北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法研究石家庄铁道大学

北京地铁矿山法区间隧道构造设计方法研讨石家庄铁道学院二○○七年一月1.合同规定的主要研讨内容汇报内容2.区间隧道地层物理力学参数统计分析3.区间隧道覆土压力荷载确实定4.矿山法区间隧道支护强度设计方法5.矿山法区间隧道支护刚度计算方法6.矿山法区间隧道衬砌构造设计计算方法7.区间隧道构造温度应力伸缩缝计算分析8.矿山法区间隧道施工阶段设计方法9.主要研讨成果及结论(1)北京地铁矿山法区间隧道不同条件下合理设计方式研讨；1.合同规定的主要研讨内容(2)北京地铁矿山法区间隧道构造可靠度设计研讨；(3)北京地铁矿山法区间隧道施工阶段设计方法研讨。2.区间隧道地层物理力学参数统计分析北京地铁四号线、五号线和十号线共有车站71座、区间68座，搜集到的地质资料车站37座，区间工程36座，共73座，占总工程数的52.5％。构造资料仅搜集了部分矿山法区间隧道初步设计的纵横断面图，共25座占区间总数的36.8％。(1)区间隧道地层资料工程称号采用VFP建立地铁四、五和十号线地质资料数据库，建库中一致地层编号，一致后的地层编号如表1-4所示。(2)地质资料的数据库各录入界面录入的数据，由数据库读入一致、库容量达3万余条。在VFP北京地铁地质资料数据库的根底上，按地层编号提取各主要物性、地下水位、埋深等数据表，按统计学的原理进展统计分析，并给出详细统计特征，为后续研讨任务奠定根底。完成了：(3)地层物性目的统计分析①地层分层厚度统计特征②地层天然密度统计特征③内聚力统计特征④内摩擦角统计特征⑤紧缩模量统计特征⑥泊松比统计特征⑦基床系数统计特征⑧隧道覆土埋深统计特征(平均覆土深度为12.75m，最大19.31m，最小4.6m)３.区间隧道覆土压力荷载确实定地铁设计规范中解释：普通情况，石质隧道，可根据围岩分级，依工程类比确定围岩压力；填土隧道及浅埋暗挖隧道普通按计算截面以上全部土柱分量思索；深埋暗挖隧道按泰沙基公式、普氏公式或其它阅历公式计算。(1)地铁设计规范关于地层荷载的规定及存在的问题①地铁设计规范关于地层荷载的规定a.我国隧道有关规定②深浅埋分界及土压力的有关规定地下铁道设计规范没有深浅埋分界的详细规定。铁路隧道设计规范以统计隧道坍落拱高度为根底，埋深竖直土压全土柱谢家烋公式规范深埋公式h02.5h0图2-1铁路隧道围岩压力埋深H≤h0时用全土柱，埋深h0＜H≤(2~2.5)h0时用谢家烋公式，埋深H＞(2~2.5)h0时用γh0，不同深度土压力计算结果如图2-1。b.日本的有关规定(a)假设覆土厚比隧道外径小(H＜D)，用全土柱压力。(b)在粘性土中全土柱作垂直压力。(c)在砂土和硬粘土中，假设覆土厚度比外径大许多倍(H>>D)，取“松弛土压〞，按泰沙基公式计算。c.比尔鲍曼和泰沙基实际的有关规定(a)用比尔鲍曼公式，但H添加到σv趋于常数时即为深埋，不用分界。粘性土，c、φ都计；砂土只计φ，不计c。(b)用泰沙基公式，H≥5B，σv＝常数。a.埋深较浅时地层荷载按全土柱。③目前的习惯b.埋深较大时按泰沙基公式进展修正折减；c.埋深多大开场修正折减由各人阅历，并不一致。④压力实际地层压力的比较及存在问题以北京地铁十号线矿山法区间规范段隧道断面(6.0m×6.33m，宽×高)为例，采用各种不同公式计算竖向地层压力，得出地层压力值随埋深的关系，如下图。埋深h竖向荷载2D(12m)2hs图不同压力实际地层压力与埋深的关系从图及设计实际中存在以下一些问题：a.深浅埋分界取为(1~2)D(D为隧道跨度)能否适宜？这个范围值该如何选取？b.取2D或2h为深浅埋分界，浅埋时用全土柱荷载，深埋时用泰沙基实际或普氏实际，必然出现分界处呈锯齿形，压力陡降，让设计者很难处置，深度略微变大，竖向地层压力反而降低，地层的挟制造用本来应是逐渐加大的，将渐变采用突变来处置并不合理，如何处理？c.不论埋深情况均采用γH全土柱公式，那么地层压力明显偏大，必将带来不经济的设计；采用泰沙基公式时，深埋结果能否会得出不平安的设计？此问题值得注重。经过对北京地铁四号线、五号线和十号线的构造设计资料分析与整理，设计中大多遵照2倍洞室跨度为深浅埋分界，低于2倍洞室跨度时采用全土柱荷载，高于2倍洞室跨度时采用泰沙基公式，这样上述问题就不可防止。(4)不同压力实际地层分层和加权计算对比与分析根据北京地铁的断面情况，采用不同压力实际，按照覆土深度内各地层物理力学目的加权平均以及各地层分段计算，由计算结果可知，在北京地铁矿山法区间隧道埋深和地层实践条件下，不同的土层压力实际结果相差明显，并随埋深的增大，其差别更加显著。以全土柱压力最大，泰沙基压力最小，比尔鲍曼和谢家烋实际结果居中。分层地层的计算，对物性目的加权平均的单一地层计算时，比尔鲍曼和泰沙基实际与实践分层计算差别显著，而对全土柱和谢家烋实际差别较小。(5)地层竖向荷载计算表达式推导与建议针对上述问题，地层竖向荷载计算方法似应作些改良，主要思绪是：极浅埋仍用全土柱，浅埋适当提高地层压力，深浅埋分界不用突变锯齿方式，而用平顺过渡。建议：在隧道埋深小于隧道跨度时采用全土柱，隧道埋深大于隧道跨度时采用比尔鲍曼公式。关于深浅埋分界建议不宜采用某个定值出现压力锯齿形突变的方式，而以为当挟制造用随深度添加到使土压力成为定值或最大时，此深度即为深浅埋的分界，这样土压力是渐变增大的，不会出现突变。比尔鲍曼公式在埋置到达一定深度以后曲线出现向下弯曲，为了防止这种情况，在曲线拐点处用程度切线替代，视为深埋隧道(土压力已与埋深无关)，此埋深为D1。综合上述各种要素，建议地铁隧道竖向土压力计算公式为：竖向荷载与隧道埋深的关系如下图曲线。D埋深h竖向荷载D1图引荐公式(6)地层侧向荷载计算表达式地层侧向压力：(7)建议地层压力公式运用效果分析以北京地铁十号线区间隧道规范段为例，隧道覆土厚度为12m，用全土柱、普氏及本文引荐的公式计算竖向地层压力，对初期支护进展平安度分析，控制截面(计算平安系数最小的截面)的结果如表所示。由表可知，采用本文引荐的竖向土压力荷载计算构造的平安度介于全土柱和普氏实际之间，且能满足平安度的要求。另外用本文引荐的竖向土压力荷载对北京地铁四、五、十号线规范断面的初期支护在6m、9m、12m、15m以及19.8m埋深情况下的平安度进展了分析，由计算结果可知，竖向土压力假设用本文引荐的公式，现有的构造均能满足平安度要求。国内部分城市地铁矿山法隧道施工中的围岩压力实测资料，如表所示，实测地层压力都小于全土柱分量，大部分大于泰沙基实际压力。相比较而言，接近于本指南引荐公式的压力。4.矿山法区间隧道支护强度设计方法喷锚衬砌和复合式衬砌的初期支护应按主要承载构造设计。其设计参数可采用工程类比法确定，施工中经过监测进展修正。浅埋、大跨度、围岩或环境条件复杂、方式特殊的构造，应经过实际计算进展检算。(1)地铁设计规范的有关规定①矿山法施工的构造设计要求复合式衬砌中的二次衬砌，应根据其施工时间、施工后荷载的变化情况、工程地质和水文地质条件、埋深和耐久性要求等要素设计。隧道开挖轮廓外形应尽能够坚持平整、圆顺，防止出现隅角及部分应力集中，确保围岩的承载效应；普通不宜采用直墙式拱形轮廓，特别是底板与壁的隅角外形应确保圆顺。②混凝土构造耐久性设计要求根据围岩条件、地形条件，隧道衬砌均应采用曲墙式混凝土或钢筋混凝土衬砌。用隔离层隔绝或减轻二次衬砌背后环境要素的影响。设置必要的诱导缝，隔离板等控制二次衬砌的初期开裂。

矿山法地铁隧道埋深浅，水土荷载较为明确，支护构造厚度较大，独立任务时间较长，因此常用的“荷载-构造〞和“地层-构造〞两种计算方式均可采用。但“荷载-构造〞计算方式相对简单，与地铁隧道衬砌构造计算方式一致。因此，检算支护强度时宜采用“荷载-构造〞方式，检算地层位移、支护构造刚度时宜采用“地层-构造〞方式。③支护构造计算方法采用“荷载—构造〞模型。(3)隧道支护强度计算方法①计算模型a.圆角型断面支护计算模型圆角(54°29＇49＂)处同时设程度链杆和竖直链杆，计算模型如下图，结果受力合理。图16计算初选模型图3-4计算模型b.直角型断面的支护计算模型对于直角型断面(如四、五号线)，初选模型如图3-6所示，计算结果如图3-7所示。图3-6直角型断面计算模型图3-7直角型断面模型计算结果对于直角型断面(如四、五号线)，初选模型如图3-6所示，计算结果如图3-7所示。计算结果显示，在墙脚处最大弯矩.574kN·m，轴力814.81kN，应力集中特别严重。这种计算结果与实践不符的缘由主要有，未思索实践施工过程中支护仰拱后于拱墙施工，墙脚处曾经产生了一定变形量，墙脚应力集中将大幅度缓解，另外也未思索直墙脚所遭到地层的支撑、摩擦和约束作用。为简化计算，在直角拐角处按有导角加厚处置，如图3-8所示。dddd检算时取用厚度检算时取用弯矩计算弯矩图3-8直角型断面墙脚应力计算方法c.截面强度检算方法根据<铁路隧道设计规范>(TB10003－2001)，钢筋混凝土矩形截面的偏心受压构件的计算公式：大偏心受压构件(x≤0.55h0)时：大偏心受压构件(x＞0.55h0)时：②十号线初期支护强度检算结果a.规范断面根据对北京地铁埋深情况的统计，最大埋深为20m，规范断面检算了埋深为6m、7.2m、20m时的情况。检算结果如表所示。b.大断面除规范断面外，另外选择了断面比较大的太阳宫站~麦子店西路站3－3构造断面(跨度为12.2m)以及苏州街站~黄庄站F型构造断面(跨度为16.5m)进展了检算，检算时竖向土压力以实践埋深为准，检算结果如表所示。③四号线检算规范断面为5.96m跨度，检算埋深为5.96m、7.15m、20m时的情况。检算结果如表所示。④五号线检算规范断面为5.8m跨度，检算埋深为5.8m、6.96m、20m时的情况。检算结果如表所示。(4)小结①支护强度检算可采用“荷载－构造〞计算方式，该方法概念明晰、操作简单。②目前采用的圆角断面方式，应在圆角处设置双链杆方式的计算模型；直角型断面方式在直角拐角处构成较大的应力集中，其结果与实践情况不符，计算中可按导角加厚处置。③支护截面强度检算结果显示，支护截面的强度平安系数随埋深增大而减小，随断面增大而降低。十号线圆角型规范断面截面最小平安系数为4.21，大跨度、大埋深断面截面最小平安系数为3.03；四号线和五号线直角型规范断面截面最小平安系数为1.74，大跨度、大埋深断面截面最小平安系数为1.18，直角型断面最不利截面都是在直角边墙脚处。④思索到支护仅在施工阶段独立任务，支护构造截面允许平安系数定为1.7，如表所示。5.矿山法区间隧道支护刚度计算方法土体勘测实验的紧缩模量是在固结仪内进展紧缩实验所得的结果如下图。由图可得紧缩模量的计算式为式：(1)计算弹性模量的取值P1P2e1e2M1M2Pe图固结紧缩实验曲线紧缩模量是无侧向变形时试件轴向应力与轴向应变之比值。由弹性实际可得紧缩模量与弹性模量之间的关系式为式：经过长期实际，我国建立了和二者之间的阅历关系如下：高紧缩性土：低紧缩性土：K≤10黄土：K＝2~5。根据资料，北京地域E0/Es值普通为2~3，数值计算中采用的弹性模量普通大于变形模量。为简化计算，本文中按弹性模量为2.0Es计算。(1)计算弹性模量的取值①地层－构造计算模型②应力释放率设定运用有限元数值方法，确定围岩的特征曲线，再根据特征曲线直线段和曲线之间的变化点进展确定。视围岩特征曲线直线段部分，为围岩的弹性应力释放区段，来估计区间隧道开挖后围岩弹性应力释放所占的比例。按围岩特性曲线确定洞室弹性应力释放率如表所示。隧道开挖围岩应力释放率与地层性质、硐室大小、构成、支护性质、支护时机及施工方法等多要素相关。实践支护所受的围岩压力要小于仅产生弹性应力释放后的全部地层压力，但也应留意到模型误差以及一定的平安要素。在综合上述要素后，矿山法区间隧道全断面开挖时，初始应力释放率开挖时定为40%，支护为60%。台阶法开挖时，上台阶开挖释放30%，支护时释放70%；下台阶开挖时释放25%，支护时释放75%。③全断面开挖模拟方法开挖时释放40%初始应力，支护承当60%初始应力。全断面开挖各施工步地表最大沉降值、支护最大弯矩值和支护最大轴力值见表。④台阶法开挖模拟方法各施工步地表最大沉降值、支护最大弯矩值和支护最大轴力值见表。由以上计算结果，可以看出：全断面开挖地表沉降值大于台阶开挖。不论哪种开挖方法，其初始开挖的地表沉降量占到其最大沉降量的很大一部分。(3)小结①矿山法区间隧道施工地层位移、支护刚度计算应采用“地层－构造〞方式。②在“地层－构造〞方式计算中，地层计算弹性模量可取2倍地层紧缩模量勘探值；应力释放率或支护施作时机为30～50％。6.矿山法区间隧道衬砌构造设计计算方法(1)计算模型①支护层作用的简化方法“荷载－构造〞方式。根据地铁区间隧道由初支和二衬共同作用的实践情况，采用“荷载－构造〞复合模型，支护与二衬间以受压弹簧模拟，支护与地层间以地层水土压力荷载和弹性约束链杆来模拟，计算复合式构造的二衬部分内力，选取计算模型如图5-1所示。图5-1复合计算模型假设将二衬构造单独简化计算，即计算中视地层经过支护垫层将地层荷载和地层约束作用于二衬构造(如图5-2所示)，使在支护垫层某种作用下独立作用的二衬构造和支护与构造共同承载复合式构造受力效应一样。图5-2二衬构造计算模型由于支护垫层的作用，二衬构造独立计算中直接采用地层的弹性抗力系数显然是不合理的。地层经过支护层将其约束作用于二衬上，其作用效果显然与洞室大小、外形、支护混凝土厚度与强度等要素有关，难以找到某种解析表达式。二衬与地层间的支护地层作用，在“荷载—构造〞计算模型中，表现为对二衬变形的约束，即弹性抗力。这种支护垫层等效弹性抗力系数，是经过在某种支护垫层等效抗力作用下的独立作用的二衬构造和复合式构造受力效应一样来确定。这种支护垫层等效弹性抗力系数，可经过两种型式构造截面平安系数来比较，即使两种型式构造最不利截面平安系数一样。如表所示，北京地铁十号线八-熊区间(埋深12m)和工－呼区间(埋深18m)，不同支护垫层的等效弹性抗力系数对截面平安系数影响情况。经选择四、五和十号线矿山法区间小埋深、中埋深和大埋深有代表隧道进展等效性试算。当最不利截面位于仰拱时，支护垫层等效弹性抗力为原地层弹性抗力系数的2.0~3.0倍；当最不利截面位于边墙时，支护垫层等效弹性抗力系数为3.0~5.0倍；当最不利截面位于拱顶时，支护垫层等效弹性抗力系数为5.0~10.0倍，为偏于平安，一致取支护垫层等效弹性抗力系数为原地层弹性抗力系数的2.0倍。②等效弹性抗力系数对衬砌构造可靠性的影响分析为研讨弹性抗力大小对构造平安系数的影响，选取四号线西动区间(埋深16m)隧道规范区间为例，分别计算了不同弹性抗力系数(实践地层弹性抗力系数的n倍)时，衬砌构造的最大截面弯矩、轴力和最不利截面平安系数可靠目的。由计算结果可知，地层弹性抗力系数对衬砌截面内力、平安系数及可靠目的影响显著，在(1.0~4.0)K范围内，截面内力、平安系数或可靠目的呈线性增长，当不计地层弹性抗力系数(K=0)时，截面平安系数迅速降低，甚至不满足规定的平安系数。(2)北京地铁区间隧道衬砌构造平安系数复核①截面强度检算方法平安系数计算公式与初期支护一样。②衬砌构造平安度检算采用“荷载－构造〞方式，视衬砌构造承当全部荷载，围岩直接约束衬砌构造向围岩方向的变形。按钢筋混凝土矩形截面偏心受压构件截面强度检算方法，分别检算了四号线、五号线和十号线各区间隧道，不同荷载组合下，隧道衬砌构造平安系数分别如表所示。检算结果阐明四、五和十号线各区间隧道截面平安系数均高于2.0的规范值，这能否阐明截面参数偏大？还是套用钢筋混凝土规范和地层构造荷载组合系数不合理呢？这应从构造可靠度分析中来回答。(3)衬砌构造裂痕宽度验算在永久荷载和可变荷载作用下，二类环境中二次衬砌构造裂痕宽度(迎土面)应不大于0.2mm，一类环境(非迎土面及内部混凝土构件)衬砌构造的裂痕宽度均应不大于0.3mm。当计及地震、人防或其他偶尔荷载作用时，可不验算构造的裂痕宽度。思索裂痕宽度分布不均匀性及荷载长期作用影响后的最大裂痕宽度(cm)，可按以下公式计算：

地铁四、五和十号线区间隧道衬砌构造裂痕检算结果如表所示。(4)北京地铁区间隧道衬砌构造可靠目的分析采用北京地铁地质资料统计，设计计算中地层弹性模量近似取2倍紧缩模量，弹性抗力系数近似采用基床系数。①地层物理力学目的的统计特征②计算荷载的统计特征地层竖直压力和程度压力按前述引荐公式计算，和计算式中按思索参数的变异性的随机计算方法计算，即可给出其均值和变异系数。a.地层荷载b.覆土埋深覆土埋深的丈量误差相对较小，取为定值。根据地下水位统计，取其统计均值和变异系数。c.地下水压力d.地面荷载在道路下方的地下构造，地面车辆及施工荷载可按20kPa的均布荷载取值，并不计冲击压力的影响。e.地震荷载在衬砌构造横截面的抗震设计和抗震稳定性检算中采用地震系数法(惯性力法)，即静力法。f.人防荷载地下构造在规定需求思索战时防护的部位，作用在构造上的等效荷载按人防规范的有关规定计算。③衬砌构造资料的统计特征分析地衬砌构造自重G的概率特性与衬砌几何尺寸及资料容重γ0的概率特性有关。a.衬砌构造自重在地铁施工中，由于支护厚度较大，支护内轮廓规那么，二次衬砌厚度变异相对较小，计算中衬砌轴线和厚度取定值。b.衬砌几何尺寸的概率特性根据地面构造的统计结果，混凝土容重的分布为正态分布，其均值为规范的规范值，变异系数为0.02。c.衬砌资料的容重γ0参考<混凝土设计规范>。d.混凝土物理力学目的e.钢筋资料统计特征④极限形状方程大偏心承载力的极限形状方程表示为一个方程：构件大小偏心界限形状方程为：构件大偏压破坏的概率为：相应的广义可靠目的为：构件小偏压破坏的概率为：相应的广义可靠目的为：⑤蒙特卡罗法及其样本容量确实定衬砌构造可靠度分析采用蒙特卡罗法。关于模拟样本容量确实定，由于极限形状方程的复杂性，不能直接推导出在给定误差时样本容量的定量计算式，故采用试算的方法，在给定各随机变量参数及构造的情况下计算出地铁隧道区间构造失效概率随样本容量变化的关系如下图。由图可知，在样本容量到达30万次以后，失效概率趋于稳定，样本容量为30万次与100万次的失效概率的相对误差为2％，为工程能接受的程度，所以在进展地铁隧道矿山法区间构造二次衬砌可靠度分析时，将样本容量定为30万次。样本容量(万次)失效概率(10-3)图样本容量与失效概率关系⑥忽略支护层作用时的衬砌可靠度假设初期支护作为一种暂时支护，仅在施工阶段起到支护作用，在建成后的运用阶段完全失效，忽略支护层承载作用时，对北京地铁四、五、十号线规范断面二衬构造可靠目的如表所示。由表可以看出，按忽略支护层作用的假设，当荷载组合取永久荷载加可变荷载时，各线大多数区间隧道衬砌构造可靠目的较低，这再次阐明计算中需思索复合式衬砌中初期支护的作用。⑦思索支护层作用时的衬砌可靠度如前所述，将等效弹性抗力系数选为原地层弹性抗力系数的2.0倍，对北京地铁四、五、十号线规范断面二衬构造，重新进展可靠度分析，可靠目的如表所示。从表可知，北京地铁四、五和十号线规范断面的可靠目的都比较高，这阐明现有的设计有较高的平安度和平安贮藏。仅五号线个别断面在拱部选用φ14@200的配筋，计算的可靠目的偏小。四号线各区间衬砌构造平安系数与可靠目的对比图，如图5-10和图5-11所示。可见，随着平安系数变大，可靠目的并没有呈现出有规律的变化，阐明用单一平安系数设计法未能思索各种变异性和统计特征，不能反映构造的平安程度，及其无法衡量构造的可靠性。(5)平安系数与可靠目的的关系0246810121416陶菜菜宣宣西新西西动黄中动白中成1西灵中成2马石平安系数可靠目的图5-10四号线仰拱平安系数与可靠目的的关系024681012新西陶菜菜宣黄中宣西西动动白马石中成1中成2西灵可靠目的平安系数图5-11四号线拱部平安系数与可靠目的的关系地铁区间隧道衬砌构造按其破坏后果，平安等级当为一级，其设计基准期宜为100年。钢筋混凝土构件又属脆性破坏，目前我国建筑构造、水利水电工程构造对于一级平安构造，脆性破坏承载才干目的可靠目的都定为4.2，北欧五国公布的<承载构造的荷载及平安规定>NKBREPPORTNO.55E中对于平安级别普通的构造物，目的可靠目的也定为4.2，对于高级别的构造，还提高到4.75。为与相近行业的技术程度相一致，建议地铁区间隧道衬砌构造的目的可靠目的也定为4.2。(6)区间隧道衬砌构造目的可靠目的对于钢筋混凝土构造，<建筑构造可靠度设计一致规范(GB50068-2001)>规定：当永久荷载效应对构造不利时，其分项系数取1.2(可变荷载效应控制的组合)或1.35(永久荷载效应控制的组合)。(7)区间隧道衬砌构造分项系数统计分析所选用的构件主要是建筑构件，采用的永久荷载主要是构造和永久设备自重，而地铁区间隧道构造设计中起控制造用的土压力并未纳入统计，即现行<一致规范>所规定的永久荷载分项系数并不能简单的用于地铁区间隧道设计。对于地铁区间隧道衬砌构造，应思索2种荷载组合方式(耐久情况下的根本组合与偶尔情况下的偶尔荷载组合)。①分项系数确实定原那么对于地铁区间隧道衬砌构造设计，采用5个分项系数，即构造重要性系数，永久荷载分项系数，可变荷载分项系数，偶尔荷载分项系数，资料强度分项系数。其中的构造重要性系数、可变荷载分项系数、偶尔荷载分项系数以及资料强度分项系数均可参照<一致规范>的规定进展取值，对于永久荷载分项系数包括水土压力分项系数和构造自重分项系数，构造自重作为恒载加以思索，取其分项系数为1.35。这样在其它分项系数事先选定的条件下，剩下的义务就是如何确定适宜的水土压力分项系数。确定分项系数的原那么为：根据各根本变量变异性的大小，事先选定适宜的构造重要性系数、可变荷载分项系数、偶尔荷载分项系数、资料强度分项系数，然后采取可靠性分析和校准相结合的方法，确定设计中的土水压力荷载分项系数。根据可靠性校准分析所确定的目的可靠目的以及事先选定的其它分项系数，经过概率分析方法，根据曾经确定的目的可靠目的和各根本变量的统计参数与概率分布类型，利用“分位值法〞，求水土压力分项系数。②分项系数确实定方法③区间隧道规范断面分项系数根据作用效应和抗力的概率特性，取目的可靠目的为4.2，对北京地铁四、五、十号线的规范断面在各种埋深下的水土压力的分项系数进展计算，所得结果如表5-21所示。由表5-21可知，分项系数在1.15～1.3之间，在确定分项系数时，建议仍按1.35选用。根据以上结果各分项系数的选取如表5-22所示。根据北京地铁四、五、十号线规范断面的情况，对选取的各分项系数进展检验，从计算结果可知，规范端面的强度均能满足要求，主要是裂痕宽度控制配筋。④分项系数的合理性检验a.对在长期自然环境下地铁隧道复合式衬砌中初期支护与二次衬砌各自的作用进展了讨论，以为在长期自然环境下，二次衬砌单独接受长期作用的荷载，初期支护的存在改善了二次衬砌的环境条件和约束条件，相当于提高了地层对构造的弹性抗力约束力，即对地层的弹性抗力系数有所提高，至于初期支护对地层弹性抗力提高的数值，本文取为2.0。(8)小结b.对北京地铁区间隧道规范断面二次衬砌的可靠度进展了分析，为地铁隧道衬砌构造可靠度分析提供了方法，对确定地铁衬砌构造的可靠度程度具有一定的参考价值。c.经过对北京地铁部分区间隧道衬砌构造平安系数与可靠目的进展对比，阐明用单一平安系数设计法不能反映构造的平安程度，无法衡量构造的可靠性。因此，在地下构造设计中运用可靠性实际，推行概率极限形状设计，制定相应的构造设计规范，是地下构造设计开展的必然趋势。d.目的可靠目的确实定，是一项技术性和政策性都很强的任务。为与相近行业的技术程度相一致，本文建议地铁区间隧道衬砌构造抗压破坏的目的可靠目的也定为4.2。7.区间隧道构造温度应力伸缩缝计算分析(1)区间隧道构造温度应力研讨现状目前资料显示，既有地铁区间隧道普通情况下均未设置伸缩缝。但从北京地铁的调查情况来看，部分区间隧道构造不同程度发生环向裂痕，分析以为这些裂痕能够与温度应力有关。在实践工程中，处理温度应力危害的有效措施是设置合理的伸缩缝，但伸缩缝的设置间距、伸缩缝宽度以及合理的伸缩缝方式等方面的研讨，必需建立在隧道温度应力分布规律分析的根底之上。(2)区间隧道构造温度应力的计算原理①温度应力根本方程建立如图6-1所示的一维线形构造，左端固定，右端受弹性约束，在温差T的作用下，其一端产生的变位为其自在变位与弹性约束变位之代数和，即zL图6-1一维构造模型式(6-2)为温度变化形状下一维弹性约束构造的应力—应变方程。(6-2)②外部约束应力方程当两种面接触的物体产生相对位移时，在接触面上必然产生剪切应力，此时剪切应力可表示为：③区间隧道衬砌构造温度应力方程的建立假定区间长度为L，二衬构造壁厚为t，初支与二衬之间程度阻力系数为，假设坐标原点设在长度为一半处，那么隧道构造约束作用分布如图6-2所示。沿纵向在恣意点z处截取dz长的微元体，建立z向平衡方程，最后推导出③当z＝0时，σs达最大，即由上式可以看出，隧道构造最大温度应力与温度荷载、混凝土弹模、线膨胀系数成正比，同时还与周边约束条件以及构造外形、厚度等要素有关。(3)区间隧道二衬温度应力模拟计算分析①计算条件a.区间长度为真实反响北京地铁区间隧道的情况，计算中分别对50m、100m、150m、200m、600m、800m、1000m以及1200m长度进展模拟计算。b.区间隧道衬砌壁面温变化范围为了解地铁内环境温度变化情况，首先必需掌握包括列车活塞风的流动、沿线温度分布、沿线壁面热流分布、隧道构造温度变化及列车发热量等与热负荷相关的热工数据，而这些数据通常要经过实验获得。图6-3、6-4分别为冬季和夏季测试期间，北京市轨道交通建立管理对北京地铁1、2号线地铁区间隧道内各测试断面的平均空气温度ta、平均壁面温度tw，以及平均壁面热流Qw的实测结果。由图6-3、6-4可以看出，空气温度及壁面温度沿风道及隧道长度方向都按指数函数规律下降，冬夏洞内衬砌壁面温差大致在4℃左右。受地铁区间隧道环境特点影响，普通衬砌壁面昼夜温差不会太大，因此，计算中应充分思索由于季节变化所呵斥的衬砌壁面温度的变化范围。在研讨中，对于二次衬砌主要思索了3℃、5℃、7℃、8℃、10℃和12℃的温降荷载。135791113152468101214162324252627282922风道隧道温度/℃热流/(W/m2)图6-3夏季平均温度及热流的实测结果Qwtatwta5811141720232624681012141618134567891029图6-4冬季平均温度及热流的实测结果距风亭入口的间隔/m风道隧道温度/℃热流/(W/m2)Qwtwtac.构造外约束条件二衬在温度变化引起的变形过程中，外约束主要是混凝土外壁与防水层之间的摩擦作用。外约束越强，构造产生的温度应力越大，相应的工程防裂措施需求越强。地基程度阻力系数的大小直接反响约束条件的强弱。根据目前掌握的情况，还未见钢筋混凝土资料与高分子防水卷材之间的程度阻力系数研讨成果的相应报道。根据<工程构造裂痕控制>可以以为，普通情况下二衬与防水层之间的程度阻力系数在100×10-2N/mm3以下。在计算分析时，Cz分别取为10×10-2N/mm3、50×10-2N/mm3、100×10-2N/mm3。②计算模型按10号线规范断面采用ANSYS10.0有限元程序进展三维计算模拟，模型中单元采用SOLID45实体单元，约束条件只思索外外表程度弹性约束(模拟初支与二衬之间的约束情况)，并采用弹簧单元模拟程度变形约束，忽略了洞周地层对构造的垂直约束；隧道一端假定为自在伸缩，计算中取隧道长度普通作为分析对象，并假定该端为固定约束。③计算结果分析a.隧道区段长度对温度应力的影响在3℃负温荷载下，不同长度隧道二衬构造温度应力分布如图6-5所示(Cz＝10×10-2N/mm3)。隧道不同长度条件下，拱顶最大温度随长度变化情况见图6-6。图6-5不同长度隧道二衬构造温度应力分布从计算结果可以看出，当隧道长度较短时，构造长度对最大温度应力影响较大，即随着隧道长度的添加，二衬温度应力也不断添加；当隧道长度添加到一定程度(400m)以后，隧道长度对构造最大温度应力的影响变得不再显著。图6-6二衬拱顶部位最大温度应力与隧道长度关系b.横断面温度应力分布根据不同位置断面的温度应力分布情况，横断面应力分布特点可以归纳以下几点：a)受约束条件的影响，衬砌构造外侧拉应力大于内侧；b)受北京地铁区间隧道断面外形影响，从底板到边墙再到拱顶，衬砌温度应力逐渐减小；c)当隧道长度添加到一定数值后，由于对称断面附近构造位移接近于0，约束作用也接近于0，断面应力趋于一致。c.构造沿程温度应力分布不同温度荷载下，构造拱顶应力沿程变化如图6-11所示。图6-11不同温度荷载下拱顶应力沿程分布根据计算结果，隧道衬砌最大温度应力与温度荷载呈线性关系，温差越大，衬砌所受拉应力越大。在Cz＝10×10-2N/mm3条件下，区间地铁隧道衬砌C30混凝土能接受7℃的负温荷载，当降温超越7℃时，温度荷载产生的构造拉应力将超越混凝土的抗拉极限强度，从而产生环向受拉温度裂痕。d.构造外约束条件对温度应力的影响从初支及防水层对衬砌的约束条件对衬砌温度应力分布的影响规律可以得出，外部约束条件对自在端一定长度范围内衬砌应力分布影响较大，外部约束越强，影响的长度越短；约束越弱，温度应力到达最大值所阅历的长度越长。但只需温度荷载不变，衬砌构造的最大温度应力值将坚持不变。e.构造资料弹模对温度应力的影响根据目前地铁区间隧道的实践情况，计算中资料的弹性模量主要思索了C20、C25、C30三种混凝土的情况，计算不同弹模对衬砌温度应力的影响。从计算结果可以看出，弹模的取值对衬砌构造的温度应力最大值产生了一定影响，衬砌构造拉应力最大值普通随弹模呈线性增长。(4)区间隧道初支温度应力计算分析初支计算模型与二衬的区别主要表现除支护构造外侧有围岩程度弹性约束外，在初支内侧还要遭到内衬和防水层的变形约束作用。除此之外，初支资料参数与二衬资料也有所不同。①计算模型a.围岩程度阻力系数②计算条件初支与二衬之间的程度阻力系数取值衬砌计算中一样。计算时温降范围取为3～12℃。b.初支温降范围由于初支计算方法和模型与二衬情况类似，因此，此处仅列出隧道初支最大温度应力随温度的变化规律(如表6-1)，其它规律应该与二衬情况类似。③计算结果(5)区间隧道温升对衬砌应力形状影响的估算地铁隧道在长期运营过程中会产生大量的热能，随着时间的推移，洞内空气温度将不断提升，根据文献的研讨成果，普通情况下，各地地铁隧道同一季节洞内温升均控制在10℃以内，否那么将影响地铁运营环境、旅客乘车温馨度以及运营本钱。因此，在本研讨中洞内衬砌构造的长期最大温升按10℃思索，假设衬砌资料按C30钢筋混凝土思索，在不设伸缩缝的不利条件下，构造的最大温度应力(压应力)可表示为：σa＝E·α·T，式中符号同前。那么隧道衬砌最大压应力约为3.1MPa，远远小于混凝土的极限抗压强度。因此，对于地铁区间隧道，隧道构造由于温降产生的拉应力才是本研讨中的主要分析对象。(6)区间隧道温度应力应对措施①工程措施的讨论根据上述计算分析的结果，对于C30钢筋混凝土衬砌构造，最大可接受－7℃的温度荷载而不产生环向受拉裂痕(与区间长度无关)，当温降超越－8℃以上时，衬砌在温度应力作用下将发生纵向受拉破坏，出现环向裂痕。针对这种情况，可以从以下两个方面采取措施，控制温度应力危害的开展。从隧道通风方式和空调技术角度出发，优化通风方案和空调手段，尽量坚持洞内环境温度稳定，将隧道衬砌构造温度变化范围控制在7℃以内。设置伸缩缝，防止构造温度应力危害的发生。当温度荷载超越-8℃时，可设置合理的伸缩缝，降低构造温度应力的量值，确保隧道构造在长期运营过程中的平安与运用功能。②伸缩缝设置参数分析从前面的计算分析结果来看，极限长度不仅与温度荷载有关，还与外部约束条件有关，但与模型计算长度无关。详细计算结果见表6-2。a.伸缩缝设置间距设计过程中，伸缩缝的间距可与隧道极限应力发生的极限长度相一致。根据工程阅历，初支与二衬之间的程度阻力系数普通应在10×10-2N/mm3左右，那么在8～12℃温差时，区间隧道的伸缩缝设置间距可选择80～120m。伸缩缝的设置宽度与伸缩缝两端(自在端)的位移有关，普通取自在端程度位移值的2倍。对于衬砌构造自在端程度位移的计算结果见表6-3。b.伸缩缝合理缝宽从计算结果可以看出，隧道衬砌自在端(伸缩缝位置)的计算位移与外部约束关系较大，外部程度约束越强，其位移越小。假设伸缩缝设置宽度取端部计算位移的2倍，那么在8～12℃温差时，伸缩缝的设置宽度应在6～10mm，思索到施工误差，建议伸缩缝缝宽取20～30mm。(7)小结①对于地铁区间隧道，在普通情况下，温升引起的构造应力远远小于混凝土抗压极限，实践工程中可不予思索；而温降引起的拉应力对隧道结果平安性和运用功能影响相对显著，须引起有关方面留意。②隧道构造温度应力与温度荷载以及资料弹性模量根本上呈线性增长规律。③隧道洞周程度约束对温度应力分布产生一定影响，但当隧道长度添加到一定程度以后(普通300m以上)，最大温度应力不再受洞周约束的影响。④计算结果显示，隧道初支和衬砌构造均能接受－7℃的温度荷载，当温度荷载超越该数值后，衬砌构造能够会产生环向受拉裂痕。⑤实践工程中，对温度应力的处置可采用两种手段，一方面可以经过改善通风方式和洞内空调措施，改善洞内运营环境，坚持洞内环境温度根本稳定；另一方面可以增设构造伸缩缝，减小温度拉应力，确保构造平安。⑥外部约束对伸缩缝设置参数影响较大：外部约束越强，伸缩缝设置间距要求越短，但同时伸缩缝处纵向位移越小。根据分析结果，地铁区间隧道实测构造混凝土壁面的季节温差在4℃左右；同时思索到长期运营过程中洞内温度积累递增的规律，即同季节温升可控制在10℃以下的详细情况，计算按8～12℃季节温差思索条件下，伸缩缝的设置间距可取80～120m，伸缩缝的缝宽可取20～30mm。8.矿山法区间隧道施工阶段设计方法(1)计算模型矿山法区间隧道施工阶段设计，是指隧道开挖、支护、支护撤除等施工过程中构造应力与应变关系。隧道施工过程的力学效应采用空间模型进展计算模拟。隧道开挖、支护与围岩的相互作用，可按形变压力实际“延续体〞计算模型来描画围岩开孔、围岩与支护一同变形和接受地层压力的实践情况。(2)施工过程模拟方法大管棚和小导管超前支护具有“加固圈〞和“梁〞的实践作用。模拟中假设用梁单元模拟管棚可获得比较好的计算效果，但计算建模复杂，计算单元大幅添加。为简化计算，可采用“等效加固圈〞来模拟大管棚和小导管的支护作用，即以大管棚或小导管为中心20～30cm厚地层的参数提高，其参数按一样地层参数的C5~C10的砂浆或混凝土采用。①大管棚和小导管超前支护隧道主要施工(开挖)方法有：全断面法、台阶法、CD或CRD法、双侧壁导坑法等。②常见的施工过程施工阶段计算是提示开挖、支护施工过程中的力学效应，结果整理不仅要显示最终构造内力与位移形状，还需显示各主要施工阶段〔如各施工步终了〕的构造内力与位移，不仅要显示构造的最不利受力位置，还要显示关键部分随过程的变形情况。③主要计算结果整理北京地铁十号线苏州街站~黄庄站区间隧道F型断面，宽度16.5m，高11.506m，采用直径108mm大管棚超前支护，初期支护0.35m，二次衬砌0.9m，隧道埋深7.0m，断面位置地层自上而下为杂填土、粉土、粉质粘土、卵石与圆砾、粉质粘土、卵石与圆砾等。采用暗挖法施工分别采用全断面、台阶法、CD法、CRD法和双侧壁导坑法施工。计算不同工法条件下构造受力与变形情况。④算例a.全断面开挖模拟结果为：采用全断面法施工，地表最终最大沉降值达23cm,远大于规范要求的3cm的要求。从初期支护和二次衬砌应力云图可以看出，初期支护最大压应力为8.87MPa，小于初衬极限抗压强度。最大拉应力为1.89MPa，稍大于初衬抗拉极限强度，初期支护仍处于稳定形状。二衬最大压应力为3.94MPa，小于二衬极限抗压强度。最大拉应力为1.15MPa，小于二衬抗拉极限强度。阐明二衬处于平安稳定形状。b.台阶开挖模拟结果为：台阶法施工，地表最终最大沉降值达6.59cm,大于规范要求的3cm的要求。初期支护终了，初期支护最大压应力为11.77MPa，小于初衬极限抗压强度。最大拉应力为5.86MPa，大于初衬极限抗拉强度。二衬最大压应力为3.64MPa，小于二衬极限抗拉强度。最大拉应力为3.64MPa，大于二衬极限抗拉强度。计算结果阐明，初衬和二衬的最大拉应力均超越二者的极限抗拉强度，施工思索适当配筋。c.CD法模拟结果为：地表最终最大沉降值达4.3cm,大于规范要求的3cm的要求。初期支护终了，初期支护最大压应力为8.33MPa，小于初衬极限抗压强度。最大拉应力为7.34MPa，大于初衬极限抗拉强度。二衬最大压应力为5.44MPa，小于二衬极限抗拉强度。最大拉应力为7.55MPa，大于二衬极限抗拉强度。计算结果阐明，初衬和二衬的最大拉应力均超越二者的极限抗拉强度，施工思索适当配筋。d.CRD法模拟结果为：地表最终最大沉降值达3.84cm,大于规范要求的3cm的要求。初期支护终了，初期支护最大压应力为5.59MPa，小于初衬极限抗压强度。最大拉应力为5.71MPa，大于初衬极限抗拉强度。二衬最大压应力为5.43MPa，小于二衬极限抗拉强度。最大拉应力为7.56MPa，大于二衬极限抗拉强度。计算结果阐明，初衬和二衬的最大拉应力均超越二者的极限抗拉强度，施工思索适当配筋。e.眼镜法开挖模拟结果为：地表最终最大沉降值达2.12cm,大于规范要求的3cm的要求。初期支护终了，初期支护最大压应力为3.95MPa，小于初衬极限抗压强度。最大拉应力为3.67MPa，大于初衬极限抗拉强度。二衬最大压应力为5.81MPa，小于二衬极限抗拉强度。最大拉应力为4.84MPa，大于二衬极限抗拉强度。计算结果阐明，初衬和二衬的最大拉应力均超越二者的极限抗拉强度，施工思索适当配筋。(4)小结综合以上5种施工方法的开挖数值模拟结果可以得出以下几点：①在地表沉降方面，全断面开挖最大，台阶开挖次之，双侧壁法开挖最小。②在初衬和二衬的应力方面，最大压应力均小于二者的极限抗压强度，但最大拉应力都大于其极限抗拉强度，施工中思索适当配筋。9.主要研讨成果及结论(1)搜集了地铁四、五和十号线的37座车站和36座区间工程地质资料，建立了地铁四、五和十号线地质资料数据库。统计分析了区间隧道埋深，地层分层厚度，各地层的重度、内摩擦角、内聚力、紧缩模量、基床系数等物理力学参数平均值与变异系数。根据北京地铁所处地层、隧道尺寸及埋深情况，分别以普氏、泰沙基、比尔鲍曼和谢家烋实际对埋深在