《地下工程》课程设计

《地下工程课程设计》目录一、目的 (2)二、设计资料 (2)三、隧道设计 (2)四、管片衬砌结构设计 (7)五、轨道设计 (12)六、参考文献 (13)地铁区间盾构隧道建筑限界的确定与横断面设计一.目的:通过课程设计,使学生掌握地铁区间隧道车辆轮廓线、车辆限界、设备限界和建筑限界的计算过程与影响因素，车辆类型，支护结构类型，轨道类型，受电弓知识，直线与曲线隧道计算超高的办法及其对隧道建筑限界的影响等知识，使学生能够在任一速度和曲线半径下，选择车型和轨道设计，进行隧道衬砌选择和衬砌管片的选择，并且设计出管片的厚度和二次衬砌的厚度（若需要），绘出给定条件下的隧道建筑限界图（车辆轮廓线图、车辆限界图、设备限界图和建筑限界图），并给出具体控制点的坐标值，绘出单（复）线隧道直线和曲线条件下的衬砌内轮廓图，绘出衬砌设计图，绘出管片设计图等。

二．设计资料：取之于“广州地铁某线某区间盾构隧道设计”。

圆形盾构地铁区间隧道，底层参数为：粉粘土，上覆地层高12.0m，容重18.0kN/m3，地面超载20.0kN/m3，侧压力系数0.5，地基抗力系数30.0MPa/m。

设计要求：1)直线隧道，时速80km/h2)曲线段隧道，时速70 km/h，半径750m，车型B1,减震轨枕。

三．隧道设计：本隧道设计选择B1车型中的下部受流型车型，其车辆主要参数如下：1.车辆长度：19000mm2. 车辆宽度：2800mm3. 车辆高度：3800mm4. 车体重量：1) 空车：24000kg（钢车）2）重车：42600kg（钢车）●车辆轮廓线B1型计算车辆轮廓线坐标值（mm）如下表：点号0 1 2 3 4 5 6 27 28X 0 840 950 1129 1229 1299 1318 1332 1387Y 3800 3800 3750 3636 3538 3406 3315 3077 3063点号29 30 7 8 9 —10d 11d 12dX 1413 1358 1400 1400 1400 —1255 1255 1255Y 2621 2605 1860 1100 600 —600 355 160点号13d 14d 15d 16d 17d 20d 21 22 23X 1440 1441 1230 1065 1065 818 818 717.5 717.5Y 160 120 85 85 165 165 0 0 -25点号24 25 26 —12e 13e 14e ——X 676.5 676.5 0 —-1255 -1428 -1428 ——Y -25 80 80 —222 222 190 ——注：表中第0~9、10d点是车体上的控制点；第11d点是车轴上轴箱的控制点；第12d~15d点是转向架构架下受流器的控制点；第16d~20d点为下部受流转向架构架上的控制点；第21、22点为车轮踏面上的控制点；第23、24点为轮缘上的控制点；第25、26为连接在车轴上的齿轮箱最低点；第27~30点为信号灯预留位置。

●车辆限界车辆限界坐标值（隧道内直线）（mm)如下表：点号0′1′2′3′4′5′6′27′28′29′X 0 911 1073 1250 1348 1416 1433 1433 1498 1516 Y 3859 3867 3790 3672 3572 3439 3347 3109 3094 2501 点号7′8′9′10d′11d′12d′13d′14d′15d′16d′X 1540 1480 1475 1294.5 1294.5 1308 1494 1494 1285 1120Y 1740 980 481 483 303 160 160 120 21 24 点号17d′20d′21′22′23′24′25′26′——X 1104.5 852 852 717.5 717.5 647 647 0 ——Y 113 113 -18 -18 -51 -51 42 42 ——点号12e′13e′14e′———————X -1307 -1486 -1481 ———————Y 252 256 122 ———————●设备限界设备限界坐标值（隧道内直线）（mm）如下表：点号0″1″2″3″4″5″6″27″28″X 0 925 1104 1289 1398 1492 1533 1538 1592 Y 3919 3927 3841 3718 3607 3465 3347 3109 3094 点号29″7″8″9d″10d″14d″20″21″22″X 1597 1604 1527 1565 1650 1650 867 867 733Y 2501 1740 980 545 545 15 15 -18 -18点号23″24″25″26″—9e″10e″14e″—X 733 632 632 0 —-1550 -1625 -1625 —Y -66 -66 15 15 —545 545 15 —●隧道的建筑限界本隧道为B1型车型盾构隧道，按规范建筑限界取直径为5100mm。

如下图所示：● B1型隧道内曲线地段（R=1000m ）设备限界（未按超高旋转） 轨道曲线超高计算：211.875.52C V h mm R==式中：h —超高值（mm ）；V C —列车通过速度（km/h ）；R —曲线半径（m ）。

曲线段超高引起的设备限界加宽和加高量的计算：1）车体横向加宽量：曲线内侧： '(1)1500ac Qi B h h X m gC S ∆=+ 曲线外侧：'(1)1500dc Qa B h h X m gC S ∆=+ 1500dc qh a g= ()2/3.61500acqv h a g R=- 2）车体竖向加高量、降低量：有超高引起：'()(1)1500sc cp ac sc cs Qi B acp sh h h h h Y m gX S h k k φφ--∆=-+++ 本隧道超高由单独提高外轨实现，此时'ac h =ac h /2式中：Qi X ∆—超高引起的设备限界曲线内侧加宽量（mm ）Qa X ∆—欠超高引起的设备限界曲线外侧加宽量（mm ） ac h —轨道超高值（mm ） B m —含载客车体重（kg ）S —重力倾角附加系数dc h —欠超高值（mm ）q a —未平衡离心加速度（2/m s ）Qi Y ∆—超高引起的设备限界加高或降低量（mm ）X—计算点的横坐标（mm ）sc h —车体重心距轨面高（mm ）cp h —转向架一系弹簧上支承面距轨面高度（mm ） p k φ—整车一系弹簧测滚刚度（/N mm rad ∙）'ach —轨道超高设置方法系数（mm ） 由以上公式计算B1型隧道内曲线设备限界值，如下表：（未按超高旋转）（mm ）点号"10 "11 "12 "13 "14 "15 "16 "17 "18 X 0 1016 1196 1397 1537 1629 1668 1724 1641 Y39193943386037303583343933211712954点号"127 "128 "129X 1668 1722 1722 Y312731132473四．管片衬砌结构设计 1．砌管片的选择隧道外径隧为1 6.0R m =，隧道内半径为2 2.55R m =；管片的宽度为1.2m ，厚度为0.25h m =，分块数目6块；封顶块管片（K ）圆心角为015，标准块管片3块（分别为1B 、2B 、3B ）圆心角均为072，邻接块管片左右各1块（分别为1A 、2A ）圆心角均为064.5，如下图所示，纵向接头为10处，按036等角度布置，每两环为一组，第一环的封顶块管片（K ）从正上方偏018，第二环的封顶管片（K ）从正上方右偏018。

KA1A2B1B3B22．荷载计算： 1）荷载-结构模式盾构隧道管片衬砌结构力学分析中荷载的计算采用荷载-结构模式，如图所示2）参数取值粉粘土，上覆地层高12.0m ，容重18.0kN/m 3，地面超载20.0kN/m 3，侧压力系数0.5，地基抗力系数30.0MPa/m 。

根据采用的弯螺栓接头的受力情况，参照国内外有关试验研究结果，全部环向接头的抗弯刚度，在隧道内侧受拉时取为4510/kN m rad ⨯⋅，隧道外侧受拉时取为4310/kN m rad ⨯⋅。

另外，在本计算中，纵向接头的径向抗弯刚度r k 和切向抗剪刚度t k 均取为无穷大，即认为各环管片在纵向接头处不产生错动。

3）荷载计算 土压力圆环顶部以上的竖向土压力：'1 1.21812259.2kNW h mξγ=⋅=⨯⨯=拱背土平均土压力：2"222142()0.430.43 1.218(6/2)83.59HR H H kNW R R mπξγγξγ=-==⨯⨯⨯=所以，竖向荷载为： '"111259.283.59342.79kNW W W m=+=+=地面超载： 0 1.22024kN p m=⨯=地层水平荷载即地层侧向主动土压力，由均匀主动土压力1q 和三角形土压力2q 组成，则：20011000200()tan (45)2tan(45)2224240.5(342.7924)tan (45)230tan(45)2252.04q w p c kNm ϕϕμ=+---=⨯+⨯--⨯⨯-=202021242tan (45)20.5186/2tan (45)52.0474.8122HkNq R q m ϕμγ=-+=⨯⨯⨯⨯-+=衬砌自重线荷载250.5513.75g c kN W mγδ=⋅=⨯= 底部均布竖向反力2010.216424342.790.2164186/2411.8H W p W g Rg kN mπγπ=++⋅+=++⋅+⨯⨯=荷载的计算结果：荷载 0p1W2Wg W1q2q单位 kN mkN mkN mkN mkN mkN m数值24 342.79 411.8 13.75 52.04 74.814）均质圆环模型计算结果本设计采用均质圆模型计算，其计算公式见《地下工程》（关宝树 主编） 表3-3-4。

计算过程中，钢筋混凝土管片接头刚度折减系数η取为0.7，而弯矩增大系数ξ取0.3。

由于均质圆环所受的荷载在竖直方向上是对称的，所以只计算了竖向的半个圆环，即0180，此半圆环管片衬砌的内力计算如附表1所示，其内力计算结果整理如下：计算 编号拼装方案最大正弯矩M(kN m ⋅)最大正弯矩对应的轴力N （kN ） 最大负弯矩min ()M kN m ⋅ 最大正弯矩对应的轴力N （kN ） 第一环二环一组错缝拼装偏转角为018为第一环结果238.67604.92-218.91142.78发生在2B 块发生在3B 块5)管片的配筋计算管片的钢筋采用HRB335级钢强度设计值2300y N f mm =，管片混凝土采用C50，轴心抗压强度设计值为223.1c Nf mm =，外侧受拉的弯矩设计值为6621238.6710 1.3310.2710NM mm =⨯⨯=⨯,保护层厚度为140s a mm =；内侧受拉的弯矩设计值为6622218.910 1.3284.5710NM mm =⨯⨯=⨯，保护层厚度为230s a mm =，则：①．外侧受拉钢筋计算先假定受拉钢筋为一层，并且为单筋截面，则：01125040210h h c mm =-=-=最大弯矩设计值为：2max 1026610.3840.384 1.023.11200210469.4210310.2710c M f bh N mm M N mm α==⨯⨯⨯⨯=⨯⋅>=⨯⋅可知设计成单筋单层截面满足要求。