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南京老山隧道结构计算书

南京至淮安高速公路南京江北段

施工图设计阶段

隧道结构计算书

编制单位

隧道设计室

项目负责人

计算

乔

复核

一审

二审

院级审查

中交第二公路勘察设计研究院

隧道设计室

2003年10月25日

中交第二公路勘察设计研究院

分析计算软件输入数据记录单

记录编号：

项目名称

南京至淮安高速公路南京江北段隧道结构计算

设计阶段

施工图

设计段落

老山隧道

计算内容

S1A，S2A,ST衬砌结构计算

设计单位

隧道室

输入方式

输入数据和输出数据（贴附于后）

计算者

日期

2003.10.25

复核者

日期

2003.10.28

隧道明洞衬砌S1A结构计算

1、明洞衬砌设计图

2、计算参数与条件

●明洞结构为C25钢筋混凝土：

容重R=25KN/M3

弹性模量E=2.85E7KPA，

设计抗压强度RA=17500KPA

●拱部回填土体参数：

容重R=20KN/M3，内摩擦角F=35°

●边墙部回填浆砌片石参数：

容重R=23KN/M3，内摩擦角F=45°

3、明洞有限单元划分

4、内力与配筋计算结果

##############################################################################

工程名称:

明洞填土4m洞顶横坡0.1不考虑地震、车辆计算

##############################################################################

总节点数:

19

总单元数:

18

节点号X坐标Y座标节点宽节点厚方向角弹性抗力系数

（m）（m）（m）（m）（deg）（kN/m3）

1-7.660-.9391.0001.44139.792100000.00

2-7.724-.0431.000.980.000100000.00

3-7.8141.4141.000.800.000100000.00

4-7.5963.0661.000.800345.011.00

5-6.9584.6131.000.800330.070.00

6-5.9395.9401.000.800314.999.00

7-4.6676.9841.000.800303.788.00

8-3.2147.7601.000.800292.493.00

9-1.6388.2381.000.800281.241.00

10.0008.4001.000.800270.000.00

111.6398.2381.000.800258.760.00

123.2157.7601.000.800247.507.00

134.6676.9841.000.800236.272.00

145.9405.9401.000.800225.003.00

156.9584.6131.000.800209.931.00

167.5983.0661.000.800194.989.00

177.8151.4141.000.800180.000100000.00

187.725-.0431.000.980180.000100000.00

197.603-1.1501.0001.411150.200100000.00

单元号结点1结点2类型抗力计算方式位置

121普通单元（0）附加刚度法

（1）左侧边墙

（1）

232普通单元（0）附加刚度法

（1）左侧边墙

（1）

343普通单元（0）附加刚度法

（1）左侧拱部

（2）

454普通单元（0）附加刚度法

（1）左侧拱部

（2）

565普通单元（0）不计抗力（0）左侧拱部

（2）

676普通单元（0）不计抗力（0）左侧拱部

（2）

787普通单元（0）不计抗力（0）左侧拱部

（2）

898普通单元（0）不计抗力（0）左侧拱部

（2）

9109普通单元（0）不计抗力（0）左侧拱部

（2）

101110普通单元（0）不计抗力（0）右侧拱部（3）

111211普通单元（0）不计抗力（0）右侧拱部（3）

121312普通单元（0）不计抗力（0）右侧拱部（3）

131413普通单元（0）不计抗力（0）右侧拱部（3）

141514普通单元（0）不计抗力（0）右侧拱部（3）

151615普通单元（0）附加刚度法

（1）右侧拱部（3）

161716普通单元（0）附加刚度法

（1）右侧拱部（3）

171817普通单元（0）附加刚度法

（1）右侧边墙（4）

181918普通单元（0）附加刚度法

（1）右侧边墙（4）

结构材料容重（kN/m3）:

.2500E+02

结构材料弹性模量（kN/m2）:

.2850E+08

结构材料线膨胀系:

.1000E-04

结构整体温度变化值:

.0000

按明洞计算土压力

明洞土压力荷载参数：

回填土表面某一点坐标（m）：

（.0000,12.8300）

回填土表面倾角（deg）:

5.0000

拱部回填土容重（kN/m3）:

19.000

拱部回填土计算摩擦角（deg）:

35.000

边墙回填土容重（kN/m3）:

23.000

边墙回填土计算摩角（deg）:

45.000

拱部土体与边墙土体交界的Y坐标（m）:

.150

左侧拱部侧压力系数:

.259397

左侧拱部侧压力方向:

.000000

右侧拱部侧压力系数:

.273586

右侧拱部侧压力方向:

3.229867

左侧边墙侧压力系数:

.166635

右侧边墙侧压力系数:

.176928

###############################################

计算结果

###############################################

节点位移:

节点号X-位移Y-位移转角弹性抗力

（m）（m）（rad）（kN）

1.0000000.0000000.0007095.0000000

2-.0006352-.0000755.000714863.5213100

3-.0016848-.0002053.0007131168.4844000

4-.0027166-.0001499.0004727.0000000

5-.0031025-.0000732-.0000345.0000000

6-.0027489-.0004309-.0005331.0000000

7-.0020717-.0013483-.0008038.0000000

8-.0014760-.0025725-.0008043.0000000

9-.0011834-.0036967-.0005713.0000000

10-.0011644-.0043323-.0001807.0000000

11-.0012002-.0042572.0002677.0000000

12-.0010172-.0034988.0006586.0000000

13-.0004513-.0023341.0008746.0000000

14.0004155-.0011869.0008177.0000000

15.0012552-.0004559.0004646.0000000

16.0015637-.0002427-.0000297.0000000

17.0011740-.0002085-.0003920117.4026000

18.0005277-.0000991-.000478252.7665400

19.0000000.0000000-.0004823.0000000

单元结点力:

（轴向力以压为正,切向力以向内为正,弯矩以外侧受拉为正）

单元号节点号轴向力切向力弯矩

（kN）（kN）（kN-m）

121146.65300-78.06055-56.40046

11015.11700615.38150-7.63627

231114.17500141.9111036.64050

21146.65300-78.86717-86.45518

341078.4540082.80354256.35900

31116.30900125.9154027.01523

45999.49260-14.64410403.45830

41086.47200143.75940301.90000

56872.95600-119.59280282.03140

5999.49460-14.64302403.45830

67761.21070-125.6085076.17491

6872.95890-119.59300282.03130

78674.34380-107.78270-119.08000

7761.21630-125.6063076.17474

89618.31260-72.88627-269.44630

8674.34220-107.78230-119.07970

910595.61020-27.38690-353.09940

9618.30830-72.88589-269.44760

1011605.2281025.35954-356.12260

10595.61300-27.38817-353.10090

1112653.3387079.85805-269.99690

11605.2258025.35842-356.12150

1213741.48460126.62490-99.08125

12653.3395079.85810-269.99580

1314866.13070151.38290133.05540

13741.48810126.62400-99.08057

14151019.6360074.68809332.59190

14866.12900151.38050133.05550

15161140.71900-67.82978346.91070

151019.6350074.68893332.59260

16171194.11500-121.35030150.90730

161136.36700-34.74960317.29540

17181224.6370050.75799-1.60128

171192.15600-135.30170154.24530

18191171.13900-486.19980-7.50979

181224.6360051.2449418.22121

*************************************************************************

保护层厚度（M）a=0.060砼标号=25安全系数=2.00

*************************************************************************

节点宽（M）厚（M）轴力（KN）弯矩（KN-M）不对称配筋[cm2]对称配筋素砼（拉、压）

11.001.441015.1-7.60.000.0027.610.00.0

21.000.981146.7-56.40.000.0018.400.013.8

31.000.801116.336.60.000.0014.800.011.6

41.000.801086.5256.40.0012.0014.803.20.0

51.000.80999.5403.50.0012.0014.791.30.0

61.000.80873.0282.00.0012.0114.812.10.0

71.000.80761.276.20.000.0014.800.016.3

81.000.80674.3-119.10.000.0014.8012.20.0

91.000.80618.3-269.412.000.0014.811.90.0

101.000.80595.6-353.113.030.0014.801.30.0

111.000.80605.2-356.112.990.0014.811.30.0

121.000.80653.3-270.012.000.0014.801.90.0

131.000.80741.5-99.10.000.0014.790.015.1

141.000.80866.1133.10.000.0014.810.013.6

151.000.801019.6332.60.0011.9914.791.80.0

161.000.801136.4346.90.0012.0014.801.80.0

171.000.801192.2150.90.000.0014.800.09.2

181.000.981224.6-1.60.000.0018.400.011.0

191.001.411171.1-7.50.000.0027.010.016.6

191.001.411171.1-7.50.000.0027.010.016.6

4、内力与配筋计算结果

根据程序计算结果，明洞衬砌结构设计和配筋满足隧道洞口明洞实际受力结构安全要求。

浅埋S2A和ST复合式衬砌结构计算

1、计算参数

●围岩的物理力学参数

根据地质报告，各类围岩的物理力学性质取值如下：

围岩的物理力学参数表

项目

单位

Ⅱ类围岩

Ⅳ类围岩

地质描述

强风化岩

微风化岩

容重

KN/M3

20~21

23~24

弹性抗力

MPA/M

100~200

500~800

弹性模量

KPA

1000~2000

5000~10000

F

DEGREE

25~30

35~40

C

KPA

25~100

600~800

普氏系数

1.5~2.0

3.5~4.0

抗压强度

KPA

200~300

1000~1500

地基承载能力

KPA

400~600

2200~3000

●衬砌结构参数

复合衬砌参数表

项目

单位

S2A

ST

初期支护

系统锚杆

锚杆类型

D25

YL25，Φ22

长度

cm

400

350

间距

cm

100*50

100*60

钢筋网

直径

mm

单层Φ10

单层Φ10

间距

cm

20*20

20*20

C20喷射砼

厚度

cm

27

15

型钢拱架

纵向间距

cm

75

型号

20b型

二次衬砌

（C25钢筋混凝土）

拱部

cm

50

50

仰拱

cm

50

50

●建筑材料参数

25号钢筋混凝土设计参数为（标准强度）：

钢筋混凝土容重：

25kN/m3轴心抗压强度：

Ra=17.5MPa；

抗拉强度：

Rl=1.9MPa；弹性模量：

E=2.85*e4MPa;

Ⅱ级钢筋的设计参数为：

（设计强度）

抗拉设计强度：

Rg=340MPa；

弹性模量为：

E=2.0*e5MPa；

20b工字钢参数（A3钢）

[σ]=170Mpa（d≤15mm为第一组）[τ]=100MpaE=2.1E5Mpa

抗弯刚度Wx=250cm3截面积A=39.5cm2

20号喷射混凝土的设计参数为：

（极限强度）

容重：

r=24kN/m3（含格栅钢架）轴心抗压强度：

14MPa

弯曲抗压强度：

17.5Mpa轴心抗拉强度：

1.2MPa

弹性模量E=2.0E4Mpa

2、计算理论

复合式衬砌结构设计和施工是按照新奥法原理，在设计上充分利用围岩的自身承载能力，将初期支护与围岩紧密结合在一起，最大限度地利用和发挥围岩的自身承载能力和自稳能力，把支护作为加固和稳定围岩的手段。

衬砌分两次完成，利用锚杆、喷射混凝土、钢拱架、钢筋网作为初期支护手段，与围岩共同组成复合的承载结构以控制围岩的变形和松弛。

在完成初期支护后，围岩的变形基本受到控制。

二次衬砌采用钢筋混凝土或素混凝土结构，以满足结构的使用要求和结构上的安全储备。

系统锚杆计算：

初期支护通过施作大量规则布置的锚杆，利用和加强了围岩自身的承载能力，使洞室周边围岩形成一个稳定的承载拱。

内力计算按弹性拱计算，并考虑周边围岩的弹性抗力，强度较核按照砌体结构较核。

喷砼和钢拱架的承载能力分析：

虑由钢拱架与喷射混凝土共同组成柔性支护结构，按弹性地基上的格栅刚架结构进行内力计算，强度较核按照由钢筋混凝土结构较核。

二次衬砌的承载能力分析：

二次衬砌的结构与初期支护之间设有防水层，二次衬砌只考虑承受径向应力，其计算模式比较成熟。

钢筋混凝土衬砌强度较核按照配筋计算方法进行。

3、单元有限元划分图

4、计算结果分析

各类型结构的承载能力分析计算结果见下表：

项目

Ⅱ类围岩

Ⅳ类围岩

岩体计算容重

20KN/m3

25KN/m3

S2A衬砌

系统锚杆

1.5m

喷射砼及钢架

7.0m

二次衬砌

17.0m

ST衬砌

系统锚杆和喷射砼

5.0m

二次衬砌

6.0

在Ⅱ类围岩地段，隧道的S2A衬砌的总开挖跨度约16.4米，作用在隧道结构之上的设计荷载如下考虑：

●当隧道埋深小于15米时按全部覆土荷载计算，最大荷载高度为15米，隧道复合式衬砌结构强度能够满足在初期支护失效的情况下的结构安全。

●当隧道埋深在15～38米时属于浅埋情况，按照破裂面理论计算的隧道承受的最大垂直压力等效约28米土荷载，初期支护只能承受总荷载的30%，而二次衬砌只能承受总荷载60%，不能够完全满足施工和运营的安全要求。

建议通过加强施工组织，采取辅助施工措施，尽量减小施工对洞身围岩地扰动，避免衬砌结构承受松散荷载的理论最大值，同时宜加强初期支护和二次衬砌措施来满足结构安全的需要。

●当埋置深度大于38米时，按照规范推荐的公式计算隧道承受的最大垂直压力等效约15米土荷载，与超浅埋情况相似，结构是安全的。

在Ⅳ类围岩地段，隧道的ST衬砌的总开挖跨度约18.8米，根据实际隧道地质情况按深埋隧道（承载拱理论）计算土压力荷载，根据计算ST衬砌结构承受的荷载高度约4～7m。

从以上结构承载能力分析表中可以看出，在Ⅳ类深埋地段，初期支护承载能力约为5米高的土压力荷载，当隧道埋深在9米以上时，初期支护能够承担大部分总荷载。

以上分析是建立在施工方法严格按照设计工序施工，结构施工质量能够达到规范规定情况下的结论，由于现场条件多变，为了保证施工及使用期间的安全，在施工过程中，应加强现场施工质量管理，加强现场地质复核，加强监控量测，发现问题及时反馈，以确保施工过程中的安全和使用过程中的安全。

5、电算结果附件

##############################################################################

工程名称:

隧道S2a复合衬砌系统锚杆计算

##############################################################################

总节点数:

31

总单元数:

30

节点号X坐标Y座标节点宽节点厚方向角弹性抗力系数

（m）（m）（m）（m）（deg）（kN/m3）

1-9.518-1.6681.0003.00020.815150000.00

2-9.781-.8631.0003.00114.041150000.00

3-10.031.4451.0003.0015.451150000.00

4-10.0811.6841.0003.001358.052150000.00

5-9.9472.9561.0003.000349.593150000.00

6-9.6274.1951.0003.000341.137150000.00

7-9.1285.3731.0003.000332.658150000.00

8-8.4616.4661.0003.001324.207150000.00

9-7.6417.4471.0003.000315.729150000.00

10-6.7448.2691.0003.000309.197150000.00

11-5.7608.9821.0003.000302.657150000.00

12-4.7009.5791.0003.001296.138150000.00

13-3.58010.0521.0003.001289.606150000.00

14-2.41310.3941.0003.001283.059150000.00

15-1.21510.6001.0003.000276.526150000.00

16.00010.6701.0003.000270.000150000.00

171.21410.6001.0003.000263.474150000.00

182.41210.3941.0003.001256.941150000.00

193.57910.0521.0003.001250.412150000.00

204.6999.5791.0003.