城市地铁盾构法区间隧道的设计.docx

1、城市地铁盾构法区间隧道的设计第一章 工程概况第二章 工程地质和水文地质第三章 隧道设计第1节主要设计标准第2节盾构隧道线路的拟合第3节管片构造形式第4节管片结构设计第5节管片防水设计第6节联络通道和洞门设计第四章 结论与建议2.2.3.3.3.5.7.8.1.0.1.1.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 392

2、6 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。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

3、)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. 3 mm , 外侧 0. 2 mm。(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 %。 线形控制允差：设计拟合轴线与理论轴线允差w 10mm(个别情况允许为 20mm);掘进轴线与设计轴线允差w 70mm。 衬砌结构变形：直径变形w 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

4、形式来拟合理论曲线 ,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 : 标准环 + 左、右转弯环 ;左、右转弯环；万能管片。由于施工难度小 ，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。 拟合比例。区间有两种半径的曲线 ，分别是R600和R400。由于越一三区间曲线长度较大 ,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)

5、楔形量。转弯环的楔形量采用下式计算 :(= (m/ n) S + S ) x D 十(R + D/ 2) x (m + n)十(m +ncos 册式中：S 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 ；0 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。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 d 54

6、00mm,是根据下列条件确定的：圆形隧道的建筑限界是 d 5200mm的圆;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 ： 每循环的

7、掘进长度大，施工效率提高。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 : 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。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。 通缝拼装的管片一般只能提供一种楔形环 ，而错缝拼装

8、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 : 径向插入 ; 纵向插入 ; 径向插 入结合纵向插入。方式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接缝的构造形。结合广州地层较硬特点 ,若采用接缝设

9、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n El（n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E修正内力。计算简图和内力调整方法见 图1 n、E为经验数值一般按0. 6 n0. 8 ,0. 3 P 拱部 P 边墙； (2)对双线

10、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)这符合“地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，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

11、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)或不变“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

12、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4 和 5。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

13、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

14、 (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(1)随工由图 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： 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。

15、(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814.2 kPa而土体的基本承载力仅为 260 kPa),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

16、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2 5m 处,其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

17、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 49m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24m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，H为增压区，川为应力降低区 （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。