东沟隧道18米仰拱栈桥设计方案

东沟隧道仰拱栈桥设计方案与计算书

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四川公路桥梁建设有限公司 郑西高速尧栾段YLTJ-1项目经理部

二0一七年五月

郑州至西峡高速公路尧山至栾川段YLTJ-1合同段 东沟隧道专项施工方案

东沟隧道仰拱栈桥设计方案与验算书

一、 工程概况

1、东沟隧道在位于柳树沟村东沟组附近，为左右分离式隧道。左洞起讫桩号：ZK4+306～K5+937；右洞起讫桩号：K4+319～K5+955。详细情况见下表

工 程 名 称 左洞 右洞 里 程 ZK4+306～K5+937 K4+319～K5+955 长度(m) Ⅲ级 围岩级别(m) Ⅳ级 538/33% 700/42% Ⅴ级 671/41% 669/41% 明洞 35 37 东沟隧道 1631 387/ 23% 1636 230/14% 2、东沟隧道地属伏牛山系，海拔高程320-450m,山势陡峭，河沟纵横，进口交通条件较差，出口交通条件较好,小里程至大里程为2.2%上坡。

3、东沟隧道设计为双向四车道隧道，采用的主要技术标准如下： （1）道路等级：山岭区高速公路； （2）设计行车速度：100Km/h；

（3）地震：隧址区内地震动峰值加速度为0.05g，地震基本烈度Ⅵ度。

（4）隧道建筑限界：隧道净宽：0.75+0.75+2×3.75+1+1=11m；隧道净高：5m。 4、该段隧道地质条件较复杂，受断层破碎带影响，隧道中可能出现涌水、突泥、塌方、滑坡等危险。隧道围岩等级主要为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级，初期支护为网喷混凝土、锚杆、型钢钢架组成，Ⅳ、Ⅴ级围岩地段型钢钢架、墙、仰拱全环安设，每0.6～1m一榀。二次衬砌采用C30防水混凝土，防水等级为P8。

二、仰拱栈桥设计方案

东沟隧道洞口、浅埋段及Ⅴ级围岩段采用环形开挖预留核心土法施工，Ⅳ级围岩采用上下台阶法施工，Ⅲ级围岩采用全断面开挖施工。出渣采用无轨运输，仰拱超前衬砌，二衬施工采用一次全幅灌注方式，一次灌注长度12 m，距开挖掌子面40～100 m。为解决仰拱施工与开挖运输作业面的干扰，采用仰拱栈桥来保证仰拱施工时运输道路的通畅。

1、 仰拱栈桥设计

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（1）行走车辆的情况

在衬砌前，通过仰拱栈桥的主要施工机械、车辆为ZL50装载机、红岩金刚自卸汽车、砼运输车，小松PC240挖掘机等，其自重、宽度等基本参数见表1。

表1主要施工机械车辆状况

设备名称 ZL50装载机 红岩自卸车 砼运输车 PC240挖掘机 （2）荷载的确定 根据表1，以红岩金刚自卸汽车重载时作为仰拱栈桥的验算荷载，其前桥重量12t，后桥重量为28 t。

（3）宽度及每片梁的工字钢数量

仰拱栈桥的单片宽度1.25m，中心距离2.15 m,为达到仰拱栈桥的宽度，考虑每片梁采用5组I40a工字钢组成，工字钢的间距为13.5cm,总宽为1.25m。 （4）仰拱栈桥长度

根据每次二初浇筑长度，确定仰拱栈桥的长度为18m，计划每次捡底12m，每段的搭接长度2m。 （5） 最不利荷载布置

当红岩金刚自卸汽车的第一个后轮位于过轨梁中间时，为弯距最不利荷载，前轮与后轮的间距为3500mm,两个后轮的间距为1300mm，前轮重6T,两后轮分别重7t的荷载作用在单片梁上，梁的长度为9m。其受力简图为：

空载重量 （t） 16.36 12.5 13.35 23.1 重载重量 （t） 21.36 40 25 25 行走宽度 （mm） 2780 2500 2498 2980 轮胎宽度 （cm） 59.69 28.32 28.32 轮距净宽 （mm） 2160 1860 1860

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当红岩金刚自卸汽车的第二个后轮位于过轨梁梁端时，为剪力最不利荷载，前轮与后轮的间距为3500mm,两个后轮的间距为1300mm，前轮重6T,两后轮分别重7t的荷载作用在单片梁上，梁的长度为9m。其受力简图为：

2、受力验算

（1）单片梁的最大弯矩

单片梁由5根I40a工字钢拼成,由5根工字钢共同承受汽车荷载,则：

P1=6000x9.8=58.8KN P2=7000x9.8=68.6KN

查《公路桥涵计算手册》I40a工字钢,其每延米重量为67.6kg/m,即q=0.662KN/m，由工字钢自重产生的弯距示意图为：

由汽车荷载产生的弯矩包络图为：

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可以看出由由工字钢自重产生的最大弯矩为：

M重=ql2/8=0.662×142/8=16.22KN.m

汽车荷载产生的跨中最大弯矩为：

M汽=538.51KN.m

单片梁跨中最大弯矩为:

Mmax= M重+ M汽=16.22+538.51=554.73 KN.m

（2）单片梁的最大剪力

由工字钢自重产生的剪力为：

Q重=ql/2=0.662×14/2=4.634KN

由汽车荷载产生的梁端最大剪力为：

Q汽=P1(14-3.5-1.3)/14+P2(14-1.3)/14+P2=58.8×9.2/14+68.6×

12.7/14+68.6=169.47KN

单根工字钢承受的最大剪力为:

Q= Q重+ Q汽/5=4.634+169.47/5=38.528 KN （2）工字钢的强度验算

根据最大弯矩得出工字钢最大应力，即：σ=Mmax／Wx，Wx为工钢截面抵抗矩，查《公路桥涵计算手册》知单根I40a工字钢的载面抵抗矩为：Wx=1085.7cm3 ，5根工字钢的最大应力为：

σ=Mmax/Wx=(554.73x106)/(5x1085.7x103)=102MPa<215 MPa

工字钢的材料为Q235，其抗拉强度为215MPa,可知工字钢的最大应力小于其抗拉强度，安全系数为2.1，符合要求。 （3）工字钢的剪应力验算

查《公路桥涵计算手册》可知I40a工字钢

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Ix=21714cm4 Sx=631.2cm3

Ix/ Sx=34.4cm d=10.5mm 故根据栈桥纵梁最大剪应力，并据此校核剪应力强度

?max?Q?Sxmax38.528?631.2??10.7MPa?????125MPa满足要求。

?x?d21714?10.5（4）栈桥挠度验算

将两后轮合并成简化成一个集中荷载，则后轮产生的最大挠度为：

fmaxPl368.6?2?105?143???34mm<[f]?548EI48?2.1?10?21714?5?L?14?1000?56mm ?250??250??前轮引起的最大挠度为：

fmaxPl358.8?105?143???15mm<[f]?548EI48?2.1?10?21714?5?L?14?1000?56mm ?250??250??挠度满足要求。 （5）工字钢的确定

由计算可知，使用5片I40a工字钢，满足施工要求。

三、仰拱栈桥加工

每幅仰拱栈桥由两片梁板组成，每片梁板由5根I40a工字钢焊接而成，梁长18 m，工字钢间距13.5 cm，每两根I40a工字钢中间每隔100cm用I20a工字钢焊接联接成一个整体。I40a工字钢顶面满焊间距为10cm的C22钢筋。具体设计图见图1、图2。

图1 仰拱栈桥梁板断面图

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图2仰拱栈桥梁侧面图