精品城市地铁盾构法区间隧道的设计.docx
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精品城市地铁盾构法区间隧道的设计
城市地铁盾构法区间隧道的设计
第一章
工程概况
越—三区间属于广州地铁二号线工程的的北段,由越秀公园站—火车站、火车站—三元里站两个双孔区间隧道和两个联络通道及泵房组成。
工程起于越秀区的地铁越秀公园站,向北下穿人民北路、环市西路到达地铁广州火车站;然后,线路从地下穿过广州火车站南站房等建筑群向西北延伸,最后下穿广花路到达地铁三元里站。
区间全长3926单线延米,曲线半径为600m和400m两种。
区间纵坡均为“v”形坡,最大坡度为30‰,最小竖曲线半径为3000m。
线路沿线地形起伏较大,隧道最小覆土厚度为9m,最大覆土厚度为26m。
第二章工程地质和水文地质
区间的地层岩性在上部为:
人工填土层,流塑—软塑状淤积层,海陆交互淤积层,冲、洪积砂层,冲、洪积土层,残积土层。
下部为:
全风化、强风化、中等风化和微风化带的泥质粉砂岩。
区间隧道穿越地层大部分是岩层,少部分为残积土层和断裂破碎带。
隧道所处的地层为上软下硬,软硬岩互层现象特征明显。
本段地下水主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水两种。
第四系孔隙水主要赋存在淤泥质砂层和冲积—洪积砂层内。
基岩裂隙水多属承压水,但富水性较小,透水性多较弱。
第三章隧道设计
第1节主要设计标准
（1）结构的安全等级为一级。
（2）区间隧道的抗震按7度设计,人防按6级考虑。
（3）防水标准:
隧道整体为二级;隧道上半部A级;隧道下半部、洞门及联络通道B级。
（4）结构最大裂缝允许宽度:
管片内侧0.3mm,外侧0.2mm。
（5）地表沉隆控制标准:
-30/+10mm;建筑物倾斜控制标准:
框架结构2‰,砖混结构1.5‰。
（6）线形控制允差:
设计拟合轴线与理论轴线允差≤10mm（个别情况允许为20mm）;掘进轴线与设计轴线允差≤70mm。
（7）衬砌结构变形:
直径变形≤1‰D（D为隧道外径）;环缝张开<2mm;纵缝张开<3mm;
第2节盾构隧道线路的拟合
3.2.1 衬砌环的组合形式
为了满足缓和曲线、圆曲线以及施工纠偏的需要,盾构隧道实际是通过一定组合的直线衬砌环来拟合理论曲线,拟合曲线应满足拟合允差要求。
因此,转弯环（有一定锥度的楔形环）是必须的。
衬砌环的组合形式一般有三种:
①标准环+左、右转弯环;
②左、右转弯环;③万能管片。
由于①施工难度小,故选用标准环+左、右转弯环的组合形式。
3.2.2 转弯环的主要参数的确定
（1）模具数量。
根据越—三区间的曲线长度的比例,施工进度,确定需要的管片模具数量为:
4套标准环+1套左转弯环+1套右转弯环。
（2）拟合比例。
区间有两种半径的曲线,分别是R600和R400。
由于越—三区间曲线长度较大,为了最大利用转弯环,R400地段的标准环和转弯环的数量取比例为1∶1。
（3）楔形量。
转弯环的楔形量采用下式计算:
δ={[（m/n）S+S′）]×D÷（R+D/2）}×（m+n）÷（m+ncosφ）
式中:
δ———楔形量;
S、S′———分别是标准衬砌环、楔形环的最大宽度;
m、n———曲线上标准衬砌环、楔形衬砌环的总数量;
φ———错缝拼装时封顶块的偏转角度;
D、R———管片的外直径、隧道中线的曲线半径。
将越—三区间的线路要素、管片参数代入上式,求得其楔形量为50mm。
31213 设计线路拟合误差
根据管片的几何参数,对R400半径的曲线进行了线路排版拟合计算,其结果表明线路拟合误差一般在10mm之内,最大偏差值为16.4mm。
管片几何参数满足线路拟合允差标准。
第3节管片构造形式
31311 管片内径
管片的内径为Á5400mm,是根据下列条件确定的:
①圆形隧道的建筑限界是Á5200mm的圆;②根据地铁一号线的经验,盾构施工误差和隧道的后期沉降可以控制在100mm之内。
31312 衬砌环的分块
目前,对于中等直径的地铁隧道管片,衬砌环的分块数一般采用3个标准块+2个邻接块+1个小封顶块的组合形式。
这种多分块形式便于运输,拼装容易、灵活。
管片分块的大小一般是由盾构机的千斤顶的数量、封顶块的插入形式确定。
越—三区间的标准块为72°,邻接块为64.5°,封顶块为15°。
31313 管片宽度
国内地铁的盾构管片宽度一般为1.0m,1.2m两种。
管片宽度大的主要优点是:
①每循环的掘进长度大,施工效率提高。
②隧道的环向接缝减少,防水效果好。
从提高施工效率,降低管片接头数量,提高防水的可靠性考虑,最后确定选用1.5m的管片,这在国内是首次。
31314 衬砌环接缝方式
管片的拼装方式有通缝和错缝两种。
前者在管片制作、拼装上较后者更易于实施,因此,国内上海地铁从开始到最近一直大量采用。
我们选择错缝拼装的形式主要是基于以下几点:
①成环管片间的接缝形式不再是“十”字形,而成为“T”形,没有了纵向通缝,增强了结构的整体性。
②由于错缝拼装,管片通过接缝将内力传递给相临环,管片抗变形能力增强,提高了防水效果。
③通缝拼装的管片一般只能提供一种楔形环,而错缝拼装时,可以提供几种不同锥度的楔形环,使得管片选型余地更大,线路的拟合更容易、精确,防水效果更好。
31315 封顶块的插入方式
封顶块的插入方法受盾构机千斤顶行程、管片宽度、施工操作误差影响,它决定封顶块的尺寸大小,是管片细部设计的关键。
封顶块的插入方式对设计和施工影响很大,合理的插入方式决定了封顶块的稳定性、管片安装操作性。
插入方式有三种:
①径向插入;②纵向插入;③径向插入结合纵向插入。
方式③结合了前二者的优点,故选择这种插入方式。
具体方法是:
封顶块管片先纵向搭接4/5管片长度,再径向推上,最后纵向插入成环。
31316 接缝的构造
管片的接缝有设榫槽和不设榫槽两种,前者在软土地层能提高管片的安装精度,有利于控制变形。
结合广州地层较硬特点,若采用接缝设榫槽将会导致接缝处易开裂,这种开裂发生在管片背面将是看不见且无法修补的。
因此,管片环、纵缝均不设榫槽。
31317 连接形式
管片之间采用弯螺栓连接,优点是:
操作简单,工艺成熟,螺栓手孔对管片削弱小。
第4节管片结构设计
31411 计算模型
结构计算模型为修正惯用设计法,它是修正了管片接头对内力的影响的均质圆环计算方法。
计算时,采用按折减后的管片刚度ηEI（η为抗弯刚度有效率）代替EI进行计算。
考虑到管片错缝拼装影响进行内力大小,在计算结果中引入弯距加大率ξ修正内力。
计算简图和内力调整方法见图1。
η、ξ为经验数值,一般按0.6≤η≤0.8,0.3≤ξ≤0.5取值。
图1 修正惯用设计法计算简图
31412 计算荷载
根据隧道所处地层不同,选取不同的计算工况计算,取最不利计算工况作为结构配筋的依据。
主要设计荷载为水土压力,地层抗力按三角形分布计算。
土荷载采用太沙基（Terzaghi）土压公式计算。
越—三区间荷载的控制工况为地质较差的残积土层。
31413 计算结果
圆形隧道内力见图2。
计算结果表明隧道的拱顶内力为最不利截面,裂缝控制结构的配筋。
管片混凝土强度等级为C50,钢筋采用一、二级钢筋。
第5节管片防水设计
3.5.1 防水原则
防水原则是“以防为主,多道设防,因地制宜,综合治理”。
以高抗渗标号的自身防水混凝土为根本,管片接缝防水为关键。
3.5.2 防水措施
（1）衬砌外注浆防水。
衬砌管片与天然土体之间存在环形空隙,通过同步注浆与二次注浆充填空隙,形成第一道外围防水
图2 圆形隧道内力图（每延米）
层。
同步注浆在管片拼装完成后进行,二次注浆通过管片注浆孔补强。
注浆材料采用水泥砂浆,目的是使注浆体尽快凝固稳定,减少管片变形。
为了增强浆液的流动性,掺入了外加剂膨润土。
注浆量为1.3～1.5倍的管片外环形空隙,注浆压力为0.1～0.3MPa。
（2）管片自防水。
管片为高标号预制混凝土,采用蒸汽养护,其抗渗标号为S12。
（3）管片接缝防水的第一道防线:
弹性密封垫。
接缝防水的成功与否是整个工程的成败的关键。
管片接缝防水设计首先要选定合适工程特点的弹性密封垫。
考虑国内的遇水膨胀橡胶硫化加工技术较成熟等因素,选择了遇水膨胀橡胶作为接缝防水的材料。
区间最大静水压约为0.2MPa,接缝设计水压按3倍的静水水压即0.6MPa考虑。
（4）管片接缝防水的第二道防线:
嵌缝防水。
在洞门段30m、联络通道两侧各8～10m处等变形量大的衬砌环段进行整环嵌填,其余区段则在拱顶45°范围和拱底90°范围内嵌填的。
嵌缝材料采用氯丁胶乳水泥,它与混凝土结合面采用界面处理剂进行处理。
第6节联络通道和洞门设计
3.6.1 联络通道
联络通道采用洞内矿山法施工,衬砌形式为复合式衬砌。
每处联络通道左右线由4环特殊衬砌环组成。
每环特殊衬砌环由4块混凝土管片和2块钢管片组成,钢管片设在联络通道洞口处,拆卸方便。
钢管片为高精度机加工钢结构。
3.6.2 洞门
在区间的两端设现浇混凝土洞门圈,设置洞门圈的目的是将车站结构和混凝土管片连接为整体,有利于区间和车站的节点处的防水。
洞门的长度根据区间长度和管片宽度确定,且≥300mm。
第四章结论与建议
（1）广州地铁区间地层具有上软下硬,隧道地基承载力较好的特点。
隧道的衬砌环采用环间、块间不设榫槽的平板型管片,采用错缝拼装的组装,弯螺栓连接等构造形式。
其施工操作方便,管片的变形在合理的范围内,实践证明这种构造形式是合适的。
（2）设计采用标准衬砌环拟合区间直线线路,但在施工时曾试对部分直线线路采用左右转弯换交替拼装拟合的成功,消除原来封顶块设在隧道底部影响施工安全的担心。
这说明采用左右转弯环或万能管片的组合形式来拟合直线线路是没有问题的,但前提条件是盾构机的管片选型系统应有较高的自动化程度。
（3）盾构施工的一个优点是快速掘进,越—三区间在国内首次采用1.5m的大宽度管片,使得其掘进速度达到单洞掘进405m/月的国内历史水平。
1.5m的大宽度管片应用是成功的,值得推广。
从施工情况来看,1.5m的管片在中等直径的地铁隧道已经到了宽度极限。
要进一步提高掘进速度,从设计方面,今后应着眼于采用拼装速度快的斜螺栓连接方法的研究。
（4）管片接缝防水是防水的关键和重点,越—三区间设计时,对管片的接缝防水作了专门的试验研究,然后才用于工程实践,防水效果达到设计要求,防水措施是成功的。
（5）在管片结构设计中如何结合地层特征、装配式结构的特点选用合适的计算模型,是值得深入研究的问题。
今后应在管片的接头实验方面多做研究,为结构设计提供依据。
（6）盾构隧道是自动化程度较高的先进技术,管片设计时只有做到与盾构机、管片模具制造等专业密切配合,才能做出合理的管片设计。
（7）盾构技术在国外已发展到大直径、多圆盾构等新技术的应用。
当前,我国盾构技术还处于一个起步和推广的阶段,随着我国基础设施建设日益频繁,盾构隧道会越来越多。
遗憾的是,我国在盾构隧道设计方面还没有国家技术标准和规范可遵循。
因此,建议有关部门对这一技术深入研究,尽快制定相关的设计、施工规范,以推动盾构法在我国的蓬勃发展。
参考文献:
[1] 潘昌实1盾构隧道衬砌设计指南（草案）[J].世界隧道,1997,02.
城市地铁隧道工作面开挖的地层应力分布规律
摘 要：
基于深圳地铁实测资料，系统地分析了隧道：
工作面开挖的地层应力分布特征，揭示了城市地铁隧道上：
作面围岩应力重分布的规律，提出了浅埋隧道围岩应力的分区概念。
关键词：
隧道工程：
城市地铁隧道；地层应力；分布特征
1 引言
采用浅埋暗挖法开挖城市地铁隧道，其应力临测相对其变形观测较少，尤其是用来完整分析地层应力分布的量测资料十分匮乏。
因此，城市地铁隧道工作面开挖的地层应力分布规律的系统研究，对地铁隧道的结构设计、施工等具有重要意义。
本文利用深圳地铁隧道现场测试资料，拟对城市地铁隧道开挖的地层应力分布规律进行研究。
2 测试断面的工程概况
针对深圳地铁浅埋暗挖法部分标段，如双洞双线隧道的5，6和13标及单洞重叠线隧道的3A和3C标，地表沉降相对较大。
本文选取6和3A标作为重点观测研究对象，其他标段由施工方配合观测。
2.16标段测试断面概况测试断面里程为左SK5+070。
双线隧道中心线距为13m。
隧道埋深为9.8m，上覆地层依次为素填土、中砂、粘土和砂质粘性土。
其中富水砂层厚度为4.0m，相对隔水层厚度为2.2m。
地下水埋深为2.5m，断面为马蹄形（6.5mx6.6m（宽×高））。
初期支护为φ22mm格栅钢架+φ6mm钢筋网（150mm~150mm）+250mm厚C20喷射混凝土；超前支护为φ32mm~3.25mm短注浆双排小导管，其布置布置在拱部150°范围。
施工采用台阶法，台阶（核心土地）长度为8m。
2.23A标段测试断面概况
测试断面里程为SKi+487.5。
隧道埋深为13m，上覆地层依次为素填土、软土、中砂、砾砂和粉质粘土。
其中富水砂砾层厚度为5m，相对隔水层厚度为2．6m。
地下水埋深为1．5m。
断面为直墙拱形（6.8m×l3m（宽×高））。
初期支护为φ25mm格栅钢架+φ8mm钢筋网（150mnl~150mm）+300mm厚C20喷射混凝土。
超前支扩采用注浆小管棚φ76mm~5mm加注浆小导管φ42mm~4mm，其布置范围为拱部。
施工采用4步台阶法，3个台阶均设临时横撑。
3 现场测试内容与测点布置
围岩应力测试包括：
（1）超前小导管应变测试；
（2）围岩与初期支护接触应力测试；（3）孔隙水压力测试；（4）初期支护结构内力测试；（5）拱脚接触应力测试。
超前小导管应变测试采用胶基箔式3mmX5mm应变片；接触应力采用1.0MPa土压力盒：
孔隙水压力采用0.2MPa钢弦式压力计；结构内力采用钢弦式钢筋计。
超前小导管应变测点布置是取φ32mm×2.5m的小导管，上、下对称布点各5个，安装在拱顶和拱腰处（设置3根补偿管）。
6标段应力测点布置见图1。
3A标段应力测点布置基本同6标，但因是重叠隧道，故测点数目有所增加。
图1 6标段应力测点布置
4 工作面开挖的围岩应力变化
4.1围岩径向接触应力分布规律
6标段各测点围岩径向应力历时变化趋势见图2。
图2 6标各测点围岩径向应力历时变化趋势
图2中横坐标观测时间的正号表示已封闭成环，负号表示未封闭，以下同。
由所测的围岩径向应力并结合3A，3C（与3A紧邻，工程条件相同）等标段的实测资料可得，其应力分布规律如下：
（1）拱腰和仰拱处的围岩径向应力较大：
而拱顶与仰拱底处的围岩径向应力均较小，相比较而言，最小值产生在两侧墙，其大小排序为P抑拱>P拱部P>边墙；
（2）对双线隧道，由于右线开挖影响，在仰拱部位，总的表现特征是仰拱右侧处的径向应力大于其左侧；（3）3A标段断面的径向应力较6标为大，原因为3A标设临时仰拱且断面下部分处于风化岩上，围岩变形相对较小，故由“地层-支护”特征曲线可知，其必然导致径向应力大；（4）在结构未封闭成环之前，拱部变形过大，实测应力值较小，随时间延长，初期支护结构刚度及强度提高，其支护抗力逐渐增大，反映为围岩施加于支护的径向应力也随之变大，这符合“地层-支护”特征曲线的原理；（5）拱部压力在下台阶开挖至断面里程时，开挖边墙前后的压力值产生了较大的改变。
此时，拱顶压力增大，而两拱腰却稍有下降。
随下半断面支护结构的施作，整体刚度提高，拱部压力存在一个“平台”（压力大小不变）或“卸荷”（压力略有下降）现象，随整个支护结构的应力调整和再分配，拱部压力又重新进入一个缓慢增长直至稳定的过程；（6）边墙与仰拱处的压力变化趋势基本相同，不同的是断面封闭成环后，随着结构的逐步稳定，应力的调整和再分配，仰拱的压力值增长速率相对较大，从而使仰拱部位承受了较大的围岩压力。
4.2孔隙水压力分布特征
孔隙水压力的历时曲线见图3。
由图3以及在3A，3C标等的量测资料可知，孔隙水压力的分布特征为：
（1）初期支护未封闭成环前，孔隙水压力随工作面推进有降低的趋势，表明工作面处的孔隙水压力为最小值，而随着断面的封闭，孔隙水压力逐渐增加，至一定值后渐趋稳定；
（2）拱顶部位孔隙水压力为负值，表明该处土体处于松驰状态，为剪性张拉区；（3）仰拱处的孔隙水压力为最大，其次为下台阶的右下侧和左下侧：
（4）孔隙水压力分布与围岩径向应力分布特征基本类似。
图3 孔隙水压力的历时曲线
4.3初期支护格栅钢架结构内力
由所测的格栅钢架主筋的截面轴力和弯矩的变化趋势通过结构简化而计算，见图4和5。
由图4，5可知，
（1）在观测断面安装后7d（开挖工作面距测试断面1.39D），初期支护的上半断面轴力，在封闭后符号变异。
封闭成环后，上、下断面的截面轴力有增加的趋势，然后呈稳定态势且拱部略有下降。
（2）上半断面结构的轴力在刚安装时为压力，其后变为拉力。
拱部轴力在封闭成环后，变为压力，两拱腰也由受拉变为受压；下半断面左右两边墙以及仰拱两侧轴力均为压力，而在仰拱底处由开始的拉拉逐渐趋变为压力状态。
上述特征与设计的整个结构断面皆受压不相一致。
（3）结构所受弯矩的分布状态为：
在封闭成环后，除仰拱部以及侧墙为内侧受拉外，其他实测的结果均与设计值不同。
（4）相比较而言，上半断面承受了较大的轴力和弯矩，说明上半断面的支护结构为主要承受部位。
图4 初次支扩结构截面轴力变化趋势
图5 初次支护结构截面弯矩变化趋势
4.4超前支护体应力
对超前小导管的应力分析采用拉（压）弯组合，以拱腰小导管为例，其拉（压）应变及弯曲应变在不同开挖长度时，实测应变沿小导管长度的变化趋势见图6，7。
图6 小导管的拉、压应变的变化趋势
图7 小导管的弯曲应变的变化趋势
由图6，7及其他小导管的应变测试资料可得，超前支护小导管的应变变化特征为：
（1）随工作面。
开挖，超前支护体上沿全长皆有应力分布，小导管的工作状态是拉弯组合，即小导管在围岩荷载的作用下，产生弯曲的同时也伴随有拉伸。
（2）随工作面推进，拉应力增加，其应变增量有向下一测点递增的趋势。
（3）当工作面推进长度大于小导管长度时，尤其是上下台阶封闭成环后，小导管全部转化为受压，表明其超前作用消失。
（4）由弯曲应变知，其承受地层上覆荷载的能力随小导管在土中剩余长度的减小而减小。
因此设计时应该考虑，必须保证小导管在土中有一定的剩余长度。
4.5拱脚与土体的接触应力
对浅埋暗挖法，隧道拱脚处土体的承载力将直接影响隧道拱顶下沉。
为寻求减缓拱顶下沉的拱脚处理措施，分别在左、右两拱脚安设了土压力盒。
实测表明，拱脚处的接触应力远超过土体的基本承载力（实测值最大为814.2kPa，而土体的基本承载力仅为260kPa），倘不采取措施，必使拱顶下沉急剧增大，或者消极等待初期支护封闭成环后，才能使拱顶下沉变缓。
5 浅埋隧道应力重分布的分区认识
实测的围岩径向应力与上覆土柱荷载的比值随隧道开挖而呈现的分布规律如图8的实线部分。
而对工作面前方应力的分布状态，可利用超前支护的应力量测资料作推断。
由本次超前小导管的现场量测资料可知，围岩压力产生的最大应变点（应力集中峰值）距工作面的距离约为1.2m。
文[11）对超前支护体的数值模拟也表明：
有预加固时，隧道工作面前方约2．5m处，其围岩径向力就等于原始地应力。
若没有预加固，则此距离可远至工：
作面前方15m。
据此可绘出随工作面开挖，其前后应力的分布规律如图8（其中工作面前方应力分布（无测点线）为推断结果。
L为推进长度，D为隧道宽度）。
针对深圳地铁一期工程利用ANSYS有限元软件分析的隧道工作面前方围岩应力的分布特征见图9。
由图9可知，其与上述实测和分析的规律一致。
上述隧道工作面围岩应力重分布的规律也已被模型试验所验证。
文[11）基于实验室试验，利用传感器所测的随工作面移动，拱顶上部围岩压力的分布规律是：
隧道推进时，在上覆地层中产生了“压力波形”。
在工作面前方4～9m处，围岩中的应力与原始应力相比较，逐渐增加7％～18％。
图8 围岩压力与土柱荷载比值随开挖的分布规律
图9 工作面前方围岩应力分布特征
在工作面前2～4m处达到最大值，然后在工作面前方0.5—2.5m距离处降低到原始应力，并在已安装的衬砌处降到原始应力的40％～50％。
在工作面处为原始应力的70％～95％。
工作面通过一段距离后，围岩压力逐渐增加而接近原始应力。
基于实测以及上述分析，可提出浅埋城市地铁隧道工作面，沿隧道推进方向，其围岩应力分布可分3个区域，如图10。
图10中，I为原始地应力区，Ⅱ为增压区，Ⅲ为应力降低区（减压区或卸荷区）。
1为应力影响边界线，2为应力峰值线，3为卸荷边界线。
6 结 论
（1）浅埋隧道拱顶处的围岩压力并不是设计的上覆土柱荷载。
围岩压力排序为：
P抑拱>P拱部>P边墙，因此浅埋隧道的仰拱结构设计应具特殊性。
（2）实测孔隙水压力表明，拱部土体处于松驰状态，为剪性张拉区（膨胀），而仰拱处的孔隙水压力为最大，其分布特征与应力分布基本类似。
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