暗挖隧道与暗挖风井接口结构计算

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摘要：一直以来，关于隧道开洞处接口设计计算方法很少。设计单位一般做法是开洞范围内结构配筋加强。本文采用有限元软件sap2000对西安地铁三号线胡家庙～石家街区间暗挖隧道与暗挖区间风井接口进行了有限元计算分析，确定接口处支护结构参数。为类似工程提供一些参考。

关键词： 有限元 接口 结构计算

中图分类号： C35 文献标识码： A

一、工程概况

西安地铁三号石家街站暗挖风道与胡石区间右线隧道正交，胡石区间右线隧道侧壁YDK33+110.405-YDK33+122.855需开洞以与石家街站隧道风机房暗挖风道相连通。接口处风道埋深约12m。风道近似矩形断面8.7m*5.32m（宽*高），风道初支厚0.35m，二衬厚0.5m，中间设0.35m厚中隔墙；正线隧道马蹄形断面6.28m*6.6m（宽*高）。该段风道采用双侧壁导坑法，正线隧道采用CRD法施工。区间隧道先行施工，风道后期施工至区间隧道时区间隧道破除洞口与风道相接。

二、 工程地质与水文地质情况

联络通道兼泵房结构处地层，自上而依次是杂填土、新黄土（水上） 、古土壤、老黄土（水下）、粉质黏土、中砂、粉质黏土。根据提供的地质资料[1]，采用钻孔编号钻孔CZ4-55的地质参数，计算水位标高取为393.7m。

三、计算分析及模型简化

假设正线隧道半宽范围内荷载全部传递到风道二衬上。计算取风道二衬1*0.5（宽*高）结构计算，作为平面应变问题来近似处理。考虑围岩与结构的共同作用，采用荷载-结构模型平面杆系有限元单元法，结构按底板支撑在弹性地基上的平面框架进行内力分析，采用SAP计算软件计算分析。模型情况见图4-1。

4-1 计算模型

四、计算荷载

5.1 永久作用部分

1）结构自重：简化为沿隧道中心线分布的竖向荷载（q），隧道结构自重标准值可按结构设计尺寸及材料标准重度计算确定。

2）地层压力

竖向压力：计算截面正线隧道的竖向全部土柱重量乘以正线隧道的半宽；

侧向地层抗力：竖向压力乘以侧压力系数；

地基反力：根据基床系数采用弹簧进行模拟。

5.2 可变作用

地面超载的影响：一般可按20kPa计算。

五、荷载计算公式及计算取值

（一）荷载计算公式

1）土压计算公式

根据（太沙基）深埋隧道围岩压力计算隧道荷载[4]。该公式对深浅埋均适用。

隧道顶部垂直压力计算：

水平侧压力按朗金公式计算：

亦即：Ph=aq

b-坑道宽度；

φ-围岩内摩擦角；

a、K-水平侧压力系数；

dht-计算点至坑到顶距离

q-作用在坑道侧壁的垂直压力；

γ-围岩天然容重。

2）水压计算：F=γ h

γ-地下水容重；

h-计算点至水位线距离。

（二）主要荷载取值与计算

1、标准断面计算模型

采用荷载-结构模型平面杆系有限单元法。结构自重由程序考虑，结构计算简图如下：

荷载取值 表6-1

六、 计算结果与分析

计算基本参数为：圈梁混凝土C40厚500mm；主筋净保护层35mm；裂缝验算按《混凝土结构设计规范（GB50010-2010）》的有关规定执行，其中结构允许裂缝最大宽度迎土侧为0.2mm、背土侧为0.3mm。

主体结构内力计算结果

7-1标准组合弯矩图 7-2基本组合弯矩图

7-3标准组合轴力图 7-4 基本组合轴力图

配筋方案 表7-1

计算结果分析：对于埋深小于12m，开洞范围为8.7*5.5（宽*高）洞口，接口处一米范围内二衬采用25@100的HRB400钢筋已能满足开洞范围内结构受力。

为确保施工安全，对施工顺序要求如下：1）暗挖风道交叉口处拱部超前支护，应在正线隧道二衬施工之前完成；2）开洞应在正线隧道二衬施工完成后进行；3）开洞前在区间正洞开洞处范围内安装临时钢梁和竖向支撑，确保开洞时，正洞衬砌结构安全。

参考文献

[1]机械工业勘察设计研究院・ 《西安市地铁三号线一期工程（鱼化寨～国际港务区）

详细勘察阶段 胡家庙～石家街区间岩土工程勘察报告》2011.01

[2]《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）

[3]张正先，黄小许，张原.新旧砼界面连接试验研究[J].华南理工大学学报（自然科学版），2010（10）：81～86.

[4]铁道部第二勘测设计院.《隧道》中国铁道出版社，1995・北京