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1、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
2、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/h 2 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： 190
3、00mm2. 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 28 X 0 840 950 1129 1229 1299 1318 1332 1387 Y 3800 3800 3750 3636 3538 3406 3315 3077 3063点号 29 30 7 8 9 10d 11d 12d X 1413 1358 1400 1400 1400 1255 1255 1255 Y 2621 2605 18
4、60 1100 600 600 355 160点号 13d 14d 15d 16d 17d 20d 21 22 23 X 1440 1441 1230 1065 1065 818 818 717.5 717.5 Y 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 09、10d 点是车体上的控制点；第 11d 点是车轴上轴箱的控制点；第 12d15d点是转向架构架下受流器的控制点；第 16d20d 点为下部受流转
5、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 2730 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 1 1 d 1 2 d 13d 14d 15d 16d X 1540 1480 1475 1294
6、.5 1294.5 1308 1494 1494 1285 1120 Y 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 14
7、92 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 867 867 733 Y 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 51
8、00mm。如下图所示： B1 型隧道内曲线地段（R1000m）设备限界（未按超高旋转）轨道曲线超高计算： 11.8VC2 h 75.52mm R式中：h超高值（mm）； VC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： hac X Qi mB gCh 1 S 1500曲线外侧： hdc X Qa mB gCh 1 S 1500 1500 hdc aq g v / 3.6 2 hac aq g R 1500 2） 车体竖向加高量、降低量：有超高引起： hac h h h hYQi mB gX sc cp sc cs
9、1 S hac 1500 k p k s本隧道超高由单独提高外轨实现，此时 hac hac /2 式中： X Qi 超高引起的设备限界曲线内侧加宽量（mm） X Qa 欠超高引起的设备限界曲线外侧加宽量（mm） hac 轨道超高值（mm） mB 含载客车体重（kg） S 重力倾角附加系数 hdc 欠超高值（mm） aq 未平衡离心加速度（ m / s 2 ） YQi 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） hsc 车体重心距轨面高（mm） hcp 转向架一系弹簧上支承面距轨面高度（mm） k p 整车一系弹簧测滚刚度（ N mm / rad ） hac 轨道超高设置
10、方法系数（mm） （未按超高旋转） mm）由以上公式计算 B1 型隧道内曲线设备限界值，如下表： （ 点号 01 11 21 31 41 51 61 71 81 X 0 1016 1196 1397 1537 1629 1668 1724 1641 Y 3919 3943 3860 3730 3583 3439 3321 1712 954 点号 271 281 291 X 1668 1722 1722 Y 3127 3113 2473四管片衬砌结构设计1砌管片的选择隧道外径隧为 R1 6.0m ，隧道内半径为 R2 2.55m ；管片的宽度为 1.2m，厚度为 h 0.25m ，分块数目 6
11、块；封顶块管片（K）圆心角为 150 ，标准块管片 3 块（分别为 B1 、B2 、B3 ）圆心角均为 720 ，邻接块管片左右各 1 块（分别为 A1 、A2 ）圆心角均为 64.50 ，如下图所示，纵向接头为 10 处，按 360 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 180 ，第二环的封顶管片（K）从正上方右偏 180 。 K A2 A1 B3 B1 B22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/m3，地面超载 20.0kN/m3，侧压力系数0
12、.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 5 104 kN m / rad ，隧道外侧受拉时取为 3 104 kN m / rad 。 另外，在本计算中，纵向接头的径向抗弯刚度 kr 和切向抗剪刚度 kt 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： W1 h 1.2 18 12 259.2 kN m拱背土平均土压力： RH W1 2 RH 0.43 RH 0.43 1.2 18 6 / 2 2 83.59 kN 2 2 2 4 m所以，
13、竖向荷载为： W1 W1 W1 259.2 83.59 342.79 kN m地面超载： p0 1.2 20 24 kN 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 q1 和三角形土压力 q2 组成，则： q1 w1 p0 tan 2 450 2c tan450 2 2 0 24 240 0.5 342.79 24 tan 45 2 0 2 30 tan45 0 2 2 52.04 kN m 24q2 2 R H tan 2 450 q1 2 0.5 18 6 / 2 tan 2 450 52.04 74.81 kN 2 2 m衬砌自重线荷载 Wg c 25 0.55 13.75 k
14、N m底部均布竖向反力 W2 p0 W1 g 0.2164 RH 24 342.79 g 0.2164 18 6 / 2 411.8 kN m 荷载的计算结果： 荷载 p0 W1 W2 Wg q1 q2 单位 kN kN kN kN kN kN m m m m m 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 取为 0.7，而弯矩增大系数 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
15、圆环，即 1800 ，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： 最大正弯 最大正弯 最大负弯 最大正弯矩 计算 矩对应的 拼装方案 矩 矩 对应的轴力 编号 轴力 N M kN m M min kN m N（kN） （kN） 二环一组 238.67 604.92 -218.9 1142.78 错缝拼装 第一环 偏转角为 180 为第一 发生在 B2 块 发生在 B3 块 环结果5管片的配筋计算 管片的钢筋采用 HRB335 级钢强度设计值 f y 300 N ，管片混凝土采用 mm 2C50，轴心抗压强度设计值为 f c 23.1 N ，外侧受拉的弯矩设计值为 mm
16、 2M 1 238.67 106 1.3 310.27 106 N 保护层厚度为 as1 40mm ；内侧受拉 mm 2的弯矩设计值为 M 2 218.9 106 1.3 284.57 106 N ，保护层厚度为 mm 2as 2 30mm ，则：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：h01 h c1 250 40 210mm最大弯矩设计值为：M max 0.3841 f c bh0 2 0.384 1.0 23.11200 2102 469.42 106 N mm M 1 310.27 106 N mm可知设计成单筋单层截面满足要求。 M1 310.6 106S 0.25
17、4 1 f c bh01 1.0 23.11200 2102 2 1 1 2 S 1 1 2 0.254s 0.851 2 2计算受拉钢筋的截面面积为： M1 310.27 106As 5787.3mm 2 f y s h01 300 0.851 210所以，管片的受拉钢筋选用 10 28， As 6158mm 2 5787.3mm 2 （满足要求），钢筋间的间距为 d 125mm 。内侧受拉钢筋的计算同上，求得手拉钢筋截面面积为 4905.2 mm2 ，则选用受拉钢筋为 8 28，As 4926mm 2 4905.2mm 2 （满足要求），钢筋间的间距为 d 160mm 。 箍筋的选择:选用
18、 10200 的钢筋做分布筋。6）衬砌结构的验算混凝土结构裂缝验算（ Wlim 0.2mm ）ftk 2.64 N ES 2.0 105 N h01 210mm mm 2 mm 2As 6158 4926 11084mm 2 As 11084te 0.0739 0.01 0.5bh 0.5 1200 250 M1 310.27 106 sk 170.5 N 0.87h01 As 0.87 200 11084 mm 2 0.65 f tk 0.65 2.64 1.1 1.1 0.964 te sk 0.0739 170.5d eq n d i i 2 10 282 8 282 28mm n di
19、 i i 10 28 8 28由于保护层的厚度 c 40mm 30mm ，取 c 30mm 进行计算，则： sk d eqWmax 2.1 1.9c 0.08 ES te 170.5 28 2.1 0.964 1.9 30 0.08 0.19mm Wlim 0.2mm 0.75 2.0 10 5 0.0739（满足要求）混凝土结构变形验算（直径变形 lin 0.2 D ）Ec 3.45 104 N mm 2 ES 2.0 105E 5.8 Ec 3.45 104 As 11084 0.043 bh01 1200 210 2 M 1 2 310.27 106Mq 206.85 106 N mm
20、3 3 2 ES As h01Bs 1.15 0.2 6 E 2.0 105 11084 2102 3.44 1013 N mm 2 1.15 0.964 0.2 6 5.8 0.044 M1B Bs M q 1 M 1 310.27 106 3.44 1013 2.064 1013 N mm 2 206.85 10 2 1 310.27 10 6 6 5 310.27 10 3.14 3000 6 2 5 M l2 2 1 0 2 4.63mm lin 0.2 D 12mm 48 B 48 2.064 1013（满足要求）五轨道设计 本设计要有减震效果，所以采用包套式短轨枕整体道床。 包套式
21、短轨枕整体道床的特点是在短轨枕和混凝土之间垫以弹性材料如橡胶垫、尼龙支承垫等，如下图。这种道床结构具有良好的隔振性能，经测试，这种道床簧下振动加速度可降低 30以上。参考文献：1关宝树主编，地下工程，高等教育出版社，2007 年；2. GB 50157 - 2003 地铁设计规范，中国计划出版社，2003 年；3张凤祥等编著，盾构隧道施工手册，人民交通出版社，2005 年；4. 刘钊等主编，地铁工程设计与施工，人民交通出版社，2004 年；5. CJJ 96 - 2003，J 274 - 2003 地铁限界标准，中国建筑工业出版社， 2003 年 ；6. 蓝宗建主编，混凝土结构与砌体结构，东南大学出版社，2006 年。