第四章 隧道及地下工程构造设计

第一节隧道横断面的设计要考虑到隧道断面的大小满足限界的要求。一、几个基本概念：限界、隧道建筑限界、隧道实际限界。限界：列车是沿固定轨道高速运动的物体，根据各种参数和尺寸，经过计算确定的空间尺寸称为限界。车辆限界：根据车辆轮廓线确定的尺寸。隧道建筑限界：考虑到照明、通讯和信号等设备的安装，在车辆限界的基础上确定的限界称为建筑限界。隧道实际限界：考虑到列车运行时的左右摇摆、隧道施工时偏离中心线的误差、衬砌的变形以及其它因素，隧道实际限界比规定的隧道建筑限界稍微放宽一些。二、限界含义及其制定的原则（1）限界是确定行车轨道周围构筑物净空的大小，是管线和设备安装相互位置的依据，是专业间共同遵守的技术规定，它应经济、合理、安全可靠。（2）限界应依据车辆的轮廓尺寸和技术参数、轨道特性、受电方式、施工方法、设备安装等综合因素进行分析计算确定。（3）限界一般是按平直线路的条件进行制定。而曲线和道岔区的限界应在直线地段限界的基础上根据车辆的有关尺寸以及不同曲线半径、超高、不同的道岔类型分别进行加宽和加高。（4）在制定限界时，对结构施工、测量、变形误差，设备制造和安装误差，设计、施工运营过程中难于预计的其它因素在内的安全留量等，都应分别进行研究确定。三、限界基本内容（1）限界坐标系限界的坐标系是二维直角坐标，车辆横断面的垂直中心线与平直轨道横断面的垂直中心线相重合为纵坐标轴Y。平直轨道轨顶连线为横坐标轴X，两轴相垂的交点作为坐标的原点Oxy。（2）车辆轮廓线1）车辆轮廓线的含义。车辆横断面外轮廓线，是经过研究分析后确定，是作为确定车辆限界及设备限界的依据，是车辆设计和制造的基本数据。2）车体外轮廓尺寸。目前，我国规定地铁车辆采用标准车型和宽体车型两种。上海、广州、南京采用宽体车型，北京、天津采用标准车型。尽管车型不同，但其制定限界的内容和方法是相同的。由于几个城市采用宽体车的车体外轮廓尺寸还没有完全统一，限界的具体数值稍有出入，现以标准车型为例说明各种限界。标准车体长19000mm，宽2800mm，高3510mm或3700mm～3800mm（空调车）。3）车辆定距为12600mm。4）转向架固定轴距为2100mm～2300mm。5）车辆地板面距轨面高度为1100mm。车辆轮廓线各点坐标值，见下表。（3）车辆限界车辆限界的含义：根据车辆的轮廓尺寸和技术参数，并考虑静态和动态情况下所能达到的横向和竖向偏移量，按可能产生的最不利组合进行计算。（4）设备限界车辆限界的基础上+车辆的偏移和倾斜+设计、施工中不可预计的安全预留量。所有固定设备及土木工程的任何部分都不得侵入此轮廓线内。（5）建筑限界1）定义：建筑限界是隧道和高架桥等结构物的最小横断面有效内轮廓线。在建筑限界以内、设备限界以外的空间，应能满足固定设备和管线安装的需要。在进行隧道和高架设计时，必须考虑施工误差、测量误差、结构变形等因素，才能保证竣工后隧道和高架的有效净空满足建筑限界的要求。四、区间直线段建筑限界（1）区间隧道的建筑限界是根据已定的车辆类型、受电方式、施工方法及以地质条件等按不同结构形式进行确定的。（2）区间直线段矩形隧道建筑限界。明挖施工的矩形隧道，其单洞单线隧道建筑限界宽度为4100mm，高度为4500mm。（3）圆形隧道建筑限界。盾构施工的圆形隧道，不论在直线或曲线地段，只能采用同一直径的盾构，要想把直线和不同曲线半径的地段分别采用不同直径的盾构进行施工，是不可能的，所以应按最小曲线半径选用盾构直径进行施工，才能满足圆形隧道的建筑限界要求。如线路最小平面曲线半径R=300m，圆形隧道建筑限界的直径宜为∮=5200mm，见图。（4）马蹄形隧道建筑限界。隧道断面需根据围岩条件来确定其形式，当围岩条件较好时，可采用拱形直墙式或拱形墙式；在围岩条件较差时，要增设仰拱。马蹄形隧道内部净空尺寸，应考虑其施工误差才能满足建筑限界的要求，一般在建筑限界的两侧及顶部各增加100mm。矿山法施工的浅埋暗挖隧道，多采用马蹄形断面，其建筑限界最大宽度为4820mm，最大高度为5160mm。五、曲线隧道的净空加宽：1、由于曲线外轨超高引起车体内倾所需要的加宽值；曲线上为了抵消向外的离心力，外轨需要抬起一个高度，称之为外轨超高。由于外轨有了超高，使车体向内倾斜，车体中线由原来的竖直变为向内倾斜，隧道建筑限界上方控制点“J”向内偏离线路中线一个水平距离d超内d超内—由于外轨超高，曲线隧道内侧应予加宽的量值；E—曲线外轨超高；H—隧道建筑限界控制点J自轨面算起的高度。2、由于车体平移所需要的加宽值车辆经过曲线时，车体的前后两个转向架中心点是沿着曲线线路前进的，但是车体是刚性体，因而车辆中部向曲线内侧平移，车体前后端向曲线外侧平移：R-曲线半径；L-车辆长度；l-车辆前后转向架中心间距。由于L=26m，l=18m曲线隧道的总加宽值：六、隧道衬砌断面的初步拟定由于隧道结构衬砌是一个超静定结构，不能直接计算出衬砌截面尺寸，因此，一般先假定一个尺寸，然后进行计算：主要包括三个内容：1、选定结构的内轮廓（净空形状）：要满足限界要求。2、选定结构轴线：结构的轴线尽量接近压力线。1）当衬砌承受径向分布的静水压力，结构轴线为圆形；2）主要承受竖向荷载和不大的水平荷载，结构采用直墙式；3）承受竖向荷载和较大的水平荷载，采用曲墙式。4）如果承受底鼓压力，要设置仰拱。3、确定截面厚度：不能太厚，也不能太薄。第二节隧道洞身支护结构的构造一、就地模筑混凝土整体式衬砌：1、直墙式衬砌：适用于地质条件比较好（Ⅳ、Ⅴ类围岩），围岩压力以竖向为主、几乎没有或仅有很小的水平侧压力，衬砌由上部拱圈、两侧竖直边墙和下部铺底三部分组成。在地质条件极好、整体岩层坚固的情况下，并且没有地下水的情况下，则只设置拱圈，省去边墙，称之为半衬砌。2、曲墙式衬砌适用于地质比较差、岩体松散破碎，强度不高，有地下水，侧向水平压力比较大的情况，它由顶部拱圈、侧面曲边墙和底部仰拱组成。二、装配式衬砌优点：1、一经装配成环，不需要养生时间，即可承受围岩压力；2、预制的构件可以在隧道外面生产，在洞内机械化拼装，从而改善了劳动条件；3、拼装时，不需要临时支撑如拱架、模板等；4、施工速度快。三、锚喷支护四、复合式衬砌1、初期支护（格栅、型钢、锚喷混凝土）；2、防水层；3、二次衬砌第三节地下工程结构与构造（以地铁工程为例）一、区间隧道衬砌结构与构造1、明挖法修建的隧道衬砌结构与构造(1)现浇整体式(2)预制装配式

2、矿山法修建的隧道衬砌结构与构造1）、标准断面的隧道（单孔单线）标准断面区间隧道通常为单线隧道。2）、单孔双线隧道；3）、渡线段、存车线的区间隧道。渡线段区间隧道一般为双线或三线隧道，有时也是会双连拱或三连拱隧道。矿山法修建的隧道通常采用复合式衬砌。初期支护（格栅、型钢、锚喷混凝土）；防水层；二次衬砌在设计隧道衬砌时，应满足以下基本要求（1）必须与围岩大面积牢固接触，保证衬砌和围岩作为一个整体来工作；（2）要允许围岩产生有限制的变形（3）隧道衬砌设计成封闭式的；（4）隧道衬砌能分期施工北京地铁5号线和平里北街站北端设有存车线，其中存车线的渡线段长109.106m，存车线长202.494m，总长311.6m。该段衬砌结构型式有单线、双线、大跨及双连拱衬砌；区间其余地段均为单线衬砌。二、隧道衬砌断面的拟定由于隧道结构衬砌是一个超静定结构，不能直接计算出衬砌截面尺寸，因此，一般先假定一个尺寸，然后进行计算：主要包括三个内