重庆轨道交通三号线红旗河沟新牌坊区间隧道设计.docx
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重庆轨道交通三号线红旗河沟新牌坊区间隧道设计
毕业设计
说明书
题目重庆轨道交通三号线红旗
河沟~新牌坊区间隧道设计
专业土木工程(隧道及轨道交通工程)
班级
学生
指导教师
重庆交通大学
2014年
摘要
本隧道为重庆市城市轨道交通三号线红旗河沟站至新牌坊站区间隧道,全长1142.59m。
本区间共拟定了2种内轮廓类型,均为单洞单线隧道,采用直墙单心圆断面,采用复合式衬砌。
单洞隧道最大净跨达5.25m。
施工方法均为暗挖。
其中Ш级围岩阶段采用全断面开挖,V级围岩阶段采用管棚法施工或暗挖法。
本隧道为重庆市城市轨道交通三号线区间隧道一小段隧道,其通风照明为一综合设计,因此,本设计不包括通风照明的设计。
本隧道采用midas分析软件计算衬砌,得出计算结果:
衬砌变形图、弯矩图、轴力图、剪力图,各模型单元的内力清单。
关键词:
区间隧道,复合衬砌,施工,暗挖
ABSTRACT
ThetunnelfortheChongqingCityMetroLine3theHONGQIHEGOUstationtotheXINPAIFANGstationundergroundtunnels,full-length1142.59m.Theintervalistooutlinetype2,isasingleholesingle,straightwallsinglecirclesectionwith,andtheuseofcompositelining.Singleholetunnelmaximumspanofupto5.25m.Constructionmethodforexcavation.Thethirdgraderockstagebyusingthefullsectionexcavation,VgraderockstageusesthepiperoofconstructionorMingdighole.
ThetunnelisasectionofChongqingcityurbanrailtransitlinethreetunnelashorttunnel,ventilationlightingisacomprehensivedesign,therefore,thisdesigndoesnotincludeventilationlighting.
Midassoftwareisusedtocalculatetheliningofthetunnel,theresultsobtained:
drawing,bendingmomentdiagram,axialforces,sheardiagramofliningdeformation,internalforcelistforeachmodelunit.
KEYWORDS:
undergroundtunnels,Theuseofcompositelining,construction,excavation,digging
第一章设计依据及主要技术标准
一.1设计依据
1)轨道交通三号线一期工程红旗河谷站~新牌坊站区间隧道初步设计。
2)轨道交通三号线一期工程红旗河谷站~新牌坊站区间岩土工程勘察报告。
3)重庆市轨道交通三号线相关资料及三号线一期工程走向、站位等要求。
4)红旗沟~新牌坊区间景观图、荷载设计图以及相关电子资料。
一.2设计规范
1、《地铁设计规范》(GB50157-2003);
2、《城市快速轨道交通工程项目建设标准》;
3、《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002);
4、《建筑结构荷载规范》(GB5009-2001);
5、《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001);
6、《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50086-2001);
7、《地下工程防水技术规范》(GBJ50108-2001);
8、《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2002);
9、《建筑基坑支护技术规范》(JGJ120-99);
10、《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002);
11、《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068-2001);
12、《铁路隧道设计规范》(TB1003-2005);
13、《重庆市建筑地基基础设计规范》(DB50/5001-1997);
14、《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004);
15、《人民防空工程设计规范》(GB50225-95);
16、《铁路隧道喷锚构筑技术规范》(GB50086-2001)。
一.3主要技术标准
1、结构安全等级和基础设计安全等级均为一级。
2、结构抗震等级为三级。
3、防水混凝土的设计抗渗等级为S8,耐侵蚀系数不小于0.85。
4、在正常使用极限状态下,二次衬砌裂缝宽度允许值在迎水面、背水面分别不得大于为0.2mm、0.3mm。
5、钢筋混凝土钢筋保护层厚度满足《地铁设计规范》(GB50157-2003)第10.6.3条。
6、人防按6级抗力设防。
一.4设计原则与技术要求
1、地下区间设计满足城市规划、运营、施工、防排水等要求;其结构具有足够的强度和耐久性,满足使用期的需要。
2、地下区间的净空尺寸不仅满足建筑限界和其它使用及施工工艺的要求,并综合考虑了施工误差、测量误差、不均匀沉降和结构变形的影响。
3、暗挖隧道的设计与施工根据地形、地质与相邻建筑和地下洞室及管网的关系,采取“新奥法”原理进行,施工中应最大限度保护围岩,充分发挥围岩自身承载力。
并采用“动态设计”的方法进行设计与施工。
明挖隧道按荷载结构法进行设计,两侧回填须对称进行。
4、地下区间的结构设计,尽量减少施工中和建成后对环境造成不利的影响,并考虑城市规划引起周围环境的改变对区间隧道结构的影响。
5、隧道结构的设计根据不同地段的具体条件,通过技术经济、环境影响和使用效果等综合比较,选择合理的结构形式、支护参数和施工方法。
6、地下区间在荷载、结构、地层条件发生变化的部位或因抗震要求需设置变形缝时,应采取可靠的工程技术措施,确保变形缝两侧的结构不产生影响使用的差异沉降。
变形缝的形式、宽度和间距根据允许纵向沉降曲率、沉降差、防水和抗震要求等确定。
7、暗挖隧道衬砌采用复合式衬砌,在施工阶段,应进行初期支护的承载能力和刚度、稳定性验算;在使用阶段,应进行复合衬砌承载能力极限状态和正常使用极限状态的验算。
对于混凝土、钢筋混凝土结构尚应进行抗裂度和裂缝宽度验算。
二次衬砌裂缝宽度允许值在迎水面、背水面分别为0.2mm、0.3mm。
一.5毕业设计要求
1)学生在毕业设计(论文)过程中,应持严谨的科学态度,认真进行调研、学会查阅与毕业设计(论文)相关的专业文献资料。
虚心向指导教师及有关实验技术人员和工人师傅请教。
2)自觉遵守学校的有关规章制度,爱护实验设备和图书资料。
3)在教师指导下,按毕业设计(论文)任务书要求独立完成毕业设计(论文)内容,不准抄袭或弄虚作假,更不能找人代做。
4)毕业论文和设计说明书,要书写整洁,语言简练,概念正确,计量单位规范统一。
设计图纸合乎国家规范,图面整洁。
软件设计应模型正确,算法合理,程序须调试成功并打印出结果。
5)论文和设计说明书的格式要符合要求,封面及内容一律采用本规范中规定的版面及格式书写。
6)学生参加毕业设计(论文)答辩前,将自己所作的全套毕业设计(论文)文件、成果送交指导老师和答辩委员会评阅。
预先准备好发言提纲、挂图等。
第二章
工程概况
二.1工程概况
本区间隧道位于红旗河沟与新牌坊之间,隧道线路走向基本与红锦大道相同,区间隧道采用单线单洞隧道,上、下行线基本平行,曲线段设置为同心圆曲线与缓和曲线,隧道设计的起讫桩号为:
CK13+537.998~CK14+680.588,全线长为1142.59m。
本隧道的附属工程为一段出渣支洞,宽度达到5.1m,其桩号为:
CK13+715.00~ZK0+375,全长375m。
二.2工程地质与水文情况
二.2.1地形地貌
本地下区间位于江北区建新北路沿线,场内总体地势北西高,南东低,为构造剥蚀浅丘地貌,海拔高程261~288m,相对高差为27m。
现经人工改造成城市主干道路,地形较平缓,地形坡角约2°。
线路两侧有许多高层建筑,但是距离相对比较远,线路正上方为红锦大道,交通量大,两侧有许多地下管线,施工时需要十分小心。
二.2.2地质构造
工程区段岩层倾向260°~280°,倾角9°~20°。
线路走向340°左右,走向与构造线走向呈小角度相交。
工程区段内地表上覆土层厚1m~5m,下伏基岩为砂岩夹砂质泥岩、泥质砂岩,岩体呈大块状的砌体结构,裂隙不发育较发育,岩体较完整,地下水贫乏。
在本设计段以内的围岩包涵Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三种,无破碎带和断层等情况。
二.2.3岩层特性
本设计区段以内沿线钻探揭露地层有:
第四系全新统的人工填土层(Q4ml)、残坡积层(Q4el+dl),侏罗系中统沙溪庙组(J2S)。
现依据地层的新老关系对其岩性特征分述如下:
1、第四系全新统人工填土层(Q4ml)
①素填土:
紫褐色,主要由砂岩块石、碎石和泥岩碎石、角砾,砂土、粘土和少量建筑、生活垃圾等组成。
骨架颗粒含量30~60%,粒径一般30~500mm。
堆填年限一般大于10年,结构主要呈中密状,局部呈稍密状。
在场地表层均有分布,一般厚2~6m;局部段厚度大,最厚达11.3m。
②杂填土:
灰~灰黑色,主要由混凝土、沥青混凝土组成,为公路路面,结构密实状。
在场地表层分布,一般厚0.3~0.6m。
2、第四系全新统残坡积层(Q4el+dl)
粉质粘土:
紫褐色。
土多呈可塑状,干强度中等,韧性中等,稍有光泽,无摇振反应,呈中等压缩性。
在拟建场地零星分布,厚度1~2m。
砂土:
浅黄色,粉、细粒结构,松散状态。
为下伏砂岩全风化残积而成。
土层与下伏侏罗系中统基岩呈不整合接触。
3、侏罗系中统沙溪庙组(J2s)
为炎热干燥氧化环境下河、湖交互相红色碎屑岩,多韵律、多旋回沉积组合,岩性为紫红色厚层状砂质泥岩、灰色中厚层状细~中粒砂岩。
岩体裂隙较发育~不发育,呈整体块状结构,岩体较完整~完整。
①砂岩:
灰色、紫灰色,局部呈紫红色,主要矿物成分为石英、长石,含少量云母及粘土矿物,中~细粒砂状结构,薄~中层状构造,为泥、钙质胶结,以钙质胶结为主。
本层呈薄~中层状位于砂质泥岩之上或透镜体夹于砂质泥岩之中。
中等风化带岩石岩质较硬,裂隙不发育,岩芯呈柱状。
通过钻探采集的中等风化岩石样品室内物理力学指标测试,其天然重度24.9~25.0kN/m3,岩石单轴极限抗压强度天然值为33.4~45.9MPa、饱和值为24.7~35.1MPa,软化系数0.74~0.76,内摩擦角47.47º~48.74º,内聚力6.51~8.03MPa,抗拉强度1.46~2.13MPa。
通过钻孔声波测井,岩体纵波波速为3005~3231m/s,岩体完整性指数为0.65~0.67。
中等风化砂岩体完整程度为较完整。
砂岩为软质岩类的较软岩,岩体基本分级为IV级。
②砂质泥岩:
包括泥岩、砂质泥岩。
紫红色,泥质、粉砂质结构,薄~中层状构造,主要矿物成分为粘土矿物,含钙质、砂质。
整个场地均有分布,是场地内的主要地层。
中等风化带岩石岩质较软,裂隙不发育,岩芯呈柱状。
通过钻探采集的中等风化岩石样品室内物理力学指标测试,其天然重度25.5~25.7kN/m3,岩石单轴极限抗压强度天然值为10.0~23.2MPa、饱和值为6.1~14.9MPa。
软化系数0.60~0.65,内摩擦角35.5º~39.35º,内聚力0.77~5.38MPa,抗拉强度0.35~1.03MPa,变形模量2196~2700MPa,弹性模量2684~3379MPa,泊松比0.34~0.40。
通过钻孔声波测井,岩体纵波波速为2726~2989m/s,岩体完整性指数为0.66。
中等风化砂质泥岩岩体完整程度为较完整。
砂质泥岩为软质岩类的软岩,岩体基本分级为IV级。
场区基岩强风化层厚度一般1.0m左右。
局部地段基岩强风化带厚度较大,为1.00~1.50m。
基岩强风化带岩体破碎,风化裂隙发育,岩质软,岩体基本质量等级为Ⅴ级。
二.2.4不良地质与地震
由地面工程地质调查,结合钻探成果,在场内无断层通过,无滑坡、崩塌、天然空洞和软弱夹层等不良地质现象。
依据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001),场区抗震设防烈度设定为6度,基本地震加速度值取0.05g。
场内建筑抗震设防类别为甲类;线路、车站地基均为基岩,基岩为坚硬土,等效剪切波速>500m/s,特征周期为0.25s;场地类别为Ⅰ类,对抗震设防有利,可以作为工程建设的一般场地。
二.2.5工程沿线环境
1、CK13+725.4~CK13+735.4段上方为车行地道,地道底板标高为287.6,隧道拱顶距地道底板约25.8m。
2、CK13+808.4上方为童心桥桩基,桩底标高为293.00,隧道拱顶距管底约30.7m。
3、CK14+182.4~CK14+196.4段上方为2.0m×2.0m的雨水管,桩底标高为283.35,隧道拱顶距管底约17.5m。
4、CK14+330.5上方为金龙桥桩基,桩底基底标高286.3,距隧道拱顶最近处约14.9m。
以上建筑物距隧道拱顶开挖线距离均较大,可不作结构特殊处理,但施工中必须坚持“弱爆破、短进尺”,严格控制爆破震动和地表沉降。
认真做好相关监控量测工作。
二.2.6管网拆迁与保护
区间隧道段施工将会遇到电力、电讯、给排水等多种市政管网,初拟拆迁保护措施如下:
1、加强管理,精心施工,避免对市政管网造成人为损坏。
2、作好与有关各方的联系协调工作。
3、对柔性、小型的市政管线(如电力、电讯、小口径给排水管等),在施工时将其移出施工开挖范围外,也可原位采取必要的临时保护措施,待主体施工时,通过预埋、穿管等方式穿越管线。
4、对刚性、大型的不易搬移的市政管道(如大口径的排污管沟、给水干管、天然气管道等),则需根据邻近同类管道的位置、规划管道的布置和服务范围进行拆迁、改道。
第三章
总体设计
三.1平面线形设计
参照《跨座式单轨交通设计规范》,线路最小平面曲线半径不得小于100m,正线半径不大于2000m的曲线设置缓和曲线连接,缓和曲线尽量两段相等,轻轨车站应当设置在直线区段,故在本区段隧道设计中综合考虑工程区域的总体线形走向、周边建筑影响、地下管线位置等,初步拟定在平面上选用1段曲线,圆曲线半径为1500m,两端设置等长缓和曲线,其余采用直线形式,具体曲线参数查看总体平面图。
三.2纵面线形设计
在线路的纵断面设计中,为保证排水,需要设置纵坡,其中正线纵坡的坡率不得大于60‰,相邻两段纵坡之间的差值大于5‰的时候要求设置纵向缓和曲线,而且纵坡的坡长不得大于相应坡率对应的最大值,故在本次区间隧道设计中,纵断面拟设计为四段纵坡,以克服两段车站之间20余米的高差,纵坡的设计参数如下:
2.002m、+3‰,600m、+5.82‰,500m、+35‰,40.588m、+3‰,详见纵断面设计图。
三.3车辆选择
依据《跨座式单轨交通设计规范》(附条文说明)(GB50458-2008)选择带有驾驶室的控制动车(Mc车),设计时速60km,列车编组为每列6组。
三.4行车轨道选择
依据《跨座式单轨交通设计规范》(附条文说明)(GB50458-2008)选择适合Mc车的钢筋混凝土轨道梁,如下图3.5.1所示:
图3.5.1轨道梁结构图
三.5建筑限界以及内轮廓设计
按照规范,跨座式轨道交通的限界分为车辆限界、设备限界、和建筑限界,本设计中车辆限界和设备限界由《跨座式单轨交通设计规范》给出,考虑本设计的速度、转弯半径、衬砌连接平顺等情况,综合考虑设定处四种内轮廓形式,其中两种为区间隧道衬砌,如下表3.6.1所示:
表3.6.1区间隧道内轮廓类型
序号
类型
结构型式
净宽
适用范围
备注
1
a型
单洞单线
4.9m/4.9m
CK13+537.998~CK14+151.458
2
b型
单洞单线
5.25m/5.25m
CK14+151.458~CK14+680.588
另外两种为出渣支洞的错车段与行车段,各轮廓图参数详见设计图纸文件。
第四章
支护衬砌设计
四.1衬砌选型
根据本区间沿线地质、建筑限界、曲线限界加宽、照明、结构受力合理及施工工艺的要求,进行内轮廓的拟定。
本地下区间共拟定了2种内轮廓类型(见表1),均为单洞单线隧道,由于边墙并非受力最不利部位,为减少开挖等工程量,采用直墙单心圆断面。
施工方法均为暗挖。
施工时,必须保证各类型内轮廓尺寸不小于设计值。
本区段隧道支护结构根据隧道所处的工程地质与水文地质条件、结构宽度、隧道埋深等因素,按新奥法原理进行设计,采用复合式衬砌。
复合式衬砌参数通过工程类比,结合计算分析后确定。
初期支护以C20喷射混凝土、锚杆、钢筋网为主要支护手段,Ⅴ级围岩段中在初期支护中加设格栅钢架,并以φ42超前小导管作为辅助施工措施。
二次衬砌采用C30防水钢筋混凝土,整体式模板台车浇筑。
衬砌的
四.2支护衬砌参数设计
由规范推荐值与工程类比,暂拟定本区段的支护参数如下表4.2.1所示:
表4.2.1区间隧道支护参数表
围岩级别
轮廓类型
衬
砌
类
别
预留变形量(cm)
初期支护
C30钢筋混凝土二衬(cm)
辅助施工措施
C20喷射混凝土(cm)
锚杆
钢筋网
钢架
类型
长度
(m)
间距
(m)
类型
间距
(cm)
规格
间距(m)
拱墙
仰拱
Ⅲ
a
Ⅲa
3
8
φ22砂浆锚杆
2.0
1.2×1.2
φ6.5
25×25
—
—
30
—
—
b
Ⅲb
3
8
2.0
1.2×1.2
25×25
—
—
30
—
—
Ⅳ
b
Ⅳb
5
15
2.5
1.2×1.2
25×25
—
—
40
—
—
Ⅴ
b
Ⅴb
8
18
2.5
1.0×1.0
20×20
格栅钢架
1.0
45
45
φ42mm小导管,环距0.40m,排距3.0m。
备注:
1.锚杆的布置采用梅花形布置。
2.钢筋网按照矩形编制,搭接长度不得小于30d,钢筋网和锚杆之间宜采用焊接。
3.依据具体围岩地质环境,岩层分界处等适度加强支护强度,以确保结构的安全。
四.3建筑材料
1、区间隧道主体结构采用防水钢筋混凝土结构,混凝土强度等级为C30,抗渗等级为S8。
2、喷射混凝土强度等级为C20。
3、钢筋采用HPB235、HRB335钢筋。
4、锚杆杆体材料采用HRB335钢,垫板材料采用HPB235钢。
5、钢架采用工字钢或HPB235、HRB335钢筋。
6、超前小导管采用热轧无缝钢管。
第五章
隧道结构验算
五.1基本原理
本区间隧道衬砌结构验算采用荷载结构模型,即将支护和围岩分开考虑,支护结构作为承载主体,围岩作为荷载源与弹性支承物。
五.2计算模型
本区段隧道的设计采用主动荷载—结构模型,其计算图示如下图5.2.1所示
图5.2.1荷载结构模型
五.3计算模型建立
本区段隧道中采用暗挖施工的区段采用Midas进行验算分析。
由于隧道的长度相对于隧道的断面宽度要大得多,在段距离内沿隧道长度方向上荷载的变化是比较小的,因此,认为隧道衬砌在沿隧道方向没有位移,假定其处于平面应变状态,在进行力学分析的时候,沿着隧道走向取1m长为研究对象,简化为二维模型进行衬砌受力的模拟分析。
本说明书中只列出Ⅴ级围岩b型衬砌验算分析。
在CAD中画出模型图直接导入Midas中。
地层弹簧的选取讨论:
地层弹簧用以模拟衬砌和围岩之间的相互作用,是模拟的一种被动的地基反力,由于切向摩擦力很难确定,故本设计中不考虑切向摩擦力,将切向摩擦力作为作为安全储备,这样的设计方法是偏安全的。
地层弹簧一侧连接衬砌结构,另一侧采用支座限制X和Y方向的位移为0,选取二衬的中轴线使用梁单元建立断面轮廓,本设计中,带仰拱的单心圆直墙采用如下图5.3.1所示荷载模型进行分析。
图5.3.1Midas计算模型
五.4Ⅴ围岩b型衬砌验算
五.4.1深浅埋判定
参照纵断面图,在Ⅳ围岩B型衬砌区段内选取一个可能的危险断面进行衬砌验算,该断面的基本参数如下所示:
桩号CK14+680;衬砌类型—带仰拱的单心圆直墙式复合衬砌;围岩级别—Ⅴ;隧道宽度5.25m;围岩平均重度25kg/m³;计算摩擦角Φ=50°隧道拱顶埋深6.6m;
隧道的竖向均布压力q按照式(5-1)计算:
(5-1)
式中:
S—围岩级别;
γ—围岩重度,KN/m³;
ω—宽度影响系数,
;
B—隧道宽度;
i—以B=5m为基准,B每增减1米时围岩压力增减率;当B<5m时,取i=0.2;当B>5m时,取i=0.1
代入数值得:
深浅埋分界高度按式(5-2)计算:
(5-2)
式中:
—隧道深浅埋分界深度;
—荷载等效高度,
即:
Ⅴ级围岩取
即:
且
故判定本隧道为超浅埋隧道
五.4.2荷载计算
荷载在竖向视为均布压力
(5-3)
式中:
q—均布竖向压力,
γ—上覆围岩重度,
H—隧道埋深。
侧向压力按下式(5-4)计算
(5-4)
针对本区段,查阅规范,确定围岩计算摩擦角Φ=50°;
代入数值计算得:
由式(5-3)和式(5-4)得到本隧道计算的围岩压力如下:
竖向荷载q=146.98KN/㎡
水平上侧荷载
=23.38KN/㎡
水平下侧荷载
=68.9KN/㎡
五.4.3Midas结果输出
1)轴力结果如下图5.5.1所示:
图5.4.1衬砌轴力图(单位:
KN)
2)衬砌弯矩图如图5.4.2所示
图5.4.2衬砌弯矩图(单位:
KN·m)
3)衬砌剪力图如图5.4.3所示
图5.4.3衬砌剪力图(单位:
KN)
五.4.4衬砌截面强度验算
Midas采用了先配筋后验算的配筋模式,所以根据规范选取了2.40的安全系数进行配筋。
同时截取的是最不利的单元进行配筋。
见表5.4.1.
表5.4.1钢筋需量
单元
截面
荷载
验算
受拉需配(mm^2)
受压需配(mm^2)
受拉实配(mm^2)
受压实配
(mm^2)
8
I
1
(1)
OK
2354.36
2354.36
2354.36
2354.36
8
J
1
(1)
OK
2566.39
2566.39
2566.39
2566.39
9
I
1
(1)
OK
2566.39
2566.39
2566.39
2566.39
9
J
1
(1)
OK
2354.36
2354.36
2354.36
2354.36
14
I
1
(1)
OK
1260
1260
1260
1260
14
J
1
(1)
OK
1260
1260
1260
1260
15
I
1
(1)
OK
1260
126
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