第三章 區(qū)間隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、中南大學(xué)本科生畢業(yè)論文 第3章第3章 區(qū)間隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1地下鐵道線路上部建筑 鋼軌、聯(lián)接零件、道 床、 軌枕、防爬設(shè)備及道岔共同組成地下鐵道線路 上部建筑。地鐵的特點(diǎn) 有運(yùn)量較大、快速迅捷、安全、 準(zhǔn)時(shí)、不污染環(huán)境，同時(shí)地鐵可以修建在建筑物較多而且不便于發(fā)展地面交通的地方。3.1.1 鋼軌 選定鋼軌類型的主要因素是年通過(guò)量、速度、選定的軸負(fù)載、延長(zhǎng)檢修周期、檢修工作量和振動(dòng)噪聲。（1） 鋼軌類型 綜合國(guó)內(nèi)外地鐵鋼軌類型和南昌軌道交通的實(shí)際情況，宜選用60kg/m的鋼軌。（2） 鋼軌鋪設(shè) 中山西路站至子固路站區(qū)間為直線段，在地下鐵道內(nèi)由于陽(yáng)光不受影響，溫度變化相對(duì)較小，鋪設(shè)無(wú)縫線路。對(duì)于

2、無(wú)縫線路，采用換鋪法進(jìn)行施工，對(duì)于長(zhǎng)軌條的焊接，采用基地焊接 與工地焊接相結(jié)合的施工方式?；睾高x用接觸焊，工地焊可以選用鋁熱 焊或移動(dòng)式氣壓焊。3.1.2 扣件 地下鐵道的鋼軌扣件有 剛性扣件及彈性扣件兩種，考慮到中子區(qū)間地段線路采用整體式道床，因此扣件采用全彈性分開式扣件。因?yàn)槿珡椥苑珠_式扣件 在垂直和橫向均具有良好地彈性，相比而言更加適合整體式道床。3.1.3 道床 一般情況下有碎石道床 和整體道床兩種道床。整體道床的類型較多，隨著軌枕方式的不同，有短軌枕 式整體道床、長(zhǎng)枕式整體道床、縱向浮置板式整體道床等。結(jié)合南昌鐵路交通的實(shí)際情況，利用短軌枕整體道床設(shè)計(jì)區(qū)間，道床穩(wěn)定、耐久性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)

3、簡(jiǎn)單、造價(jià)低、施工簡(jiǎn)單。鋼筋混凝土短軌枕的預(yù)制混凝土采用C50，嵌入在混凝土道床，采用C30混凝土道床，布設(shè)中心溝，在單層鋼筋網(wǎng)的內(nèi)，鋼筋網(wǎng)作為一個(gè)雜散電流排水加固。3.1.4 道岔 道岔有單開道岔和雙開道岔等形式。中山西路站至子固路站區(qū)間采用9號(hào)單開道岔。3.2地下鐵道區(qū)間隧道限界與凈空 本設(shè)計(jì)線路采用型接觸網(wǎng)帶電車輛通過(guò)這條線，每列車編排6輛，最高時(shí)速是80公里/小時(shí)。型車車輛長(zhǎng)度為19m，最大寬度為28m，車輛定距為12.6m，車輛限界及設(shè)備 限界詳細(xì)參數(shù)參照 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范附錄。由于區(qū)間是一個(gè)圓形盾構(gòu)隧道施工，無(wú)論是在直線或曲線段，只能使用相同直徑的盾構(gòu)，要在直線上 或不同曲線半徑地 段

4、采用不同半徑的 盾構(gòu)來(lái)施工是不可能的。所以，按平面曲線最小曲線 半徑來(lái) 選用盾構(gòu)進(jìn)行施工，才能夠使得圓形隧 道建筑限界滿足要求。（1） 由于車廂縱軸線與 線路中線的偏移而引起 的加寬與加高a.曲線內(nèi)側(cè) 加寬 （3-1）式中 l-車輛 定距 a-車輛 固定軸距 R-圓曲 線半徑 b.曲線外 側(cè)加寬 （3-2）（2） 由于超高使車廂傾 斜而引起的加寬與加高 根據(jù)規(guī)范可知，“圓形或馬蹄形隧道 在曲線超高地段，應(yīng)采用隧道中心向線 路基準(zhǔn)線內(nèi)側(cè)偏移 的方法解決軌道超高 造成的內(nèi)外側(cè)不 均勻位移量”。所以從減小襯砌直徑、保證 受力和降低工程量方面考慮，只需將隧道中心向線路基準(zhǔn)線內(nèi)側(cè)偏移即可，盾構(gòu)襯砌一般不

5、進(jìn)行該項(xiàng)加寬。本設(shè)計(jì)不予計(jì)算。 c.頂部加高 （3-3）式中 -車廂頂 部的寬度（3） 總加寬與加高 隧道加寬設(shè)計(jì)考慮 區(qū)段最小平曲線半 徑R=350m.所以盾構(gòu)隧道加寬 加高如下： 曲線總加寬：曲線總加高：（4） 限界與凈空 具體設(shè)計(jì)見設(shè)計(jì)圖，圖號(hào)02。 3.3襯砌結(jié)構(gòu)類型與設(shè)計(jì)3.3.1 管片類型比選 盾構(gòu)法隧道的 襯砌有單層和雙層，單層襯砌由裝配式中 襯砌構(gòu)成，也可以采用擠壓混凝土 襯砌，當(dāng)前，地鐵盾構(gòu)隧道 一般采用的是裝配式襯砌。鋼筋混凝土管片具有制作方 便、剛度較大、耐久性和 耐壓性好、造價(jià)低等一系列特點(diǎn)，因此被廣泛采用。結(jié)合南昌市軌道交通特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用 鋼筋混凝土土管片。鋼筋混凝

6、土管片又有兩種類型：（一）箱型管片 箱型管片一般用于大直徑隧道。管片有大手孔和空腔。因?yàn)榭涨惠^大，因此可采用制螺 栓連接。該管片的優(yōu)點(diǎn)是：方便螺栓的 連接操作；能夠減少混凝土材料的使用；材料量相同時(shí)候，箱型比板型管片的抗彎剛度更大。缺點(diǎn)是：因?yàn)榭涨槐巢康囊r砌厚度有一定限度，在盾構(gòu)千斤頂?shù)?壓力作用下，可能會(huì)使管片混凝土剝落，甚至被 壓碎；因?yàn)榇嬖诳涨?，?yīng)該將管片設(shè)計(jì)較厚，所以會(huì)導(dǎo)致開挖斷面加大，不利于節(jié)省造價(jià)。（2） 板型管片 板型管片呈彎曲的 形狀，它的手孔較小。該種管片的優(yōu)點(diǎn)是：因?yàn)榭涨惠^小，大多是實(shí)心的，因此能承受千斤頂?shù)妮^大壓力；其內(nèi)表面比箱型管片平整光滑、通風(fēng)阻力 小、對(duì)運(yùn)營(yíng)通風(fēng)有利

7、；當(dāng)厚度相等時(shí)，板型管片的 抗彎剛度及強(qiáng)度都比箱型管片大；對(duì)各種直徑的隧道，都比較適用。缺點(diǎn)是：一定要使用螺栓，不方便施工操作。 根據(jù)上述各 類型管片的特點(diǎn)和地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，隧道的襯砌類型選為鋼筋混凝土預(yù)制 單層板型管片襯砌。考慮防水及一次襯砌到位，襯砌結(jié)構(gòu)混凝土 采用C50防水等級(jí) S10的混凝土。3.3.2管片厚度及寬度的設(shè)計(jì) 因?yàn)閱螌右r砌具有施工方法簡(jiǎn)單、工程進(jìn)度短、投資較省的優(yōu)點(diǎn)，所以盾構(gòu)隧道采用單層裝配式襯砌，管片選用平板型鋼筋混凝土管片。綜合考慮，管片的厚度為40cm，采用C50混凝土。 使用環(huán)寬1.5m的管片 有以下優(yōu)點(diǎn)：一方面是減少了20%的環(huán)向接縫數(shù)量，降低了 接縫漏水的幾

8、率，提高隧道防水質(zhì)量；另一方面是減少了連接螺栓的使用量；此外還減少了20%的拼裝時(shí)間，加快了施工速度。綜合考慮南昌實(shí)際情況，環(huán)寬為1.5m。3.3.3分塊 在當(dāng)前情況下，地 鐵隧道為中等直徑的時(shí)候，襯砌環(huán)的分塊數(shù) 一般采用3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊+2個(gè)鄰接 塊+1個(gè)封頂塊，特點(diǎn)是方便運(yùn)輸，容易拼裝。本區(qū)間將采用這種分塊方式。中山西路站至子固路站區(qū)間盾構(gòu)管片的標(biāo)準(zhǔn)塊為67.5°，鄰接塊為67.5°，封頂塊為22.5°。3.3.4連接形式 管片采用彎螺栓連接，環(huán)向采用12個(gè) M30螺栓，每接縫之間采用2個(gè)M30螺栓連接。縱向環(huán)與環(huán)之間采用10個(gè)M30螺栓連接，按照36°等

9、角 布置。在距離隧道 內(nèi)側(cè)1/3襯砌厚度處設(shè)置縱環(huán)向螺栓孔。3.3.5管片的拼裝方式 錯(cuò)縫方式和通縫方式是圓形管片襯砌 拼裝的兩種方式。通縫拼裝方式可使裝配方便，容易定位。錯(cuò)縫拼裝方式的優(yōu)點(diǎn)：襯砌 整體性較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)受力形態(tài)較優(yōu)；由于錯(cuò)縫呈丁字形，有利于防水；當(dāng)管片環(huán)面不光滑時(shí)，容易引起較大的拼裝施工應(yīng)力，使得縱向螺栓的連接不太容易，但環(huán)向 螺栓容易穿。因此，本設(shè)計(jì)采用錯(cuò)縫拼裝方式。3.3.6封頂塊的插入方式與插入角 徑向和 縱向兩種插入方式是封頂塊的不同插入方式。隨著盾構(gòu)隧道的埋深越來(lái)越大，承受高水土壓力的拱頂管片的抗剪強(qiáng)度成了問(wèn)題，因此，多數(shù)采用縱向插入式。考慮到南昌軌道交通的實(shí)際情況，本設(shè)

10、計(jì)采用8°的插入角。3.3.7接縫的構(gòu)造 凹凸榫的設(shè)置雖然會(huì)提高接縫剛度，減少不均勻沉降，但是卻會(huì)增加管片制作、拼裝的難度，是拼裝和后期沉降過(guò)程中管片 開裂的因素之一，客觀上又削弱了管片防水性能。而且當(dāng)?shù)貙虞^硬時(shí)，如果接縫處開裂，這種開裂發(fā)生在管片背后會(huì)是看不見且無(wú)法修補(bǔ)的。因此，管片環(huán)、縱縫均不設(shè)榫槽。3.3.8注漿孔和吊裝孔 由于需要均勻地向襯砌背后進(jìn)行回填注漿，每塊管片上還需要設(shè)置一個(gè)注漿孔，內(nèi)徑取60mm。不另外設(shè)置吊裝孔，螺栓孔和注漿孔兼作管片吊裝孔。3.3.9防水考慮 為了防止管片漏水，設(shè)置防水條槽。此外，采用密封墊圈來(lái)使螺栓孔防水，背后注漿防水采用了 包括密封墊圈的注漿

11、孔防水盒防 水環(huán)對(duì)注漿管萬(wàn)冊(cè)的防水。管片背面防水采用 環(huán)氧樹脂全面涂刷。3.4區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算及結(jié)果分析 本設(shè)計(jì)利用flac程序計(jì)算圓形管片結(jié)構(gòu)使用 階段的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。 由埋深方案比選圖，地鐵線路中山西路站至子固路站區(qū)間最不利工況位置處于線路里程CK13+240.99、CK13+416.25和CK13+21.28，其中CK13+21.28里程處為地質(zhì)條件最為復(fù)雜處，CK13+240.99里程處為埋深最大處，CK13+416.25里程處穿過(guò)撫河。需要經(jīng)過(guò)flac計(jì)算，才能確定最不利截面。 由地鐵區(qū)間縱斷面地質(zhì)資料圖及設(shè)計(jì)勘察資料，可以得出上述三處的地質(zhì)分布，分別如表3-1,、3-2和3-3.

12、表3-1 CK13+21.28處地質(zhì)表地層厚度（m）雜填土2.7粉質(zhì)黏土1.5淤泥3.1細(xì)砂5.4圓礫3.8礫砂2.3強(qiáng)風(fēng)化1.3中分化12.1 表3-2 CK13+240.99處地質(zhì)表地層厚度（m）雜填土4.6粉質(zhì)黏土3.4細(xì)砂9.0強(qiáng)風(fēng)化0.8中分化10.2微風(fēng)化4.2 表3-3 CK13+416.25處地質(zhì)表地層厚度（m）水7.8粉質(zhì)黏土6.2強(qiáng)風(fēng)化1.0中分化9.8微風(fēng)化15.0 盾構(gòu)隧道主要穿過(guò)中風(fēng)化層，該層地質(zhì)穩(wěn)定，隧道受影響較小。管片襯砌采用C50防水鋼筋混凝土，其容重取26KN/m³，彈性模量為35.5GPa，但是考慮到管片拼裝的襯砌圓環(huán)，其剛度比整體澆筑的圓環(huán)要小些

13、，管片的剛度折減率取0.6，因此實(shí)際輸入文件中管片的彈性模量為21.3GPa。 通過(guò)flac程序得到了三處的內(nèi)力大小以及位移，分別如下所示。圖3-1 CK13+21.28處彎矩圖圖3-2 CK13+21.28處剪力圖圖3-3 CK13+21.28處軸力圖圖3-4 CK13+21.28處結(jié)構(gòu)X方向位移圖圖3-5 CK13+21.28處結(jié)構(gòu)Y方向位移圖圖3-6 CK13+240.99處彎矩圖圖3-7 CK13+240.99處剪力圖圖3-8 CK13+240.99處軸力圖圖3-9 CK13+240.99處結(jié)構(gòu)X方向位移圖圖3-10 CK13+240.99處結(jié)構(gòu)Y方向位移圖圖3-11 CK13+416.25處彎矩圖圖3-12 CK13+416.25處剪力圖圖3-13 CK13+416.25處軸力圖圖3-14 CK13+416.25處結(jié)構(gòu)X方向位移圖圖3-15 CK13+416.25處結(jié)構(gòu)Y方向位移圖 由上圖可知，管片襯砌在CK13+21.28處最大彎矩為52.2,最大剪力為31.46，最大軸力為1397，管片襯砌在CK13+240.99處最大彎矩為44.5,最大剪力為25.36，最大軸力為1269，管片襯砌在CK13+416.25處最大彎矩為26.71,最大剪力為19.14，最大軸力為620。所以工況CK13+21.28處結(jié)構(gòu)