隧道及地下工程“设计”类毕业设计指导书.pdf
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1、-.z.隧道及地下工程“设计类毕业设计指导书 1 设计原则及有关技术指标 1.1 主要构件设计使用年限为 100 年。根据承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求,采取有效措施,保证构造强度、刚度,满足构造耐久性要求。1.2 根据工程地质和水文地质条件,结合周围地面建筑物、地下构筑物状况,通过对技术、经济、环保及使用功能的综合比拟,合理选择构造形式。1.3 构造设计应满足施工、运营、环境保护、防灾等要求。1.4 构造的净空尺寸除应满足建筑限界要求外,尚应考虑施工误差、测量误差、构造变形和沉陷等因素。1.5 断面形状和衬砌形式应根据工程地质及水文地质、埋深、施工方法等条件,从地层稳定、构造受力合
2、理和环境保护等方面综合确定。1.6 隧道构造按构造“破损阶段法,以材料极限强度进展设计。1.7 施工引起的地层沉降应控制在环境条件允许的范围内。1.8 隧道建立应尽量考虑减少施工中和建成后对环境造成的不利影响。1.9 设计中除参照本指导书外,尚应符合?铁路隧道设计标准?或?地铁设计标准?等相关国家现行的有关强制性标准的规定。1.10 隧道主体工程等级为一级、防水等级为二级,耐火等级为一级。1.11 隧道构造的抗震等级按二级考虑,按抗震烈度 8 度设防。1.12 构造设计在满足强度、刚度和稳定性的根底上,应根据地下水水位和地下水腐蚀性等情况,满足防水和防腐蚀设计的要求。当构造处于有腐蚀性地下水时
3、应采取抗侵蚀措施,混凝土抗侵蚀系数不低于0.8。1.13 在永久荷载根本荷载组合作用下,应按荷载效应标准组合并考虑长期作用影响进展构造构件裂缝验算。二类环境混凝土构件的裂缝宽度(迎土面)应不大于 0.2mm,一类环境(非迎土面及内部混凝土构件)混凝土构件的裂缝宽度均应不大于 0.3mm。当计及地震、人防或其它偶然荷载作用时,可不验算构造的裂缝宽度。1.14 混凝土和钢筋混凝土构造中用混凝土的极限强度应按表 1-1 采用。区间隧道衬砌采用钢筋混凝土时其混凝土强度不应低于 C30。表 1-1 混凝土的极限强度(MPa)强度种类 符号 混凝土强度等级 C15 C20 C25 C30 C40 C50
4、抗压 Ra 12.0 15.5 19.0 22.5 29.5 36.5 弯曲抗压 Rw 15.0 19.4 24.2 28.1 36.9 45.6 抗拉 Rl 1.4 1.7 2.0 2.2 2.7 3.1 1.15 混凝土的弹性模量应按表 1-2 采用。混凝土的剪切弹性模量可按表 1-2 数值乘以 0.43 采用。混凝土的泊松比可采用 0.2。-.z.表 1-2 混凝土的弹性模量Ec(GPa)混凝土强度等级 C15 C20 C25 C30 C40 C50 弹性模量 Ec 26 28 29.5 31 33.5 35.5 1.16 钢筋强度和弹性模量按表 1-3 采用。表 1-3 钢筋的强度和弹
5、性模量 钢筋种类 屈服强度(MPa)抗拉极限强度(MPa)抗拉或抗压计算强度(MPa)弹性模量(GPa)延伸率(%)HPB235(Q235)240 380 260 210 25 HRB335(20MnSi)340 520 360 200 16 1.17 喷射混凝土的强度等级不得小于 C20。C20 喷射混凝土的极限强度可采用:轴心抗压 15 MPa,弯曲抗压 18 MPa,抗拉 1.3 Mpa,弹性模量为 22 Gpa。喷射混凝土与地层的粘结力不低于 0.5 Mpa。(注:喷射混凝土的强度等级指采用喷射大板切割法,制作成边长为 10cm 的立方体试块,在标准条件下养护 28天,用标准试验方法所
6、得的极限抗压强度乘以 0.95 的系数;喷射混凝土与地层的粘结强度可采用预留试件拉拔法或钻芯法。)表 1-4 喷射混凝土的弹性模量(GPa)喷射混凝土强度等级 C20 C25 C30 弹性模量 21 23 25 2 隧道构造构造设计 2.1 隧道平面位置、洞口位置和纵断面 1 中小型隧道平面位置遵照线路选线,长大隧道遵照隧道自身工程地质选定,洞口位置选择遵循“早进晚出、地质条件良好、地势开阔、施工方便,技术、经济合理之处。2一般情况下隧道内的线路最好采用直线,但是,受到*些地形的限制,或是地质的原因,往往不得不采用曲线。应尽可能采用较短的曲线,或是半径较大的曲线,使它的影响小一些。隧道在曲线两
7、端应设缓和曲线时,最好不使洞口恰恰落在缓和曲线上。在一座隧道内最好不设一个以上的曲线。尤其是不宜设置反向曲线或复合曲线。3铁路隧道对于行车来说线路的坡度以平坡为最好。但是,天然地形是起伏不定的,为了能适应天然地形的形状以减少工程数量,只好随着地形的变化设置与之相适应的线路坡度。但依据地形设计坡度时,注意应不超过限制坡度。上述隧道平面位置、洞口位置和纵断面设计不作为毕业设计必须内容,为使设计内容完整,可直接采用工程自身设计。2.2 隧道构造设计(1)隧道的建筑限界根据已定的车辆类型、行车速度、施工方法及地质条件等按相关标准或暂行规定确定。2矿山法区间隧道一般采用复合式衬砌,初期支护由型钢格栅、钢
8、筋网与喷射混凝土组成,二次衬砌采用现浇钢筋混凝土构造。初期支护与二次衬砌间铺设全包防水层。根据地层情况可采用的辅助性地-.z.层加固措施有:管棚超前支护,注浆小导管超前支护,锁脚锚杆,加固注浆,回填注浆等。(3)隧道支护设计参数按工程类比选定,衬砌构造设计参数按工程类比初选,并通过构造受力检算。2.3 设计荷载 隧道构造设计荷载类型及名称应按表 2-1 采用。构造设计时应按构造可能出现的最不利工况组合进展计算。决定荷载的数值时,应考虑施工和使用过程中发生的变化。表 2-1 地下构造荷载分类表 荷载类型 荷载名称 永 久 荷 载 构造自重 地层压力 构造上部和受影响范围内的设施及建筑物压力 水压
9、力及浮力 混凝土收缩及*变影响 预加应力 设备重量 地基下沉影响 可 变 荷 载 根本可 变荷载 地面车辆荷载及其动力作用 地面车辆荷载引起的侧向土压力 地铁车辆荷载及其动力作用 人群荷载 其它可 变荷载 温度变化影响 施工荷载 偶然荷载 地震荷载 沉船、抛锚或河道疏浚产生的撞击力等灾害性荷载 注:1 设计中要求考虑的其他荷载,可根据其性质分别列入上述三类荷载中;2 表中所列荷载未加说明者,可根据国家有关标准或根据实际情况确定;3 施工荷载包括:设备运输及吊装荷载,施工机具及人群荷载,施工堆载,相邻施工的影响,盾构法或顶进法施工的千斤顶顶力及压浆荷载,沉管拖运、沉放和水力压接等荷载。地层压力(
10、1)地铁设计标准关于地层荷载的规定 地铁标准第条 “地层压力应根据构造所处工程地质和水文地质条件、埋置深度、构造形式及其工作条件、施工方法及相邻隧道间距等因素,结合已有的试验、测试和研究资料,按有关公式计算或依工程类比确定。地铁设计标准条文说明中解释:地层压力是地下构造承受的主要荷载。一般情况,石质隧道,可根据围岩分级,依工程类比确定围岩压力;填土隧道及浅埋暗挖隧道一般按计算截面以上全部土柱重量考虑;-.z.深埋暗挖隧道按泰沙基公式、普氏公式或其它经历公式计算。(2)铁路隧道设计标准关于地层荷载的规定 铁路隧道设计标准以统计隧道坍落拱高度为根底,埋深0hH 时用全土柱,埋深00)5.22(hH
11、h时用谢家休公式,埋深0)5.22hH(时用0h,不同深度土压力计算结果如图 2-1。10.45 2Sqh (2-1)式中 hq等效荷载高度值;S围岩级别,如级围岩 S=3;围岩的容重;w宽度影响系数,w51Bi;B坑道宽度,以 m 计;iB 每增加 1m 时,围岩压力的增减率(以 B5m 为基准),当 B5m 时取 i=0.2,B5m 时,取 i0.1。(3)地铁构造设计计算指南关于地层荷载的建议 1211311213)1)()1)(DhKDKKDDhDKhKKhDhhv (2-2)式中,为围岩容重;h隧道上覆土层厚度;D断面宽度;围岩内摩擦角;c围岩内聚力;tH断面高度;埋竖直土压 全谢家
12、休标准深h 2.5h 图 2-1-.z.D1竖向土压力保持不变的起始深度,1312121KKKKD。其中,1212)245(tantanaK;12)245tan(tan21 acK;)245tan(21tHDa;DKDKKDKK212131;。竖向荷载与隧道埋深的关系如图 2-2 所示曲线。4极浅埋隧道地层侧向压力 )245()21(2tgHetv (2-3)式中,v洞顶地层的垂直压力;隧道高度内各地层内摩擦角的层厚加权平均值;其它符号同前。5浅埋隧道地层侧向压力 tgtgtgtgtgtgtgtg0001 (2-4)假设水平压力按梯形分布,则作用在隧道顶部和底部的水平压力可直接写为 HeHe2
13、1 (2-5)式中,为侧压力系数,可由式(2-4)求得。假设为均布时,则 2121eee (2-6)6深埋隧道地层侧向压力 在上述产生垂直压力的同时,隧道也会有侧向压力出现,即围岩水平分布松动压力 e,按表 2-2 中的经历公式计算(一般取平均值)。D 埋深 h 竖向荷载 D1 图 2-2 地层竖向压力计算图式 V)1)(21131KDKKD)1)(213KhKKh h-.z.表 2-2 围岩级别 水平匀布压力 0 0.15q(0.150.3)q(0.300.5)q(0.51.0)q 浅埋隧道地面荷载 在道路下方的地下构造,地面车辆及施工荷载可按 20kPa 的均布荷载取值,并不计冲击压力的影
14、响。覆土埋深小于 1.0m 时按实际情况考虑公路车辆或施工机械荷载,并考虑冲击压力的影响。地层被动压力 隧道构造地层被动土压力为其向地层方向产生的位移与地层弹性抗力系数的乘积,即:kp(2-7)式中,k地层的弹性抗力系数(Pa/m),可用相关标准值或地质勘察部门提供的基床系数代替。地震荷载 在衬砌构造横截面的抗震设计和抗震稳定性检算中采用地震系数法(惯性力法),即静力法;验算衬砌构造沿纵向方向的应力和变形则用地层位移法,即拟静力法。等代的静地震荷载包括:构造本身和洞顶上方土柱的水平、垂直惯性力以及主动土压力增量。由于地震垂直加速度峰值一般为水平加速度的 1/22/3,而且也缺乏足够的地震记录,
15、因此对震级较小和对垂直地震振动不敏感的构造,可不考虑垂直地震荷载的作用。只有在验算构造的抗浮能力时才计及垂直惯性力。水平地震荷载可分为垂直和沿着隧道纵轴两个方向进展计算。1 隧道横截面上的构造的水平惯性力 作用在构件或构造重心处的地震惯性力一般可表示为:QKQgFC (2-8)式中,作用于构造的地震加速度;g重力加速度;Q构件或构造的重量;Kc与地震加速度有关的地震系数。对于隧道构造,我们可以将其具体化并简化如下:(a)马蹄形曲墙式衬砌,见图 2-3,其匀布的水平惯性力为:fgmKFHgmKFhchc221111 (2-9)-.z.式中,c综合影响系数,与工程重要性、隧道埋深、地层特性等有关,
16、标准中建议,对于岩石地基,c=0.2,非岩石地基,c=0.25;hK水平地震系数,7 度地区,hK=0.1;8 度地区,hK=0.2;9 度地区,hK=0.4;m1拱墙局部衬砌质量;H拱墙局部衬砌的高度;m2仰拱质量;f仰拱的矢高。(b)圆形衬砌,见图 2-4,其匀布的水平惯性力为:DmgKFhc1 (2-10)式中,m衬砌质量;D衬砌外直径。(c)矩形衬砌,见图 2-5,其水平惯性力分三局部:图 2-5 矩形框架的地震荷载图式 F2 H1 H 21F31F1e2e11F图 2-3 马蹄形衬砌的地震荷载图式 F2 H1 H 21e21e22e22e221F221F211F211F图 2-4 圆
17、形衬砌的地震荷载图式 F2 H1 D 21F21e21e21F22e22e-.z.gmKFhgmKFgmKFbhcWhcthc312111 (2-11)式中,11F、31F顶、底的水平惯性力,作为集中力考虑,作用在顶、底板的轴线处;21F边墙的水平惯性力,按作用在边墙上的匀布力考虑;mt、mb顶和底板质量;mw边、中墙质量;h边墙净高。(2)洞顶上方土柱的水平惯性力 gmKFhc上2 (2-12)式中,m上上方土柱的重量。(3)主动侧向土压力的增量 地震时地层的内摩擦角要发生变化,由原来的 值减少为(-),其中 为地震角,在 7 度地震区=130;8 度处=3;9 度处=6。因此,构造一侧的主
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