按结构设计尺寸及材料标准重度计算确定。
（2）地层压力
竖向压力：计算截面以上全部土柱重量。
水平压力：结构承受的水平力按静止土压力计算，采用水土分算的办法。计算中应计及地面荷载和邻近建筑物以及施工机械等引起的附加水平侧压
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力。
侧向地层抗力和地基反力：在弹性地基梁法中，地层抗力是用地层弹簧来模拟的。地层抗力系数根据土层条件确定，按温克尔假定计算。
（3） 浮力及静水压力
按设防水位设计，设防水位根据钻孔稳定水位取值，并考虑水位变化的不利影响。
（4） 混凝土收缩和徐变的影响
混凝土收缩的影响可假定用降低温度的方法计算，对钢筋混凝土结构相当于降低温度10℃，而混凝土收缩和徐变现象是分不开的，由于圬工塑性的影响，塑性变形呈徐变的形式，其实际“温度应力”远小于按弹性体计算所得的数值，为安全起见，按弹性体计算收缩应力并考虑徐变的影响时取0.45倍混凝土弹性模量。其实际“温度应力”远小于按弹性体计算所得的数值，为安全起见，按弹性体计算收缩应力并考虑徐变的影响时取0.45倍混凝土弹性模量。
5.1.2 可变作用
地面超载的影响：一般按20kPa计算，并考虑扩散后作用在地下结构上，并考虑冲击系数。
施工荷载：结构设计中应考虑各种施工荷载可能发生的组合。按q=10 kPa计算。
5.1.3 偶然作用
水平地震荷载：8度地震作用，地面加速度0.2g。
横截面内的地震荷载采用惯性力法计算，把随时间变化的地震荷载等效为静地震荷载，然后再用静力计算模型分析地震荷载作用下的结构内力。等效的静地震荷载包括：结构本身和洞顶上方土柱的水平惯性力以及主动侧向土压力增量。
人防荷载：6级抗力。
6、作用效应组合
根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）和《地下铁道设计规范》
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（GB50157-2003）的规定，在结构上可能同时出现的作用应按承载力极限状态及正常使用极限状态分别进行作用效应组合，并取其最不利组合进行计算。
荷载组合表 表6-1 序号 1 2 3 4 荷载组合 承载力极限状态基本组合 正常使用极限状态标准组合 承载力极限状态偶然组合 承载力极限状态偶然组合 永久荷载 1.35 1.0 1.2 1.2 可变荷载 1.4 1.0 1.2 1.2 偶然荷载 地震荷载 1.0 人防荷载 1.0 6.1 承载力极限状态
在此只考虑使用阶段情况，采用作用效应的基本组合和偶然组合进行计算，基本组合及组合关系见表6-2所示。（结构自重未列出，计算时程序自动处理，后续表中涉及该项时类似）。
结构重要系数 作用 分类 表6-2 DG1基本组合（Ⅴ级围岩） 作用标准分项系值 作用情况 数 (kPa) 有效土 压 力 垂直 上侧水平 下侧水平 顶部垂直 水 压 力 上侧水平 下侧水平 底部垂直 可变作用 地面超载 垂直 301.5 132.6 168.7 0.0 0.0 42.7 42.7 30.0 1.35 1.35 1.35 1.35 1.35 1.35 1.35 1.4 作用组合值 (kPa) 407.0 179.0 227.7 0.0 0.0 57.6 57.6 42.0 1.1 永 久 作 用
6.2 正常使用极限状态
采用作用短期效应组合并考虑准永久组合的影响作用进行计算，其作用及组合关系分别见表6-3所示。
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表6-3 DG1标准组合（Ⅴ级围岩）
作用 分类 作用情况 有效土 压 力 永 久 作 用 水 压 力 垂直 上侧水平 下侧水平 顶部垂直 上侧水平 下侧水平 底部垂直 混凝土收缩和徐变 可变作用 地面超载 垂直 作用标准值 (kPa) 301.5 132.6 168.7 0.0 0.0 42.7 42.7 30.0 分项系数 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 作用组合值 (kPa) 301.5 132.6 168.7 0.0 0.0 42.7 42.7 30.0 降温10℃，取0.45倍弹性模量 7、计算结果及分析
7.1 承载力极限状态计算
使用阶段承载力极限状态分别计算了结构的内力和配筋。由于基本组合对承载力极限状态计算结果起控制作用，偶然组合对计算结果不起控制作用，所以各控制断面的配筋情况分别见表7-1所示。基本组合的计算结果内力图见附图。
表7-1 DG1承载力极限状态支护结构控制断面配筋(每环1.5m) 轴力弯矩 配筋率编号 控制节点 配筋 （kN） (kN·m) （%） 1 2 3 8 拱顶 拱底 1540 970 1927 202（263） 227（295） 151（196） 7φ20+4φ16 9φ20+2φ16 0.667 0.718 附注：配筋时设计弯矩采用M设=(1+)M计，即M=1.3M； 接头螺栓的设计弯矩采用M设=(1-)M计，即M=0.7M。
7.2 正常使用极限状态计算
正常使用极限状态采用作用短期效应组合分别计算了结构的内力、裂缝和变形,计算结果分别见表7-2及附图所示。
表7-2 DG1正常使用极限状态支护结构控制断面配筋(每环1.5m) 编号 控制节点 轴力（kN） 弯矩(kN·m) 最大裂缝宽度（mm） 1 8 1035 136（177） 0.102 6
2 3 拱顶 拱底 650 1294 152（198） 101（131） 0.183 附注：配筋时设计弯矩采用M设=(1+)M计，即M=1.3M；
接头螺栓的设计弯矩采用M设=(1-)M计，即M=0.7M。
7.2.1 裂缝检算
Ⅴ级围岩，经检算各控制断面计算最大裂缝值均≤控制值。 7.2.2 变形检算
区间标准断面结构变形如图所示，其中DG1拱顶节点13变形（竖向位移0.0117m）。由计算结果可知，结构的变形均满足使用要求。
综上所述，结构均能够满足使用阶段的承载力和正常使用要求。根据计算和以往工程经验，对断面建议配筋如表7.3所示。
断面配筋表 表7.3 断面 DG1 控制节点 8 拱顶 拱底 配筋 7φ20+4φ16 9φ20+2φ16 7.2.3 螺栓强度检算
1）计算参数
接头螺栓的设计弯矩：Ml=0.7*227＝159 Kn·m 管片宽 B＝1500mm 管片厚 H＝300mm
螺栓在接头处距内弧面距离 Hl＝120 mm C50混凝土强度设计值 fc＝23.1 N/mm2 环向螺栓规格：2个M27 ；螺栓等级：6.8级 2）检算结果
螺栓应力 σ＝813.9 N/mm2 ≤［σ］＝1200 N/mm2 螺栓容许弯矩 M＝188Kn·m ≥Ml 因此，6.8级M27螺栓可行。
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8、附图
图1 计算模型节点编号图（盾构区间标准断面）
图2 DG1承载力极限状态弯矩图
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图6-2 DG1承载力极限状态轴力图
图6-3 DG1正常使用极限状态弯矩图
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图6-4 DG正常使用极限状态轴力图
图6-5 DG正常使用极限状态标准组合变形图
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