输水隧道设计计算书二年七月批准:审核：校核：编写:1 设计计算依据 12设计原则 13结构设计检算原则 14设计计算范围 45计算模式及材料参数 45.1计算模式 45.2地层参数 55.3支护材料参数 56 荷载计算 57隧道结构检算 87.1按承载能力极限状态的隧道结构安全性检算 87.1.1初支结构安全性检算 87.1.2工况一下衬砌结构安全性检算 127.1.3工况二下衬砌结构安全性检算 167.1.4工况三下衬砌结构安全性检算 207.1.5工况四下衬砌结构安全性检算 247.2按正常使用极限状态的长期组合效应下衬砌结构裂缝检算 278 结论及建议 331设计计算依据(1) 《水工隧道设计规范》DL/T 5195-2004(2) 《水工混凝土计规范》DL/T 5057-1996(3) 《水工建筑物荷载设计规范》DL5077-1997(4) 《水工建筑物抗震设计规范》DL5073-2000(5) 《水利水电工程结构可靠度设计统一规范》GB50199(6) 《锚杆喷射混凝土支护技术规范》GB50086(7) 《水利水电工程地质勘察规范》GB50287(8) 《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》DL/T 5099(9) 《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》DL/T 5148(10) 《水电站进水口设计规范》SD303(11) 地勘报告2设计原则(1) 区间隧道设计应满足城市规划、隧道使用、施工工艺的要求，同时应尽可能 减小对周边环境、地面交通的影响，减少建筑物的拆迁和管线的改移。
2) 结构设计应满足城市规划、输水功能、施工、防水、防腐蚀等要求，结构在 施工和使用区间应具有足够的强度、刚度、稳定性和足够的耐久性；(3) 区间隧道内净空尺寸应满足输水量、设备布置、施工工艺等要求，并考虑施 工误差、结构变形、测量误差等影响4) 根据地质条件、区位环境、周边建筑及管线、道路交通等情况，合理选择施 工方法和结构形式，尽量减少施工期间和建成后对环境造成的不利影响5) 结构按抗震设防烈度7度进行抗震验算，并在结构设计中采取相应的抗震构 造措施，提高结构的整体抗震性能；(6 )结构防水应满足国家颁布的有关地下工程防水技术规范的规定3结构设计检算原则结构设计考虑持久状况，按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计1) 按承载能力极限状态设计时，应考虑下列两种作用(荷载)效应组合：① 基本组合：由永久和可变作用效应组合② 偶然荷载：由永久、可变加地震荷载偶然作用效应组合按承载能力极限状态计算时所采用的荷载效应组合如表3-1表3-1承载能力极限状态作用（荷载）效应组合表设计状况作用组合主要考虑情况作用类别岩石 压力衬砌 自重内水 压力地震 何载持久状况基本组合正常水位情况（工况一）1)2)3)-水位不、可控情况（工况二）1)2)5)-短暂状况基本组合隧洞放空检修情况（工况三）1)2)--偶然状况偶然组合正常水位情况+地震荷载（工况四）1)2)3)6)注：①表中数字含义参见表3-3；②上表适用于二衬结构检算时荷载组合，而在对初期支护进行 安全性检算时，不包括内水压力作用分项。
表3-3作用（荷载）分类及其分项系数表作用分类作用名称作用分项系数永久作用1）围岩压力1.0 (0.0)2）衬砌自重1.1 (0.9)可变作用3）正常水位时的内水压力1.14）最低水位时的内水压力1.15）不能控制其水位时的内水压力1.2偶然作用6）地震引起土体和结构的惯性力1.0注1：表中内水压力分项系数取值根据DL/T5057-1966附录B.0.2注2：除经专门论证，否则，当作用效应对结构有力时，作用分项系数取表中第三栏括号内的 数字2）按正常使用极限状态设计时，应考虑下列两种作用效应组合:① 短期组合，可变作用的短期效应与永久作用效应的组合② 长期组合，可变作用的长期效应与永久作用效应的组合按正常使用极限状态计算时所采用的荷载效应组合如表3-2表3-2正常使用极限状态作用（荷载）效应组合表设计状况作用组合主要考虑情况作用类别及分项系数岩石压力衬砌自重内水压力持久状况基本组合正常水位情况（工况五）1.01.01.0（3）承载能力极限状态计算公式① 对基本组合，采用下列极限状态表达式Y WS（ G ,丫 Q，以）＜ —R（f，以） （3-1）0 G k Q k k ^ d k式中:Y 0 ——结构重要性系数，本隧道对应于结构安全级别为III级，重要性系数取 0.9。
W ——设计状况系数，对应于持久状况、短暂状况、偶然状况，可分别取用S(・)R(・)1.0、0.95、0.85—作用效应函数； 一支护的抗力函数;Yg——永久作用分项系数，按表3-3选用;Y Q——可变作用分项系数，按表3-3选用;Gk ——永久作用标准值，计算；Qk ——可变作用标准值，计算；参照《水工建筑物荷载计算规范》(DL5077-1997)参照《水工建筑物荷载计算规范》(DL5077-1997)C20喷射混凝土轴心抗压强度设计值取10.0MPa,-材料强度设计值，C30浇筑混凝土轴心抗压强度设计值取20.0MPa；气——支护几何参数，取衬砌厚度0.45m；Y d ——结构系数，钢筋混凝土衬砌取1.20；对钢筋混凝土结构，根据水工混凝土结构设计规范(D5057-1 )相关规定进行检 算，具体表达如式(3-2)和式(3-3)所示，结合结构重要性系数和设计状况系数，分别对 结构轴力和弯矩进行检算N < — Ibx + f A -c A )Y c yd(3-2)1 Ne < -Yd(x )^fbxh——+ f' A n — a' /c〔02 ；y S 0 ss s s(3-3)式中各变量含义详见水工混凝土结构设计规范(D5057-1)。
②对偶然组合，应采用下列极限状态设计表达式G ,丫 Q , A，以)< —R(f，以)G k Q k k k Y d k(3-4)式中：Ak ——偶然作用代表值结构的轴力和弯矩计算方法同上4) 正常使用极限状态验算规定：① 对短期组合，应采用下列设计表达式Y S(G , pQ , f ,侦)< C (3-5)0 s k k k k 1② 对长期组合应采用下列设计表达式Y S(G , pQ , f ,a )< C (3-6)0 1 k k k k 2式中：C1，C2——衬砌开裂宽度限值，长期组合时取0.25mm，短期组合时取0.30mm；fk——材料强度标准值，C30浇筑混凝土轴心抗拉强度取2.0MPa；Ss( - )、S1(-)——作用效应短期组合和长期组合的功能函数；p ——可变作用标准值的长期组合系数，本标准规定取1.0其他变量含义同前计算中裂缝宽度计算公式如下式(3-7)和(3-8)所示w = 2］气 w— 0.7 x 10-4 \ (3-7)max E fI s 7W = 1 — a -L^ (3-8)s式7、8中变量含义详见《水工隧道设计规范》(DL/T 5195-2004)附录G.8.2。
4设计计算范围石家庄市民心河二期工程——桥西明渠水系工程(南段)ZK1〜ZK3暗挖隧道 隧道结构采用双衬结构，初衬为25cm厚的C20喷射混凝土，二衬为45cm厚的C30 钢筋混凝土主要计算内容为隧道埋深最大处(ZK3附近)断面二衬结构内力(轴力、 弯矩)和裂缝宽度5计算模式及材料参数5.1计算模式隧道工程建筑物是埋置于地层中的结构物，它的受力和变形与围岩密切相关，支 护结构与围岩作为一个统一的受力体系相互约束，共同工作这种共同作用正是地下 结构与地面结构的主要区别根据本工程浅埋及松散地层的特点，采用“荷载一结构” 模式，即将支护和围岩分开考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护 结构的弹性支承支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约束来 实现的计算荷载考虑永久荷载、可变荷载和偶然荷载永久荷载包括围岩松动压力、结 构自重，可变荷载为上游正常水位情况下隧道内部的内水压力，偶然荷载为地震引起 的结构惯性力考虑地层对结构的弹性抗力5.2地层参数隧道洞身主要处于粉质粘土中，隧道上部土层厚度及参数如表5-1表5-1 土层物理力学参数表地层参数层厚/m容重Y/(kN • m-3)摩擦角0/ °粘聚力c/kPa弹性模量E/MPa弹性抗力系数K/（MPa • m-1）填土1.017.5----黄土状粉土5.018.521.140.69.9100粉土3.519.025.340.112.87100粉质粘土6.519.618.572.510.731005.3支护材料参数支护材料的主要物理力学指标如表5-2所示。
表5-2支护材料的主要物理力学指标支护材料弹性模量E/GPa泊松比P摩擦角 0 / °粘聚力c/MPa容重Y/(kN • m-3)C20喷射混凝土210.2——22C30模筑混凝土310.2——23注：钢筋混凝土容重按25 kN/m3取值6荷载计算（1）永久作用（荷载）包括围岩松动压力、衬砌自重①围岩松动压力计算：作用在单位长度隧道上的垂直土压力标准值可按下式计算：F = K yH D （6-1）式中：Fsk——隧道垂直土压力标准值（kN/m）；y 土层的容重（kN/m3）；Hd——隧道顶以上填土高度（m），为9.95m；D1 隧道宽度(m),为5.4m；Ks——埋管垂直土压力系数，与地基刚度有关，取1.08F sk =1.08X(1.0X17.5+5.0X18.5+3.5X19.0+0.45X19.6)X5.4=1080.8单位宽度上松动压力标准值为：0^=200.148 (kN/m2)②作用在单位长度上埋管的侧向土压力标准值可按下式计算：F = KyH D (6-2)式中：Ftk——埋管侧向土压力标准值(kN/m)；H0——埋管中心线以上填土高度(m),为69.9-56.7=13.2m；Dd 埋管高度(m),为7.0m；Kt——侧向土压力系数，K= tg 2〔45。
§中一一土层似摩擦角，取35 °tg2 450.27Fk =0.27 X(1.0X 17.5+5.0 X 18。