地铁隧道设计与工程施工组织设计方案.docx
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地铁隧道设计与工程施工组织设计方案
地铁隧道设计与施工组织设计方案
1工程总概况
地铁五号线工程计划于2008年年底建成开通的地铁五号线现已全面开建，30多个土建工点工程已大规模铺开。
其中2座车站（珠江新城站、大沙东站）已封顶，11座车站进行主体结构施工。
五号线起点为芳村区的滘口，终点为黄埔开发区的黄埔客运港，全长约41.6公里，共设29座车站，其中12座换乘站。
首期工程滘口至文冲（文园）段，线路长约31.9公里，设24座车站，依次为：
滘口、大坦沙、八、西场、西村、火车站、小北、淘金、区庄、动物园、箕、五羊邨、珠江新城、猎德、潭村、员村、科韵路、车陂南、东圃、三溪、鱼珠、大沙地、大沙东、文冲站。
其中滘口至大坦沙站段为高架线。
五号线草淘区间（草暖公园－小北站－淘金站）右线盾构机顺利到达小北站。
草淘区间是五号线最复杂的盾构区间之一，左右隧道所经之处有超过150米的溶洞区，还有断裂带、硬岩以及上软下硬等恶劣地质环境。
如果工程进展顺利，五号线将在2008年底完成土建工程以及所有的机电设备安装，历经半年综合调试后，于2009年年中开通运营。
小北站是市轨道交通五号线的中间站,上承火车站，下接淘金站。
站址位于环市中路下方，西临环市中路、麓景路、小北路交叉口。
环市中路正上方有小北高架桥、人行天桥。
车站西北侧与广九铁路、环路高架相临近，周边高楼林立。
本工程为三层分离岛式车站。
车站有效站台长106m。
站左线隧道总长176.7m，右线总长208.3m，左右线隧道中心线间距13.6m。
东、西端站厅及设备管理用房外挂，分别与III号、I号出入口及风亭全建，东端为三层三跨框架结构，西端为两层三跨框架结构。
II号、IV号出入口分别与东端、西端暗挖站厅通道连接，2号、4号风井兼做右线、左线的施工竖井。
本工程耐火等级为一级，七度抗震设防。
2.2水文与地质
2.2.1水文地质条件
本区河流水网纵横交错，制流量大，无调节水期，含沙量少，水源条件好。
属珠江流域珠江三角洲水系，境除珠江是较大河流外，还有集水面积在1000平方公里以上的流溪河和增江等。
流经市区的珠江，上游接西江、北江，下游与东江汇合。
此外，100～1000平方公里的中小河流有30多条（二级支流并入一级支流计算），为叶脉状分布，遍及全境，并分别汇入珠江河网，经珠江口注入南海。
由于河流较集中，易造成洪涝。
州市1901～1988年平均降雨量为1655毫米，年降雨量最小值在1916年只有1113毫米，最大值在1920年达2865毫米，相差1.6倍，故河流迳流量变化亦大。
隧道按地下水埋深条件分为第四系空隙潜水及基岩裂隙水。
其中第四系空隙水主要埋藏与第四系松散岩中，大都由地表径流流走。
基岩裂隙水存储于岩石的空隙与裂隙中，大气降水沿上述通道运转，都为基岩中的悬挂水，其水量较小，主要受季节控制。
在进出楼段的钻孔中都可以看到大部分强风化与部分弱风化岩柱及节理面上都可以见到溶蚀现象，局部强风化岩柱上溶蚀呈蜂窝状并填充有红黏土。
而小北隧道进口穿越在弱风化岩中，其余都为微风化岩，故溶蚀现象不会对工程产生较大的影响。
2.2.2工程地质状况
地铁5号线工程东西向贯穿市,沿线发育数条断裂,穿过红层、石灰岩和花岗岩等地层,工程地质复杂.选择5号线滘工口口至大坦沙段、大坦沙至八过江段和草暖公园至小北等三段,分析了存在的主要工程地质问题,并从线路的敷设方式、施工工法选择等方面,介绍了设计和施工中采取的应对措施.5号线地层多样,采用盾构法施工应结合工程地质条件,合理选择盾构机和施工方案。
第三层为第四纪上更新统上段坡残积层，岩性为含碎石红黏土、碎石土，碎石含量极不均匀。
本层基地高程为48.7～61.3m，最大厚度为10m。
基岩为弱风化燧石条带白云岩，碎屑白云岩，强风化厚度为1.5～3m，弱风化厚度为2～18m。
施工场地狭窄，周边干扰多。
小北站位于铁路东站广场地下室，与铁路东站用房是联体建筑，铁路新东站也正在施工之中，而铁路东站还得照常运营。
标书只能给出500m2的施工临时用地，和一条尚需搭设的通道。
要达到装饰安装工程进场施工，必须与铁路东站周边施工单位联系，争取支持协助，租借施工临时用地，增开出入口，解决材料设备运输及吊装的困难。
不管施工临时设施存在多大的困难，我局将自行排除，按期进场施工，确保施工进度。
文明施工要求严。
小北站地处市交通枢纽要地，乘车中转的人群络绎不绝，也是商业繁华区，又是新建、改建工程的集中区，东站是市窗口工程，施工中必须处理好与交通、城管、环卫、市政、街道以及治安等各城市管理单位的关系，遵守他们的有关规定，认真做好文明施工、安全施工。
2.3施工难点与特点
2.3.1洞身的稳定
隧道穿越的地段有断层节理密集带数条，探洞还发现小型断层断裂几层间夹泥多条，这些构造如果与层面节理面组合或相互结合，不论在洞顶或边墙，将岩体切割成大小不等的岩块，使隧道洞身的稳定成为施工的另一难点。
2.3.2施工支护结构
隧洞进出口为浅埋破碎带，属于不稳定围岩，施工支护结构较复杂,隧洞施工近洞较困难。
隧道断面设计
3.1设计依据
3.1.1工程等级
地铁工程是市现代化公共设施屈指可数的大型工程，小北站是市的门面工作，一旦步入建好的豪华地铁区，你将领略到城市建设的现代化气息，地铁建设牵动着几百万市民的心，也是对施工单位社会信誉的考验，工程等级为一级。
3.1.2建筑物级别
根据《五号地铁线路工程初步设计大纲》对总地铁建筑物的要求小北隧道进口、出口渐变段、隧道洞身按一级建筑物设计。
3.1.3规程、规
《混凝土结构设计规》GBJ10-89
《最新铁路工程设计规与施工质量验收标准大全》
《铁路隧道喷锚构筑法技术规》TB10108-2002
《铁路隧道设计规》TB10003-2005
3.2选择隧道布置形式
3.2.1隧洞净空断面形式
隧洞的进出口段为Ⅳ级不稳定围岩，围岩侧压力较大，因此考虑采用曲墙圆拱形式的断面。
原设计资料提供了两种不同隧道的布置形式：
分离式双洞（如图3-1）和双联拱式（如图3-2）
图3-1分离式双洞
图3-2双连拱式
3.2.2两种方案的比较选择
双联拱式：
施工集中，有利于集中管理；进出口段土方及圬工量较少地铁线路是往返的双行道，连拱隧道形式便于组织交通运营。
4隧道结构设计
4.1隧道衬砌设计与检算
4.1.1隧道主要支护参数
根据工程类比及结构计算初步拟定初期支护和二次混凝土衬砌的参数。
小北隧道进出口段均为Ⅳ级不稳定围岩，从设计资料来看，岩体的力学性能不是很差，有一定的自稳能力，所以不必考虑围岩的超前支护，如果开挖后地质条件变坏或量测到隧道拱顶下沉或地面下沉量较大，再进行超前支护。
在隧道设计方案中，在拱顶及边墙设置φ6╳φ8的钢筋网，隔栅间距250╳250mm，设1榀/米的四边形隔栅刚架，在刚架的接头处设置锁脚锚以固定刚架隔栅刚架在开挖初喷5cm混凝土后架设，然后补喷10cm混凝土包裹刚架直至设计厚度。
二次衬采用C25钢筋混凝土模注整体式衬砌，厚度为600mm，钢筋混凝土衬砌的抗渗系数不低于0.85MP，标号为S8，抗蚀系数不低于0.8。
浇注二次衬砌时要保证与初期支护的密贴不允许出现空洞，否则须进二次填充注浆。
模注混凝土施工顺序为先墙后拱式施工顺序。
4.2隧道衬砌结构参数的计算
计算工况与荷载的拟订与计算
本隧道为地铁隧道，对结构进行计算。
（1）围岩竖直压力的计算
对于Ⅳ级围岩，根据《地铁隧道设计规》建议的方法进行计算：
松动介质平衡理论计算围岩压力
荷载高度按以下公式进行计算：
h=
=
（4-1）
式中：
B——隧道开挖断面宽度（m）
H——隧道开挖断面宽度（m）
f——岩石坚固系数，根据围岩的类别进行取值；
φ——岩石的摩擦角，根据围岩的类别进行取值；
实际设计所采用的荷载为：
q=0.7γh（4-2）
式中：
γ——围岩容重（KN/m）
如果隧道埋深h1小于或等于计算得出的塌落拱的高度h时，为浅埋隧道，取q=γh；如果隧道埋深h1大于计算得出的塌落拱的高度h时，为深埋隧道，取q=0.7γbvh。
（2）围岩水平荷载
隧道浅埋时，水平荷载按以下公式计算：
在拱顶处：
e1=λq（4-3）
在隧道仰拱地面处：
e2=λ（q+γh）（4-4）
（3）衬砌自重
（4）围岩的弹性抗力
弹性抗力是围岩抵抗隧道衬砌向围岩方向变形的能力，其值根据变形条件确定，按局部变形理论计算：
P=kδ（4-5）
式中：
K——围岩的弹性抗力系数（KN/m）采用工程类比法确定，或采用下面的公式估算：
k=100k0/R（4-6）
式中：
R——圆形隧道的开挖半径（m）对于非圆形隧道，近似取R=B/2。
B为非圆形隧道的开挖宽度。
k0——单位岩石的抗力系数（KN/m），即半径为1米的圆形隧道的抗力系数，其值一般可按下面的公式计算：
k0=
（4-7）
式中：
E——岩石的弹性模量（KN/m2）
μ——岩石的泊松比
4.3隧道衬砌结构的计算
4.3.1建立模型
采用《ANSYS5.7有限元结构分析程序》进行隧道衬砌结构的分析，将隧道衬砌模拟为置于弹性地基梁上的有限单元杆系进行分析；
计算简图如图4-3所示：
图4-1双联拱式计算简图
图4-2双联拱式计算节点编号
4.3.2结果分析
计算结果表明应力集中表现在两侧仰拱与边墙的交界处以及拱角与中间隔墙的交接处。
轴力与弯距见表4-1
4.3.3截面强度的检算
对于隧道衬砌结构按破坏阶段的偏心受压构件进行检算。
计算结果见表。
根据《地铁隧道设计规》，考虑截面抗拉情况时截面的抗压和抗拉能力分别满足以下式子：
抗压：
KN≤
（4-8）
抗拉：
KN≤
（4-9）
上式中：
K——抗拉、抗压安全系数；Ⅰ级建筑物K=2.8；
N——截面轴力；
Ra、Rl——分别为衬砌混凝土的设计抗压与抗拉强度；
b、h——分别为衬砌混凝土结构计算的截面宽度与高度；
γ——截面抵抗距塑性系数，γ取1.55；
e0——偏心距，e0=M/N，M为截面弯距；
φ——混凝土构件的纵向弯曲系数。
上述表中计算结果表明，只有在应力集中处不能满足抗拉要求，需要配筋，经过计算按构造配筋即可满足要求。
配筋率为0.2%，受力筋为φ18，沿隧道中线每米5根，衬砌厚度方向外分两层，架立筋为φ10，箍筋为φ6，混凝土保护层厚度为40mm，具体见设计图纸。
4.3.4截面抗裂验算
根据《地铁隧道设计规》要求，隧道衬砌截面的抗裂满足下式：
Kf≤γRfW0/（e0-W0/A0）（4-10）
式中：
Kf——钢筋混凝土构件的抗裂安全系数，对于一级结构物取1.15；
Rf——衬砌混凝土的抗裂设计强度；
A0——钢筋混凝土截面的换算面积；
W0——换算截面受拉边缘的弹性抵抗距，W0=J0/（h-x0）；
h——截面全高；
x0——换算截面重心至受压边缘的距离；
J0——换算截面对其重心的惯性距。
经过计算最危险截面的抗裂安全系数为5.3大于1.15，满足要求。
截面裂缝宽度计算
根据《地铁隧道设计规》，钢筋混凝土截面如果满足截面抗裂要求，则截面裂缝宽度可不予以检算。
图4-3双连拱隧洞Ⅳ围岩浅埋隧道衬砌变形图
表4-1浅埋地铁隧道抗拉抗压系数表
节点号
弯距
轴力
偏心距
相对偏心距
抗压能力
抗压安全系数
抗拉能力
抗拉安全系数
N．m
N
M
N
N
1
-3.87E+05
-2.07E+06
0.19
0.31
2826158
5.45
5.73E+06
2.76
2
-1.88E+05
-2.05E+06
0.09
0.15
4227111
8.26
2.29E+07
11.21
3
-51866
-2.03E+06
0.03
0.04
6453370
12.70
-2.10E+07
10.35
4
20377
-2.03E+06
-0.01
-0.02
9002905
17.72
-1.04E+07
5.10
5
39665
-2.03E+06
-0.02
-0.03
10069210
19.86
-9.12E+06
4.50
6
18471
-2.01E+06
-0.01
-0.02
8918916
17.73
-1.05E+07
5.21
7
-33655
-1.98E+06
0.02
0.03
6924191
13.97
-1.69E+07
8.51
8
-1.09E+05
-1.94E+06
0.06
0.09
5187692
10.70
-1.88E+08
96.88
9
-1.96E+05
-1.88E+06
0.10
0.17
3966423
8.42
1.64E+07
8.71
10
-2.75E+05
-1.81E+06
0.15
0.25
3213571
7.10
7.88E+06
4.35
11
-2.82E+05
-1.72E+06
0.16
0.27
3072026
7.14
7.00E+06
4.06
12
-2.31E+05
-1.62E+06
0.14
0.24
3338201
8.23
8.78E+06
5.41
13
-1.41E+05
-1.52E+06
0.09
0.16
4194904
11.05
2.19E+07
14.44
14
-29534
-1.42E+06
0.02
0.03
6705214
18.89
-1.85E+07
13.03
15
87256
-1.33E+06
-0.07
-0.11
23469990
70.46
-5.78E+06
4.34
16
1.94E+05
-1.26E+06
-0.15
-0.26
-1.5E+07
47.94
-3.40E+06
2.69
17
2.77E+05
-1.21E+06
-0.23
-0.38
-6301443
20.77
-2.51E+06
2.07
18
3.28E+05
-1.19E+06
-0.28
-0.46
-4604076
15.48
-2.16E+06
1.82
19
3.41E+05
-1.19E+06
-0.29
-0.48
-4359372
14.63
-2.10E+06
1.76
20
3.13E+05
-1.22E+06
-0.26
-0.43
-5197854
17.00
-2.30E+06
1.88
21
2.47E+05
-1.28E+06
-0.19
-0.32
-8698415
27.17
-2.87E+06
2.24
22
1.51E+05
-1.36E+06
-0.11
-0.18
-7.5E+07
220.56
-4.25E+06
3.12
23
34164
-1.46E+06
-0.02
-0.04
10577514
29.01
-8.70E+06
5.96
24
-88221
-1.57E+06
0.06
0.09
5182960
13.23
-1.95E+08
124.45
25
-1.99E+05
-1.68E+06
0.12
0.20
3703361
8.82
1.24E+07
7.35
26
-2.81E+05
-1.79E+06
0.16
0.26
3150597
7.05
7.47E+06
4.18
27
-3.13E+05
-1.88E+06
0.17
0.28
3041497
6.46
6.82E+06
3.62
28
-2.78E+05
-1.57E+05
-1.96E+06
-2.00E+06
0.14
0.08
0.24
0.13
3350049
4546497
6.84
9.07
8.87E+06
3.99E+07
4.53
19.93
29
30
64351
-2.02E+06
-0.03
-0.05
11895856
23.59
-7.89E+06
3.91
31
3.97E+05
-2.01E+06
-0.20
-0.33
-8310578
16.55
-2.82E+06
1.40
61
-3.87E+05
-1.70E+06
0.23
0.38
2474027
5.81
4.33E+06
2.55
62
-10269
-1.67E+06
0.01
0.01
7631648
18.24
-1.35E+07
8.05
63
1.75E+05
-1.66E+06
-0.11
-0.18
-1.5E+08
356.04
-4.38E+06
2.64
64
2.33E+05
-1.65E+06
-0.14
-0.23
-2E+07
47.95
-3.61E+06
2.18
65
2.18E+05
-1.66E+06
-0.13
-0.22
-2.5E+07
61.39
-3.78E+06
2.28
66
1.71E+05
-1.66E+06
-0.10
-0.17
-2.7E+08
659.88
-4.45E+06
2.68
67
1.16E+05
-1.66E+06
-0.07
-0.12
26769001
64.46
-5.59E+06
3.37
68
67925
-1.66E+06
-0.04
-0.07
13689967
32.92
-7.19E+06
4.32
69
33399
-1.67E+06
-0.02
-0.03
10132378
24.34
-9.06E+06
5.44
70
14140
-1.67E+06
-0.01
-0.01
8851437
21.26
-1.06E+07
6.36
71
9847.5
-1.67E+06
-0.01
-0.01
8609085
20.68
-1.10E+07
6.61
72
19397
-1.66E+06
-0.01
-0.02
9168720
22.04
-1.01E+07
6.08
73
41149
-1.66E+06
-0.02
-0.04
10764728
25.90
-8.56E+06
5.15
74
72315
-1.66E+06
-0.04
-0.07
14350349
34.57
-7.00E+06
4.22
75
1.07E+05
-1.66E+06
-0.06
-0.11
23011269
55.49
-5.81E+06
3.50
76
1.37E+05
-1.66E+06
-0.08
-0.14
45782249
110.39
-5.10E+06
3.07
77
1.42E+05
-1.66E+06
-0.09
-0.14
56394724
135.68
-4.98E+06
3.00
78
99142
-1.67E+06
-0.06
-0.10
19885644
47.55
-6.08E+06
3.64
79
-27740
-1.69E+06
0.02
0.03
6959421
16.45
-1.66E+07
9.83
80
-2.78E+05
-1.73E+06
0.16
0.27
3102177
7.19
7.17E+06
4.16
81
-6.87E+05
-1.73E+06
0.40
0.66
1628685
3.77
2.15E+06
1.24
101
21.791
-3.50E+06
0.00
0.00
8100504
9.25
-1.21E+07
3.45
102
28.469
-3.48E+06
0.00
0.00
8100663
9.31
-1.21E+07
3.47
103
35.303
-3.46E+06
0.00
0.00
8100828
9.38
-1.21E+07
3.50
104
42.136
-3.43E+06
0.00
0.00
8100995
9.45
-1.21E+07
3.52
105
48.97
-3.41E+06
0.00
0.00
8101165
9.51
-1.21E+07
3.55
5施工组织设计
5.1施工准备
5.1.1技术准备
①熟悉审查图纸及相关文件；
②掌握地质,地貌,水文等设计勘测文件；
③进行各种工艺试验；
④确定施工方案；
⑤编制施工组织；
⑥核实工程量。
5.1.2施工现场准备
①做好“三通一平”；
②做好交接桩和施工前期放样；
③临时设施的施工及准备；
④各种物资的准备（进料,储备等）；
⑤人员进场培训以及设备进场。
5.2施工工程量
表5-1工程量表
开挖（m3）
模注衬砌（m3）
喷混凝土
钢筋
钢板
锁脚锚杆
每千米工程量
174.30
29.78
6.42
2614.58
70.68
107.28
总工程量
835653
904540
22886.5
3207204
321639.5
145600
5.3施工方法
隧道施工属于地下作业,洞工作条件与地面工作有很大不同，工作面狭小，机具集中，光线不，,嘈音大，施工中不安全因素甚多，所以隧道施工要特别强调安全，要有严格的安全生产制度和完备的安全设施。
根据类似工程施工经验，结合本标工程特点和业主有关招标文件的要求。
II、III类围岩采用全断面光面爆破开挖；IV类围岩采用正台阶法施工。
衬砌采用自行式液压衬砌台车，拱墙一次浇注。
混凝土采用电子计量器计量，强制式拌和机拌和，3m3轨行式混凝土运输车运输，泵送混凝土入模，人工捣固。
喷射混凝土采用TK961湿喷机湿喷法作业。
整个隧洞采取四个工作面施工,施工流程如下。
5.3.1.洞口工程施工
（1）洞口土石方施工
①接中标通知书后，立即组织精测队按设计资料提供的三角网点及水准网点，进行全标段的控制测量和相邻标段隧洞轴线贯通控制测量，完全吻合设计资料提供的基本数据，且满足精度要求。
按此精测资料进行洞口边、仰坡施工放样；
②由于隧洞洞口边、仰坡地质结构较差，多为覆盖层，且开挖高差较大，采取分层自上而下进行。
③洞口覆盖层采用挖掘机挖装，自卸汽车运输，运至指定弃碴场。
石方采用小炮松动爆破开挖人工配合清刷边坡。
对弃碴场进行防护处理，边弃碴边防护，保证水土不流失。
（2）边仰坡加固和防护
①对已开挖成型的边仰坡采用锚杆（Φ22mm，L=3.0m，间距1.5m，梅花型布置），喷射混凝土5cm厚对坡面进行加固处理和防护；②对第二级坡面，考虑
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