地下工程课程设计

一、设计任务

对某区间隧道进行结构检算，求出内力，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6度。

表1 各层土的物理力学指标 土的类型 厚度（m） 2.0 5.0 5.5 3.5 6.5 11.2 天然重度饱和重度弹性抗3γγ（kN/m） 力系数3(Mpa/m（kN/m） ） 16 18 19 19.5 20.2 20.0 22 26 26.2 26.6 27.0 27.5 27.8 50 90 100 120 150 200 300 变形模量泊松比E（GPa） μ 内摩擦角ф（º） 20 21 22 25 23 27 35 粘聚力C(Mpa) 杂填土 粉土 细砂 圆砾土 粉质粘土 卵石土 基岩 0.8 0.9 1.2 1.5 1.8 2.0 2.5 0.4 0.35 0.32 0.32 0.32 0.30 0.35 0.005 0.01 0.01 0.01 0.02 0.03 0.04 1.2 其他条件

地下水位在地面以下5m处；隧道顶板埋深6m；采用暗挖法施工，隧道断面型式为马蹄形。

断面详细尺寸如图1。

隧道所在地层情况如图2。

1

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《铁路隧道设计规范》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6m，位于粉土层、细砂层和圆砾土中，根据《铁路隧道设计规范》可知，围岩为Ⅵ级围岩。

则有：

因为埋深hc=6m2.2 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）

qd250.410KPa

2

由于拱顶埋深6m，则顶上土层有杂填土、粉土，且地下水埋深5m，应考虑土层压力和地下水压力的影响。

b. 地层竖向土压力

q土=ihi162185226.21065102.2KPa c. 地层竖向水压力

q水=whw106510KPa

B 底板上永久荷载 a. 底板自重

qd250.410KPa

b. 水压力（向上）：

q水(底)=whw1065+890KPa

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

qd254100KPa

b.隧道侧墙粉土层土压力：

221粉土=tan45-=tan45-=0.472

222隧道顶部侧向土压力：

e1=粉土q土=0.472102.2=48.238KPa

粉土层底部处侧向土压力：

'e2=粉土q土粉土h1=0.472102.226.210155.885KPa

c. 隧道侧墙细砂层土压力：

222细砂=tan45-=tan45-=0.455

222细砂层顶部侧向土压力：

'e3细砂q土粉土h10.455102.226.210153.872KPa

细砂层底部侧向土压力：

''e4细砂q土粉土h1细砂h2 =0.455102.226.2101+26.6105.595.414KPad. 隧道侧墙圆砾土层土压力：

3

225圆砾土=tan45-=tan45-=0.406

222圆砾土层顶部侧向土压力：

''e5圆砾土q土粉土h1细砂h20.406102.226.2101+26.6105.585.138KPa隧道底部侧向土压力：

'''e6圆砾土q土粉土h1细砂h2圆砾土h3

0.406102.226.2101+26.6105.52710815.5 95.491KPad. 隧道侧墙水力

隧道侧墙顶部 水力：

e水1q水10KPa

隧道侧墙底部水力：

e水2q水（底）90KPa

2 可变荷载

地面车辆荷载

q车20KPa

车辆荷载在各土层引起的侧向压力：

e车1粉土q车0.472209.44KPa e车2砂土q车0.455209.1KPa e车3圆砾土q车0.406208.12KPa

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

荷载组合采用基本组合：1.35永久荷载+1.4可变荷载 根据以上各种计算，作用在隧道上的设计荷载有： 拱顶： 192.97KPa 底板： 108KPa

侧墙各处侧压： 拱顶：91.837KPa

粉土与细砂分界处：115.661KPa（上），112.467KPa（下） 细砂与圆砾土分界处：242.799KPa（上），227.5KPa（下） 拱脚：261.781KPa 2 正常使用极限状态

4

荷载组合采用标准组合：永久荷载+可变荷载

根据以上各种计算，作用在隧道上的设计荷载有： 拱顶：142.2KPa 底板：80KPa

侧墙各处侧压： 拱顶：67.678KPa

粉土与细砂分界处：85.325KPa（上），82.972KPa（下） 细砂与圆砾土分界处：179.514KPa（上），168.358KPa（下） 拱脚：193.611KPa

2.4 绘出结构受力图 1 承载能力极限状态

2 正常使用极限状态

2.5 利用midas程序计算结构内力

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内力，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） M=965.44KNm V=1308.7KN N=1039.57KN 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长细比5,可不用考虑偏心距增大系数的影响(即=0)。 hM204.050.532m0.3h0.12m N383.55可先按照大偏心受压情况进行计算设计。e0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

b0.550。

5

偏心距ee0h/2as0.5320.4/20.050.682m

N383.55103受压区高度x26.82mm 1fcb1.014.31000AsAs'Ne1fcbx(h0x/2)fy'(h0as')383.551036821.014.3100026.82(34026.82/2) 300(34050)1567mm2可以采用620mm， AsAs'1884mm2，满足间距要求

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。

N883103 c1.766N/mm214.3N/mm2,满足条件。Ac1000500 2. 裂缝验算 裂缝验算公式：wmaxcrskEs(1.9c0.08deqte) 由于是偏心受压构件：cr2.1

1.10.65ftktesk，其中ftk2.01， As1884te0.009420.01,则取te=0.01 Ate0.54001000sk=Nk(eh0)/Ash0383.55103(682340) 1884340204.8N/mm2 则有1.10.65ftktesk1.10.652.010.462 0.01204.86

wmaxcrskEs(1.9c0.08deqte)204.820 （1.950+0.08）52.0100.01=0.25mm>0.2mm=2.10.462此时裂缝不满足要求，可以增加钢筋截面面积，经重新设计验算，取

2 622mm,Amms2281teAs22810.0114 Ate0.54001000sk=Nk(eh0)/Ash0383.55103(682340) 2281340169.1N/mm2则有1.10.65ftktesk1.10.652.010.422 0.0114169.1wmaxcrskEs(1.9c0.08deqte)169.120 （1.950+0.08）2.01050.01=0.191mm<0.2mm，满足条件！=2.10.422由于在裂缝计算中是要求用标准荷载，而现在是用设计荷载进行计算，结果稍微有一些出入，但强度和裂缝都能得到满足。

参考资料：

[1] 《地铁设计规范》GB50157—2003 [2] 《铁路隧道设计规范》TB10003—2005

[3] 贺少辉《地下工程》2008年版 北京交通大学出版社、清华大学出版社 [4] 关宝树《地下工程》2007年版 高等教育出版社

[5] 李志业、曾艳华《地下结构设计原理与方法》 2005年版 西南交通大学出版社

[6] 曾亚武《地下结构设计原理》 2006年版 武汉大学出版社

[7] 程文襄、王铁成《混凝土结构》 2008年版 中国建筑工业出版社

7

三、附录

3.1. 《地下结构课程设计》任务书

——地铁区间隧道结构设计

本次地下结构课程设计是进行城市地铁区间隧道的结构设计，涉及“地下工程”这门课的主要理论，通过设计，使学生更深入地掌握所学理论。 一、基本要求

1、 对设计从全局上把握，思路清晰，完成全部设计任务； 2、 设计计算正确无误，图纸清晰，符合规范要求；

3、 按计划及时上交设计，每位同学的计算参数不同，如发现抄袭者，将记为零分。 二、设计任务

对某区间隧道进行结构检算，求出内力，并进行配筋计算。具体设计基本资料如下： 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。

表1 各层土的物理力学指标 土的类型 厚度天然重度饱和重度33（m） γ（kN/m） γ（kN/m） 3.0 4.0 5.0 3.5 6.0 10.0 16 18 19 19.5 20.0 20.0 22 24 26 27 27.5 28 28.5 弹性抗变形模量泊松力系数E（GPa） 比μ (Mpa/m） 50 90 100 120 150 200 300 0.8 0.9 1.2 1.5 1.8 2.0 2.5 0.4 0.35 0.32 0.32 0.32 0.30 0.35 内摩擦角ф（º） 20 21 22 25 23 27 35 粘聚力C(Mpa) 0.005 0.01 0.01 0.01 0.02 0.03 0.04 杂填土 粉土 细砂 圆砾土 粉质粘土 卵石土 基岩 2、其他条件

地下水位在地面以下5m处；隧道拱顶埋深6m；采用暗挖法施工，隧道断面型式为双联拱结构（隧道断面图QJ10-JG-04）。 三、设计过程

1、 根据给定的隧道或车站埋深判断结构深、浅埋； 2、 计算作用在结构上的荷载（仅按使用阶段考虑）； 3、 进行荷载组合； 4、 绘出结构受力图；

5、 利用Frame或Sap或ANSYS或其他程序计算结构内力； 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） 7、 提交完整的设计书。 四、成果提交

成果包括两部分：计算书和图纸。计算书应规范，包括设计基本资料、详细的计算过程、结构受力图、内力图、配筋计算。图纸应清晰，各项计算符合规范要求且应列出参考文献。

8