人高路道路工程二期隧道結構計算書

人高路道路工程二期隧道結構計算書全一冊人高路道路工程二期隧道結構計算書隧道結構計算說明書1工程概況及地質條件1.1工程概況人高路道路工程二期位于已建機場東聯(lián)絡北線以北，寨子路以南，規(guī)劃御復路以東以及規(guī)劃疏港大道以西。項目南起已實施完成的一期終點：人高路-機東北交叉口，由南往北分別與黃胡路、橫一路和寨子路相交形成簡易菱形立交。本次設計采用城市主干道標準，隧道段標準路幅為雙向8車道，設計車速50km/h。全線設置隧道1座，隧道設置于右線，采用單洞單向四車道隧道方案。隧道建筑限界凈寬為17.25m，凈高5.0m。其洞身結構按新奧法進行設計施工，采用復合襯砌，初期支護以噴射混凝土、鋼架、錨桿和鋼筋網(wǎng)等為主要支護手段；二次襯砌采用鋼筋混凝土結構。表1.1二襯襯砌參數(shù)洞室類別襯砌類型拱墻仰拱厚度（mm）配筋（HRB400）厚度（mm）配筋隧道Ⅳ級圍巖復合式襯砌7006φ227006φ22Ⅴ級圍巖復合式襯砌8006φ288006φ28明洞Ⅴ級圍巖明洞襯砌8006φ288006φ28注：二襯采用C35鋼筋混凝土。圖1.1Ⅳ級圍巖復合式襯砌（單位：cm）圖1.2Ⅴ級圍巖復合式襯砌（單位：cm）圖1.3V級圍巖明洞襯砌（單位：cm）1.2地質條件1.2.1地形地貌勘察區(qū)屬構造剝蝕丘陵地貌，山丘呈渾圓狀，山丘斜坡坡角一般10～35°，局部可達50°～70°。丘間洼地寬緩，地形坡角一般0～10°?？辈靺^(qū)地勢起伏，最低位于左線K1+800處，高程為184.09m，最高點位于右線K0+500處，高程為255.34m，相對高差71.25m。1.2.2氣象、水文根據(jù)收集的重慶氣象資料表明：勘察區(qū)地處北半球亞熱帶內陸的四川盆地東部，地處川東平行嶺谷中，屬東南亞季風環(huán)流控制范圍，具備亞熱帶濕潤季風氣候特性，復雜多樣的地貌類型，使其具有較明顯的氣候垂直帶譜結構。區(qū)內氣候特點是：氣候溫和、四季分明、雨量充沛，具冬暖、夏熱、秋長的氣候特點。多年平均氣溫17.6℃，極端最高氣溫41.7℃，極端最低氣溫-1.8℃，最熱為每年7月中旬至8月中旬，最冷為每年12月下旬至次年1月中旬。年平均無霜期為335天，霜凍一般出現(xiàn)在每年小雪至次年立春前后（即12～1月），輕者地面草叢上白霜，重者水田起薄冰，多發(fā)生于每次寒潮過后的晴天。整年多云霧，全年日照時間不超過1276小時，全年日照平均率為25%，8月日照時間最多為平均223小時，10月平均日照時間20小時。春天為純東南風，風力一般1～2級，夏季多東南風和西北風，風向不穩(wěn)定，往往夾著雷暴，風力為陣性大風，最大可達8級，伏天午時多南風，一般1級微風，秋冬季節(jié)為西北風，風向較穩(wěn)定，最大5級。冬春季節(jié)多為高積云和層積云，云積穩(wěn)定，終日籠罩，不見天日。夏季多為積雨云和雷雨云，云層變化大，分布不均，積散較快。秋天多為云朵，移動緩慢，顯得秋高氣爽。多年年平均降雨量為1085.1～1141.8mm，多年最大日降雨量126.6mm，最大日降雨量266.6mm(2007年7月17日)，降雨主要集中在每年5～9月份，降雨量占全年總降雨量的70%，多年平均相對濕度78%，絕對濕度17.6mb，因大氣污染，時有酸霧酸雨發(fā)生，大氣降雨是該區(qū)域內地表水及地下水的主要補給源，地表水匯入河溝內。項目區(qū)域內地表水體主要表現(xiàn)下壩水庫、青年水庫、農(nóng)田、魚塘和小沖溝。青年水庫、下壩水庫位于重慶市渝北區(qū)龍興鎮(zhèn)下壩村，屬于長江水系御臨河支流，青年水庫集雨面積7.78km2，總庫容21.9萬立方米，下壩水庫總庫容24.57萬立方米,青年水庫可灌面積290畝，是一座以防洪、灌溉為主兼養(yǎng)殖的綜合利用的?、蛐退畮?。該樞紐工程由大壩、溢洪道、放水設施組成。水庫大壩為均質土壩，最大壩高11.87米，壩頂高程205.0米，壩軸線長55.0米；左溢洪道堰頂高程為201.85m，右岸溢洪道堰頂高程為201.75m。該工程始建于1958年10月，于1959年4月竣工，2013年進行了維修整治。下壩水庫總庫容24.57萬立方米，道路沿線局部分布有魚塘、農(nóng)田、小溪溝，現(xiàn)場調查，水深約0.5～1.5m，之外無其它地表水體。1.2.3地質構造擬建場地在構造單元上屬于大盛場向斜南東翼，巖層呈單斜產(chǎn)出，巖層傾向280°～301°、傾角66°～75°，巖層面為硬性結構面，結合程度差。區(qū)內未發(fā)現(xiàn)斷層及次級褶皺，巖層構造簡單，巖土層序正常。受區(qū)域構造應力及外營力作用影響，巖體風化裂隙發(fā)育，據(jù)踏勘和區(qū)域地質資料，巖體發(fā)育構造裂隙如下：①傾向25°～30°，傾角80°～81°，延伸1.0～2.0m,間距0.6～1.0m，裂面較平整，張開1～3mm，無充填物；為軟弱結構面，結合很差。②傾向178°～191°，傾角74°～79°，延伸1.0～3.0m，間距1.0～2.0m，裂面較平整，閉合狀，無充填物，為軟弱結構面，結合很差。1.2.4地層巖性通過地面調查和鉆探揭示，場地內地層為第四系全新統(tǒng)人工填土層(Q4ml)、第四系全新統(tǒng)殘坡積層(Q4el+dl)、和侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組地層（J2s）。1、第四系全新統(tǒng)(1)人工填土層（Q4ml）素填土：雜色，結構稍密，稍濕，主要由粉質粘土和碎塊石組成，碎塊石含量10%-40%，粒徑5-45mm，粉質粘土干強度中等，韌性中等，無搖震反應，可塑，回填時間大于1年。揭露最大厚度15.80m(ZK68)。填方主要分布在人類工程活動較多的公路附近、居民民房及在左線K0+250～K0+700段。(2)殘坡積層(Q4el+dl)粉質粘土:黃褐色，呈可塑狀，無搖震反應，切面稍有光澤，干強度中等，韌性中等，局部含少量碎石，約5-10%，粒徑2-10cm；經(jīng)鉆探揭露粉質粘土在擬建場地內主要分布于地形相對較低的洼地地帶或地形平緩地帶，揭露最大厚度為8.10m(ZK133)。2、侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組地層(J2s)場區(qū)內基巖為砂巖、泥巖，分布連續(xù)穩(wěn)定。(1)砂巖(J2s-Ms)：黃褐色、灰黃色、灰色、灰白色、青灰色。主要由長石等礦物組成，中～粗粒結構，鈣質膠結為主，中厚層狀構造，局部含泥質。場地內廣泛分布。(2)泥巖(J2s-Ss)：紫紅色、暗紫紅色。由粘土礦物成分組成，泥質結構，鈣、泥質膠結，中厚層狀構造，局部含砂質較重。在擬建場地廣泛分布。根據(jù)《市政工程地質勘察規(guī)范》(DBJ50-174-2014)結合鉆取巖芯風化程度，在鉆孔深度范圍內可劃分強、中等風化帶：(1)強風化帶：巖體結構破壞嚴重，巖體破碎，巖芯多呈碎塊狀、短柱狀；強風化揭露厚度一般0.75～2.50m，風化裂隙發(fā)育，膠結結構大部分已破壞，強度極低，巖塊手易折斷；(2)中等風化帶：巖石結構致密，巖體較完整，鉆取巖芯多呈柱狀、短柱狀，中等風化巖層層理結構清晰。場地內第四系覆蓋層厚0.30～15.80m，基巖面大致隨地形起伏而起伏，基巖面坡度角一般5°～20°。1.2.5不良地質作用及主要工程地質問題經(jīng)調查，該段擬建道路場地內不良地質作用不發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)滑坡、崩塌、塌陷、泥石流、采空區(qū)、地面沉降等地質災害；未發(fā)現(xiàn)有埋藏的河道、溝浜、墓穴、防空洞等對工程不利的埋藏物；鉆探揭露巖石層位連續(xù)穩(wěn)定，無地下洞穴、破碎帶分布,僅在ZK195鉆孔23.10-24.0m段發(fā)現(xiàn)一軟弱夾層。綜上所述：勘察區(qū)不良地質現(xiàn)象不發(fā)育，勘察區(qū)主要工程地質問題為該路段路基、路塹挖填方邊坡穩(wěn)定性問題、隧道圍巖穩(wěn)定性問題及橋梁基礎開挖穩(wěn)定性問題。1.2.6水文地質條件隧址區(qū)穿越山脊，區(qū)內土體分布于隧道進口洞及出洞口范圍，厚度厚薄不宜，進洞口及出洞口主要為透水性差的粘性土，地處斜坡，排泄條件好，富水性差，含水貧乏。地下水多順坡向作短途徑流后排向地勢低洼的南北兩側臺地及溝谷內。地下水的季節(jié)性明顯，隧道所處地形地質條件決定隧址區(qū)地下水較貧乏，賦存少量裂隙水。本次勘察對各鉆孔的水位進行了觀測，鉆孔中未發(fā)現(xiàn)地下水。區(qū)內砂巖為含水層，且砂巖泥巖互層，泥巖為相對隔水層，故區(qū)內地下水條件存儲條件差。因此，勘察區(qū)淺表層內地下水較貧乏。根據(jù)現(xiàn)場調查，場區(qū)周邊無廠礦企業(yè)，無污染水源存在，附近無污染源流經(jīng)或滲入場區(qū)，場地巖土未受污染，依據(jù)《公路工程地質規(guī)范》JTGC20-2011附錄K表K.0.3判定場地環(huán)境類別劃為Ⅲ類，按《公路工程地質勘察規(guī)范》JTGC20-2011附錄K條和當?shù)亟?jīng)驗判定，地下水和土體對混凝土結構有微腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中鋼筋有微腐蝕，土對鋼結構有微腐蝕性。1.2.7水、土化學特征本次勘察取水樣1組由重慶渝碚實驗檢測中心進行腐蝕性實驗。水質分析成果表表3-1實編號驗下壩水庫SY1陽離子Ca2+mg/L74.69陰離子CI-mg/L12.58Mg2+mg/L17.47SO42-mg/L143.19Na++K+mg/L21.77HCO3-mmol/L169.38總硬度mg/L258.45游離CO2mg/L8.37總堿度mg/L138.91侵蝕性CO2mg/L4.70暫時硬度mg/L138.91PH值7.47永久硬度mg/L119.54注：根據(jù)《公路工程地質規(guī)范》JTGC20-2011附錄K表K.0.2-1、表K.0.2-2和表K.0.2-3中，地表水對混凝土結構及鋼筋混凝土結構中鋼筋為微腐蝕性。負硬度mg/L0.00PH值-7.80根據(jù)現(xiàn)場調查，場區(qū)周邊無廠礦企業(yè)，無污染水源存在，附近無污染源流經(jīng)或滲入場區(qū)，場地巖土未受污染，依據(jù)《公路工程地質規(guī)范》JTGC20-2011附錄K表K.0.3判定場地環(huán)境類別劃為Ⅲ類，按《公路工程地質勘察規(guī)范》JTGC20-2011附錄K條和當?shù)亟?jīng)驗判定，地下水和土體對混凝土結構有微腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中鋼筋有微腐蝕，土對鋼結構有微腐蝕性。2結構計算模型2.1計算軟件隧道結構計算采用MIDAS/GTS有限元分析軟件。2.2計算依據(jù)(1)《人高路道路二期工程》隧道設計圖設計文件(2)《重慶市兩江新區(qū)人高路道路二期工程(K0+000～K3+080段)工程地質勘察報告》(重慶市二零八勘察設計院)(3)《混凝土結構設計規(guī)范》(GB50010-2010（2006年修訂版))(4)《公路隧道設計規(guī)范》(JTGD70-2004)(5)《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009-2012)2.3計算模型隧道支護參數(shù)是根據(jù)工程類比和經(jīng)驗，并參照規(guī)范擬定，其中初期支護措施對隧道施工安全有很大影響，其參數(shù)應根據(jù)地質情況及監(jiān)控量測結果及時調整。二襯受力、變形對工程運營有重大影響，本計算主要檢算隧道使用期間二襯的受力、變形，計算對象為隧道二襯結構。二襯計算采用主動荷載加地層彈性約束模型，按平面桿系有限元法進行計算，對隧道典型襯砌進行結構計算。其中地層與結構的共同作用采用地層彈簧（只能受壓）模擬，深埋和淺埋襯砌內力計算模型見圖2.1和2.2，圖2.1深埋隧道荷載結構計算模型圖2.2淺埋隧道荷載結構計算模型圖2.3明洞荷載結構計算模型3荷載計算3.1荷載分類地下結構設計，應根據(jù)結構型式、受力條件、地下水情況等因素，按下表所列荷載對結構整體可能出現(xiàn)的最不利組合進行計算。表3.1荷載分類表荷載分類荷載名稱永久荷載結構自重地層壓力隧道上部和破壞棱體范圍的設施及建筑物壓力混凝土收縮及徐變作用地基下沉影響力水壓力及浮力側向地層抗力及地基反力可變荷載基本可變荷載地面車輛荷載地面車輛荷載引起的側向土壓力其它可變荷載施工荷載溫度變化影響偶然荷載地震作用人防荷載 注：施工荷載指設備運輸及吊裝荷載、施工機具及人群荷載，相鄰工程施工的影響等。3.2荷載計算方法1）結構自重：為沿襯砌橫斷面分布的豎向荷載；2）豎向地層壓力：暗挖隧道按圍巖等級、覆蓋層厚度、開挖毛洞寬度判別隧道是淺埋或深埋，分別按淺埋或深埋計算豎向地層壓力。3）水平地層壓力：暗挖隧道按圍巖等級、覆蓋層厚度、開挖毛洞寬度判別隧道是淺埋或深埋，分別按淺埋或深埋計算水平地層壓力。4）側向地層抗力和地基反力：根據(jù)結構型式及其在荷載作用下的變形、結構的剛度、施工方法及加固措施合理確定。3.3計算參數(shù)與結果隧道二次襯砌采用C35硂，鋼筋均為HRB400。根據(jù)《公路隧道設計規(guī)范》取值：C35混凝土彈性模量=32.25GPa，泊松比c=0.3，重度=25kg/m3。圍巖參數(shù)根據(jù)《重慶市兩江新區(qū)人高路道路二期工程(K0+000～K3+080段)工程地質勘察報告》確定。根據(jù)規(guī)范計算可以得到圍巖荷載如表3.2所示。二襯按一定比例承擔圍巖荷載，二襯荷載如表3.3。表3.2圍巖荷載隧道斷面類型圍巖荷載豎向荷載q(kPa)側向荷載e1(kPa)側向荷載e2(kPa)隧道Ⅳ級圍巖復合式襯砌479.4275.78114.88Ⅴ級圍巖復合式襯砌464.01194.89194.89表3.3二襯荷載隧道斷面類型圍巖荷載豎向荷載q(kPa)側向荷載e1(kPa)側向荷載e2(kPa)隧道Ⅳ級圍巖復合式襯砌191.7730.3145.95Ⅴ級圍巖復合式襯砌371.21155.91211.15表3.4明洞荷載襯砌類型壓力方向位置拱頂拱腳墻頂墻腳明洞襯砌垂直壓力上坡側55.21188.16//下坡側54.91181.07//側壓力上坡側14.8850.7324.9540.73下坡側14.7348.5623.8433.084計算結果4.1Ⅳ級圍巖復合式襯砌1）襯砌內力圖4.1.aⅣ級圍巖復合式襯砌彎矩圖圖4.1.bⅣ級圍巖復合式襯砌軸力圖表4.1.aⅣ級圍巖復合式襯砌內力值構件計算內力彎矩（kN·m）軸力（kN）內側外側拱頂273.47807.84拱腰289.411106.73墻腳204.721318.18仰拱202.161253.112）襯砌驗算按破損階段法驗算襯砌截面強度及抗裂驗算，結果如下表4.1.b所示。表4.1.bⅣ級圍巖復合式襯砌結構強度及抗裂驗算表位置截面厚度(mm)混凝土配筋（HRB400）安全系數(shù)裂縫寬度（mm）e0/h0拱頂700C356φ226.04—0.530拱腰700C356φ226.81—0.409墻腳700C356φ228.47—0.243仰拱700C356φ228.79—0.252各截面位置均安全系數(shù)K>2.4，各截面e0/h0均小于0.55，不用驗算裂縫寬度,Ⅳ級圍巖復合式襯砌設計滿足結構強度和抗裂要求。4.2Ⅴ級圍巖復合式襯砌1）襯砌內力圖4.2.aⅤ級圍巖復合式襯砌彎矩圖圖4.2.bⅤ級圍巖復合式襯砌軸力圖表4.2.aⅤ級圍巖復合式襯砌內力值構件計算內力彎矩（kN·m）軸力（kN）內側外側拱頂11573136拱腰12914034墻腳8244402仰拱87942182）襯砌驗算按破損階段法驗算襯砌截面強度及抗裂驗算，結果如下表4.7.b所示。表4.2.bⅤ級圍巖復合式襯砌結構強度及抗裂驗算表位置截面厚度(mm)混凝土配筋（HRB400）安全系數(shù)裂縫寬度（mm）e0/h0拱頂800C356φ282.68—0.501拱腰800C356φ282.54—0.435墻腳800C356φ283.42—0.254仰拱800C356φ283.43—0.283各截面位置均安全系數(shù)K>2.4，各截面e0/h0均小于0.55，不用驗算裂縫寬度,Ⅴ級圍巖復合式襯砌設計滿足結構強度和抗裂要求。。4.3Ⅴ級圍巖明洞襯砌計算1）襯砌內力圖4.3.aⅤ級圍巖明洞襯砌彎矩圖圖4.10.bⅤ級圍巖明洞襯砌軸力圖表4.3.aⅤ級圍巖明洞襯砌內力值構件計算內力彎矩（kN·m）軸力（kN）內側外側拱頂225.01520.23拱腰347.226921.13墻腳88.971026.91仰拱171.59993.362）襯砌驗算按破損階段法驗算襯砌截面強度，并計算正常使用狀態(tài)下裂縫寬度，結果如下表4.10.b所示。表4.3bⅤ級圍巖明洞襯砌結構安全系數(shù)及裂縫寬度表位置截面厚度(mm)混凝土配筋（HRB400）安全系數(shù)裂縫寬度（mm）e0/h0拱頂800C356φ225.880.13—拱腰800C356φ224.920.19—墻腳800C356φ2214.90—0.136仰拱800C356φ2212.55—0.270各截面位置均滿足安全系數(shù)K>2.4，拱頂和拱腰截面最大裂紋寬度小于0.2mm；墻腳和仰拱截面e0/h0均小于0.55，不用驗算裂縫寬度。Ⅴ級圍巖明洞襯砌設計滿足結構容許應力和抗裂要求。5工程類別5.1工程案例一：廣州東二環(huán)高速公路龍頭山隧道圖5-1龍頭山隧道建筑限界及內輪廓龍頭山隧道是同三、京珠國道主干線廣州繞城公路的關鍵工程，為一分離式雙洞八車道高速公路隧道，隧道設計凈寬18m，凈高8.95m，設計行車速度100km/h，隧道樁號