某城市过街明挖隧道结构与施工组织
课程设计指导书
武夷学院
土木工程与建筑学院
二零一 四 年 一 月
目录
1 隧道结构设计............................................................................................................ 1
1.1 衬砌结构断面拟定 ....................................................................................... 1 1.2 荷载计算 ....................................................................................................... 1
1.2.1 竖向荷载计算 ................................................................................... 1 1.2.2 水平荷载计算 ................................................................................... 2 1.3 内力计算 ....................................................................................................... 2 1.4 截面验算，确定截面尺寸与钢筋配置 ....................................................... 5
1.4.1 正截面抗弯承载力验算 ................................................................... 5 1.4.2 斜截面抗剪承载力验算 ................................................................... 7 1.4.3 正截面抗压承载力验算 ................................................................... 7
2 基坑支挡结构设计.................................................................................................... 8
1.2 板桩入土深度计算 ....................................................................................... 8 1.2 顶撑计算与选择 ......................................................................................... 10 1.2 板桩厚度计算 ............................................................................................. 10 3 施工方案确定.......................................................................................................... 11 4 施工过程.................................................................................................................. 11
4.1 施工准备 ..................................................................................................... 11 4.2 施工场地布置 ............................................................................................. 12 4.3 土体开挖 ..................................................................................................... 12 4.4 隧道基础处理 ............................................................................................. 12 4.5 隧道构筑施工 ............................................................................................. 12 4.6 隧道防水及基坑回填 ................................................................................. 12 4.7 恢复交通 ..................................................................................................... 13 4.8 隧道内装饰施工 ......................................................................................... 13 5 隧道辅助施工.......................................................................................................... 13
5.1 定位测量，供水，供电，施工场地布置图 ............................................. 13 5.2 施工组织与管理 ......................................................................................... 13 5.3 施工主要工序及循环 ................................................................................. 13 5.4 主要工种与劳动力组织 ............................................................................. 13 5.5 施工进度安排 ............................................................................................. 13 5.6 其他施工措施及说明 ................................................................................. 14
II
1 隧道结构设计
1.1 衬砌结构断面拟定
参考公路箱涵图集拟定衬砌结构断面，如图 1 所示。
图 1
衬砌断面尺寸示意图
取 δ=t=400mm，c1=c2=50mm，h0=3500mm，l0=5100mm。则 l=5500mm，h=3900mm，L=5900mm，H=4300mm。
衬砌采用钢筋混凝土结构。混凝土用 C30 级，自重
γ0=25KN/m3，立方体抗压强度设计值 fc=14.3N/mm2，抗拉强度设
计值 ft=1.43N/mm2。受力钢筋采用 HRB400 级，抗拉强度设计值 fy=360N/mm2，抗压强度设计值 fy′=360N/mm2，构造筋采用 HPB300
级。
1.2 荷载计算
1.2.1 竖向荷载计算
地面超载取
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q0 20 KPa
垂直土压力
q1 i hi 17.5 1.5 18.5 2 20.5 2.1 106.3 KPa
顶板自重
q2 0 25 0.4 10 KPa
顶板压力
qt q0 q1 q2 136.3 KPa
底板压力
25 0.4 3.5 2 0.4 5.9 4 1 / 2 0.05 0.05 S
q q 136.3 159.8
s
t
0
l 5.5
KPa
1.2.2 水平荷载计算
根据朗肯土压力公式计算水平荷载，
顶板处水平压力
es1 (q0 q1 ) tan (45 / 2) 2c tan(45 / 2) (20 106.3)
2
tan (45 32 / 2) 2 45 tan(45 32 / 2) 11.08 KPa
2
底板处水平压力
es1 (q0 q1 q3 ) tan (45 / 2) 2c tan(45 / 2) (20 106.3 20.5 4.3)
2
tan (45 32 / 2) 2 45 tan(45 32 / 2) 16.0 KPa
2
1.3 内力计算
衬砌结构采用对称配筋，使顶板与底板配筋对称，左右墙配筋
对称。
用结构力学求解器进行内力计算，计算简图如图 2 所示。
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计算程序如下：
结点,1,0,0
结点,2,-2.75,0
结点,3,-2.75,3.9
结点,4,0,3.9
单元,1,2,1,1,1,1,1,1
单元,2,3,1,1,1,1,1,1
单元,3,4,1,1,1,1,1,1
结点支承,4,5,90,0,0
结点支承,1,6,90,0,0,0
单元荷载,1,3,1.598e5,0,1,90
单元荷载,3,3,1.363e5,0,1,90
单元荷载,2,5,1.6e4,0,0,0.6,90
单元材料性质,1,3,-1,-1,0,0,-1
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图 2
衬砌结构计算简图
弯矩图、剪力图、轴力图分别见图 3、4、5。
图 3
衬砌结构弯矩图
图 4
衬砌结构剪力图
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图 5
衬砌结构轴力图
1.4 截面验算，确定截面尺寸与钢筋配置
1.4.1 正截面抗弯承载力验算
顶板与底板跨中设计弯矩为 309.46KN·m，支座处设计弯矩为：
205.93 9.61 0.2 204 KN·m。
侧墙设计弯矩为-204KN·m。
混凝土保护层厚度取 as 50 mm，则 h0 350 mm。查表得，
1 1.0 ， b 0.518 。最小配筋率
ft 1.43 ，，max0.2%45max0.2%450 0. 0. min
f y max0.2%，.18%0.2%
360
h
min 0.2% 400 / 350 0.23 %
h0
正截面抗弯设计计算见表 1。
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表 1 正截面抗弯设计计算表
位置
顶板跨中 309.46
顶板支座
204
侧墙外侧
204
设计弯矩 M（KN·m）
s M /(1 f cbh02 )
0.177 0.116 0.116 0.902 0.938 0.938
s (1 1 2 s ) / 2
1 1 2 s
0.196<0.518 0.124<0.518 0.124<0.518
2
计算配筋面积
As M /( f y s h0 ) （mm
2723 1726 1726
）
实配钢筋
25@160 2945
25@250 1964
25@250 1964
实配钢筋面积（mm2）
配筋率 As /(bh0 )
0.84%>0.23% 0.56%>0.23% 0.56%>0.23%
侧墙内侧竖向受力钢筋及水平分布钢筋按构造要求配，选用 φ14 钢筋。根据混凝土结构设计规范（GB50010—2010）9.4.4 条规
定，墙水平和竖向分布钢筋配筋率不宜小于 0.20%，则：
竖向分布筋间距
sh 153.9 /(0.2% 400) 192 mm，取 sh 190 mm。
水平分布钢筋间距
sv 153.9 /(0.2% 400) 192 mm，取 sv 190 mm。
板纵向分布钢筋根据构造配，选用 φ14 钢筋。根据混凝土结构
设计规范（GB50010—2010）9.1.6 条规定，单位宽度内配筋面积不
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宜小于受力方向跨中板底钢筋截面面积的 1/3，则板纵向分布钢筋间
距
s 153.9 3 160 / 490.9 150.4 mm，取 s 150 mm。
1.4.2 斜截面抗剪承载力验算
根据剪力图，板的剪力设计值为 342.8KN。
根据混凝土结构设计规范（GB50010—2010）6.3.3 条规定，
800 h 1.0 （ h0 <800，取 h0 =800），
h0
1/ 4
0.7 h ft bh0 0.7 1.0 1.43 1 350 350.4 KN>V=342.8KN，
故抗剪承载力满足要求。
1.4.3 正截面抗压承载力验算
从轴力图上可以看出，顶板与底板轴力非常小，故仅对侧墙进
行抗压验算即可。侧墙所受轴力设计值为 374.8KN。
e0 M / N 204 / 374.8 0.544 m=544mm
ea 20 mm
e1 e0 ea 564 mm
1 0.2 2.7e1 / h0 0.2 2.7 564 / 350 4.6 1 ，取 1 1
l0 / h 3.9 / 0.4 9.75 15 ，取 2 1.0
2
1 l0 1 3.9
1 2 1 1 11 1.04 e1 h
1400 564 0.4 1400 350 h0
2
e e1 h / 2 as 1.04 564 400 / 2 50 737 mm
s h0 a s) Ne f y A (374800 0.737 270 810 ( 0.35 0.05) 0.120 s 2 1 f cbh 2 1.0 14.3 1 350
0
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1 1 2 s 1 1 2 0.120 0.128 < b 0.518 （满足要求）
100 mm x • h0 0.128 350 45 mm< 2 s
s ) /(1 f cb) (374800 360 1964 270 810) /(1.0 14.3 1000) x (N f y As f y A
60.4 mm< 2 s 100 mm
故不考虑墙内侧钢筋的受压承载力进行验算。
s
Ne 374800 0.737 0.157
1 f cbh02 1.0 14.3 1 3502
1 1 2 s 1 1 2 0.157 0.172 < b 0.518 （满足要求）
x (N f y As ) /(1 f cb) (374800 360 1964) /(1.0 14.3 1000) 75.7 mm
< b h0 0.518 350 181mm（满足要求）
故抗压承载力满足要求。
综上所述，截面配筋满足要求，衬砌结构配筋图见附图。
2 基坑支挡结构设计
基坑采用钢板桩支护。
1.2 板桩入土深度计算
根据验算，取板桩入土深度为 3m。
基坑支护计算简图见图 6
ea1 20 tan (45 42 / 2) 2 10 tan(45 42 / 2) 4.94 KPa
2
（ea2上 20 17.5 1.5） tan (45 42 / 2) 2 10 tan(45 42 / 2)
2
0.26 KPa
2（ea2下 20 17.5 1.5） tan (45 35 / 2) 2 30 tan(45 35 / 2)
18.7 KPa
第 8 页
2
（ea3上 20 17.5 1.5 18.5 2） tan (45 35 / 2) 2 30 tan(45 35 / 2)
8.67 KPa
2（ea3下 20 17.5 1.5 18.5 2） tan (45 32 / 2) 2 45 tan(45 32 / 2)
=-24.3KPa
（ea4上 20 17.5 1.5 18.5 2 20.5 6.7） tan (45 32 / 2) 2 45 tan(45 32 / 2)
2
17.89 KPa
基坑开挖面以下不考虑土的粘聚力，作为安全储备。
2（ea4下 20 17.5 1.5 18.5 2 20.5 6.7） tan (45 32 / 2）=67.78KPa
2（ea5 20 17.5 1.5 18.5 2 20.5 9.7 ）. tan (45 32 / 2) =86.68KPa
e p4 0 KPa
2（e p5 20.5 3） tan (45 32 / 2) 200.16 KPa
取每延米支护结构进行计算。
O 点为设计弯矩零点。
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图 6
基坑支护计算简图
Eac1 231.69 KN， Eac2 25.4 KN， E pc 300.24 KN， hT 9.7 m， hd 3 m，
hp 1m， h1 1.44 , h2 3.95 m
2
220.6 tan (45 32 / 2)
hc 1.12 m 2220.5 [tan (45 32 / 2) tan (45 32 / 2)]
hp1 hd hp hc 3 1 1.12 0.88 m
ha1 hd h1 hc 3 1.44 1.12 0.44 m
ha2 h2 h1 ha1 3.95 1.44 0.44 2.07 m
Tk1
hp1E pc ha2 Eac2 ha1Eac1
hT hc1
0.88 300.24 2.07 25.4 0.44 231.69 9.7 1.12
=19.86KN
hp E pc Tk1 (hT hd ) 1.2 0 (h1Eac1 h2 Eac2 ) 1 300.24 19.86 (9.7 3)
1.2 1.0 (1.44 231.69 3.95 25.4)
=31.7KN·m>0
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满足要求，故钢板桩入土深度取 3m。
1.2 顶撑计算与选择
根据 1.2.1 的计算可知，每延米作用在顶撑上的轴力为
19.86KN。
顶撑选择为 9mm 厚 φ500 的钢管，间距取 5m。
则顶撑的正应力为
19.86 5 1000
14.2 N/mm2 223.14 (250 245.5 )
远远小于钢材的屈服应力，故顶撑满足要求。
1.2 板桩厚度计算
由板桩弯矩图可以看出，最大正弯矩出现在 Eac2 的作用点，则支
护结构所受最大弯矩为
M c Tk1 (hT hd h2 ) 19.86 (9.7 3 3.95) 173.78 KN·m
板桩设计弯矩
M 1.25 0 M c 1.25 1.0 173.78 217.23 KN·m
钢板桩选择 400×125 的热轧 U 型钢板桩，钢材牌号为 Q235 级，
强度设计值为 215N/mm2，每延米板面抗弯刚度为 1340cm3。则
M /W 217.23 1000 /1340 162 N/mm2<215N/mm2
故钢板桩强度满足要求。
3 施工方案确定
采用明挖法施工，将整个隧道分为两部分进行先后施工，以减
少对交通的妨碍。
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基坑围护结构采用 400×125 的 U 型热轧型钢，实行小锁口打入。
打桩时采用机械打入，施工完毕钢板桩进行回收。
施工工艺流程：根据施工图及高程放设沉桩定位线→按定位线
控设沉桩导向槽→整修平整施工机械行走线→沉设围护钢板桩→将
围护钢板桩送至指定标高→挖土→浇筑水泥砂浆垫层→铺防水层→
主体结构施工→填土→拔除钢板桩→路面恢复
4 施工过程
4.1 施工准备
对施工场地进行围挡，设置警告标志、交通导向标志。设计施
工期间临时交通路线。
对施工场地进行清理，管线移位，场地内的树木、绿化带、建
筑物、构筑物进行清理、拆除或搬迁，在施工完成以后按要求恢复。
查找施工场地附近可用的水源、电源、通信网络等，实现通水、
通电、通信。
组织施工设备、人员、材料进入施工场地，为施工做好准备。
4.2 施工场地布置
施工场地布置充分考虑施工作业的空间要求，材料堆放要求，
材料加工车间的空间需要，以及临时生产、生活设施的需要。施工
场地布置见施工场地布置图。
4.3 土体开挖
基坑支护结构施工之后方可进行土体开挖。在基坑的一端进行
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放坡，以利于施工机械出入。用反铲式挖掘机挖土、装土，渣土车
运土至弃渣场。运土过程应注意对环境的保护。
土体开挖到一定高度设置顶撑。
4.4 隧道基础处理
土体开挖至设计标高时，浇筑 300 厚的水泥砂浆垫层。垫层上
设置两毡两油防水层。再进行主体结构施工。
4.5 隧道构筑施工
隧道构筑施工过程，应控制测量精度，使隧道尺寸达到设计要
求。
在隧道中央设置一道变形缝，将隧道分为两部分施工。每段内
浇筑混凝土应连续浇筑，变形缝处做好防水处理。混凝土接缝处设
置施工缝，做好防水。
绑扎钢筋时，应注意勿使钢筋穿透防水层，破坏防水效果。
4.6 隧道防水及基坑回填
防水层施工时要严格按照相关标准，特别注意防水卷材间的搭
接宽度。避免施工过程对防水层的破坏。
基坑回填时应按照相关要求恢复管线等。最终恢复路面。
4.7 恢复交通
施工完毕，路面恢复以后即可恢复交通。撤除标识语、警告牌
等。
4.8 隧道内装饰施工
隧道内部墙、顶进行涂料粉刷，底板采用料石铺面。
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5 隧道辅助施工
5.1 定位测量，供水，供电，施工场地布置图
见施工场地布置图
5.2 施工组织与管理
成立项目部，确定相关管理人员、劳务人员。确定施工工期，
对人员、机械、材料进行管理。
5.3 施工主要工序及循环
钢板桩施工
基坑开挖与架设顶撑
浇筑基础垫层
隧道外防水层施工
主体结构施工
5.4 主要工种与劳动力组织
钢筋工、木工、脚手架工、混凝土工
5.5 施工进度安排
保证按期完工
5.6 其他施工措施及说明
特殊工种凭证上岗。
加强风险意识，及时发现排除危险源。
施工设备经常检修，保证其正常工作。
第 14 页
参考文献
1. 混凝土结构设计规范（GB50010-2010）
2. 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62—2004） 3. 建筑基坑工程技术规范（YB9258——97） 4. 建筑基坑支护结构构造（11SG814）
5. 贺永年，刘志强．隧道工程．徐州：中国矿业大学出版社．2002
6. 陈忠汉，黄书轶，程丽萍．深基坑工程．北京：机械工业出版社．1999
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