隧道区间荷载计算

1 / 32 一、荷载计算 1.1 地层压力 对比不利因素，选取如下断面进行分析: 隧道YK22+284.057处，由纵断面图知埋深为h=16.07m，V级围岩，横断面衬砌类型为D型，岩土力学参数表1-1如下： 表1-1 岩土力学参数 地层代号 岩土名称 天然密度(g/cm3) 天然含水量（%） 黏聚力（kpa） 内摩擦角(°) 厚度（m） <1> 素填土 2.03 / / / 2.7 <11-0> 粉质粘土 2.01 22.76 29.8 15.3 6.1 <16-上> 强风化粗粒花岗岩 2.30 / 60.0 30.0 2.24

<16-下> 强风化粗粒花岗岩 2.32 / 80.0 32.0 5.03 <17-0> 中等风化粗粒花岗岩 2.44 / 2000.0 35.0 6.5 1.1.1 围岩深浅埋的判定 偏于安全考虑，取隧道开挖最大轮廓尺寸进行围岩压力的计算，即B=6.2m，Ht=6.5m。 等效荷载高度： 140.4520.45210.1(6.25)8.064sqhwm,

式中 s—围岩级别，如级围岩s=5； w—宽度影响系数，其值为： 51Biw

其中，B—坑道宽度； i—B每增加1m时，围岩压力的增减率（以B=5m为基准），当B<5m时，取i=0.2，B>5m时，取i=0.1。 深浅埋分界深度：

q(2~2.5)h(16.128~20.16)pHm

由于围岩为V级，围岩软弱破碎且节理发育，故深浅埋分界深度取2.520.16pqHhm，qphhH，故隧道为一般浅埋隧道。

1.1.2 围岩压力的计算 对于埋深qphhH的一般浅埋隧道，衬砌统一按照一般浅埋段隧道的最大埋深16.07hm处的围岩压力进行设计和检算。

一般浅埋隧道围岩压力按谢家休公式计算： 对于V级围岩，0(0.5~0.7),此处取00.6，查规范可得V级围岩似摩擦角为

040，00.60.64024,则0tan0.839,tan0.445,

22

000

0

(tan1)tan(0.8391)0.839tantan0.8394.467tantan0.8390.445



, 2 / 32

000

tantan0.259tan1tan(tantan)tantan

,

又因为水位线在素填土和粉质粘土交界处，故 粉质粘土的有效容重为/320.1(122.76%)1014.7kN/m，

320.32.714.76.113.02.2413.25.0314.93/m16.07iihkNh



，

竖向均布压力： 2tan0.25916.070.445(1)14.9316.07(1)168.25kN/m6.2vhhB

拱顶水平压力： 2114.9316.070.25962.14/ehkNm

拱底水平压力： 2214.93(16.076.5)0.25987.28kN/meH

1.2 水压力 拱顶水压力： 12110(6.12.245.03)133.7/wwHkNm

拱底水压力： 22210(6.12.245.036.5)198.7kN/mwwH

1.3地面车辆荷载及其冲击力 1.3.1 竖向荷载 在道路下方的地下结构，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响，即poz=20kPa。 1.3.2 车辆荷载的侧向压力 地面车辆荷载传递到地下结构上的侧压力pox,可按下式计算：

ozaoxpp

石质地层查规范表，V级围岩的侧向压力系数0.40a，0.40208oxaozppkPa。 1.4地震荷载 在衬砌结构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；验算衬砌结构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：结构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值。 由于地震垂直加速度峰值一般为水平加速度的1/2~2/3,因此对震级较小和对垂直地震振动不敏感的结构，可不考虑垂直地震荷载的作用。只有在验算结构的抗浮能力时才计及垂直惯性力。水平地震荷载计算可按照垂直和沿着隧道纵轴两个方向进行： 1.4.1 隧道横截面上的地震荷载（垂直隧道纵轴） 1.4.1.1 结构的水平惯性力 作用在构件或结构重心处的地震惯性力一般可表示为

QKQFcg

τ

式中 τ——作用于结构的地震加速度； g——标准自由落体加速度； 3 / 32

Q——构件或结构的重力； Kc——与地震加速度有关的地震系数。 对于马蹄形曲墙式衬砌，可以简化其均布的水平惯性力为：

11

1221ch

ch

mgFKHmgFKf







式中 ŋc——综合影响系数，规范中建议对于岩石地基ŋc=0.2，对非岩石地基ŋc=0.25； Kh——水平地震系数，7度地区Kh=0.1；8度地区Kh=0.2；9度地区Kh=0.4； m1——上部衬砌质量； H——上部衬砌的高度； m2——仰拱质量； f——仰拱的矢高。 根据设计说明，取ŋc=0.2，Kh=0.1；由横断面图知：二次衬砌为C45模筑钢筋混凝土，密度取2500kg/m3，H=5.285m，f=1.215m。由计算可得（取沿隧道纵轴1m长的衬砌研究）：m1=9120kg，m2=4462kg。

11

19120100.20.1345.13/5.285ch

mgFKNmH，

22

14462100.20.1734.49/1.215ch

mgFKNmf

1.4.1.2 洞顶上方土柱的水平惯性力 2chFKmg上

式中 m上——上方土柱的质量。 由岩土力学参数表1-1可知（取沿隧道纵轴1m长的衬砌研究）：

(20302.720106.123002.2423205.03)6.21214294.32mkg上，

20.20.1214294.321042858.8chFKmgN上

1.4.1.3 主动侧向土压力的增值

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

在7度地震区，/=130;8度地震区，=3；9度地震区，=6。因此，结构一侧的主动侧向土压力增量为 /ai()qiae

式中 qi—— 计算截面i处的竖向土压力； 2/2tan(45);tan(45)22aa

。

而结构另一侧的主动侧向土压力增量可按上述值反对称布置。 4 / 32

即2235tan(45)tan(45)0.27122a， //2235130tan(45)tan(45)0.28922a

，

/21a1()q(0.2710.289)168.253.03/aekNm

，

/22a2()q(0.2710.289)(168.2514.46.5)4.71/aekNm

1.4.1.4 结构和隧道上方土柱的垂直惯性力。 其一般计算公式为

/1/2cv

cv

FKQFKP





式中 Kv——垂直地震系数，一般取Kv=Kh/2~2Kh/3; Q、P——衬砌和隧道上方土柱的重力。 由于垂直惯性力仅在验算结构抗浮能力时需要考虑，因此，不需考虑此垂直惯性力。 1.4.2 沿隧道纵轴方向的地震荷载 地震中的横波与隧道纵轴斜交或正交，或地震中的纵波与隧道纵轴平行或斜交，都会沿隧道纵向产生水平惯性力，使结构发生纵向拉压变形，其中以横波产生的纵向水平惯性力为主。地震波在冲积层中的横波波长约为160m左右。因此，孙钧院士在其《地下结构》一书中建议：计算纵向水平惯性力时，对区间隧道可按半个波长的结构重力考虑，即

/chTKW

式中 /W——纵向80m长结构的重力。 即/0.20.1(91204462)8010217312217.31chTKWNkN 1.4.3 结构上部和受影响范围内的设施及建筑物压力 在计算这部分荷载时，应考虑建筑物的现状和以后的变化，凡明确的，应以其设计的基

底应力和基底距隧道结构的距离计算。凡不明确的，应在设计中作出规定,即20jzpkPa。 1.4.4 人防荷载 规定为100rfpkPa 1.5 荷载组合 表1-2 荷载分项系数建议值

荷载类型 荷载名称 分项系数

基本组合构件强度计算 构件抗裂验算 抗震偶然组合构件强度验算

人防偶然组

合构件强度验算 永 久 结构自重 1.35 1.0 1.2 1.2

地层压力 1.35 1.0 1.2 1.2