空港综合配套区（Q分区）次支市政道路基础设施项目隧道结构计算书

　 空港综合配套区（Q 分区）次支市政道路基础设施项目

　隧道 结构计算书

　【全一册】

　 空港综合配套区（Q 分区）次支市政道路基础设施项目

　隧道 结构 计算书

　【全一册】

　目录 1

　工程概况 .................................................................................................................................................. 1

　2

　设计依据及范围 ....................................................................................................................................... 2

　2.1

　设计依据 .......................................................................................................................................... 2

　2.2

　设计采用的规范 .............................................................................................................................. 2

　3

　设计 原则及标准 ....................................................................................................................................... 3

　3.1

　设计原则 .......................................................................................................................................... 3

　3.2

　设计标准 .......................................................................................................................................... 4

　3.3

　设计参数及计算参数 ...................................................................................................................... 4

　4

　隧道结构计算........................................................................................................................................... 5

　4.1

　隧道初期支护计算 .......................................................................................................................... 5

　4.1.1

　计算参数 .................................................................................................................................. 5

　4.1.2

　计算模型 .................................................................................................................................. 5

　4.1.3

　内力分析 .................................................................................................................................. 6

　4.1.4

　计算结果分析 ........................................................................................................................ 10

　4.2

　隧道二衬计算 ................................................................................................................................ 10

　4.2.1

　荷载计算 ................................................................................................................................ 10

　4.2.2

　内力计算 ................................................................................................................................ 12

　4.2.3

　衬砌结构截面计算 ................................................................................................................ 16

　4.3

　锚杆挡墙计算 ................................................................................................................................ 19

　4.4

　小结 ................................................................................................................................................ 21

　- 1 - 1 工程概况 重庆两路寸滩保税港区空港综合配套区基础设施项目位于渝北东方红水库南侧，面积约 4km2，即规划两路组团 Q 标准分区，功能定位为环境优良、配套完善的居住及公共服务区，承担着空港新城、空港产业区的居住功能。作为两江新区核心区的空港新城重要组成部分，在推动城市及区域经济发展中发挥着积极的作用，项目建设对于完善空港新城骨架路网、满足交通量不断增长、落实城市规划意图、改善城市投资环境具有重要的意义，同时对促进城市发展也起着积极的推动作用。项目的建成将极大改善片区交通状况，能够很好地辐射线路周边区域，对沿线的土地开发创造良好的契机。

　项目区的骨架路网主要由四横四纵组成，其中部分路网已完成设计工作，目前已进入实施阶段。本项目的建设对完善该片区路网、改善片区交通环境具有十分重要的意义，并且是满足项目区土地开发迫切需求的启动器和助推器。

　重庆两路寸滩保税港区空港综合配套区基础设施项目北侧紧邻绕城高速，东至江北国际机场约 5km，保税港区空港功能区约 4km，南距空港新城核心区约 4km，观音桥城市副中心约 25km；西与悦来相距约 9km，与蔡家组团中心区相距 约 12km；规划椿萱大道经地块以南经由宝山大桥通往蔡家组团；绕城高速公路靠地块以北通过。

　在周边路网关系中，本项目位于椿萱大道以北、绕城高速以南，公园东路以东，桃源大道以西。目前，项目区内重要骨架路网正在建设中，未建次支路网的建设也被提上日程。道路功能定位为服务 Q 分区内部的服务性次干路及支路。

　- 2 - 项目区路网图

　本次设计的空港综合配套区（Q 分区）次支市政道路基础设施项目，共有 18 条道路，其中次干路 7 条研究总长 7.899km，支路 11 条研究总长 10.883km，共约18.782km。次干路为双向四车道，设计时速 30km/h，标准路幅 22m；支路为双向两车道，设计时速 20km/h，标准路幅 15m。桥梁 10 座，总长 1293.5m；隧道 1 座，总长133m。

　2 设计依据及范围 2.1 设计依据 （1）设计合同 （2）《重庆市主城区两路组团 Q 标准分区控制性详细规划》 （3）实测 1：500 电子地形图及管线图 （4）《重庆两路寸滩保税港区空港综合配套区基础设施项目---纵二线、纵四线、横四线施工图设计》 （5）《重庆两路寸滩保税港区空港综合配套区基础设施项目---悦港北路施工图设计文件》 （6）《重庆两路寸滩保税港区空港综合配套区基础设施项目---悦港大道施工图设计文件》 （7）

　《重庆两路寸滩保税港区空港综合配套区基础设施项目—东联络线施工图设计文件》 （8）《悦港大道(秋成大道-公园东路段)施工图设计》 （9）《春华立交初步设计文件》 （10）轨道交通十四号线、二十二号线远景规划方案 （11）其他相关资料。

　2.2 设 设 计采用的规范 （1）《工程建设标准强制性条文（城市建设部分）》 （2）《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（2016 修订版）

　（3）《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）

　（4）《地下工程防水技术规范》（GB50108-2008）

　（5）《混凝土外加剂应用技术规范》（GB50119-2013）

　- 3 - （6）《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》（GB50086-2015）

　（7）《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013）

　（8）《建筑防火设计规范》（GB50016-2014）（2018 修订版）

　（9）《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）； （10）《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）（2015 修订版）

　（11）《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T 50476-2008）

　（12）《城市地下道路工程设计规程》（CJJ 221-2015）

　（13）《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015) （14）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）； （15）《公路隧道设计规范》（JTG 3370.1-2018）

　3 设计原则及标准 3.1 设计原则 通过分析该片区社会、经济发展目标以及综合交通规划后，确定了如下设计原则：

　（1）结构设计应以"以人为本"、"结构为功能服务"为原则，满足城市规划、行车运营、环境保护、抗震、防护、防水、防火、防腐蚀及施工等对结构的要求，同时做到结构安全、技术先进、经济合理。

　（2）结构在施工及使用期间应具有足够的强度、刚度、稳定性及耐久性。应根据构件特点进行承载力（包括失稳）计算；和抗倾覆、滑移、变形、抗裂或裂缝宽度验算；以及满足耐久性规定。

　（3）结构的净空尺寸应满足建筑限界及各种设备、管线使用功能的要求、施工工艺的要求，并考虑施工误差、结构变形和位移等因素给出必要的富裕量。

　（4）结构设计应以地质勘察资料为依据。

　（5）结构设计应减少施工中和建成后对环境造成的不利影响，并应考虑城市规划引起周围环境的改变对结构的作用。

　（6）结构设计应根据施工方法、结构或构件类型、使用条件及荷载特性等，选用与其特点相近的结构设计规范和设计方法。

　（7）结构防水设计中遵循"以防为主、刚柔结合、多道防线、因地制宜、综合治理"以及"防水与结构设计并重和统一考虑"的原则。

　- 4 - 3.2 设计标准 （1）结构设计使用年限为 100 年。

　（2）结构中主要构件的安全等级为一级。

　（3）结构按抗震设防烈度 6 度进行抗震设计，按设防烈度 7 度采用抗震构造措施，结构抗震等级为三级，以提高结构和接头处的整体抗震能力。

　（4）地下结构中混凝土构件的环境类别和作用等级为Ⅰ－C 类。

　（5）钢筋混凝土构件（不含临时构件）正截面的裂缝控制等级为三级，即允许出现裂缝，裂缝宽不大于 0.2mm。

　（6）结构主要构件的耐火等级为一级。

　（7）荷载：汽车：城-A 级；人群：4KN/m2 ； （8）防火类别 本工程按仅限通行非危险化学品等机动车考虑，按四类隧道进行设。

　3.3 设计参数 及计算参数 本设计采用建设方提供的《空港综合配套区（Q分区）支次市政道路基础设施项目工程地质勘察报告》重庆市市政设计研究院2019.07所给的设计参数，具体如下表：

　 地层 代号 岩土名称 重度 (kN/m3) 地基承载力基本容许值(kPa) 地基承载力特征值(kPa) 岩石抗压强度 frk (MPa) 岩(土)体抗剪强度 岩体抗拉强度(kPa) 弹性模量(MPa) 泊松比 μ 岩体水平抗力系数（土体抗力比例系数）

　砂浆与岩石的粘结强度极限标准值(kPa) 基底摩 擦系数 μ 天然 饱和 Ф( °) C(kPa) 标准值 范围值 标准值 范围值 Q 4 el+dl

　粉质粘土(天然) 19.5* 120* 120* /

　12* 25* / / / 8(MN/m4) / 0.25 粉质粘土(饱和) 19.8* / / /

　10* 19* / / / 8(MN/m4) / 0.15 Q 4 ml

　素填土 21.0(天然)21.5(饱和) 压实后确定 压实后确定 /

　22(饱和) 26(天然)* 0* / / / 18(MN/m4) / 0.25 Ms 强风化泥岩 22.00* 200* 200 /

　/ / / / / 20（MN/m3）

　150 0.25 Ss 强风化砂岩 21.50* 250* 250 /

　/ / / / / 25（MN/m3）

　200 0.30 J 2 s-Ms 中等风化泥岩 25.5 800 2713

　12.07 7.55~17.1 7.47

　4.36~10.90 32.13 766

　310 2200 0.31 120（MN/m3）

　800 0.40 J 2 s-Ss 中等风化砂岩 25 2000 8902

　31.50 26.6~46.9 24.52 20.9~38.5 34* 1500* 953 7200* 0.18* 420（MN/m3）

　1200 0.55

　- 5 -

　4 隧道结构计算 4.1 隧道初期支护计算 4.1.1 计算参数 隧道的围岩、初期支护和二次衬砌共同承担荷载，《公路隧道设计规范》规定隧道初期支护根据工程类比并辅以必要的理论分析确定。隧道初期支护主要按工程类比法设计，Ⅴ级围岩选定支护参数后需进行检验计算。初期支护结构计算采用MIDAS/GTS 有限元分析软件，按地层结构法进行计算，并通过对释放荷载设置释放系数控制初期支护的受力，开挖阶段荷载释放 50%，支护阶段荷载释放 50%。所用参数见表 4.1、表 4.2。

　表 表 6 6 .1 围岩物理力学参数表

　序号 围岩 类别 容重 γ （kN/m 3 ）

　弹性模量E S

　（MPa）

　泊松比 μ 内聚力 C （KPa）

　内摩擦角 φ （°）

　1 粉质粘土 19.5 50 0.46 25 13 2 砂质泥岩 25.5 2200 0.34 760 32 3 砂岩 25.0 7200 0.17 1500 34 表 表 6 6 .2 隧道支护结构力学参数表

　项

　目 弹性模量 E S （MPa）

　泊松比 μ 极限强度 σ （MPa）

　容重 γ （kN/m 3 ）

　备注 锚杆 210000 0.3 335（抗拉）

　78.5 全长粘结 喷砼初衬 26000 0.2 24.2（弯曲抗压）

　2.0（抗拉）

　22.0 C25 4.1.2 计算模型 本计算分别对Ⅴ级围岩洞口段和洞身段计算结构初期支护，结构只加载喷射混凝土和锚杆。计算模型左右水平计算范围均取隧道跨度的 3 倍，垂直计算范围取至地面或隧道高度的 3 倍，向下取隧道高度的 3 倍， 数值模拟隧道施工步骤：

　a. 初始应力场计算 c. 左上台阶开挖，初期支护； d. 左下台阶开挖，初期支护； e. 右上台阶开挖，初期支护；

　- 6 - f. 右下台阶开挖，初期支护；

　图 图 4.1 Ⅴ级围岩 洞身 段分析模型

　图 图 4.2 Ⅴ级围岩 洞口 段分析模型 4.1.3 内力分析 （1）Ⅴ级围岩洞身段内力及位移计算

　- 7 - 图 图 4 4. .3 3

　Ⅴ级围岩 洞身段 锚杆轴力图

　图 图 4 4. .4 4

　Ⅴ级围岩 洞身段 喷射混凝土轴力图

　图 图 4 4. .5 5

　Ⅴ级围岩 洞身段 喷射混凝土弯矩图

　图 图 4 4. .6 6

　Ⅴ级围岩 洞身段 X X 方向位移图

　- 8 -

　 图 图 4 4. .7 7

　Ⅴ级围岩 洞身段 Y Y 方向位移图

　（2）Ⅴ级围岩洞口段内力及位移计算

　 图 图 4 4. .8 8

　Ⅴ级围岩 洞口段 锚杆轴力图

　图 图 4 4. .9 9

　Ⅴ级围岩 洞口段 喷射混凝土轴 力图

　- 9 -

　 图 图 4 4 .10 0

　Ⅴ级围岩 洞口段 喷射混凝土弯矩图

　图 图 4 4 .11 1

　Ⅴ级围岩 洞口段 X X 方向位移图

　图 图 4 4 .12 2

　Ⅴ级围岩 洞口段 Y Y 方向位移图

　- 10 - 4.1.4 计算结果分析 Ⅴ级围岩洞身段和洞口段隧道开挖过程中围岩变形以及初期支护最大内力见表4.3 所示。

　表 表 4 4 .3 隧道初期支护内力值表

　类别 围岩变 形(mm) 锚杆轴 力(kN) 初支弯距 （kN·m）

　初支轴力 （kN）

　竖向沉降 水平收敛 内力 安全系数 内力 安全系数 Ⅴ级洞身段

　3.1 0.64 17.7 46.9 3.5 903 4.3 Ⅴ级洞口段

　2.07 0.67 11.9 30.6 4.6 634 5.6 从表中可以看出，开挖完成前后，初支的所有安全系数都大于 1.3，因此初支设计是安全的合理的。从各弯矩图可以看出，初支的整体弯矩都比较小，只是由于竖向临时支护的存在，而使局部弯矩比较大，可以认为现有初支设计参数能够满足受力要求。

　从表中表 4.3 可以看出锚杆轴力较小，均在其抗拉强度范围内，锚杆设计是合理的、安全的，能够满足其受力要求。从表中各级围岩的位移值可以看出，施工开挖过程中洞身段断面围岩竖向变形为 3.1mm，水平变形为 0.64mm，洞口段断面围岩竖向变形为 2.07mm，水平变形为 0.67mm，围岩变形较小，其值都在《公路隧道设计规范》允许范围内。

　4.2 隧道二衬计算 4.2.1 荷载计算 （1）一般暗挖段荷载确定

　图 6-2

　 隧道计算模型示意图

　- 11 -

　（2）浅埋偏压段隧道荷载计算

　- 12 -

　（3）荷载结构法计算简图 采用荷载结构法计算时，隧道计算模型如下图所示。

　荷载结构法连拱隧道计算模型示意图 zq q 、—垂直土压力（包括地面超载）（kPa）； 1 2e e 、 、" "1 2e e 、—侧向土压力（kPa）； 隧道二次衬砌计算模型采用荷载—结构模型时，除考虑垂直土压力和侧向土压力外，还用一定刚度的弹簧（只能受压）模拟因地层对结构变形的约束作用产生的形变压力。

　4.2.2 内力计算 采用荷载结构法计算时，根据地勘资料，计算中不考虑水压。根据计算，各级围岩下均为浅埋隧道。Ⅴ级围岩洞身段及Ⅴ级围岩洞口偏压段弹性抗力系数取120Mpa/m；暗挖段初期支护和二衬荷载分担比例，洞口段围岩条件较差，二衬分担75%，洞身段围岩条件相对较好，二衬分担 65%。拱形明洞段考虑到后期回填厚度不大于 4m 以及所处位置，不考虑水压力作用，弹性抗力系数取 120Mpa/m，侧压力系数取 0.3。

　- 13 - 计 算荷载标准值 断面类型 埋深 围岩压力 垂直荷载 q(kN/m) 水平荷载（kN/m）

　q e 1

　e 2

　Ⅴ级围岩洞身段 18m 386.7(250.9) 100.6(65) 156(101.4) Ⅴ级围岩洞口偏压段 10~14m 230～311(180～262.5) 56～78(42～58.5) 111～134(83～100.5) 拱形明洞段 4m 80 26.4 87.1

　注：表中括号内数值为乘以分担比例后的数值 各衬砌断面计算结果如下：

　Ⅴ级围岩洞身段二次衬砌弯矩图

　Ⅴ级围岩洞身段二次衬砌轴力图

　- 14 -

　Ⅴ级围岩洞身段二次衬砌剪力图

　Ⅴ级围岩洞口偏压段二次衬砌弯矩图

　Ⅴ级围岩洞口偏压段二次衬砌轴力图

　- 15 - Ⅴ级围岩洞口偏压段二次衬砌剪力图

　拱形明洞段二次衬砌弯矩图

　拱形明洞段二次衬砌轴力图

　拱形明洞段二次衬砌剪力图 各级围岩衬砌断面计算所得特征点处内力值见下表所示：

　隧道二次衬砌内力值 断面类别 构件部位 标准组合计算内力 弯距（kN·m）

　剪力（kN）

　轴力（kN）

　内侧 外侧 Ⅴ级围岩洞身段 拱顶 509

　421 1278

　- 16 - 拱腰/边墙

　476 1765 拱脚

　330 2123 Ⅴ级围岩洞口偏压段 拱顶 450

　426 1160 拱腰/边墙

　462 1700 拱脚 386

　1744 拱形明洞段 拱顶 233

　192 468 拱腰/边墙

　220 689 拱脚

　168 783 4.2.3 衬砌结构截面计算 经验算，所有衬砌结构厚度及配筋均满足要求，鉴于篇幅，仅给出Ⅴ级围岩洞口偏压段计算过程。

　衬砌类型 截面位置 截面高度 (mm) 实配钢筋 抗压安全系数 抗弯安全系数 抗剪安全系数 裂缝宽度 (mm) 受拉侧 受压侧 明洞段 拱顶 700 $ 25@100 $ 25@100 10.8 10.8 \ 0.04 拱肩 700 $25@100 $ 25@100 14 14 \ 0.04 拱脚 700 $ 25@100 $25@100 18 16 \ 不验算 最大剪力截面 700 ^8@200×500（纵向）

　\ \ 2.5 \ 洞身段 拱顶 550 $ 22@100 $ 22@100 2.7 2.5 \ 0.163 拱肩 550 $22@100 $ 22@100 3.3 3.3 \ 0.138 拱脚 550 $ 22@100 $22@100 4.1 4.1 \ 0.073 最大剪力截面 550 ^8@200×500（纵向）

　\ \ 2.45 \ 洞口段 拱顶 550 $ 25@100 $ 25@100 3.97 3.97 \ 0.103 拱肩 550 $25@100 $ 25@100 4.4 4.4 \ 0.090 拱脚 550 $ 25@100 $25@100 5.4 5.3 \ 0.068 最大剪力截面 550 ^8@200×500（纵向）

　\ \ 6.9 \ 从上表中的荷载组合可以看出，拱顶为受力最不利处，因此只需按公路隧道设计规范附录 N 对拱顶分别进行正截面抗拉强度验算以及裂缝宽度验算，并对拱脚处进行斜截面抗剪强度验算。

　- 17 - 正截面强度验算：

　- 18 -

　斜 截面 抗剪 强度验算：

　裂缝宽度验算：

　根据《公路隧道设计规范》附录 N 第 K.0.11 条，当0 055 . 0 h e 时，可不进行裂缝宽度验算。根据前面进行的正截面强度验算，可以看出拱顶不满足0 055 . 0 h e ，需进行裂缝宽度验算。

　- 19 -

　 4.3 锚杆挡墙计算

　[ 计算简图 ]

　- 20 -

　---------------------------------------------------------------------- [ 计算条件 ] ---------------------------------------------------------------------- [ 基本参数 ] 计算方法：

　 极限平衡法(建坡规范附录A.0.2) 计算目标：

　 计算安全系数 边坡高度：

　 13.500(m) 结构面倾角：

　 22.0(°) 结构面内摩擦角：

　 13.0(°) 结构面粘聚力：

　 20.0(kPa) 水平外荷载Px(kN):

　 0.0(kN/m) 竖向外荷载Py(kN):

　0.0(kN/m) [ 坡线参数 ] 坡线段数

　 2 序号 水平投影(m) 竖向投影(m) 倾角(°)

　 1

　6.000

　 12.000

　 63.4

　 2

　5.000

　1.500

　 16.7 [ 岩层参数 ] 层数

　 1 序号

　控制点Y坐标

　容重

　锚杆和岩石粘结强度

　 (m)

　(kN/m3)

　frb(kPa)

　1

　 18.600

　 25.0

　800.0 [ 锚杆(索)控制参数 ] 锚杆杆体抗拉安全系数：

　 2.20 钢筋与锚固体抗拔安全系数：

　 2.60 交互锚杆钢筋的抗拉强度：

　 否 [ 锚杆(索)参数 ] 钢筋类型对应关系：d-HPB300,D-HRB335,E-HRB400,F-RRB400,G-HRB500,P-HRBF335,Q-HRBF400,R-HRBF500 锚杆(索)道数

　 5 序号 支护类型 水平间距 竖向间距 入射角 锚固体直径 自由段长度 锚固段长度

　配筋

　 锚筋fy

　 钢筋与砂浆

　 (m)

　(m)

　(°)

　 (mm)

　 (m)

　(m)

　 (MPa)

　fb(kPa)

　1

　 锚杆

　2.000

　2.000

　20.0

　 110

　12.900

　 5.000

　 2E28

　---

　 2400.0

　2

　 锚杆

　2.000

　2.500

　20.0

　 110

　10.100

　 5.000

　 2E28

　---

　 2400.0

　- 21 -

　3

　 锚杆

　2.000

　2.500

　20.0

　 110

　 7.300

　 5.000

　 2E28

　---

　 2400.0

　4

　 锚杆

　2.000

　2.500

　20.0

　 110

　 4.600

　 5.000

　 2E28

　---

　 2400.0

　5

　 锚杆

　2.000

　2.500

　20.0

　 110

　 1.800

　 5.000

　 2E28

　---

　 2400.0 ---------------------------------------------------------------------- [ 计算结果 ] ---------------------------------------------------------------------- 岩体重量：

　4419.8(kN) 水平外荷载：

　 0.0(kN) 竖向外荷载：

　 0.0(kN) 侧面裂隙水压力：

　 0.0(kN) 底面裂隙水压力：

　 0.0(kN) 第1道锚杆(索)的抗力：

　100.8(kN) 第2道锚杆(索)的抗力：

　100.8(kN) 第3道锚杆(索)的抗力：

　100.8(kN) 第4道锚杆(索)的抗力：

　100.8(kN) 第5道锚杆(索)的抗力：

　100.8(kN) 结构面上正压力：

　4435.1(kN) 总下滑力：

　1281.3(kN) 总抗滑力：

　1744.7(kN) 安全系数：

　 1.362 4.4 小结 通过计算分析，隧道初期支护结构满足规范要求的强度安全系数，能满足使用要求。

　通过荷载结构法对各断面二衬内力计算，并根据《公路隧道设计规范》方法进行了截面验算，计算表明：二次衬砌设计是合理的，配筋设计符合规范要求，二次衬砌能够保证施工安全以及使用要求。