第三节 地铁区间隧道的结构设计

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⒈原则⑴区间隧道即连接两个车站之间的隧道；⑵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；⑶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；⑷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。⒉矿山法隧道的特点⑴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；⑵除稳定岩石地层中的区间隧道外，大多属于浅埋隧道；⑶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；⑷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；⑸监测控制是施工中不可缺少的环节。⒊新奥法施工的地铁区间隧道的选择：⑴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；⑵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⒈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。⒉矿山法修建的地铁区间隧道结构形式1)衬砌结构要求⑴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；⑵允许围岩能产生有限制的变形，能在围岩中形成卸载拱；⑶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；⑷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⑴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①常用的锚杆型式有：全长粘结式﹑端头锚固型和摩擦型等；②喷射混凝土则有素混凝土和钢纤维混凝土；③钢支撑常用型钢或旧钢轨，一般埋入喷射混凝土内；④二次衬砌主要是安全储备以及承受静水压力等；⑤初期支护与二次衬砌间设防水隔离层。⑵其它方案①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；②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；③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(Ⅲ级以上)，后者适用于软弱围岩；④一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。⒊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⑴装配式衬砌①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；②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；③钢和铸铁管片价格较贵，一般都采用钢筋混凝土管片。④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⑤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；⑥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；⑦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；⑧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。⑵双层衬砌①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；②根据需要还可在装配式衬砌与内层间敷设防水隔离层；③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250～300mm的现浇钢筋混凝土内衬。⑶挤压混凝土整体式衬砌①挤压混凝土衬砌（ExtrudeConcreteLining，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；②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；③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。⒊盾构法施工时特殊地段的衬砌⑴曲线段的衬砌楔形衬砌环，保证隧道的前进方向⑵区间联络通道和中间泵站衬砌①联络通道可设在线路最低点，并和排水泵合并建造；②隧道内侧需留出宽约250～400cm的洞门；③一般情况下都是矿山法施工。⑶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⒋特殊地段隧道衬砌结构⑴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C30～C50，抗剪4)每节沉管的长度一般为60～140m，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。⑵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⒈明挖法修建的地铁区间隧道⑴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⑵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。⒉矿山法修建的地铁区间隧道⑴区间隧道衬砌横断面形状①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；②Ⅱ﹑Ⅲ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Ⅳ3~55~7Ⅴ5~77~10Ⅵ特殊设计特殊设计预留变形量(cm)表4－6③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。⑵衬砌截面尺寸拟定①包括初期支护的各设计参数以及二次衬砌的各设计参数。；②初期支护采用工程模拟法拟定，可参照表4-7；③一般的二次衬砌采用C20素混凝土，20～30cm即可；④将围岩较差地段的衬砌向围岩较好地段延伸5～10m；⑤初期支护与二次衬砌的结构缝应设在一起。围岩类别单线双线Ⅱ喷射混凝土厚度5~10cm设置锚杆，长度2.0m，间距1~1.2m，必要时局部设置钢筋网喷射混凝土厚度10~15cm设置锚杆，长度2.5m，间距1~1.2m，必要时配置钢筋网Ⅲ喷射混凝土厚度10~15cm设置锚杆，长度2.0~2.5m，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2.5~3.0m，间距1m，设置钢筋网Ⅳ喷射混凝土厚度15cm设置锚杆，长度2.5m，间距0.8~1m，配置钢筋网，应施作仰拱喷射混凝土厚度20cm设置锚杆，长度3~3.5m，间距0.8~1m，配置钢筋网，必要时设置钢支撑，仰拱Ⅴ喷射混凝土厚度20cm设置锚杆，长度3.0m，间距0.6~0.8m，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4-7⒊盾构法修建的地铁区间隧道⑴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⑵管片厚度一般为(0.05～0.06)D,上海为350mm,广州为300mm⑶管片宽度1000～1500mm⑷管片类型与结构依据材料或形状或其他方面分类⑸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)⑹衬砌环的分块①若干标准管片(A),两块相邻管片(B)﹑一块封顶管片(K）,见图4－16；②若干A型管片,一块B型管片﹑一块K型管片；③封顶块的拼装方式有径向楔入和纵向插入两种；④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⑺螺栓和注浆孔的配置①分为纵向连接螺栓和环向连接螺栓两种；②螺栓直径一般为16～36mm.螺栓孔直径须大于螺栓4～8mm；③注浆孔直径为50～100mm。⑻隧道防水①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；②允许渗漏量每昼夜部大于0.1L/m2；③管片采用C50，抗渗等级部低于S6。⑼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⒈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澳大利亚弹性介质中全支承圆环(全周弹簧模型)；MuirWood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；MuirWood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；MuirWood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)；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；MuirWood法收敛－约束法；经验法FEM；经验法；收敛－约束法弹性地基连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16配合上述施工方法的辅助工法：①注浆加固；②降低水位；③冻结法；④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⒉区间隧道衬砌结构设计计算⑴结构与地层共同作用的处理方法①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。②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。③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。⑵明挖箱形衬砌结构计算①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；②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；③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；⑶矿山法隧道衬砌结构设计计算①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。②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③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④明洞计算计算构件截面强度，安全系数值，弹性抗力⑤洞门计算a.视作挡土墙，极限状态法计算强度，