地铁隧道施

第一部分

上海地铁汶水路站～新沪路站区间隧道结构设计

中国矿业大学2010届本科生毕业设计第1 页

1 工程概况

1.1 工程位置

上海轨道交通七号线工程从市区的西北部穿越中心城区，至浦东的西南地区（龙阳路），途径宝山、普陀、静安、徐汇和浦东新区等五个主要城区，线路全长约34km，共设28座车站。

本次隧道工程的设计范围是汶水路站~新沪路站区间隧道，它属于上海轨道交通七号线的一部分。盾构从汶水路站南端头井下井，沿沪太路往南推进，到达新沪路站北端头井。隧道总体位于沪太路下方。新沪路站站址沿沪太路布置，位于沪太路西侧的道路及绿化带下，北起行知路北侧230m，南至新沪路口，横跨行知路和新沪路。

1.2 工程规模

隧道设计为圆形隧道，隧道外径为6200mm，内径5500mm。该区间圆形隧道共有上行右线，下行左线两条平行隧道。上、下行线相距13.2m。隧道采用高站位低区间的驼峰状。汶水路站～新沪路站区间隧道推进里程为：CK6+904.110－CK7+632.200，单线长728.09m。在CK7+255.250设旁通道及泵站一处。工程最大坡度28.76‰，最小曲率半径R＝399.851m，隧道顶覆土7.3～18.4m左右。

2 设计依据

2.1 自然条件

2.1.1 工程地质

（1）地形、地貌

汶水路~新沪路所处位置地形较平坦，地面标高一般在4.25～5.22m之间。拟建场地地貌形态单一，地貌类型属滨海平原。

（2）地基土的构成与特征

汶水路~新沪路区间沿线地层由上至下土层主要有：

①1填土层，呈杂～黄褐色，很湿，松散，上部主要为混凝土地坪、碎石、煤渣等，下部由粘性土等组成。该层位于地表，分布广泛。

②1 粉质粘土层，呈褐黄～灰黄色，湿～很湿，可塑～软塑，中等压缩性，含氧化铁斑点及铁锰质结核，随深度增加土性渐变软。无摇震反应，土面较光滑，韧性中等～高等，干强度中等～高等。

③淤泥质粉质粘土层，呈灰色，饱和、流塑，高压缩性。含云母、有机质，在4～6m夹较多量薄层粉性土，土质不均匀。摇震反应很慢，土面较粗糙，韧性中等，干强度中等。

④淤泥质粘土，呈灰色，饱和、流塑，高压缩性。含云母、有机质及少量贝壳碎屑，夹少量薄层粉砂，土质均匀。无摇震反应，土面光滑有油脂光泽，韧性高，干强度高等。

⑤1粘土，呈褐灰色，很湿，软塑，高等压缩性，含云母、有机质，夹少量泥钙质结

中国矿业大学2010届本科生毕业设计第2 页核、半腐芦苇根茎，在汶水路车站南侧分布。无摇震反应，土面光滑，韧性高等，干强度高等。

⑥粉质粘土层，呈暗绿～草黄，湿～稍湿，可塑～硬塑，压缩性中等。含氧化铁斑点及铁锰质结核，夹少量灰白色高岭土，下部夹粘质粉土。无摇震反应，土面较光滑，韧性中等～高等，干强度中等～高等。

⑦1-1砂质粉土，呈草黄，饱和，中密，压缩性中等。含云母、少量氧化铁条纹，夹粉砂。摇震反应快，无光泽反应，土面粗糙，韧性低等，无干强度。

⑦1-2 粉砂，呈草黄～灰，饱和，中密～密实，压缩性中等～低等。含云母，夹粉性土。

⑧1 粘土，呈灰色，很湿，可塑～软塑，压缩性中等。含云母、有机质，夹少量薄层粉砂。一般上部夹较多量薄层粉性土。无无摇震反应，土面光滑有油脂光泽，韧性高，干强度高等。

（3）地基土物理力学性质

表2.1 地基土物理力学性质

土层编号

土层

名称

层底标高

（m）

含水量W

（％）

重度

（KN/m3）

孔隙比

ｅ

粘聚力

C（Kpa）

内摩擦角

φ（0）

①1 填土18

②1 粉质粘土 2.72~0.86 32.0 18.4 0.92 18 22

③

淤泥质粉质粘

土

-0.94~-3.15 38.8 17.6 1.10 12 21.5

④淤泥质粘土-10.24~13.26 50.5 16.6 1.44 14 11.0

⑤1 粘土-10.94~12.25 40.6 17.4 1.17 17 14.0

⑥粉质粘土-14.18~17.26 24.5 19.3 0.72 47 16.5

⑦1-1 砂质粉土-18.03~27.97 30.4 18.5 0.87 1 32

⑦1-2 粉砂-25.18~27.92 31.4 18.3 0.90 0 32.5

⑧1 粘土-40.70~42.04 37.8 17.7 1.09 22 19.5

（4）地下水

施工场地地下水主要有浅部土层中的潜水和深部粉性土层中的（微）承压水。据区域资料，承压水位，一般低于潜水位，浅部土层中的潜水位埋深，一般离地表面0.3～1.5m，年平均地下水位离地表面0.5～0.7m，低水位埋深为1.50m；第⑦1层承压水位埋深为3～11m。潜水位和承压水位随季节、气候等因素而有所变化。江河边一定距离范围内，特别是有浅层粉性土分布区，其潜水位受潮汐影响较明显。

据有关资料，地下水的温度，埋深在4m范围内受气温变化影响，4m以下水温较稳定，一般为16°～18°。

根据市标《岩土工程勘察规范》（DGJ 08-37-2002）判定，地下水对混凝土无腐蚀性。由于拟建场地地下水水位较高，根据上海地区经验，当地下水（潜水）对混凝土无腐蚀性性时，其土对混凝土亦无腐蚀性，故判定拟建场地地下水和土对混凝土无腐蚀性。

中国矿业大学2010届本科生毕业设计第3 页另据水质分析报告和类同工程经验判定，场地地下水对钢结构有弱腐蚀性

2.1.2 气象

（1）气温

上海市年平均气温18.4℃，最高为39℃，最低-4℃。

（2）降水

全年无霜期约230天，年平均降雨量在1200毫米左右，但一年中60％的雨量集中在5至9月的汛期，汛期有春雨、梅雨、秋雨三个雨期。

（3）日照

全年日照时数平均为1638.2小时。

2.2 现场条件

2.2.1 沿线建（构）筑物、地下管线及障碍物

（1）沿线建（构）筑物

本段区间隧道工程沿线将穿越如下一些建构筑物：盾构从汶水路站出洞不久，就将穿越中国石化上海石油五八五加油站的地下油罐；穿越农行大场营业所、苏明钢材贸易、晨辉防水建筑材料厂等工业民用建筑物

（2）地下管线

穿越电话12孔/1.0缆、雨水/φ1000/1.9砼、电话12孔/1.5缆、电话18孔/3.8、污水/φ2000/7.0砼等一系列重要管线。

2.2.2 交通状况

本标段工程主要沿沪太路布置，在隧道掘进至该范围内，要加强监控，做好防范措施，确保安全、顺利的通过。在汶水路车站的中部，有一通往龙珠苑小区的通道，根据招标文件要求，工程施工期间，须为该小区留设5m宽的行人和车辆通道，并确保行人和车辆的安全。

3 隧道施工方案与衬砌选型设计

3.1 隧道施工方案

隧道施工方法的选择主要依据工程地质和水文地质条件，并结合隧道断面尺寸、长度、衬砌类型、隧道的使用功能和施工技术水平等因素综合考虑研究确定。所选择的施工方法也应体现出技术先进、经济合理及安全适用。在现有的施工条件下，根据地下工程的施工方法，本工程可选用的施工方案有：明挖法、矿山法、顶管法、盾构法。以下对四种施工法进行优劣比较，并确定施工方案。

3.1.1 明挖法

明挖法是指挖开地面，由上向下开挖土石方至设计标高后，自基底由下向上顺作施工，完成隧道主体结构，最后回境基坑或恢复地面的施工方法。地下工程施工时，在埋深较浅的情况下，广泛采用明挖法，放坡开挖是明挖法的首选方案。明挖法的优点有：施工方法简单，技术成熟；工程进度快，根据需要可以分段同时作业；浅埋时工程造价和运营费用均较低，且能耗较少。缺点有：外界气象条件对施工影响较大；施工对城市地面交通和居

中国矿业大学2010届本科生毕业设计第4 页民的正常生活有较大影响，且易造成噪音、粉尘及废弃泥浆等的污染；需要拆除工程影响范围内的建筑物和地下管线；在饱和的软土地层中，深基坑开挖引起的地面沉降较难控制，且境内边坡稳定常常会成为威胁工程安全的重大问题。

3.1.2 矿山法

矿山法是城市深部地下工程常用的暗挖施工方法，具有不影响地面正常交通与生产，地表下沉量小，适用于硬、软岩层中各类地下工程，特别是对于中硬岩中。然而矿山法隧道施工的工作环境恶劣，超挖、欠挖量大，无用功多，对围岩的破坏性大，而且施工进度慢。

3.1.3 顶管法

顶管法是直接在松散土层或富水松软地层中敷设中、小型管道的一种施工方法。顶管法一般用于修建排水管、敷设煤气罐、输油管、动力电缆和通讯电缆的管道、地下交通隧道及桥梁的墩台等，这些管道的内径一般都在2～3m。内径太大和太小的管道顶进都较困难，口径超过3m的较长距离顶管综合经济效益不如盾构法施工。

3.1.4 盾构法

盾构法盾构法是在地表以下土层或松软岩层中暗挖隧道的一种施工方法。盾构推进主要依靠盾构内部设置的千斤顶，如此不断开挖，不断拼装，并不断推进，借助盾构这种施工机械可用较快的速度完成隧道施工基本作业循环，直至隧道建成。盾构法施工隧道的优点表现在施工作业可在盾构设备的掩护下，安全的进行地下开挖与衬砌支护工作；施工时振动和噪声小，对周围居民几乎没有干扰；施工时不影响地面交通；不受气候条件影响；施工机械化程度高，施工管理容易。在土质差、水位高、埋深大的隧道施工中、有较高的技术优越性。该施工技术目前存在的主要问题是当覆土较浅时，开挖面稳定较为困难；曲率半径小的曲线段施工比较困难；在饱和含水层中，防水技术要求高。自1818年法国工程师布鲁诺尔发明盾构法以来，经过一百多年的应用与发展，盾构机已经能适用于任何水文地质条件下的施工，无论是松软的，坚硬的，有地下水的，无地下水的暗挖隧道工程都可用盾构法。

3.1.5 方案确定

明挖法施工对城市地面交通和居民的正常生活有较大影响，易造成噪音、粉尘及废弃泥浆等的污染，且工期较长。由于本工程位处地区附近有很多居民居住，地面交通复杂且隧道埋深较深，故不适合选择明挖法施工。

矿山法适用于硬、软岩层中各类地下工程，特别是对于中硬岩中。本工程工期要求工期较短，且地下水丰富，土层较软，因此不选用矿山法施工。

本工程设计隧道内径为5.5m，内径较大，管道顶进困难，考虑到场地以及经济效益的影响不选用顶管法施工。

盾构法施工施工时振动和噪声小，对周围居民几乎没有干扰；施工时不影响地面交通；不受气候条件影响；施工机械化程度高，施工管理容易，施工过程安全性高。在土质差、水位高、埋深大的隧道施工中、有较高的技术优越性。本区间工程地质条件较为复杂，地下水丰富，工程的工期要求较紧，附近也有大量居民走动，地面交通复杂。采用盾构法施工可以很好的发挥它的优点，充分满足工程的要求，考虑到上海地铁隧道施工的一般方法，最终确定本隧道区间采用盾构法进行施工。

中国矿业大学2010届本科生毕业设计第5 页3.2 衬砌选型

盾构隧道衬砌用管片按材料可分为钢筋混凝土管片和铸铁管片、钢管片，复合管片。

钢筋混凝土管片有一定的强度，加工制作比较容易，耐腐蚀，造价低，是最为常用的管片形式，但是较为笨重，在运输、安装施工过程中易损坏。

铸铁管片强度高，易铸成薄壁结构，管片质量轻，搬运安装方便，管片精度高，外形准确，防水性能好。但是管片金属消耗量大，机械加工量也大，价格昂贵。由于铸铁管片具有脆性破坏的特性，不宜用作承受冲击荷载的隧道衬砌结构。

钢管片的优点是重量轻，强度高。缺点是刚度小，耐修饰性差，需要进行机械加工已满足防水要求。成本昂贵，金属消耗大，国外在使用钢管片的同时，再在其内浇注混凝土或钢筋混凝土内衬。

复合管片外壳采用钢板制成，在壳内设钢筋，浇注混凝土，组成一个复合结构，这样其重量比钢筋混凝土管片轻，刚度比钢管片大，金属消耗量比钢管片小，缺点是钢板耐腐蚀性差，加工复杂冗繁。

由于隧道直径较小，埋深浅，并考虑到经济性以及国内目前的使用情况，本区间采用钢筋混凝土管片。钢筋混凝土管片一般有箱型管片和平板型管片两种形式。

钢筋混凝土管片型式中，有箱型管片（或称中子型）和平板型管片。箱型管片常用于大直径的隧道。在等量材料的条件下，与平板型管片相比，箱型管片能做到抗弯刚度大、管片之间便于连接等。因而，可有效地降低造价。当然，当管片的背板厚度较小、腔格偏大时，在盾构千斤项作用下混凝土将会发生剥落、压碎等情况。

平板管片是目前最常用的管片型式，常用于中小直径的隧道，在相等厚度条件下，其抗弯刚度及强度均大于箱型管片，单块管片重量较重，对盾构顶力具有较大抵抗能力，正常运营时对隧道通风阻力较小。有时，在大直径隧道内也采用该型式的管片，但主要用于地面荷载大，或者穿越地面建筑群时的隧道区段，用来抵抗较大的外荷载。

通过比较，平板管片安全性较高，所以，本区间采用平板型钢筋混凝土管片。

3.3管片初步设计

圆环的拼装形式有通缝、错缝两种。错缝拼装的优点在于能加强圆环接缝刚度，约束接缝变形，圆环近似地可按均质刚度考虑。但当管片制作精度不够好时，采用错缝拼装形式容易使管片在盾构推进过程中顶碎。通缝拼装的优点是管片拼装简单，施工速度快。由于此工程接缝刚度要求易满足，为使管片安装方便快捷，施工进度快，采用通缝拼装的形式。

根据盾构隧道覆土深度，周围环境，工程地质条件，综合上海地铁工程成熟的设计、施工经验，本工程盾构隧道衬砌的选择为：初步确定衬砌厚度为350mm，外径为 6200mm，环宽1200mm。参考上海盾构法隧道的衬砌施工的实践经验，此隧道采用单层衬砌，衬砌采用预制平板型钢筋混凝土管片。混凝土强度为C55。隧道衬砌由六块预制钢筋混凝土管片拼装而成，成环形式为小封顶纵向全插入式。每环管片由一块封顶块，两块邻接块，两块标准块，一块封底块组成。接缝分别设置在内力较小的8°、73°、138°处。

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4 隧道计算

4.1 计算原则及采用规范

计算原则：

（1）设计服务年限100年；

（2）工程结构的安全等级按一级考虑；

（3）取上覆土层厚度最大的横断面计算；

（4）满足施工阶段，正常运营阶段和特殊情况下强度计算要求；

（5）接缝变形在接缝防水措施所能适应的范围内；

（6）成型管片裂缝宽度不大于0.2mm；

（7）隧道最小埋深处需满足抗浮要求；

采用规范：

（1）《混凝土结构》（GB50010-2002）；

（2）《地下工程防水技术规范》（GB50108-2001）；

（3）《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299-1999）；

（4）《建筑工程施工质量验收统一标准》（GB50300-2001）；

（5）《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》（GB50308-1999）；

（6）《盾构法隧道施工与验收规范》（GB50446-2008）；

（7）《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）。

4.2 断面的选择及内力计算

根据设计规范，盾构隧道衬砌的结构计算采用自由变形的弹性均质圆环法。

选取隧道埋深最深的工况进行分析，根据汶水路站~新沪路站区间隧道剖面图，工况里程为CK7+255.000，盾构隧道中心标高-12.418m、地面标高4.642m。

结构设计时，考虑了基本使用阶段+特殊荷载组合阶段可能出现的最不利荷载组合进行结构强度、刚度和裂缝张开量等验算。

4.2.1 土层情况

根据工程地质剖面图，可得工况的土层地质的分布情况，见下图工况隧道断面土层分布图。

4.2.2 荷载计算及组合

区间隧道外径为?6200mm，内径为?5500mm。衬砌采用预制钢筋混凝土管片。混凝土强度为C55。荷载计算取b=1m的单位宽度进行计算，同时根据管片所处地层的特征及地基土的物理力学性质，在计算水土压力时用水土分算的方法。

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图 4-1隧道断面土层分布图

（一）基本使用阶段的荷载计算

（1）衬砌自重：

δγh g =

（4.1） 式中 g ——衬砌自重，KPa ；

γh ——钢筋混凝土容重，取为253/m KN ；

δ——管片厚度，m 。

将已知数值带入计算可得：g =25?0.35=8.75 2/m KN 。

（2）衬砌拱顶竖向地层压力：

拱顶部：

∑==n

1

1i i i v h P γ

（4.2） 式中 P v1 ——衬砌拱顶竖向地层压力，KPa ；

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γi ——衬砌顶部以上各个土层的容重，在地下水位以下的土层容重取其浮重

度，3/m KN ；

h i ——衬砌顶部以上各个土层的厚度，m 。

1v P =6.6015.76.764.34.856.185.092.1185.0?+?+?+?-+?）（=107.427kPa

拱背部：

H v R Q P 2/2= （4.3） 式中 P v2——衬砌拱背竖向地层压力，KPa ；

Q ——拱背均布荷载，KN/m ；Q γπ2)4/1(2H

R -= （4.4） γ——衬砌拱背覆土的加权平均容重，3/m KN ；

R H ——衬砌圆环计算半径，m 。

将已知数值带入计算可得：

γ=8.7925.2/)34.13.9585.16.6(=?+? KN/m 3

2v P 905.48.7925.2)4/14.31(=??-= KPa 。

（3）地面超载：由于本隧道埋深不是很深，故须考虑到地面超载的影响，取地面超载为20kPa ，并将它叠加到竖向土压上去，故总的竖向土压力为132.332kPa 。

（4）侧向水平均匀土压力：

1h P =1v P tan 2 （45°-2/?）-2c tan （45°-2/?） （4.5）

式中 P h1——侧向水平均匀土压力，KPa ；

φ——衬砌环直径高度内各土层内摩擦角加权平均值，（º）；

?=

)015.764.356.1/(015.71164.35.2156.122++?+?+?）（=15.5º。 c ——衬砌环直径高度内各土层内聚力加权平均值，KPa ；

c [])015.764.356.1/(015.71464.31256.118++?+?+?==13.9 KPa 。

将已知数值带入计算可得：

379.55760.09.132578.0621.161381=??-?=h P KPa 。

（5）侧向三角形水平土压力：

)2/45(tan 20202?γ-=H h R P （4.6）

式中 P h2——侧向三角形水平土压力，KPa ；

R H ——衬砌圆环计算半径，m ；

γ0——衬砌环直径高度内各土层重度的加权平均值，3/m KN ；

0γ6.8265.4585.1/)3.9265.46.6585.1(=+?+?=）（ 3/m KN

将已知数值带入计算可得：

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=2h P 578.06.8925.22???=29.091KPa 。

（6）静水压力：水位高为13.46m 。 （7）衬砌拱底反力：

w H v v R R g P P P γππ)2/(21-++= （4.7） 式中 P R ——衬砌拱底反力， KPa ；

P v1——衬砌拱顶竖向地层压力，KPa ； P v2——衬砌拱背部荷载，KPa ；

g ——衬砌自重，KPa ； γw ——水的容重，取为10KN/3m 。

将已知数值带入计算可得：

885.9310925.214.35.075.814.3905.4427.107＝???-?++=R P KPa

（二）考虑特殊荷载作用

本设计中特殊荷载指人防、地震荷载等。在设计中竖向特殊荷载取P v1=100KPa ，侧向特殊荷载取P h1=40 KPa 。

本设计内力计算采用《土层地下建筑结构》和《隧道工程》中的计算工法。对基本使用阶段和特殊荷载阶段两种情况下可能出现的最不利荷载进行组合。取左半衬砌圆环进行分析，将其均分为九个部分，各部分分别为0º、22.5º、45º、67.5º、90º、112.5º、135º、157.5º、180º，其中0º表示衬砌圆环垂直直径处，22.5º为0º处向左量取22.5º处，以此类推。

计算中弯矩用M （i ）表示，轴力用N （i ）表示，终值由结构在各种荷载作用下得到的内力经过叠加得到。各断面内力系数表如下表4.1。

表4.1 断面内力系数表

荷载

截面

位置

截面内力

M （KN·m ）

N （KN ）

自重

0～π

)sin cos 5.01(2

ααα--H gR

)cos 5.0sin (ααα-H gR

上部 荷载

0～π/2

)

sin 5.0cos 106.0193.0(221αα

-+H v R P

)cos 106.0(sin 21αα-H v R P

π/2～π

)

sin cos 106.0693.0(21αα

-+H v R P

)cos 106.0(sin 1αα-H v R P

底部 反力

0～π/2

)cos 106.0057.0(2α-H R R P αcos 106.0H R R P π/2～π

)

sin 5.0cos 106.0sin 443.0(2

2ααα

--+-H R R P )

cos 106.0sin (sin 2ααα+-H R R P

水压 0～π

)

sin 5.0cos 25.05.0(3ααα

---H R

HR R H +--)sin 5.0cos 25.01(3

ααα

均布 测压 0～π

)cos 25.025.0(22

1α-H h R P

α21cos H h R P

△ 测压

0～π )

125.0cos 063.0cos 083.0sin 25.0(3222--+αα

αH h R P

)

cos 25.0cos 5.0063.0(cos 22αα

α-+H h R P

根据表4.1中内力计算公式，并运用Excel 表格进行汇总计算，计算结果见表4.2：

表4.2 管片内力计算一览表 截面位置

基本使用阶段

特殊荷载阶段

M （KN·m ）

N （KN ） M （KN·m ） N （KN ） 0° 128.20 629.70 170.26 86.00 22.5° 89.51 661.04 125.77 114.06 45° -1.65 735.71 15.36 182.83 67.5° -88.32 809.64 -104.81 254.93 90° -120.69 844.46 -177.10 292.50 112.5° -87.93 860.93 -171.74 299.23 135° -9.80 853.74 -76.20 287.25 157.5° 82.24 834.73 121.21 240.45 180°

161.91

811.95

416.66

148.01

由于本工程所采用的管片设计宽度为b=1.2m ，而荷载计算是按管片宽度b=1m 计算

所得，所以最终荷载应在b=1m 计算基础上乘以1.2的系数。将内力组合汇总如下表4.3：

表4.3 管片内力组合一览表 截面位置

内力组合

1.2m 管片内力组合

M （KN·m ）

N （KN ） M （KN·m ） N （KN ） 0° 298.45 715.69 358.15 858.83 22.5° 215.28 775.09 258.34 930.11 45° 13.71 918.53 16.45 1102.24 67.5° -193.13 1064.57 -231.75 1277.49 90° -297.79 1136.96 -357.35 1364.35 112.5° -259.67 1110.16 -311.61 1332.20 135°

-86.00

1094.00

-103.20

1312.20

157.5°

203.45 1075.18 192.4852 1290.22 180° 578.57 959.96 694.28 1151.95

根据计算所得的内力图绘出衬砌的内力组合图如下：

由内力组合值可知，弯矩在拱底处θ=180°取得正的最大值（管片内侧受拉，M=694.28KN.m ），在θ=90°的时候取得负的最大值（管片外侧受拉，M= -357.35KN.m ）；轴力在θ=90°时取得最大值N=1364.35KN 。

4.3 断面设计

4.3.1 管片断面

管片配筋取衬砌结构承受弯矩最大值作为设计依据，在内力组合中得出的结果，在θ=180°时截面内侧受拉弯矩最大，θ=90°时截面外侧受拉弯矩最大。故按θ=180°时的截面进行内排钢筋设计，按θ=90°时的截面进行外排钢筋设计。根据《混凝土结构设计规范》，并参考文献《盾构法隧道施工技术及应用》，按偏心受压构件进行截面配筋设计。

（1） θ=180°时（内排配筋）：

弯矩M=694.28KN.m 轴力N=1151.95KN

管片钢筋选定为HRB400（20MnSiV ）型热轧钢筋，选用混凝土等级为C55混凝土。h =350mm ，h 0= h – a s =h-50=300mm

e 0=M/N=603mm

（4.8）

e a =20mm （e a 取20和h/30=350/30=11.7mm 较大者）

e i =e 0+e a =603+20=623mm>0.3=0.3×300=90mm （4.9）

所以，属大偏心受压情况

图 4-2 衬砌内力组合图

中国矿业大学2010届本科生毕业设计 第 12 页 式中 e 0——截面的初始偏心距，mm ；

e a ——轴向力在偏心方向上的附加偏心距，mm ；

e i ——修正截面初始偏心距，mm ；

αs ——混凝土的保护层厚度，mm ；

h ——管片的厚度，mm 。

e=ηe i +h/2- a s （4.10） 将已知数值带入计算可得： e =623+175-50=748mm

式中 e ——轴向力到受拉钢筋合力点的距离，mm ；

η——截面的偏心距增大系数；这里取η=1.0。

对受压面配筋：

)

a ()

5.01(s 0'2

01'-?--=h f bh f Ne A y b b c s ξξα

（4.11） 式中 α1——矩形应力图强度与受压区混凝土最大应力f c 的比值；

f c ——混凝土的抗压强度设计值，2/mm N ；

b ——管片宽度，mm ；

ζb ——界限相对受压区高度；

f y ‘——钢筋屈服强度设计值，2/mm N ；

h 0——截面的有效高度，mm 。

根据选定的Ⅲ级HRB400钢筋和C55混凝土，查表可得：

α1=1.0； f c =25.32/mm N ； b =1.2m ；

ζb =0.508；'

y f =3602/mm N ； h 0=300mm 。

将已知数值带入计算可得：

)50300(360)

508.05.01(508.030012003.250.17481095.115123'-??-????-??=s A

= –1931.52mm <0

'

s A 按最小配筋率计算。

最小配筋率ρmin ：

查表得：

f t =1.962/mm N ；y f ='y f =3602

/mm N ；

}45.0%,2.0max{min y

t

f f =ρ =0.245%

（4.12） 式中 ρmin ——最小配筋率；

f t ——混凝土的抗拉强度设计值，2/mm N ；

f y ——钢筋的屈服强度设计值，2/mm N 。

中国矿业大学2010届本科生毕业设计 第 13 页

0m i n '

bh A S ρ= （4.13）

式中 b ——管片宽度，mm ；

h 0——截面的有效高度，mm 。 将已知数值带入计算可得：

2'8823001200%245

.0mm A s =??= 由于受压区采用最小配筋，则要重新计算受压区高度x ：

)()2/('0''01s s y c a h A f x h bx f Ne -+-=α （4.14）

式中 α1——矩形应力图强度与受压区混凝土最大应力f c 的比值； f c ——混凝土的抗压强度设计值，2/mm N ；

b ——管片宽度，mm ；

e ——轴向力到受拉钢筋合力点的距离，mm ；

f y ‘——钢筋屈服强度设计值，2/mm N ； h 0——截面的有效高度，mm ； N ——截面承受的最大轴力，KN 。 将已知数值带入计算可得：

)50300(882360)2/300(12003.250.17481095.11513-?+-??=??x x

计算得：x =96.8 mm< 2 a s =100mm 对受拉面配筋：

)

()

2/('0s y s i s a h f a h e N A -+-=

η （4.15）

式中 α1——矩形应力图强度与受压区混凝土最大应力f c 的比值；

f c ——混凝土的抗压强度设计值，2/mm N ； b ——管片宽度，mm ；

f y ‘——钢筋屈服强度设计值，2/mm N ； N ——截面承受的最大轴力，KN 。 其余各符号的解释与前面一致。 将已知数值带入计算可得： s A )

50300(3604981095.11513-???==6374.12mm

再按A s `=0计算A s ： y

s y b c s f N

A f bh f a A -+=

''01ξ （4.16）

式中各符号的解释与前面一致。 将已知数值带入计算可得：

中国矿业大学2010届本科生毕业设计 第 14 页

s A 3601095.1151300508.012003.250.13

?-????==9652.52mm

取两个计算中较小值，故A s =6374.12mm 。

（2） θ=90°时（外排配筋）：（与内排配筋步骤相同）

弯矩M= –357.35KN.m 轴力N=1364.35KN

e 0=｜M/N ｜=262mm e a =20mm （e a 取20和h/30=350/30=11.7mm 较大者）

e i = e 0+ e a =262+20=282mm>0.3 h 0=0.3×300=90mm

e=ηe i +h/2- a s =282+175-50=407mm

对受压面配筋：

) a ()5.01(s 0'

201'

-?--=h f bh f Ne A y b b c s ξξα

式中 各符号的解释与前面一致。

将已知数值带入计算可得：

)50300(360)508.05.01(508.030012003.250.14071035.116423'

-??-????-??=s A

= –6240.02mm <0

's A 按最小配筋率计算。

最小配筋率ρmin ：

}45.0%,2.0max{min y t

f f =ρ=0.245%

's A =ρmin b h 0=0.245%?1200?300=8822mm

由于受压区采用最小配筋，则要重新计算受压区高度x

)()2/('0''01s s y c a h A f x h bx f Ne -+-=α

式中 各符号的解释与前面一致

将已知数值带入计算可得：

)50300(882360)2/300(12003.250.14071035.11643-?+-??=??x x

计算得：x =47.0< 2 a s =100mm

对受拉面配筋： )()2/('0s y s i s a h f a h e N A -+-=

η 式中 各符号的解释与前面一致

将已知数值带入计算可得：

中国矿业大学2010届本科生毕业设计 第 15 页 s A )50300(3601571035.11643-???=

=2031.12mm 再按A s ‘=0计算A s ：

y s y b c s f N

A f bh f a A -+=''01ξ

式中各符号的解释与前面一致。

将已知数值带入计算可得：

s A 3601035.1164300508.012003.250.13

?-????==9618.12mm

取两个计算中较小值，故A s =2031.12mm 。

管片配筋为：

内筋：选用9φ32的钢筋进行布置，A s =7234.62mm >6374.12mm

外筋：选用9φ20的钢筋进行布置，A s =2827.42mm >2031.12mm 。

验算总的配筋率： b h A A S

S 0'+=ρ12003004

.28272.6320?+==2.79%>ρmin =0.245% （4.17）

式中 A s ‘——内部配筋的计算面积，2mm ；

A s ——外部配筋的计算面积，2mm 。

%57.33603.250.1508.01max =??==y c b f f αξρ （4.18）

故有：min ρ<ρ<max ρ，满足配筋要求。

4.3.2 接缝张开量计算

因为弹性密封垫采用遇水膨胀橡胶与氯丁橡胶复合垫，其弹性模量E 很小，故采用假定环向螺栓达到允许应力时衬砌外侧的张开量作为验算标准。此时，

[σ]=400/1.55=258.1N /2mm 。

内侧螺栓伸长：

298.0101.2/3501.258/][5=??=?=?E l l σmm （4.22）

衬砌外侧张开量：

02.1)25100/()25300(=--??=l B ＜3mm （4.23）

式中：l ——弹性密封垫的宽度，mm ；

E ——螺栓钢筋弹性模量，E=5101.2?N /2mm （HRB235）。

所以满足弹性密封条的防水适应能力。

中国矿业大学2010届本科生毕业设计 第 16 页

图4-3 接缝张开量计算简图

4.4 千斤顶作用下局部承压计算

4.4.1 局部承压

圆形衬砌外径?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F 为1500kN ，顶块受力面积尺寸为695mm×300mm 。由混凝土结构设计规范：

[] 1.5c ln F f A F β=> （4.24）

式中：[]F ——混凝土管片最大允许荷载，KN ；

β——混凝土局部受压时的强度提高系数，取为0.9；

c f ——混凝土轴心抗压设计值，C55的混凝土为25.3N/3mm ；

in A ——混凝土局部受压静面积，695×150=1042502mm 。

将已知数值带入计算可得：

[]F =1.5×

0.9×25.3×104250=3560KN >F =1350 KN ，所以满足局部承压要求。 4.4.2 预埋件设计

起吊管片预埋件设置在管片内弧面轴心处，为保证搬运拼装安全，以最重管片标封底块（180º）为例，对预埋件进行抗拔计算：

h w v γ= （4.25）

式中：γh ——衬砌管片重度，263/mm KN ；

v ——管片的体积，3m 。

将已知数值带入计算可得：

KN w 52.371)75.21.3(36084

2522=?-???=π

根据管片重量，预埋件的锚筋配置为3根HRB335（20MnSiV ） 热轧钢筋，3φ16，g A =6032mm 。

中国矿业大学2010届本科生毕业设计 第 17 页 y g

f A K w ?= （4.26）

式中 各符号的解释与前面一致

将已知数值带入计算可得：

8.4)1052.37/(6033003=??=K ＞4满足要求。

4.5 抗浮验算

根据隧道断面土层分布情况，取本隧道覆土最浅处进行抗浮验算。隧道顶覆土为

8.4m 。

（1）浮力：

214w w F v D γπγ==? （4.27）

式中：v ——隧道衬砌圆环体积，3m ；

D ——隧道外径，m 2.6；

将已知数值带入计算可得：

102.64/2??=πF =301.9KN 。

（2）结构自重：

h R R G γπ)(2

21内外-= （4.28） 式中： γh ——管片重度，25 KN/3m ；

外R ——管片外径，m ；

内R ——管片外径，m 。

将已知数值带入计算可得：

8.16025)75.21.3(14.3221=?-?=G KN

（3）隧道覆土重：

2G H D γ=?? （4.29） 式中： H ——覆土深度，m ；

D ——隧道外径，6.2m ；

γ——土层加权平均重度，KN/3m 。

r=（18×3.12+17.6×3.12+16.6×2.16）/8.4=17.5KN /3m

将已知数值带入计算可得：

4.9112.64.8

5.172=??=G KN

（4）抗浮系数：

12()/K G G F =+ （4.30）

将已知数值带入计算可得：

12()/K G G F =+=3.55＞1.1（1.1为最小抗浮安全系数） 满足要求。

经上述各项验算，设计的成果为：衬砌管片厚度为350，每环宽为1200mm ，管片混凝土强度等级为C55。管片配筋时，主筋种类采用HRB400，外侧选用9φ32钢筋，内侧选用9φ20钢筋。

中国矿业大学2010届本科生毕业设计 第 18 页

5 隧道主要技术经济指标

5.1 开挖土方量

根据所选盾构机的外径D=6200mm ，以及右线和左线的全长均为728.09m ，粗略计算隧道土方开挖量。

右线开挖量：ν右 =π/4×2D ×L 右=21970.43m ； 左线开挖量：ν左 =π/4×2D ×L 左=21970.43m ； 总开挖量约为43940.83m 。

5.2 管片用量

汶水路站～新沪路站区间隧道衬砌环计1211环。管片纵向和环向均采用M30直螺栓连接。管片环与环之间用17根纵向螺栓相连接。每环管片块与块间以12根环向螺栓连接。

表5.1 衬砌连接件用量表（不计负环）

序号 名称 型号 单环数量 总数量 1 环向螺栓 M30 12套 14532套 2 纵向螺栓 M30 17套 20587套 3 环向止水垫圈 24只 29064只 4 纵向止水垫圈 34只 41174只 5

压浆闷头

6只

7266只

5.3 钢筋用量

计算钢筋的用量，从每环管片钢筋用量入手，每环管片内部受拉钢筋量，在前面计算中已经得出。每环管片内侧：HRB400（20MnSiV ）热轧钢筋932φ，s A =7234.62mm ，管片外侧：HRB400（20MnSiV ）热轧钢筋920φ，s A =2827.42mm 。每环纵向钢筋用量为0.189×7.8=1.474吨。钢筋总用量为1.474×1211=1785.014吨。

第二部分

上海地铁汶水路站~新沪路站区间隧道施工组织设计

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