城市地铁盾构法区间隧道的设计.doc

1、1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 .112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。

2、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

3、3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. 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 。(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)

4、 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43. 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: 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

5、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 11 。(3) 楔形量。转弯环的楔形量采用下式计算:= (m/ n) S + S) D (R + D/ 2) (m + n) (m +ncos)式中:楔形量;S、S分别是标准衬砌环、楔形环的最大宽度;5m、n 曲线上标准衬砌环、楔形衬砌环的总数量;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

6、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 5400mm ,是根据下列条件确定的: 圆形隧道的建筑限界是 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

7、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664. 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

8、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7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

9、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

10、EI( 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 修正内力。计算简图和内力调8整方法见图 1 。、 为经验数值,一般按 0. 6 0. 8 ,0. 3 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

11、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93. 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. 31. 5 倍的管片外环形

12、空隙,注浆压力为 0. 10. 3MPa。10(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 810m 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