地下建筑结构设计课程设计.doc

目 录

1 绪 论 3
1.1 引言 3
1.2 设计任务 3
1.2.1 工程概况 3
1.2.2 地形地貌 3
1.2.3 工程地质、水文地质 4
1.2.4 规划区西侧调查 4
2 设计依据及规划思想 6
2.1 设计依据 6
2.2 设计思想 6
3 管片衬砌报告 7
3.1 隧道功能 7
3.2 设计条件 7
3.2.1 管片条件 7
2.3.2 场地条件 7
3.3 荷载的计算 8
3.3.1 静荷载 8
3.3.2 隧道底部静载荷反作用力： 8
3.3.3 隧道拱部垂直压力： 8
3.3.4 隧道底部垂直压力： 8
3.3.5 隧道拱部侧压力： 8
3.3.6 隧道底部侧压力 8
3.3.7 地基反作用力位移 9
3.3.8 反作用力 9
3.4 内力计算 9
3.5 计算配筋 11
3.5.1 根据管片内力计算配筋及校核 11
3.52 用计算系数法计算管片受最大正弯矩： 11
3.5.3 最大负弯矩管片外侧配筋 12
3.6 验算衬砌管片的安全性 13
3.6.1 验算管片在顶部最大轴向力作用处安全性 13
3.6.2 验算最大剪力处截面最小尺寸 13
3.6.3 配置箍筋验算 13
3.7 验算连接缝 14
3.7.1 连接的抵抗弯矩 15
3.7.2 验算盾构千斤顶的推力是否符合要求 15
3.7.3 截面A，截面B安全性校核 17
3.7.3.1 截面A受正弯矩和轴向力 17
3.7.3.2 截面B，承受符号弯矩和轴向力 18
4 基坑降水设计 19
4.1 降水工程概况 19
4.1.1 基坑平面位置 19
4.1.2 设计依据 19
4.1.3 设计原则 19
4.2 基坑尺寸确定 19
4.2.1 基坑的深度 19
4.2.2 基坑的平面尺寸 20
4.3 降水计算 20
4.3.1 工程地质及水文地质资料 20
4.3.2 降水设计与计算 20
5 基坑土钉墙支护设计报告 22
5.1 概述 22
5.1.1. 设计原则： 22
5.2. 设计方法和步骤： 23
5.2.1 计算土层参数。 23
5.2.2 计算土压力。 23
5.2.3 计算土钉受拉荷载标准值。 24
5.2.4 设计土钉参数。 24
5.2.5 设计土钉抗拉承载力设计值。 26
5.2.6 验算。 26
结 论 28
本次课程设计任务量汇总 29
致 谢 30
参考文献 31
附图一：规划区地下空间调查图
附图二：地下一层平面图
附图三：地下二层平面图
附图四: 地下三层平面图
附图五：三维立体图

1 绪 论
1.1 引言
随着我们生活水平的提高，人们对于生活的空间的需要变的越来越紧张，尤其是在地面和上部空间开发已趋于饱和的大城市，城市空间价值激增，这对大众化的市民生活造成了很多不便。为了解决这种情况给大家带来的困难，更为了城市能够向着多层次、立体化的现代化、综合性城市发展，地下空间的开发与利用就成了城市整体规划的重中之重。中关村位于北京市海淀区，被称为中国的硅谷。这里是全国电子产品交易、软件开发的中心，客流量之大已经不是地面空间所能承受的。为了该地区经济能够更快、更健康的发展，开发其地下空间就有了其必然性。
1.2 设计任务
本次设计是针对中关村西区现在交通拥挤，地下空间未得到有效利用而对北颐路中关村段局部规划区地下空间的一次全方位立体的设计。通过对该地区的已有地下空间进行调查得出了具体的规划方案，并且通过对该区域工程地质、水文地质及周边环境条件进行研究，对其中的出入口基坑的降水和支护工程和隧道盾构的管片衬砌工程进行了详细的结构设计。
1.2.1 工程概况
北颐路中关村段局部地下空间规划设计工程其范围东起中关村大街，西至理想国际大厦淀中街，北以北四环路为界，南临海淀北二街，在其内修筑一个三层的较大规模地下建筑物，
本次三层地下综合体的规划建设，旨在通过连通中关村西区重要建筑群东西向主要街道的地下空间，并分层多方面的提供各种服务，使中关村地区实现了立体交通、人车分流，各建筑物地上、地下均可贯通，并建设一定规模的地下商业中心。
本次设计线路由于穿越的市中心区，街道狭窄，交通繁忙，道路两侧高楼林立，本身地下空间已经经过很大开发，并且要和正在建设的地铁四号线连接，因此设计、施工难度大。
本工程具体结构设计主要包括位于本次降水的基坑位于中芯大厦和鼎好大厦二期工地间的善缘街北侧的基坑的降水和支护的设计，降水根据工程地质和水文地质条件选择了管井降水的方法，支护选择了桩锚支护结构。从海淀北一街从理想国际大厦至鼎好二期工程东侧地铁站一段主体结构通过盾构掘进技术开挖，采取单一管片衬砌为主的衬砌方式。
1.2.2 地形地貌
北京位于华北平原的西北部，地势西北高东北低，山区约占全市面积的60%，平原约占38%，平原区系各大河流形成的一系列冲洪积扇联合堆积而成，以永定河和潮白河堆积为主。
北京市区西、北和东北三面环山，东、南河东南面为开阔的平原区，地貌自西部山前向东部平原由冲洪积扇顶部向中部和下部过渡，地层岩性构成碎石土、砂土渐变为以粘性土为主的交互地层。
北京地区的地质格局是新生代地壳构造运动形成的，其特点是以断裂和断裂控制的断块活动为主要特征，新生代活动的断裂主要有北北东—北东向和北西—东西向两组。断裂分布多集中成带，组成了北北东—北东和北西向的断裂构造带，大部分断裂为正断裂，并在不同程度上控制着新生代不同时期发育的断陷盆地。
本设计区段场区位于中关村西区原海淀镇一带，其地貌为冲积平原地貌，土层以第四纪冲洪积土层为主。拟建场地地势平坦，建筑场地不存在影响建筑整体稳定性的不良地质作用。
1.2.3 工程地质、水文地质
拟建场地地层条件较差，为含水量低的淤泥质土，地层主要物理力学参数如表2-1所示，地下水属潜水。
表1-1 土层主要物理力学指标
土层编号及名称
层厚
h(m)
容重

压缩模量
Ｅ(MPa)
含 水 量
ω (%)
粘聚力
Ｃ(kPa)
内摩擦角
φ/（）
渗透系数
k（m/d）
①填 土
1.3

②粉 质 粘 土
1.6
18.8
4.41
32.7
11
14.5
5.6E-8
③淤泥质粉质粘土
3.7
17.5
3.32
46.3
10
12.1
2.05E-5
④淤 泥 质 粘土
9.9
17.7
2.23
49.8
9
7.1
4.058E-6
1.2.4 规划区西侧调查
理想国际大厦：坐落于中关村西区核心地带，理想国际大厦建筑结构为框架剪力墙结构，楼体高度总共地上18层，楼高约75m。地下空间各层使用功能概述如下:
地下一层为员工餐厅、邮局、超市等设施。地下二层到四层为停车场，每层层高净高为3.5m。四层地下室均有电梯和楼梯相连，楼梯直通室外，电梯可以和上部相连，停车场跑道有两个出入口，位置分布位于东南和西南，出入口外侧总宽度为5.9m，限高3.0m。

图1 中关村现已规划的地下空间调查图（详细尺寸见CAD图）
辉煌时代和普天大厦：两座大楼并排与海淀北一街两侧，地下空间四层全部作为停车库，每层层高为3.5m。
鼎好大厦：鼎好主要是从事电子产品的经营，上部有16层，地下空间共有五层。

楼层具体的利用情况主要为：一层为地下商场，主要是经营电子产品和快餐业、地下二层主要是维修和办公部门；地下三层主要是水电管理部门、地下车库；地下四层主要是地下仓库；地下五层为设备库房，各层高均为4m。
鼎好大厦二期：功能同一期。地下层数同一期。
海龙大厦：海龙大厦处于中关村最繁华地段，东临街为车行主干道，车行人流密集，公交站牌较密,滞留人员较多，交通压力较大。其西面即为鼎好大楼和鼎好二期,两者间车行人流不是很多,但货物入库比较频繁。
海龙大厦上部建筑为18层，大厦已较好地开发地下空间。地下室分为三层：一层为停车库,车库面积与上部建筑面积一样，高度约为5.1m，停车库入口位于大厦的西面。地下室二层亦为停车库，高度约为3.6m。地下三层为工程部，配电室及库房等，层高较高约为5.6m，库房处于中间部位，不同公司的库房多以铁网分隔，工程部和配电室等布置于四周，各部门与库房间用通道连接。
科贸电子城：地下分为三层，地下一层为商场，二、三层为地下车库，层高均为3.5m。
建筑结构尺寸数据见CAD图。

2 设计依据及规划思想
2.1 设计依据
1)《地下地铁设计规范》（GB50157-92）
2)《地下地铁工程施工及验收规范》（GB50299-1999）
3)《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）
4)《混凝土结构设计规范》（CB50108-2001）
5)《地下工程防水技术规范》（CB50108-2001）
6)《钢结构设计规范》（GBJ17-88）
7)《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）
8)《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）
9) 《人民防空工程设计规范》（GB50225-95）
10)《地铁隧道设计规范》（TB10003-2001 J117-2001）
11)《铁路工程抗震设计规范》（GBJ111-87）
12)《建筑基坑工程技术规范》（YB9258-97）
13)《建筑基坑支护技术规范》（JGJ120-99）
14)《钢筋混凝土结构设计与施工规范》（CECS28: 90）
2.2 设计思想
中关村作为中国的硅谷，代表着我国电子软件技术的开发水平，是全国电子信息产业的中心。由于城市地面和上部空间的开发趋于饱和，在这个有着大量人流和商业的中心地点，开发其地下空间便有了其必然性。正是基于这一必然性，我们有了对其地下空间进行规划设计的想法。地下建筑的规划与设计要本着安全可靠、技术可行、经济合理的原则进行。
根据实地的调查资料，考虑到要将该区域的几座标志性建筑如：鼎好电子商城、海龙电子商城、理想国际大厦、科贸电子城等建筑连成能够相互交流的整体，我们将这次规划的地下商业街的主街选在了海淀区北一街的地下，这条主街西起理想国际大厦，东至科贸电子城北，全长700左右，另外考虑到方便人流进出和缓解地面交通压力，在海淀中街和善缘街的地下设计两条地下商业辅街，北至四环路边，在其两侧设置出口，接收四环路公交车站的人流。大大减少了规划区内的交通压力。在地下主街与中关村大街、中关村大街地铁的交叉地带设置一个大型的地下中转站，其作用主要是实现中关村北一街地铁和中关村大街地铁的交通联系；人们做地铁这种便捷的交通工具能够在不出地面的情况下便能方便的进入规划区域的地下街从而大大缓解该区的地面交通压力；其大面积可同时作为地下商场。地下街与建筑物的地下室通过修建通道进行连接，主要是一、三层。
地下街共三层，第一层为人员轻型货物流动层，在该层主要是实现商业交易和人们步行交通。两边设置为走道，中间设置店铺、服务设施等。地下二层为地铁运营，由于其所在规划区较短，故只在其与中关村大街地铁相交的部分设置出入口，和此处的大型中转站相连。地下三层为货物储藏室，为了尽可能的利用地下空间，不采用隔墙结构，设计采用柱体承载。该层储室与相邻的建筑物地下室也要设连接通道，方便货物的存取。

3 管片衬砌报告
3.1 隧道功能
隧道计划用于地铁。
3.2 设计条件
3.2.1 管片条件
管片类型：平面型；
管片外径：D＝5000mm；
管片宽度：B＝1000mm；
形心半径：RC＝2350mm；
管片厚度：t＝300mm；
管片的横截面积：A=100×30=3000cm2
管片单位重度：＝26kN/m3
管片弹性模量：E＝3.90×107kN/m2；
管片截面惯性矩：I＝5.33×10-4m4；
混凝土标准强度：=42MN/m2；
混凝土允许抗压强度：＝5.8MN/m2；
钢筋允许抗拉强度：＝200MN/m2；
混凝土抗弯刚度有效系数：＝1.0；
混凝土弯矩增大率：＝0.0
螺栓允许强度：＝240MN/m2；
2.3.2 场地条件
土壤条件：淤质泥土；
土的各项物理力学指标见表1-1
土的单位浮重度：＝17.9 kN/m3；
土的侧压力系数：=0.5；

超载：=10 kN/m2；
上部土层厚度：=6m；
潜水位：地面水平线以下1.3 m；
HW＝6-1.3＝4.7 m；
反作用系数：根据图层侧压力系数K0决定
K0=0.5；
地基反力系数：=2 MN/m3；
水的单位重度：=10 MN/m2；
盾构千斤顶轴推力：=1000 kN×10
3.3 荷载的计算
3.3.1 静荷载
设钢筋混凝土管片单位重度=26 kN/m2 ，则
g＝=g=24.492 kN/m2
3.3.2 隧道底部静载荷反作用力：
=g=24.492 kN/m2
3.3.3 隧道拱部垂直压力：
=6×17.9=117.4 kN/m2
3.3.4 隧道底部垂直压力：
=141.892 kN/m2
3.3.5 隧道拱部侧压力：
=60.04 kN/m2
3.3.6 隧道底部侧压力
=102.11 kN/m2
3.3.7 地基反作用力位移
=1.66×10-3 kN/m2
3.3.8 反作用力
==2×103×1.66×10-3=3.32 kN/m2
3.4 内力计算
采用弹性方程法计算内力，水压力被认为是垂直均布荷载和水平均布荷载的组合。管片在地下建筑中起着隔绝外部环境以及承担外力的作用，对其进行合理的外力计算尤其重要。我们在计算管环截面内力时
涉及到的各种参数如下：
混凝土弹性模量：=3.9×107；
弹性模量比：=5.8；
抗弯刚度的有效率: ＝1.0；
弯矩增大率:=0.0；
管片的截面积: =3000 cm2；
管片截面的惯性矩：= 2.25×10-3m4。
根据弹性方程法，弹性方程法设计模型见图3—1。
弹性方程法计算内力公式见表3—1。
荷载
弯矩/
轴力/
剪力/
垂直方向均载

侧向均载

侧向三角形变化荷载

侧向地基反作用力
（）
0≤θ≤

0≤θ≤

0≤θ≤

静荷载（g）

0≤θ≤

≤θ≤

0≤θ≤

≤θ≤

0≤θ≤

≤θ≤

弹簧的侧向位移（）

管片其他角度使用惯用计算法计算弯矩 轴力和剪力的过程同上，计算过程略去，其结
果如表3—2所示。
表3—2 衬砌管片的内力

0

10
64.42
174.40
-21.14
20
51.86
186.34
-39.40
30
32.84
204.45
-52.33
40
9.90
226.34
-58.28
50
-13.93
249.23
-56.66
60
-35.62
270.32
-48.04
70
-52.58
287.39
-33.88
80
-62.93
299.02
-16.19
90
-65.67
304.68
2.83
100
-59.98
303.98
25.21
110
-48.29
296.34
41.70
120
-30.71
283.42
53.06
130
-9.54
267.38
58.09
140
12.58
250.48
56.44
150
33.03
234.80
48.50
160
49.50
222.16
35.39
170
60.15
213.99
18.63
180
63.83
211.17
0.00

3.5 计算配筋
3.5.1 根据管片内力计算配筋及校核
混凝土采用C50，钢筋采用 HRB335钢筋，环境类别为二级，查混凝土表4-4，得混凝土保护层厚度为20mm，混凝土及钢筋的一下参数如下
=23.1 N/mm2
=1.89 N/mm2
==300 N/mm2
3.52 用计算系数法计算管片受最大正弯矩：
采用计算系数法计算管片受最大正弯矩，M+max =68.81kN/m2时，内侧管片配筋查《混凝土结构》表4—5，，查表4—6 =0.55，取=35 mm
= =
0.043<=0.55

可以。
为安全和经济取配筋率为50%。
=0.5℅×1000×265=1325mm2
取422钢筋，=1520 mm2
==1×0.55×=4.2℅>0.5℅
3.5.3 最大负弯矩管片外侧配筋
管片受最大负弯矩Mmax=-65.67kN/m2时管片外侧配筋
= ≈0.040
=1-=0.041<0.55 故可以
=0.5（1+ ）=0.980
= =842.90
= =0.318℅<0.32
取=0.5℅×1000×265=1325mm2，取422=1520mm2
由正负弯矩绝对值相差较小，为了便于施工费用经济，故采用对称配筋，也选用422钢筋

3-1 管片箍筋配筋图
3.6 验算衬砌管片的安全性
3.6.1 验算管片在顶部最大轴向力作用处安全性
Nmax=304.68kN
管片长度=2m，=2，查《钢筋混凝土结构》表6-1，
Nmax故满足轴向力拉压强度
3.6.2 验算最大剪力处截面最小尺寸
=58.28kN
==265mm
∴ 应满足
其中==1.0
0.25=1530.4=58.28kN
3.6.3 配置箍筋验算
0.7=0.7×1.89×1000×265
≈350.6>58.28
故只需按构造配置箍筋，应满足
=0.24×=0.24×=0.15℅

选用钢筋HRB335，箍筋间距为200，采用四支筋
≥=0.15℅

≥
d≥
d≥9.77
取10
2350×2×3.141592610≈7.4根，采用8根10的钢筋，间距为200
3.7 验算连接缝
当内力为N=0时，受压区峰值纤维与中和轴线的距离。
X=
=57.2=5.72

==117.2961
≈117.30
——当钢筋应力达到200时管片抵抗弯矩
其中200是钢筋允许最大拉强度

=1273.60

=min(,)==117.2961
3.7.1 连接的抵抗弯矩
X——当内力N=0是，受压区峰值纤维与中和轴线的距离
X=
n=5.8 b=1000mm d=265mm =606
则有：

≈39.79
=3.979=0.003979
——钢筋应力达到240是连接的抵抗弯矩，240是螺栓的允许应力
——=

=75.12
——=
=606×10-6
=36.607
=min（，）==75.12
连接缝的抵抗弯矩应该不小于管片自身抵抗弯矩的60℅
≈63.9℅>60℅满足要求
3.7.2 验算盾构千斤顶的推力是否符合要求
e:一个盾构千斤顶的中心推力与衬砌管片中心的偏心距，
e=1cm
p：每个盾构千斤顶的推力
p=1000
：相邻两个千斤顶的距离

=100
:盾构千斤顶的数量
=15片
t=管片厚度， t=300mm
B=定位板中心弧长
≈0.884m
A——作用在衬砌表面管片上的一个千斤顶推力机的接触面积。
A=Bt=0.884×0.3=0.2658m2
≈0.0020
：混凝土最大应力
=

=3707×105+7.5×105
=45.2×105
=4.52≤=15×1.65=24.75

图3-2 管片和盾构千斤顶推力

3.7.3 截面A，截面B安全性校核
计算公式如下：
= +n（）
式中：——等效之后的管片截面积，
——管片实际面积
，

=
——等效截面惯性矩，
：实际截面惯性矩

：钢筋与中轴的间距 ，
3.7.3.1 截面A受正弯矩和轴向力
=0.0
(1+ ）

e偏心距
=40.42>1.928
=1×0.3=0.3
=+n（）
=0.317632

等效截面惯性矩：
=

混凝土最大压力

混凝土最大拉应力：

由几何图得钢筋应力

3.7.3.2 截面B，承受符号弯矩和轴向力
-（1+）
N=304.68
E=21.56>1.928

图3-3 管片衬砌临界断面应力分布
截面A和B均安全。

4 基坑降水设计
4.1 降水工程概况
本次降水的基坑位于理想大厦西南角，地下水位1.5m，地下多为含水量低的淤泥质土，但是基坑范围较大，为了施工方便需要开挖前现进行降水。
4.1.1 基坑平面位置
中关村西区地下空间规划区域西起理想国际大厦，东至科贸电子城，平面图见附图。要求地下一层（B1）为用于轻型货物流动及地下步行街；二层（B2）用于地铁运输；三层（B3）用于货物储藏。
4.1.2 设计依据
1）《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-99）。
2）《简明地下结构设计施工资料集成》，中国电力出版社，2005年版。
3）《土力学》，中国建筑工业出版社，2005年版。
4）《地下建筑结构设计》，清华大学出版社，2007年版
4.1.3 设计原则
1）在达到降水目的的情况下抽出的水量最小。
2）降水井点的合理性间距。
3）方案施工工艺成熟，与施工水平相适应。
4）主体降水一次性成功，有补救措施，同时要预测降水所需时间及出水量，并作后果分析预测降水病害。
4.2 基坑尺寸确定
4.2.1 基坑的深度
本降水设计报告中所选基坑为B3层物流储藏层。深度为=17m 。由地面至B3层的剖面
图4-1轻型井点降低地下水位全貌图
4.2.2 基坑的平面尺寸
基坑各边开挖时会各向外超挖,所以基坑的最终平面尺寸为15m×10m.
4.3 降水计算
4.3.1 工程地质及水文地质资料
拟建场地地层条件较差，为含水量低的淤泥质土，地层主要物理力学参数见表，地下水属潜水，地下水位-1.3m。
表4-1 场地地层参数表
土层
层厚
(m)
重度
(kN/m3)
j
(°)
C
(kPa)
渗透系数
(cm/s)
杂填土
2.8
19
10
16.5

粉细砂
1.7
20
28
0
18
砂质粉土
1.6
20
20
15
8
卵石
3.3
20
35
0
80
细砂
1.8
20
31
0
20
卵石
9.3
20
40
0
80
4.3.2 降水设计与计算
由表4-1，降水深度范围内土层的渗透系数很大，适宜用管井降水。
采用潜水完整井。各降水参数如下图所示。

图4-2 降水计算各参数示意图
由图4-3，潜水层含水层厚度=16.7+1.5+1.5+1=20.7；
设计降深=（17-1.3）+1=16.7m；
矩形基坑的等效半径R的确定

---基坑长度
F---基坑面积
加权平均后的降水范围内土层的渗透系数
;
降水影响半径=2=2×16.7×=493.65m;
所以，基坑涌水量

管井出水量的确定
由规范查知轻型管井单井出水量为（1.5～2.5）m3/h，所以根据经验设置12个轻型管井。

5 基坑土钉墙支护设计报告
5.1 概述
近几年来，随着城市的发展，市政建筑密度越来越大，用地越来越紧张，施工场地日益狭小，而且建筑规模日益高大，基坑的开挖深度也会越来越深。如何既安全又经济的支护深基坑，成为工程中越来越重要的问题。
为了解决深基坑和地下工程，特别是狭窄场地施工时的基坑边坡稳定问题，土钉墙技术得到了应用和发展。
土钉支护技术是在二十世纪七十年代发展起来的用于基坑边坡加固的一种新型挡土技术，土钉支护是以土钉作为主要受力构件的边坡支护技术，它由密集的土钉群，被加固的原位土体，喷射混凝土面层和必要的防水系统组成。土钉是用来加固或同时锚固现场原位土体的细长杆件。通常采用土中钻孔，放入变形钢筋并沿孔全长注浆的方法做成。土钉依靠与土体之间的界面黏结力或摩擦力，在土体发生变形的条件下被动受力，并主要承担拉力作用。土钉也可采用钢管，角钢等作为钉体，采用直接击入的方法置入土中。土钉墙的特点是利用现场天然土用作重力的挡土墙本身，它是基于新奥法原理发展而来的，属柔性支护。在自然土体当中，土体的抗剪强度，抗拉强度都较低，但土体具有一定的结构完整性。因而自然土只能以较小的临界高度保持直立。而当土坡深度超过临界或坡面有较大超载及环境等因素改变的时候，都会引起土坡的失稳。在这个时候一般有两种处理方案：(1) 采用支挡结构承受侧压力并限制其变形发展。（2）主动制约的支挡体系，土钉墙就属于这种体系，土钉墙技术是在土体内放置一定长度和分布密度的土钉体，与土体牢固结合而共同工作，形成符合体，以补土体自身强度的不足并发挥土钉的作用，通过互相作用，土体自身结构强度潜力得到充分的发挥，改变了边坡变形和破坏形态，显著提高土坡坡体自身稳定性。并在可能出现破坏时，土体不会发生突发性滑动坍塌，减少了施工中的风险，提高了安全度。
土钉墙支护与传统支护方法相比，具有工期短，造价低，施工简单，应用方便等特点。土钉墙施工的设备比较轻便，在施工现场受限，无法使用大型，重型施工机具时，土钉技术更能体现出其独特的优越性；土钉墙的施工不占用单独作业时间，随着土方工程的进行而进行，做到随挖随支护，一旦开挖完成了，土钉墙就完成了。
5.1.1. 设计原则：
根据《基坑土钉支护技术规程》各部件参数之规定，土钉各部件尺寸可参考以下数据：
1. 土钉钢筋采用HRB335或HRB400热轧变形钢筋，直径在16~32mm范围。
2. 土钉孔径在70~120mm之间，注浆强度等级一般不低于10Mpa，3d不低于6Mpa。
3. 土钉长度l与基坑深度H之比对于非饱和土宜为0.6~1.2，密实砂土和坚硬粘土低值，软塑粘性土不应小于1.0。
4. 土钉的水平和竖直间距和宜为1~2m，在饱和粘性土中可小到1m；在干硬粘性土中可超过2m。此外，沿面层布置的土钉密度不应低于每6m2一根。
5. 喷射混凝土面层的厚度在50~150mm范围内，混凝土强度等级不低于C20，3d强度不低于10Mpa，面层内设置钢筋网，钢筋φ6~10mm，间距150~300mm，当面层厚度大于120mm时，宜设置两层钢筋网。
6. 土钉钻孔的向下倾角在5°~20°之间。
7. 土钉支护的喷射混凝土面层宜插入基坑底部以下，插入深度不少于0.2m，在基坑
顶部也宜设置宽度为1~2m的喷射混凝土护顶。
5.2. 设计方法和步骤：
5.2.1 计算土层参数。
确定基坑深度，各土层粘聚力的加权平均值，各土层内摩擦角的加权平均值，各土层容重的加权平均值。

式中：——各土层粘聚力的加权平均值，kN；
——各土层内摩擦角的加权平均值，（°）；
——各土层容重的加权平均值kN/；
——第 层土的厚度，m；
——第层土的粘聚力，kN；
——第层土的内摩擦角，（°）；
——第层土的容重, 。
5.2.2 计算土压力。
土钉墙受土压力宜按梯形分布计算。（总的土压力）为，之和（，分别为土体自重产生的压力和地表均布荷载产生的土压力）。
由土层参数，根据公式：
的求法：
对于砂土和粉土：

式中：H——基坑深度，m；

——各土层粘聚力的加权平均值, ；
——各土层内摩擦角的加权平均值，（°）；
——各土层容重的加权平均值, ；
——土体自重产生的土压力，；
——主动土压力系数。
的求法：

式中：q——地表均布荷载, ；
——地表均布荷载产生的土压力，。

式中：——总的土压力，。
5.2.3 计算土钉受拉荷载标准值。

——土钉受拉荷载标准值，;
，——土钉的水平和竖直间距，；
——土钉与水平倾斜角度，（°）。
5.2.4 设计土钉参数。
土钉直径设计：根据规范土钉钢筋采用HRB335或HRB400热轧变形钢筋，直径在16~32mm范围，又由土钉所受拉力荷载标准值,从而确定土钉直径，得：

如选用HRB335钢筋（）

d 0.026=26
式中：——土钉局部稳定性安全系数，取1.2~1.4，基坑深度大时取大值；
——土钉直径, ；
——钢筋抗拉强度，
土钉长度设计：

图5-1 确定土钉长度简图
按照《土钉支护设计与施工手册》中对于土钉长度的规定：

式中： ——自由段长度，土钉轴线与下图所示倾角等于（）斜线的交点至土钉外端点的距离，m；对于分层土体，值根据各层土的值按其层厚加权的平均值算出；
——锚固段长度, ；
——土钉孔径，；
——土钉与土体间的界面黏结强度，
土层滑动面角度为45度+0.5×，其中为各层土的加权平均值，但是在计算土钉长度时，为了保证土钉的插入长度大于滑裂面的最大宽度，的值应该去最小即7.1度。
表5-1 各类土体与土钉之间的界面粘结强度
土类
（kPa）
填土
16―20
粉质粘土
65―100
淤泥质粉质粘土
20
淤泥质土
15

自由段长度值
由此可以得出，
表5-2 每层土中土钉的自由锻长度设计值
土类
自由段长度（ m ）
填土
44.50
粉质粘土
10.01
淤泥质粉质粘土
40.04
淤泥质土
53.39
锚固段长度设计值
再由公式（ 1 ）推导出，如下表（其中，土钉从距离地表1m开始插入，每间隔1m插入一根，共计16种类型的土钉，设编号分别为1-16）：
表5-3 各类土钉的锚固段设计值
土钉号
锚固段长度（ m ）
1
10.025
2
9.378
3
8.732
4
8.08
5
7.44
6
6.79
7
6.15
8
5.50
9
4.85
10
4.21
11
356
12
2.91
13
2.26
14
1.62
15
0.97
16
0.32

5.2.5 设计土钉抗拉承载力设计值。
=201.82
——土钉抗拉抗力分项系数，取1.3；
——每层土中自由段长度设计值，见表1；
D——土钉直径;
5.2.6 验算。
1. 土钉的安全等级设为一级， 单根土钉应满足公式

——基坑侧壁重要性系数；
经过计算，172.89≤T＝201.82
满足规范要求
2. 整体性验算可以根据重力式挡土墙，即如下
（1） 抗倾覆验算：
取挡土墙长度方向上1延米计算，为土压力三角形分布图的面积，即总的土压力，具体如下：

——抗倾覆安全系数，一般要求不小于1.2；B为支护墙的宽度，m;
W——支护墙自重，KN; ,为被、主动土压力的合力，Kpa;
——主动土压力合力作用线距离墙底的距离。
得出
=5.1 =1551.45 =1.91
=1.91≥1.2
所以满足设计要求。
（2） 抗滑验算
抗滑验算指墙体沿支护墙底面的抗滑动验算，其验算公式为

——墙底抗滑安全系数，一般要求不小于1.2；c、为墙底土层的粘聚力；计算出:
=18.53＞1.2
满足设计要求。

结 论
本次设计对针对中关村西区现在交通拥挤，地下空间为得到有效利用而对北颐路和中关村段局部规划区地下空间的一次全方位立体的设计。通过对该地区的已有地下空间进行调查得出了具体的规划方案，并且通过对该区域工程地质，水文地质及周边环境条件进行研究，对其中的出入口的坑基的降水和支护工程和隧道盾构的管片衬砌工程进行了详细的结构设计。
（1）地下空间规划结论：
通过对本规划区进行地下空间的调查并同方案比选确定规划结论为中关村西区地下空间综合多动能街道规划范围东起中关村大街，西至理想国际大厦淀中街，北以四环路为结，南临海淀北二街，规划主一街，位于海淀北一街下部。本次规划的综合多功能街道是一种较大规模底下建筑物，它覆盖地下五层左右深度以上所有地面街道以下可利用空间，并充分连接临近中关村西区重要建筑物地下空间。分为人行商业通道开发，中关村区域地铁线开发，储藏用房开发及设备控制开发三部分。即在城市道路下创建了综合管廊，地下空间开发，地铁隧道三位一体的地下综合构筑物模式。
（2）基坑降水设计结论：
降水的场地面积是15m×10m，场地主要为砂卵石层，且地下水位较低，布孔方式根据场地特点，沿周边布置，且沿角点加密，布井总数是12个。
根据场地的土层渗透参数选定采用降水方法采用管井降水，根据钻井情况是潜水完整井并进行计算后有关的参数及数据证明设计合理，降水后可以保证地下水不影响基坑开挖的正常进行。管井采用铸铁管，水泵类型选择根据本次地下静水水位，井的出水量，水位降等因素综合考虑选择11台1-BA-6B型离水泵。
（3）土钉护设计结论：
选用HRB335钢筋，土钉直径为26mm，土钉孔径为70mm，与水平向下倾角为10°，土钉的水平和竖直间距和宜为1m，根据土压力计算土钉长度，经验算，设计符合要求。
（4）盾构管片衬砌结论：
本次设计管片衬砌采用错缝拼装。管片选择C50钢筋混凝土平板形管片，坑渗等级不小于S10，衬砌环的厚度定为300mm，管片外径为5000mm。环宽1000mm，管片的楔形量平分为两部分，对称设置与楔形环的两侧环面。
最终本次设计结论：
方案合理，，结构安全，满足设计要求。
本次课程设计任务量汇总

盾构管片衬砌设计计算及报告
宋建军01105118 卢国清01105134
刘德帅01105128

基坑降水设计计算及报告

李 松01105131 李智凯01105121

基坑支护结构设计计算及报告

李兆兴01105113 张亚超01105123

CAD图（平面图、三维图）的绘制

宋建军01105118 卢国清01