第三章 区间隧道衬砌结构设计.docx

1、第三章 区间隧道衬砌结构设计第3章 区间隧道衬砌结构设计3.1地下铁道线路上部建筑 钢轨、联接零件、道 床、 轨枕、防爬设备及道岔共同组成地下铁道线路 上部建筑。地铁的特点 有运量较大、快速迅捷、安全、 准时、不污染环境，同时地铁可以修建在建筑物较多而且不便于发展地面交通的地方。3.1.1 钢轨 选定钢轨类型的主要因素是年通过量、速度、选定的轴负载、延长检修周期、检修工作量和振动噪声。（1）钢轨类型 综合国内外地铁钢轨类型和南昌轨道交通的实际情况，宜选用60kg/m的钢轨。（2）钢轨铺设 中山西路站至子固路站区间为直线段，在地下铁道内由于阳光不受影响，温度变化相对较小，铺设无缝线路。对于无缝线

2、路，采用换铺法进行施工，对于长轨条的焊接，采用基地焊接 与工地焊接相结合的施工方式。基地焊选用接触焊，工地焊可以选用铝热 焊或移动式气压焊。3.1.2 扣件 地下铁道的钢轨扣件有 刚性扣件及弹性扣件两种，考虑到中子区间地段线路采用整体式道床，因此扣件采用全弹性分开式扣件。因为全弹性分开式扣件 在垂直和横向均具有良好地弹性，相比而言更加适合整体式道床。3.1.3 道床 一般情况下有碎石道床 和整体道床两种道床。整体道床的类型较多，随着轨枕方式的不同，有短轨枕 式整体道床、长枕式整体道床、纵向浮置板式整体道床等。结合南昌铁路交通的实际情况，利用短轨枕整体道床设计区间，道床稳定、耐久性强、结构简单、

3、造价低、施工简单。钢筋混凝土短轨枕的预制混凝土采用C50，嵌入在混凝土道床，采用C30混凝土道床，布设中心沟，在单层钢筋网的内，钢筋网作为一个杂散电流排水加固。3.1.4 道岔 道岔有单开道岔和双开道岔等形式。中山西路站至子固路站区间采用9号单开道岔。3.2地下铁道区间隧道限界与净空 本设计线路采用型接触网带电车辆通过这条线，每列车编排6辆，最高时速是80公里/小时。型车车辆长度为19m，最大宽度为28m，车辆定距为12.6m，车辆限界及设备 限界详细参数参照 地铁设计规范附录。由于区间是一个圆形盾构隧道施工，无论是在直线或曲线段，只能使用相同直径的盾构，要在直线上 或不同曲线半径地 段采用不

4、同半径的 盾构来施工是不可能的。所以，按平面曲线最小曲线 半径来 选用盾构进行施工，才能够使得圆形隧 道建筑限界满足要求。（1）由于车厢纵轴线与 线路中线的偏移而引起 的加宽与加高a.曲线内侧 加宽 （3-1）式中 l-车辆 定距 a-车辆 固定轴距 R-圆曲 线半径 b.曲线外 侧加宽 （3-2）（2）由于超高使车厢倾 斜而引起的加宽与加高 根据规范可知，“圆形或马蹄形隧道 在曲线超高地段，应采用隧道中心向线 路基准线内侧偏移 的方法解决轨道超高 造成的内外侧不 均匀位移量”。所以从减小衬砌直径、保证 受力和降低工程量方面考虑，只需将隧道中心向线路基准线内侧偏移即可，盾构衬砌一般不进行该项加

5、宽。本设计不予计算。 c.顶部加高 （3-3）式中 -车厢顶 部的宽度（3）总加宽与加高 隧道加宽设计考虑 区段最小平曲线半 径R=350m.所以盾构隧道加宽 加高如下： 曲线总加宽：曲线总加高：（4）限界与净空 具体设计见设计图，图号02。 3.3衬砌结构类型与设计3.3.1 管片类型比选 盾构法隧道的 衬砌有单层和双层，单层衬砌由装配式中 衬砌构成，也可以采用挤压混凝土 衬砌，当前，地铁盾构隧道 一般采用的是装配式衬砌。钢筋混凝土管片具有制作方 便、刚度较大、耐久性和 耐压性好、造价低等一系列特点，因此被广泛采用。结合南昌市轨道交通特点，本设计采用 钢筋混凝土土管片。钢筋混凝土管片又有两种

6、类型：（一）箱型管片 箱型管片一般用于大直径隧道。管片有大手孔和空腔。因为空腔较大，因此可采用制螺 栓连接。该管片的优点是：方便螺栓的 连接操作；能够减少混凝土材料的使用；材料量相同时候，箱型比板型管片的抗弯刚度更大。缺点是：因为空腔背部的衬砌厚度有一定限度，在盾构千斤顶的 压力作用下，可能会使管片混凝土剥落，甚至被 压碎；因为存在空腔，应该将管片设计较厚，所以会导致开挖断面加大，不利于节省造价。（2）板型管片 板型管片呈弯曲的 形状，它的手孔较小。该种管片的优点是：因为空腔较小，大多是实心的，因此能承受千斤顶的较大压力；其内表面比箱型管片平整光滑、通风阻力 小、对运营通风有利；当厚度相等时，

7、板型管片的 抗弯刚度及强度都比箱型管片大；对各种直径的隧道，都比较适用。缺点是：一定要使用螺栓，不方便施工操作。 根据上述各 类型管片的特点和地铁设计规范规定，隧道的衬砌类型选为钢筋混凝土预制 单层板型管片衬砌。考虑防水及一次衬砌到位，衬砌结构混凝土 采用C50防水等级 S10的混凝土。3.3.2管片厚度及宽度的设计 因为单层衬砌具有施工方法简单、工程进度短、投资较省的优点，所以盾构隧道采用单层装配式衬砌，管片选用平板型钢筋混凝土管片。综合考虑，管片的厚度为40cm，采用C50混凝土。 使用环宽1.5m的管片 有以下优点：一方面是减少了20%的环向接缝数量，降低了 接缝漏水的几率，提高隧道防水

8、质量；另一方面是减少了连接螺栓的使用量；此外还减少了20%的拼装时间，加快了施工速度。综合考虑南昌实际情况，环宽为1.5m。3.3.3分块 在当前情况下，地 铁隧道为中等直径的时候，衬砌环的分块数 一般采用3个标准块+2个邻接 块+1个封顶块，特点是方便运输，容易拼装。本区间将采用这种分块方式。中山西路站至子固路站区间盾构管片的标准块为67.5，邻接块为67.5，封顶块为22.5。3.3.4连接形式 管片采用弯螺栓连接，环向采用12个 M30螺栓，每接缝之间采用2个M30螺栓连接。纵向环与环之间采用10个M30螺栓连接，按照36等角 布置。在距离隧道 内侧1/3衬砌厚度处设置纵环向螺栓孔。3.

9、3.5管片的拼装方式 错缝方式和通缝方式是圆形管片衬砌 拼装的两种方式。通缝拼装方式可使装配方便，容易定位。错缝拼装方式的优点：衬砌 整体性较强，结构受力形态较优；由于错缝呈丁字形，有利于防水；当管片环面不光滑时，容易引起较大的拼装施工应力，使得纵向螺栓的连接不太容易，但环向 螺栓容易穿。因此，本设计采用错缝拼装方式。3.3.6封顶块的插入方式与插入角 径向和 纵向两种插入方式是封顶块的不同插入方式。随着盾构隧道的埋深越来越大，承受高水土压力的拱顶管片的抗剪强度成了问题，因此，多数采用纵向插入式。考虑到南昌轨道交通的实际情况，本设计采用8的插入角。3.3.7接缝的构造 凹凸榫的设置虽然会提高接

10、缝刚度，减少不均匀沉降，但是却会增加管片制作、拼装的难度，是拼装和后期沉降过程中管片 开裂的因素之一，客观上又削弱了管片防水性能。而且当地层较硬时，如果接缝处开裂，这种开裂发生在管片背后会是看不见且无法修补的。因此，管片环、纵缝均不设榫槽。3.3.8注浆孔和吊装孔 由于需要均匀地向衬砌背后进行回填注浆，每块管片上还需要设置一个注浆孔，内径取60mm。不另外设置吊装孔，螺栓孔和注浆孔兼作管片吊装孔。3.3.9防水考虑 为了防止管片漏水，设置防水条槽。此外，采用密封垫圈来使螺栓孔防水，背后注浆防水采用了 包括密封垫圈的注浆孔防水盒防 水环对注浆管万册的防水。管片背面防水采用 环氧树脂全面涂刷。3.

11、4区间隧道结构内力计算及结果分析 本设计利用flac程序计算圆形管片结构使用 阶段的结构内力。 由埋深方案比选图，地铁线路中山西路站至子固路站区间最不利工况位置处于线路里程CK13+240.99、CK13+416.25和CK13+21.28，其中CK13+21.28里程处为地质条件最为复杂处，CK13+240.99里程处为埋深最大处，CK13+416.25里程处穿过抚河。需要经过flac计算，才能确定最不利截面。 由地铁区间纵断面地质资料图及设计勘察资料，可以得出上述三处的地质分布，分别如表3-1,、3-2和3-3. 表3-1 CK13+21.28处地质表地层厚度（m）杂填土2.7粉质黏土1.

12、5淤泥3.1细砂5.4圆砾3.8砾砂2.3强风化1.3中分化12.1 表3-2 CK13+240.99处地质表地层厚度（m）杂填土4.6粉质黏土3.4细砂9.0强风化0.8中分化10.2微风化4.2 表3-3 CK13+416.25处地质表地层厚度（m）水7.8粉质黏土6.2强风化1.0中分化9.8微风化15.0 盾构隧道主要穿过中风化层，该层地质稳定，隧道受影响较小。管片衬砌采用C50防水钢筋混凝土，其容重取26KN/m，弹性模量为35.5GPa，但是考虑到管片拼装的衬砌圆环，其刚度比整体浇筑的圆环要小些，管片的刚度折减率取0.6，因此实际输入文件中管片的弹性模量为21.3GPa。 通过fl

13、ac程序得到了三处的内力大小以及位移，分别如下所示。图3-1 CK13+21.28处弯矩图图3-2 CK13+21.28处剪力图图3-3 CK13+21.28处轴力图图3-4 CK13+21.28处结构X方向位移图图3-5 CK13+21.28处结构Y方向位移图图3-6 CK13+240.99处弯矩图图3-7 CK13+240.99处剪力图图3-8 CK13+240.99处轴力图图3-9 CK13+240.99处结构X方向位移图图3-10 CK13+240.99处结构Y方向位移图图3-11 CK13+416.25处弯矩图图3-12 CK13+416.25处剪力图图3-13 CK13+416.2

14、5处轴力图图3-14 CK13+416.25处结构X方向位移图图3-15 CK13+416.25处结构Y方向位移图 由上图可知，管片衬砌在CK13+21.28处最大弯矩为52.2,最大剪力为31.46，最大轴力为1397，管片衬砌在CK13+240.99处最大弯矩为44.5,最大剪力为25.36，最大轴力为1269，管片衬砌在CK13+416.25处最大弯矩为26.71,最大剪力为19.14，最大轴力为620。所以工况CK13+21.28处结构所受荷载较大，结构内力较大，则此处断面为最不利断面。以上三处管片内力计算输入文件和结果见附录。3.5本章小结 （1）根据区间线路 的特点，结合南昌轨道交通的实际情况，进行了线路上部建筑的设计。 （2）盾构管片采用 3个标准块+2个邻接 块+1个封顶块，并进行了管片类型、参数、防水和 连接方式等方面的设计。 （3）根据中子区间线路的纵断面 线型和地质条件选定不利的断面，采用flac程序计算选定断面的衬砌内力，从而确定最不利断面以及内力。