【教学课件】地铁区间隧道的结构设计

1、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第1页，共68页。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；第2页，共68页。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

2、求、维修管理、工期要求以及投资高低等因素。第3页，共68页。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。第4页，共68页。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

3、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。第5页，共68页。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第6页，共68页。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

4、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；第7页，共68页。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。第8页，共68页。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第9页，共68页。衬砌的基本结构类型复合式衬

5、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 复合式衬砌构造第10页，共68页。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。第11页，共68页。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

6、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。第12页，共68页。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)整体式衬砌第13页，共68页。图4-11 单层装配式衬砌圆环

7、的构造图第14页，共68页。图4-12双层衬砌圆环构造图第15页，共68页。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。第16页，共68页。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 箱形管片第17页，共68页。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

8、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 平板形管片第18页，共68页。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；第19页，共68页。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

9、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。第20页，共68页。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。第21页，共68页。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

10、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。第22页，共68页。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第23页，共68页。特殊地段隧道衬砌结构沉管法隧

11、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。第24页，共68页。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。第25页，共68页。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

12、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。第26页，共68页。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。围岩类别单线隧道双线隧道355757710特殊设计特殊设计 预留变形量(cm) 表46第27页，共68页。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

13、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。第28页，共68页。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。第29页，共68页。围岩类别单线双线喷射混凝土厚度510cm设置锚杆，长度2.0m，间距11.2m ，必要时局部设置钢筋网喷射混凝土厚度1015cm设置锚杆，长度2 .5m，间距11.2m ，必要时配置钢筋网喷射混凝土厚度1015cm设

14、置锚杆，长度2.02 .5m，间距1m，必要时配置钢筋网喷射混凝土厚度15cm设置锚杆，长度2 .53.0m，间距1m，设置钢筋网喷射混凝土厚度15cm设置锚杆，长度2 .5m，间距0 . 81m，配置钢筋网，应施作仰拱喷射混凝土厚度20cm设置锚杆，长度33 .5m，间距0 . 81m，配置钢筋网，必要时设置钢支撑，仰拱喷射混凝土厚度20cm设置锚杆，长度3.0m，间距0 . 6 0 . 8 m，配置钢筋网，必要时设置钢支撑，应施作仰拱通过实验或计算确定 复合衬砌初期支护的参数设计 表4-7第30页，共68页。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

15、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第31页，共68页。图4-15区间直线地段圆形隧道限界(尺寸单位：mm)第32页，共68页。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管片分块方法第33页，共68页。螺栓和注浆孔的配置分为纵向连接螺栓和环向连接

16、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。其他构造第34页，共68页。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。第35页，共68页。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。第36页，共68页。国家盾构开挖

17、的软土隧道锚喷、钢拱支护的软土隧道中硬石质深埋隧道明挖施工的框架结构澳大利亚弹性介质中全支承圆环(全周弹簧模型)；Muir Wood法、Curtis法或假定隧道变形法初期支护；Proctor-white法；二次支护；弹性介质中全支承圆环；Muir Wood法、Curtis法或假定隧道变形法初期支护：Proctor-white法；二次支护；弹性介质中全支承圆环；Muir Wood法、Curtis法或假定隧道变形法箱形框架弯矩分配奥地利弹性地基圆环弹性地基圆环；FEM；收敛约束法经验方法弹性地基框架德国覆盖2D，顶部无支承的弹性地基圆环(部分弹簧模型)；覆盖3D，全支承的弹性地基圆环(全周弹簧模型

18、)；FEM覆盖2D，顶部无支承的弹性地基圆环；覆盖3D，全支承的弹性地基圆环；FEM全支承的弹性地基圆环；FEM；连续介质或收敛约束法弹性地基框架(底压力颁布简化) 国内外隧道结构设计模型 表4-8第37页，共68页。国家盾构开挖的软土隧道锚喷、钢拱支护的软土隧道中硬石质深埋隧道明挖施工的框架结构中国弹性地基圆环；经验法初期支护：FEM；收敛约束法；二次支护：弹性地基圆环初期支护：经验法永久支护：作用反作用模型；大型洞室：FEM箱形框架弯矩分配瑞士作用反作用模型FEM；经验法；收敛约束法矫形框架弯矩分配英国弹性地基圆环；Muir Wood法收敛约束法；经验法FEM；经验法；收敛约束法弹性地基连

19、续框架美国弹性地基模型弹性地基圆环；Proctor-white法；FEM；锚杆法；经验法续上表第38页，共68页。国家盾构开挖的软土隧道锚喷、钢拱支护的软土隧道中硬石质深埋隧道明挖施工的框架结构瑞典通常为经验法，有时用作用反作用模型、连续介质模型、收敛约束法比利时Schulze-Duddek法刚架法国随意性地基圆环；FEMFEM；作用反作用模型；经验法连续介质模型；收敛约束法；经验法日本局部支承圆环；梁弹簧模型局部支承的弹性地基圆环；经验法加量测；FEM弹性地基框架；FEM；特征曲线法弹性地基框架；FEM续上表第39页，共68页。序号施工方法断面形式衬砌支护形式结构设计计算方法1明挖法矩形和直

20、墙拱形现浇钢筋混凝土、预制钢筋混凝土砌块软弱土层中弹性连续矩形、拱形框架，结构力学方法或假定抗力结构力学方法2矿山法(钻爆法、凿岩机掘进法)拱形、直墙拱形和圆形钢拱架、喷射混凝土锚杆支护、现浇钢筋混凝土复合衬砌、预制钢筋混凝土砌块局部变形理论的弹性地基梁方法、反分析法、新奥法、数值分析方法3盾构法圆形钢、铸铁、钢筋混凝土(或钢纤维)管片地层衬砌位移协调弹塑性解析解，数值分析法、弹性无铰自由变形圆环、弹性多铰局部抗力约束圆环 隧道施工、设计方法分类 表4-9第40页，共68页。序号施工方法断面形式衬砌支护形式结构设计计算方法4顶管法圆形或矩形钢筋混凝土预制管段同35沉管法矩形预制钢筋混凝土箱段同

21、16配合上述施工方法的辅助工法：注浆加固；降低水位；冻结法；管棚法圆形、直墙拱形、矩形钢拱架临时支护，现浇钢筋混凝土的衬砌支护同2续上表第41页，共68页。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。第42页，共68页。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

22、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；第43页，共68页。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

23、第44页，共68页。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.一定的构造要求第45页，共68页。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

24、方法。第46页，共68页。国家计算模型计算土压力、水压力地基反力系数澳大利亚全周弹簧模型v全覆土荷载Hv + 静水压力由平板荷载试验或量测结果的逆分析得到，切线方向或地层完全结合或把摩擦力作为上限结合日本梁弹簧模型v全覆土荷载Hv(砂质土按水土分解，粘性土按水土合算考虑)根据土的工程性质确定k值大小比利时Schulze-Duddeck模型，由FEM校核Schulze-Duddeck法确定无 国外盾构法隧道设计比较表 表4-10第47页，共68页。国家计算模型计算土压力、水压力地基反力系数德国覆土深2D，部分地层弹簧模型；覆土深2D，全周地层弹簧模型v全覆土荷载Hv (=0.5)k=Ev/R,E

25、s为地层模量，R为隧道半径部分地层弹簧模型：Schulze-Duddeck法，不考虑切线方向的荷载v全覆土荷载Hv (=0.5)无法国全周地层弹簧模型或FEMv全覆土荷载(覆土深D)Terzaghi公式(覆土深D) Hv西班牙考虑地层与结构相互作用的Buqera法忽视粘结力的Terzaghi公式1.0只考虑半径方向续上表第48页，共68页。国家计算模型计算土压力、水压力地基反力系数英国全周地层弹簧模型；Muir Wood法根据类似条件下的量测结果初期垂直荷载及初期水平荷载，初期荷载是全土荷载由三轴试验或应力计测得的应力应变关系得出，不考虑摩擦力美国弹性地基圆环v全覆土荷载Hv +水压0.40.

26、5无v全覆土荷载Hv +水压由室内实验求出，不考虑摩擦力续上表第49页，共68页。 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第50页，共68页。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)第51页，共68页。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；

27、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。第52页，共68页。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)第53页，共68页。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

28、数。第54页，共68页。土体种类k(MN/m3)N极密类的砂非常坚硬的粘性土0.350.453050N 30密实砂性土硬粘性土中硬粘性土0.450.55103015 N 308 N 255104 N 8松砂性土软粘性土非常软粘性土0.500.600.550.650.650.75010050N 152 N 4N 2 根据标准惯入实验N值而定的和k值 表4-11第55页，共68页。(4-9)(4-10)(4-11)(4-12)第56页，共68页。(4-13)(4-14)(4-15)(4-16)第57页，共68页。(4-17)(4-18)(4-19)(4-20)第58页，共68页。 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)第59页，共68页。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。第60页，共68页。 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