城市地铁盾构法区间隧道的设计.docx

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城市地铁盾构法区间隧道的设计

目录

第一章工程概况2

第二章工程地质和水文地质2

第三章隧道设计3

第1节主要设计标准3

第2节盾构隧道线路的拟合3

第3节管片构造形式5

第4节管片结构设计7

第5节管片防水设计8

第6节联络通道和洞门设计10

第四章结论与建议11

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.