地铁区间隧道的结构设计.ppt

第三节 地铁区间隧道的结构设计,一、地铁区间隧道选型的原则和特点二、地铁区间隧道的结构形式三、地铁区间隧道的截面设计与构造四、地铁区间隧道结构的荷载内力计算方法五、地铁区间隧道结构设计,一地铁区间隧道结构选型的原则和特点,原则区间隧道即连接两个车站之间的隧道；区间隧道的走向和埋深，受到工程地质和水文地质条件、地面和地下环境影响，施工方法等因素制约，直接关系到造价的高低和施工的难易；,地铁区间隧道结构包括：行车隧道、渡线、折返线、地下存车线、联络线以及其它附属建筑物；地铁区间隧道衬砌结构与构造主要取决于隧道的用途、沿线地形、地物、水文地质、工程地质、施工方法、环境要求、维修管理、工期要求以及投资高低等因素。,矿山法隧道的特点大多埋置于第四系的疏散或含水地层中，在施工过程中通常需要采取一定的辅助措施，地下水是威胁隧道安全的主要因素；除稳定岩石地层中的区间隧道外，大多属于浅埋隧道；环境保护要求高，必须严格控制隧道开挖引起的地面沉降和爆破振动对地面建筑及居民生活的影响；考虑地铁结构的耐久性要求，锚喷支护不宜作为永久衬砌结构；监测控制是施工中不可缺少的环节。,新奥法施工的地铁区间隧道的选择：第四系的疏散地层中修建的地铁区间隧道，当不具备明挖条件或采用明挖法很不经济时，应进行新奥法和盾构法的比选；在无水的第四纪地层中，盾构法和新奥法各有所长。前者虽然造价一般较高，但施工安全、进度快，后者不需要大型施工机械，对隧道断面、地质条件、线形、施工长度等适应性强。,二地铁区间隧道的结构形式,明挖法修建的地铁区间隧道结构形式1)整体式衬砌结构分单跨双跨等形式，整体性好，防水性能高，施工工序多，速度慢。2)装配式衬砌结构接头构造，整体性差，慎用。3)区间喇叭口隧道岛式车站两侧行车道与正线区间隧道间设过渡段,4)渡线隧道、折返线隧道单渡线交叉渡线5)联络通道及其他附属结构联络通道，安全消防维护等；排水站。矿山法修建的地铁区间隧道结构形式1)衬砌结构要求须能与围岩大面积牢固接触，保证衬砌与围岩作为一个整体进行工作；允许围岩能产生有限制的变形，能在围岩中形成卸载拱；,隧道衬砌以封闭式为佳，尽可能接近圆形，一般都设置仰拱，以增强结构抵抗变形的能力和整体稳定性；隧道衬砌应能分期施工，又能随时加强，可根据施工量测信息，调整衬砌强度、刚度和施做时机，以及仰拱闭和和后期支护的施工时间，以主动“控制”围岩变形。,2)隧道衬砌结构类型与选择a.拱形结构，基本断面形式为单拱双拱和多跨连拱，见图4-9；b.前者多用于区间隧道或联络通道后者用于停车线折返线或喇叭口岔线上；c.结合具体条件选择单层衬砌或双层衬砌。,图4-9 矿山法修建的衬砌结构形式,衬砌的基本结构类型复合式衬砌a.由初期支护防水层隔离和二次衬砌组成（图4-10）。外层为初期支护，喷锚支护；b.内层为二次支护，模筑混凝土；c.一般用于土质隧道或车站折返线等大跨度隧道。,图4-10 复合式衬砌构造,常用的锚杆型式有：全长粘结式端头锚固型和摩擦型等；喷射混凝土则有素混凝土和钢纤维混凝土；钢支撑常用型钢或旧钢轨，一般埋入喷射混凝土内；二次衬砌主要是安全储备以及承受静水压力等；初期支护与二次衬砌间设防水隔离层。,其它方案在干燥无水的坚硬围岩中，区间隧道衬砌亦可采用单层的喷锚支护；当岩层的整体性好、基本无地下水，防水要求不高，可采用单层整体现浇混凝土衬砌或装配式衬砌，不做初期支护和防水隔离层；为适应不同的围岩条件，整体式衬砌可做成等截面直墙式和等截面或变截面曲墙式，前者适用于坚硬围岩(级以上)，后者适用于软弱围岩；一般要求在衬砌做好后向衬砌背后注浆，充填空隙，改善衬砌受力状态，减少围岩变形。同时衬砌混凝土本身需要有较高的自防水性能。,盾构法修建的地铁区间隧道结构形式1)衬砌结构要求能在较短时间内砌筑完毕，且能立刻承受围岩压力和盾构千斤顶推力；2)盾构隧道的类型与选择a.预制装配式衬砌(图4-11)b.预制装配式衬砌与模注钢筋混凝土相结合的双层衬砌(图4-12)c.挤压混凝土(ECL工法)整体式衬砌,图4-11 单层装配式衬砌圆环的构造图,图4-12双层衬砌圆环构造图,装配式衬砌预制装配式衬砌是用工厂预制的构件(称为管片)，在盾构尾部拼装而成；管片种类按材料可分为钢筋混凝土、钢、铸铁以及由几种材料组合而成的复合管片；钢和铸铁管片价格较贵，一般都采用钢筋混凝土管片。,按管片螺栓手孔成型大小，可将管片分为箱形和平板形两类。a.箱形管片（图4-13）是指因手孔较大而呈肋板形结构。方便拼装，便于运输和拼装，易开裂。只有金属管片才采用箱形结构。,图4-13 箱形管片,b.平板形管片（图4-14）是指因螺栓手孔较小或无手孔而呈曲板形结构的管片。对盾构千斤顶推力具有较大的抗力，钢筋混凝土管片多采用平板形结构。,图4-14 平板形管片,箱形管片的纵向接缝（径向接缝）和横向接缝（环向接缝）一般都是平面状的；平板形管片的接缝除可采用平面状外，为提高装配式衬砌纵向刚度和拼装精度，也有采用样槽式接缝的；衬砌环内管片间以及各衬砌环间的连接方式，可分为柔性连接和刚性连接；,实践证明刚性连接不仅拼装麻烦、造价高，而且会在衬砌环中产生较大的次应力，带来不良后果。因此，目前较为通用的是柔性连接，常用的有以下几种形式：a.单排螺栓连接按螺栓形状又可分为弯螺栓连接、直螺栓连接和斜螺栓连接三种；b.销钉连接销钉连接可用于纵向接缝，亦可用于横向接缝；c.无连接件在稳定的不透水地层中，圆形衬砌的径向接缝也可不用任何连接件连接。,双层衬砌为防止隧道渗水和衬砌腐蚀，修正隧道施工误差，减少噪声和振动以及作为内部装饰，可以在装配式衬砌内部再做一层整体式混凝土或钢筋混凝土内村；根据需要还可在装配式衬砌与内层间敷设防水隔离层；国内外在合地下水丰富和含有腐蚀性地下水的软土地层内的隧道，大都选用双层衬砌，即在隧道衬砌的内侧再附加厚250300mm的现浇钢筋混凝土内衬。,挤压混凝土整体式衬砌挤压混凝土衬砌（Extrude Concrete Lining，简称ECL）是随着盾构向前掘进，用一套衬砌施工设备在盾尾同步灌注的混凝土或钢筋混凝土整体式衬砌，因其灌注后即承受盾构千斤顶推力的挤压作用，故有此名称；挤压混凝土衬砌可以是素混凝土的或钢筋混凝土的，但应用最多的是钢纤维混凝土的；新浇注的混凝土在活动的端模板和可伸缩的弧形模板作用下，同时承受盾构千斤顶和四周围岩的作用，处于三向受力状态。,盾构法施工时特殊地段的衬砌曲线段的衬砌楔形衬砌环，保证隧道的前进方向区间联络通道和中间泵站衬砌联络通道可设在线路最低点，并和排水泵合并建造；隧道内侧需留出宽约250400cm的洞门；一般情况下都是矿山法施工。渡线和折返线衬砌结构明挖法施工，衬砌同明挖法施工的衬砌,特殊地段隧道衬砌结构沉管法隧道1)施工要点2)横断面有圆形和矩形，H水45m时圆形；H水35m矩形3)沉管结构混凝土等级为C30C50，抗剪4)每节沉管的长度一般为60140m，多数为100m，最长达268m5)水中混凝土连接和水压压接两种方式6)管段沉放和连接后应对基础进行灌砂或以其他方法进行处理。,顶进法施工的区间隧道结构1)穿越地面铁路地下管网群交叉路口等情况时常采用顶进法施工；2)分为顶入法中继间法和顶拉法三种；3)结构形式一般为箱形框架结构；4)使用阶段和施工阶段的强度验算。,三地铁区间隧道的截面设计与构造,明挖法修建的地铁区间隧道内部净空尺寸的确定根据建筑接近限界曲线半径超高道床施工误差等因素确定隧道结构断面厚度尺寸的拟定根据设计经验或模拟法，进行试算，先假定截面尺寸，然后进行计算，进行调整。,矿山法修建的地铁区间隧道区间隧道衬砌横断面形状用矿山法修建的区间隧道的界面尺寸应符合建筑限界要求，还要考虑施工测量误差以及结构固有的变形量，可按工程模拟法确定，无资料时按表4-6所示；级围岩变形量很小，设计时不考虑；曲线段时内轮廓需加宽。,预留变形量(cm)表46,理论和实践经验得出：a.当区间隧道衬砌主要承受竖向荷载和不大的水平荷载时，衬砌拱部轴线采用单心圆弧线或三心圆弧线，墙部可采用直线；b.当衬砌承受竖向荷载的同时，还承受较大的水平荷载，结构轴线用多段圆弧连接而成。,衬砌截面尺寸拟定包括初期支护的各设计参数以及二次衬砌的各设计参数。；初期支护采用工程模拟法拟定，可参照表4-7；一般的二次衬砌采用C20素混凝土，2030cm即可；将围岩较差地段的衬砌向围岩较好地段延伸510m；初期支护与二次衬砌的结构缝应设在一起。,复合衬砌初期支护的参数设计 表4-7,盾构法修建的地铁区间隧道横截面内轮廓尺寸根据建筑限界（图4-15）施工误差道床类型预留变形量等条件，还要考虑最小曲线半径问题管片厚度一般为(0.050.06)D,上海为350mm,广州为300mm管片宽度10001500mm管片类型与结构依据材料或形状或其他方面分类管片接缝类型与结构有螺栓连接无螺栓连接,图4-15区间直线地段圆形隧道限界(尺寸单位：mm),衬砌环的分块若干标准管片(A),两块相邻管片(B)一块封顶管片(K）,见图416；若干A型管片,一块B型管片一块K型管片；封顶块的拼装方式有径向楔入和纵向插入两种；衬砌环的拼装方式有通缝和错缝两种。,图4-16管片分块方法,螺栓和注浆孔的配置分为纵向连接螺栓和环向连接螺栓两种；螺栓直径一般为1636mm.螺栓孔直径须大于螺栓48mm；注浆孔直径为50100mm。隧道防水基本原则是以防治为主堵漏为辅多道防线因地制宜综合治理；允许渗漏量每昼夜部大于0.1L/m2；管片采用C50，抗渗等级部低于S6。其他构造,四、地铁区间隧道结构的荷载内力计算方法,与地铁车站结构的荷载内力计算方法一致。,五地铁区间隧道的结构设计,地铁区间隧道结构设计方法由于施工方法不同，地铁区间隧道的断面形式、结构支护衬砌类型、结构计算方法和适用范围各异。表4-8列出了国内外隧道结构设计模型，表4-9列出了隧道施工和设计方法分类。,国内外隧道结构设计模型 表4-8,续上表,续上表,隧道施工、设计方法分类 表4-9,续上表,区间隧道衬砌结构设计计算结构与地层共同作用的处理方法主动荷载模型除了在结构底部受地层约束外，其他部分在主动荷载作用下可自由变形。适用于结构与地层“刚度比”较大的情形。主动荷载加地层弹性约束的模型地层不仅对衬砌结构施加主动荷载，还对衬砌结构施加被动弹性抗力，适用于各类地层。地层实测荷载模型实测荷载是结构与地层共同作用的综合反应。,明挖箱形衬砌结构计算明挖箱型衬砌结构施工一般分顺作法和逆作法两种。采用顺作法时，侧向不能提供必要的弹性抗力；箱形结构基底反力，可采用两种方法计算：假设结构是刚性体，则基底反力可以按静力平衡条件求得；假设结构为Winkler地基上的箱形结构，则根据地基变形计算基底每一点反力；弹性地基上的箱形结构一般按照平面变形问题考虑。当长跨比接近1时，按空间结构考虑；,矿山法隧道衬砌结构设计计算结构设计原则a.锚喷技术，施工方法，支护形式，动态监测，优化设计和施工；b.埋置深度的确定；c.保护既有建筑物；d.初期支护承重，二次衬砌承受水压力；e.径向外方100mm作富裕量，考虑净空。设计方法a.经验设计方法：工程模拟法b.力学分析方法：荷载结构法地层结构法c.视条件的不同选择不同的方法,隧道衬砌结构计算a.脱离区，弹性抗力，局部变形理论，弹性地基梁图式和弹性支承连杆图式b.塑性数值解法，结合工程模拟和监控量测明洞计算计算构件截面强度，安全系数值，弹性抗力洞门计算a.视作挡土墙，极限状态法计算强度，验算倾覆和滑动稳定性b.计算参数取现场试验资料，较少时参照规范c.一定的构造要求,盾构法隧道结构设计计算设计原则a.安全可靠经济合理施工方便b.选用与特点相近的规范和设计方法c.结构净空尺寸的要求d.减少对环境的影响e.极限状态设计法，分项系数f.按最不利组合进行结构验算g.防水防腐蚀等要求盾构隧道设计方法表4-10列出了国外盾构法隧道的各种设计方法。,国外盾构法隧道设计比较表 表4-10,续上表,续上表,荷载 作用在盾构隧道上的设计荷载如图4-17。,图4-17作用在盾构隧道上的设计荷载,式中：W衬砌纵向每延米重力；Pc1 垂直作用的地层压力；qc1qc2 水平地层压力；pw1 垂直作用的水压力；qw1qw2 水平作用水压力；t 衬砌厚度；Rc 隧道横断面中心线半径。,地面超载P0一般取10kN/m2;结构自重作用在隧道横断面形心上的竖向荷载为,(4-5),(4-6),a.水位以上取天然容重，以下取水下湿容重；b.隧道拱顶上的竖向土压按均布荷载考虑，且等于覆土层的压力；c.若隧道覆土层厚度不小于2D(D为衬砌外径），则按太沙基公式计算折减后的竖向土压力。折减后的覆土层厚度h0按下式计算。,式中：c土体粘聚力；土体内摩擦角；土体重度；R0 衬砌圆环外半径；K0 侧向土压力与竖向图压力的比值，取K01。,(4-7),(4-8),a.水平土压力为作用在衬砌形心线上自拱顶至隧道底部的均匀性变化荷载，其值定义为竖向土压力与侧向土压力系数乘积；b.粘性土层的侧向地层压力通常按水土合算考虑；c.侧向土压力系数0.650.75；砂性土层中可按水土分算考虑，侧向土压力系数按主动土压力系数计算；d.表4-11给出土体侧压力系数及地基反力系数。,根据标准惯入实验N值而定的和k值 表4-11,(4-9),(4-10),(4-11),(4-12),(4-13),(4-14),(4-15),(4-16),(4-17),(4-18),(4-19),(4-20),土体的侧向压力系数也可根据土体的物理力学指标计算得到。,(4-21),水压力一般情况下简化为静止水压力作用在衬砌上。为了简化计算，拱顶和拱底处近似按均布竖向水压力处理，其值取为该处的静水压力。侧向水压力为由拱顶至拱底线性变化的水平荷载，如图4-17。作用在衬砌上的水压力的合力是一种向上的浮力，若拱顶处的竖向土压力和自重的合力小于浮力，隧道将育可能浮起。为此需要采取诸如施作二次衬砌以增加隧道重量或在地面堆载的措施。,按图4-18的静水压力分布曲线，作用在圆环周边任一点静水压力为：单位长度上隧道管片受到向上浮力：,(4-22),(4-23),图4-18静水压力,若采用竖向均布荷载和水平均布线性变化荷载组合，则：,(4-24),作用在单位长度隧道管片上的竖向浮力，按竖向均布和侧边线性变化组合为：,(4-25),地基的抗力分为与地层位移无关和与地层位移有关的两种情况；为计算竖向水土压力和自重位移引起得抗力，必须采用诸如管片矫正器之类得设备，以保证在土压力和水土压力作用前衬砌不至因为自重变形，并保持准确的衬砌形状；拱顶竖向土压力和自重与隧道底竖向土压力平衡，由此确定隧道底的地基反力。这是一类抗力与地层无关的情况。,衬砌较柔土层刚度较大情况下，对于盾构法施工的圆形隧道可以适当考虑一些由地层位移引起的地基抗力。抗力图形假设呈以等腰三角形，其作用范围为隧道水平直径上下45范围之内。抗力大小按弹性地基梁基床反力系数法计算：,式中：k地基基床反力系数（MN/m3）；衬砌圆环在水平直径处变形量(m)；qk地基的抗力（MN/m2）。,(4-26),构件内力计算a.自由变形弹性均质圆环法1)处于软弱地层和饱和软粘土中的整体式圆形衬砌，或接头刚度接近结构本身刚度的装配式圆形衬砌均可采用本方法进行结构内力分析。2)假定：a)地层不提供侧向弹性抗力；b)地基竖向反力按均匀分布考虑，并根据静力平衡条件计算其量值；c)结构为弹性均质体。3)弹性均质自由变形圆环,b.弹性地基刚架模型法1)把每块管片作为一个刚体，相互铰接2)借助计算机，适合不同的荷载变化情况3)可以采用法向地基抗力，也可以采用切向抗力4)地基抗力施加范围可以是全部弹簧支撑刚架模型拱部五抗力刚架模型全部无弹簧支撑刚架模型c.有限单元法适用于构筑在软岩或较稳定得地层内得衬砌设计,截面设计a.装配式衬砌宜选用钢筋混凝土，C40；特殊地段可用复合衬砌；b.衬砌厚度应根据隧道外径的大小埋深等因素确定，一般为(0.050.06)D；c.单线地铁直径一般5.56.5m，通常衬砌环分46块，大直径分68块；d.端肋和环肋的宽度应满足强度和抗裂要求；e.偏心受压的钢筋混凝土构件；f.主体结构工程设计使用年限为100年。,