泥石流明洞计算书.doc

喀什—伊尔克什坦口岸公路建设项目明 洞 计 算 书新疆公路规划勘察设计研究院2010-11-91 概 述1.1工程概况喀什—伊尔克什坦口岸公路设置有4个明洞，主要用于遮挡、引渡公路上边坡山体所产生的泥石流地质灾害其中1号明洞长80m，纵坡为1.61%；2号明洞长30m，纵坡为1.06%；3号明洞长80m，纵坡为1.06%；4号明洞长80m，纵坡为1.92~0.79%4个明洞所处的地质条件相似，即分别位于4个冲沟沟口，岩体为Q2-3形成的砾岩山体，山体陡峻，高差大于300m，山体前缘为坡积群，卵石土堆积，中密，分选中等，磨圆中等，地基承载力基本容许值[fa0]=400-650kPa山体冲沟较密集，冲沟长度一般小于3Km，但沟谷内卵石土堆积且较丰富，丰水季节，雨水汇集快，携带卵石土的冲蚀力强泥石流每年都有发生，水量丰富的年份，泥石流次数和规模都会增加1.2技术标准1）公路等级：二级公路；2）设计速度：60公里/小时；3）建筑限界：限宽10m（1.0＋0.5＋2×3.5＋0.5＋1.0），限高5.0m；4）道路荷载：公路-Ⅱ级1.3计算依据1）《公路隧道设计规范》 （JTG D70－2004）2）《公路工程技术标准》 （JTG B01－2003）3）《公路隧道设计细则》 （JTG/T D70-2010）4）《公路隧道施工技术规范》 （JTGF60－2009）5）《公路路线设计规范》 （JTG D20－2006）6）《混凝土结构设计规范》 （GB50010-2002）7）《地下工程防水技术规范》 （GB 50108－2008）8）《锚杆喷射混凝土砼支护技术规范》 (GB50086-2001)9）《公路工程抗震设计规范》 （JTJ004－89）10）《建筑工程抗震设防分类标准》 （GB50223-2008）11）《建筑抗震设计规范》 （GB50011-2010）12）《公路水泥混凝土路面设计规范》 （JTGD40－2002）13）《公路沥青路面设计规范》 （JTG D50-2006） 14）《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》 （JTJ/T B07-01-2006）15）《公路环境保护设计规范》 （JTG B04-2010）《中华人民共和国工程建设标准强制性条文》（公路工程部分）16）《公路工程基本建设项目设计文件编制办法》 交公路发[2007]358号国家或地方有关部门颁布的其他相关规范、标准和规程2 隧道明洞计算本次计算对象为喀什-伊尔克什坦口岸公路线路4号明洞工程。

该明洞设计用于穿越泥石流地段，洞顶填土上部设置排导坝，用于疏导山洪泥石流明洞设计起点里程K178+960，终点里程K179+040，全长80m明洞所处地层为山前冲积扇群，地势缓倾地基土为圆砾、卵石土，中密，分选中等，磨圆度中等，地基承载力基本容许值[fa0]=400~500kPa为修建该明洞，设计方案采用削坡开挖，锚、网、喷防护，锚杆为φ22砂浆锚杆，长度3m，间距1.5m×1.5m，C20喷射混凝土，φ8钢筋网，网间距20cm×20cm由于削坡高度较大，采用两级坡方式，坡率为1：0.75，如图1所示图1 边坡开挖方案与衬砌断面尺寸根据明洞所处地质、地形条件，结合初步设计方案，本次计算主要以下几个关键性指标进行分析与论证：（1）明洞结构形式；（2）填土高度；（3）配筋；（4）明洞衬砌外侧回填材料与高度（5）地基承载能力；（6）边坡坡率上述（1）～（3）条主要采用荷载-结构法进行分析，（4）～（6）条采用地层-结构法进行计算分析2.1明洞荷载-结构计算2.1.1 计算断面的选取及计算方案根据设计图，明洞衬砌全环采用80cm厚C30钢筋混凝土结构，衬砌净空宽度10.5m，高度8.05m断面形状采用对称行车道路中心线布置。

对明洞结构采用荷载结构法进行内力计算，填土高度按4m计算，另外考虑排导坝截面设计尺寸（图2），泥石流高度为2.5m图2 明洞洞顶排导坝设计图2.1.2 偏压明洞衬砌荷载计算2计算方法根据公路隧道设计规范（JTGD70-2004）附录F与附录G，偏压明洞衬砌结构计算方法如下1） 荷载计算图式存在地面缓坡时，明洞顶部垂直荷载为偏压图式，当填土高度不大时，顶部覆土难以成拱，一般按填土的自重进行计算，其分布图形与地面坡度一致，如图3所示水平荷载一般根据极限破裂角按梯形分布计算，其大小等于垂直压力乘以侧压力系数图3 偏压计算分布图（2）明洞拱圈回填土石垂直压力式中，——明洞结构上任意点的回填土石垂直压力值（kN/m2）；——拱背回填土石重度（kN/m3）；——明洞结构上任意点的土柱高度（m）3）拱圈回填土石侧压力式中，——明洞结构上任意点的侧压力值（kN/m2）；，——符号意义同前；——侧压力系数，按以下两种情况计算：1） 填土坡面向上倾斜时，按无限土体计算，侧压力系数为2） 填土坡面向下倾斜时，按有限土体计算，侧压力系数为式中，——设计填土面坡度角（0）；——拱背回填土石计算摩擦角（0）；——侧压力作用方向与水平线的夹角（0）；——开挖边坡坡率；——回填土石面坡率；——回填土石与开挖边坡面间的摩擦系数；（3）边墙回填土石侧压力式中：——墙背回填土石重度（kN/m3；——边墙计算点换算高度（m），；——墙顶至计算位置的高度（m）；——填土坡面至墙顶的垂直高度（m）；——侧压力系数，按下列三种情况进行计算：1） 填土坡面向上倾斜时，侧压力系数为2） 填土坡面向下倾斜时，侧压力系数为式中，——墙背回填土石计算摩擦角（0）。

2偏压荷载值计算（1）明洞拱圈垂直压力（考虑泥石流条件）当发生泥石流时，明洞衬砌洞顶荷载由两部分构成，分别为泥石流重量与填土自重，则洞顶垂直荷载应等于该两部分荷载之和，即洞顶泥石流排导坝设计如下图所示，其流体截面设计高度为2.5m，取泥石流重度等于20kN/m3，则衬砌拱顶垂直土压力为：==+=22×4+20×2.5=138kPa对于偏压型明洞，拱圈其余各点的垂直土压力可根据埋深由有限元程序自动计算得出，此处不再赘述2）拱圈回填土石侧压力设计填土面坡度为15%，换算成坡面角为=90，取拱背回填土石计算摩擦角=350，侧压力作用方向与水平线夹角==90，开挖边坡坡率=0.75（设计坡率为1：0.75），回填土石面坡率=6.66（设计坡度为15%），回填土石与开挖边坡面间的摩擦系数=0.4，将这些数值代入，则1）填土坡面向上倾斜时，侧压力系数为0.2796262）填土坡面向下倾斜时，侧压力系数为=0.475008明洞结构上任意点的侧压力值根据其埋深按式由有限元程序根据各点埋深自行计算3）边墙回填土石侧压力取=22kN/m3，墙背回填土石计算摩擦角=350，90，则=0.4873251）填土坡面向上倾斜时，侧压力系数为=0.2964252）填土坡面向下倾斜时，侧压力系数为0.250968边墙回填土石侧压力按式由有限元程序根据埋深自动计算。

2.1.3 内力计算结果采用ANSYS有限元软件，取地层弹性抗力为70MPa/m，填土高度为6.5m（4m填土+2.5m泥石流）时明洞衬砌内力计算结果如图4所示a) 轴力（N）b) 弯矩（N×m）c) 剪力（N）图4 内力计算结果由图4可知，在偏压荷载作用下，明洞衬砌结构受力不均，左、右半幅衬砌呈现不对称分布，填土高度较高的右半幅受弯矩、轴力、剪力均较大2.1.4 配筋与裂缝宽度计算2拱顶根据计算结果，隧道拱顶内力标准值分别为：M=400.3kN.m（内侧受拉），N=-529.5KN（受压），V=-69.1KN（一）配筋计算（1）基本资料　结构构件的重要性系数γo＝1.1轴向压力设计值N＝529.5kN　Mx＝400.3kN·mMy＝0kN·m构件的计算长度Lox＝Loy＝3000mm　矩形截面：截面宽度b＝1000mm截面高度h＝800mm　受压区纵向钢筋截面面积As'按ξ＝ξb求得　混凝土的强度等级：C30轴心抗压强度设计值fc＝14.33N/mm　钢筋抗拉强度设计值fy＝300N/mm抗压强度设计值fy'＝300N/mm　弹性模量Es＝200000N/mm相对界限受压区高度ζb＝0.550　纵筋的混凝土保护层厚度c＝50mm全部纵筋最小配筋率ρmin＝0.60%　（2）轴心受压构件验算　1）钢筋混凝土轴心受压构件的稳定系数φ　Lo/b＝Max{Lox/bx,Loy/by}＝Max{3000/800,3000/1000}＝Max{3.8,3}＝3.8≤8，φ＝1.0　2）矩形截面面积A＝b*h＝1000*800＝800000mm　轴压比Uc＝N/(fc*A)＝529500/(14.33*800000)＝0.05　3）纵向钢筋最小截面面积　全部纵向钢筋的最小截面面积As,min＝A*ρmin＝800000*0.60%＝4800mm一侧纵向钢筋最小截面面积As1,min＝A*0.20%＝800000*0.20%＝1600mm4）全部纵向钢筋的截面面积As'按下式求得：　N≤0.9*φ*(fc*A+fy'*As')（混凝土规范式7.3.1）　As'＝[γo*N/(0.9*φ)-fc*A]/(fy'-fc)＝[1.1*529500/(0.9*1)-14.33*800000]/(300-14.33)　＝-37869mm≤As,min＝4800mm，取As'＝As,min　（3）在Mx作用下正截面偏心受压承载力计算　1）初始偏心距ei附加偏心距ea＝Max{20,h/30}＝Max{20,27}＝27mm　轴向压力对截面重心的偏心距：eo＝M/N＝400300000/529500＝756mm　初始偏心距ei＝eo+ea＝756+27＝783mm　2）偏心距增大系数η　当偏压构件的长细比Lo/i＝3000/231＝12.99≤17.5时，可取η＝1.0　3）轴向压力作用点至纵向受拉钢筋的合力点的距离：　e＝η*ei+h/2-a＝1*783+800/2-60＝1123mm　4）为使总用钢量（As+As'）最少，可取混凝土受压区高度　x＝ξb*ho＝0.550*740＝407mm　5）当x≥2a'时，受压区纵筋面积As'按混凝土规范式7.3.4-2求得：　N*e≤α1*fc*b*x*(ho-x/2)+fy'*As'*(ho-as')　Asx'＝[γo*N*e-α1*fc*b*x*(ho-x/2)]/[fy'*(ho-as')]　＝[1.1*529500*1123-1*14.33*1000*407*(740-407/2)]/[300*(740-60)]　＝-12135mm＜As1,min＝1600mm，取Asx'＝1600mm　为充分利用As'，重新计算混凝土受压区高度x　6）混凝土受压区高度x当已知As'，受压区高度x可由混凝土规范式7.3.4-2求得：　N*e≤α1*fc*b*x*(ho-x/2)+fy'*As'*(ho-as')　K＝ho^2-2*[γo*N*e-fy'*As'*(ho-as')]/(α1*fc*b)　＝740^2-2*[1.1*529500*1123-300*1600*(740-60)]/(1*14.33。