地鐵礦山法區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南_圖文

1、北京地鐵礦山法區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算指南 (試用北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司二 六年十二月驗(yàn)收文件之三前 言根據(jù)北京城市軌道交通礦山法修建區(qū)間隧道的地層、地面環(huán)境和埋深等 實(shí)際條件,以及多年的設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn),針對礦山法區(qū)間隧道設(shè)計(jì)檢算中有關(guān) 地層壓力、計(jì)算模型、計(jì)算參數(shù)等不統(tǒng)一或不明確狀況,在 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范 (GB50157-2003基礎(chǔ)上,吸納“北京地鐵礦山法區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法”研 究成果, 編制了 北京地鐵礦山法區(qū)間隧道設(shè)計(jì)計(jì)算指南 , 供北京軌道交通 建設(shè)設(shè)計(jì)參考。本指南主要起草人:羅富榮、 朱永全、 陳 曦、 張成滿、 王占生、 宋玉香、 賈曉云、李宏建、徐凌等。編 者 2006年 1

2、2月目 錄1 總則 ················································&#

3、183;··································· 12 設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)指標(biāo) ············&

4、#183;·················································&

5、#183;··· 23 設(shè)計(jì)計(jì)算荷載 ············································&#

6、183;··························· 4 3.1 荷載分類和荷載組合 ···················

7、83;······································ 4 3.2 地層壓力 ·········

8、83;·················································

9、83;············ 5 3.3 地面車輛荷載引起的附加壓力 ··································

10、············ 6 3.4 地震荷載 ····································

11、···································· 7 3.5 水壓力 ············&

12、#183;·················································&

13、#183;············ 7 3.6 鄰近地面設(shè)施及建筑物壓力荷載 ·································

14、83;········· 8 3.7 人防荷載 ······································

15、83;································103.8 其它荷載 ···············

16、3;·················································

17、3;·····104 初期支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算 ··········································

18、83;······················10 4.1 一般規(guī)定 ·························

19、83;·············································11 4.2 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)檢算模型 ·

20、83;·················································

21、83;··114.3 初期支護(hù)強(qiáng)度檢算方法 ············································

22、3;·········135 二次襯砌設(shè)計(jì)計(jì)算 ······································

23、83;························ 146 5.1 一般規(guī)定 ·······················&

24、#183;···············································16 5.2 計(jì)算方法 &

25、#183;·················································&

26、#183;····················16 5.3 襯砌結(jié)構(gòu)溫度伸縮縫 ··························&#

27、183;······························19條文說明 ··················&

28、#183;·················································&

29、#183;············241 總則 ····································

30、············································242 設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)指標(biāo) ····

31、;··················································

32、;········253 設(shè)計(jì)計(jì)算荷載 ········································

33、····························254 初期支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算 ····················

34、;··········································305 二次襯砌設(shè)計(jì)計(jì)算 ·····

35、3;·················································

36、3;······321 總則 12設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)指標(biāo) 2 33 設(shè)計(jì)計(jì)算荷載3.1荷載分類和荷載組合 (2表中所列荷載未加說明者,可根據(jù)國家有關(guān)規(guī)范或根據(jù)實(shí)際情況確定;(3施工荷載包括:設(shè)備運(yùn)輸及吊裝荷載,施工機(jī)具及人群荷載,施工堆載,相鄰施工的影響等荷載。 4 53.2 地層壓力-+<-+=1211311213 1( 1(D h K D K K D D h D K h K K h D h h v (3-1式中 地層重度,為上覆地層重度加權(quán)平均值, iih h=;i 、 i h 第 i 層地層重度和厚度。h 隧道上覆地層厚度; D

37、 開挖斷面寬度;D 1豎向土壓力保持不變的起始深度, 1312121K K K K D -=。其中, 1212 45(tan tan a K -=; 1245tan(tan 21a c K -=; 245tan(21-+=t H D a ; D K D K K D K K 212131-+=;上覆地層內(nèi)摩擦角加權(quán)平均值, i ih h=;i 第 i 層地層內(nèi)摩擦角。c 上覆地層內(nèi)聚力加權(quán)平均值, i i c h c h=;i c 第 i 層地層內(nèi)聚力。t H 斷面高度。21( (45 22v t e H tg =+- (3-2式中 v 洞頂?shù)貙拥拇怪眽毫?隧道開挖高度內(nèi)各地層內(nèi)摩擦角的層厚加權(quán)

38、平均值; 其他符號同前。 63.3 地面車輛荷載引起的附加壓力在道路下方的地下結(jié)構(gòu), 地面車輛及施工荷載可按 20kPa 的均布荷載取值, 并不計(jì)沖 擊壓力的影響。地面車輛荷載傳遞到地下結(jié)構(gòu)上的側(cè)壓力 ox p ,可按下式計(jì)算:oz a ox p p = (3-320452a tg =- (3-4式中 a 側(cè)壓力系數(shù)其它符號意義同前。3.4 地震荷載在襯砌結(jié)構(gòu)橫截面和沿結(jié)構(gòu)縱軸方向的抗震設(shè)計(jì)和抗震穩(wěn)定性檢算中采用地震變形 法, 即以隧道所在位置的地層位移作為地震對結(jié)構(gòu)作用的輸入。 在北京地區(qū)隧道結(jié)構(gòu)抗震 設(shè)防基本烈度為 7度或 8度條件下, 地震偶然荷載值 (或影響程度 小于按上級批復(fù)人防抗

39、力標(biāo)準(zhǔn)的人防偶然荷載。因此,在計(jì)入人防偶然荷載時(shí),可不驗(yàn)算地震偶然荷載。等代的靜地震荷載包括:結(jié)構(gòu)本身和洞頂上方土柱的水平、 垂直慣性力以及主動土壓 力增量。水平地震荷載可分為垂直和沿著隧道縱軸兩個方向進(jìn)行計(jì)算。 由于地震垂直加速度峰h1圖 3-1 地層豎向壓力計(jì)算圖式2K 7值一般為水平加速度的 1/22/3,而且也缺乏足夠的地震記錄,因此對震級較小和對垂直 地震振動不敏感的結(jié)構(gòu), 可不考慮垂直地震荷載的作用。 只有在驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的抗浮能力時(shí)才 計(jì)及垂直慣性力。3.5 水壓力一般靜水壓力可使隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的軸向力加大, 對抗彎性能差的混凝土結(jié)構(gòu)來說, 相 當(dāng)于改善了它的受力狀態(tài); 但高水位時(shí), 對

40、側(cè)墻和底板的某些截面的受力也可能產(chǎn)生不利 影響, 因此, 計(jì)算靜水壓力時(shí)應(yīng)分別按可能出現(xiàn)的最高和最低水位考慮。 而驗(yàn)算隧道結(jié)構(gòu) 的抗浮能力時(shí),按可能出現(xiàn)的最高水位考慮。計(jì)算靜水壓力時(shí), 兩種方法可供選擇, 一種是和土壓力分開計(jì)算; 另一種是將其視為 土壓力的一部分和土壓力一起計(jì)算。偏于安全,對于砂性土、粘土地層 (含粉質(zhì)粘土 采用 水土分算。水土分算時(shí), 地下水位以上的土采用天然重度 , 水位以下的土采用有效重度 '計(jì)算 土壓力, 另外再計(jì)算靜水壓力的作用。 水土合算時(shí), 地下水位以上的土與水土分算時(shí)相同, 水位以下的土采用飽和重度 s 計(jì)算土壓力,不計(jì)算靜水壓力。其中土的有效重度 &

41、#39;為:w s -=' (3-5式中, w 水的重度,一般 3kN/m10=w 。 兩種計(jì)算靜水壓力的方法的差異示于圖 3-2中。3.6 鄰近地面設(shè)施及建筑物壓力荷載隧道穿越或鄰近地面高大建筑物時(shí), 應(yīng)考慮鄰近地面建筑物地基應(yīng)力荷載所引起的附 加荷載。按土力學(xué)理論,假定地基為各向同性半無限體, 在不同地面荷載作用下,地基中(b水土合算(a水土分算 圖 3-2 兩種計(jì)算靜水壓力方法 8任一點(diǎn)所引起的附加應(yīng)力,以布內(nèi)斯克 (Boussinesq解為基礎(chǔ)推導(dǎo)求解。矩形面積均布荷載作用下,土中任一點(diǎn) N 的 z 已有解析解,但公式計(jì)算比較復(fù)雜, 計(jì)算時(shí)常用圖表來進(jìn)行。邊長為 a 、 b 的

42、矩形面積均布荷載作用時(shí), 矩形角點(diǎn)下深度 Z 點(diǎn) (如圖 3-3(a所示 的附 加應(yīng)力 z 為:p k z = (3-62(, a zk f b b =式中 a 、 b 面積荷載的長和寬;Z 待求點(diǎn)深度; p 均布荷載值;k 矩形面積均布荷載角點(diǎn)下的應(yīng)力系數(shù),如表 3-3所示。矩形面積均布荷載下,土中任一點(diǎn) N (如圖 (3-3(b、 (c所示 的附加應(yīng)力可用疊加原 理求得。如圖 3-3(b所示,為求矩形 (a ×b 面積荷載中心 Z 點(diǎn)的 z ,可把矩形面積分成四 等分,先由表 3-3找四分之一面積角點(diǎn)下的應(yīng)力系數(shù) 5. 02, 5. 05. 0(bzb a f k =,則中心點(diǎn)下

43、 z 為 p bzb a f z = 5. 02, 5. 05. 0(4。又如圖 3-3所示,為求矩形面積外任意點(diǎn) M 下的 z ,可按圖上 虛線過 M 點(diǎn)分成若干面積,則 M 點(diǎn)下的 z 可由幾個矩形面積角點(diǎn)下的 z 相疊加而成, 即p k k k k M M M M z +-= (584674523613 (3-7式 (3-7中 k 的腳標(biāo)表示所代表的面積,如 613M k 表示矩形面積 13M 6的角點(diǎn)應(yīng)力系數(shù),圖 3-3 矩形均布荷載角點(diǎn)下和任一點(diǎn)下的應(yīng)力 (a 角點(diǎn)下應(yīng)力; (b 中點(diǎn)下應(yīng)力; (c任一點(diǎn)下應(yīng)力(a(b(c按每個面積的長邊和短邊比及深度和短邊之比,由表 3-3中查得。

44、用表時(shí)要注意表中之 b 永遠(yuǎn)代表短邊。 3.7人防荷載區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)人防荷載按 人民防空工程設(shè)計(jì)規(guī)范 (GB50225-95中地道、 坑道式人 防工程結(jié)構(gòu)荷載、結(jié)構(gòu)動力計(jì)算等有關(guān)規(guī)定計(jì)算確定。3.8其它荷載正常施工條件下, 區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)可忽略地鐵車輛荷載及其制動力作用、 溫度變化及混 凝土收縮徐變作用、人群荷載、施工荷載及設(shè)備重量作用。 9 104 初期支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算4.1 一般規(guī)定當(dāng) U U 0時(shí),隧道穩(wěn)定;當(dāng) U >U 0時(shí),隧道不穩(wěn)定。極限位移 U 0應(yīng)根據(jù)地層條件、斷面特征及施工方法等因素分析確定。4.2 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)檢算模型k p = (4-1式中 k 地層的彈性抗力系數(shù) (MPa

45、/m,可用地質(zhì)勘察部門提供的基床系數(shù)代替。當(dāng)無地質(zhì)勘察基床系數(shù)時(shí),可按表 4-1所列基床系數(shù)平均值采用。4.3初期支護(hù)強(qiáng)度檢算方法初期支護(hù)結(jié)構(gòu)按彈性支承鏈桿圖式計(jì)算, 將計(jì)算斷面劃分為 40 60個直梁等分單元, 拱部 90°120°(自動試算確定 范圍不設(shè)彈性鏈桿, 側(cè)邊加水平鏈桿, 底邊加豎直鏈桿。 11 12對于墻腳為圓角形支護(hù),圓角處各節(jié)點(diǎn)同時(shí)采用水平鏈桿和豎直鏈桿,計(jì)算圖式如圖 4-1所示。根據(jù)初期支護(hù)格柵鋼架網(wǎng)噴混凝土或無鋼架噴混凝土結(jié)構(gòu)情況, 參照 鐵路隧道設(shè)計(jì) 規(guī)范 (TB10003-2005, 按破損階段法進(jìn)行檢算。a KN R bh (4-2式中 a R

46、 初期支護(hù)噴射混凝土的抗壓極限強(qiáng)度,按 2.9節(jié)規(guī)定采用; K 安全系數(shù); N 軸向力 (N; b 截面的寬度 (m; h 截面的厚度 (m;構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù),對于隧道支護(hù)可取 1=; 軸向力的偏心影響系數(shù),按表 4-2采用。0(2表中 30200 /(44. 15 /(569. 12 /(648. 0000. 1h e h e h e +-+= 圖 4-1 圓角型斷面計(jì)算圖式 13從抗裂要求出發(fā),混凝土矩形截面偏心構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算:1. 7561L R b hKN e h- (4-3式中 L R 噴射混凝土抗拉極限強(qiáng)度,按 2.9節(jié)規(guī)定采用;0e 截面偏心距;其它符號意義同前。注

47、:計(jì)算表明,對混凝土矩形截面構(gòu)件,當(dāng) 00.20e h 時(shí),系抗壓強(qiáng)度控制承載力。 145 二次襯砌設(shè)計(jì)計(jì)算5.1 一般規(guī)定5.2 計(jì)算方法在第四紀(jì)土層中的淺埋復(fù)合式結(jié)構(gòu), 二次襯砌與初期支護(hù)共同承擔(dān)著外荷載。 考慮到 支護(hù)與二次襯砌復(fù)合結(jié)構(gòu)計(jì)算模型較為復(fù)雜, 為使計(jì)算工作簡單, 按二次襯砌承擔(dān)全部外 荷載 (永久荷載、可變荷載和偶然荷載 計(jì)算,并滿足相應(yīng)截面最小安全系數(shù)及裂縫寬度檢 算要求。鋼筋混凝土矩形截面偏心受壓構(gòu)件的計(jì)算公式 (圖 5-1、圖 5-2 : 大偏心受壓 (055. 0h x 時(shí),其截面強(qiáng)度按下式計(jì)算 (圖 5-1 :( 2/(00a h A R x h bx R KNe

48、gg w '-'+- (5-1 小偏心受壓 (055. 0h x > 時(shí),其截面強(qiáng)度按下式計(jì)算 (圖 5-2 :(5. 0020a h A R bh R KNe gg a '-'+ (5-2 當(dāng)軸向力作用于鋼筋的重心之間,尚應(yīng)符合下列要求: 15(5. 0020a h A R h b R e KN g g a -'+'' (5-3 式中 K 安全系數(shù);N 軸向力;b 截面的寬度; h 截面的厚度;0h 截面的有效高度, a h h -=0; 0h '截面的有效高度, a h h '-='0; e 、 e &#

49、39;軸向力作用點(diǎn)到鋼筋 g A 、 gA '重心的距離; a 、 a '自 g A 和 gA '鋼筋的重心分別至截面最近邊緣的距離; w R 混凝土的彎曲抗壓極限強(qiáng)度; a R 混凝土的抗壓極限強(qiáng)度;g R 鋼筋的計(jì)算強(qiáng)度;g A 、 gAk N A g A g 圖 5-1 鋼筋混凝土大偏心受壓構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算圖g 圖 5-2 鋼筋混凝土小偏心受壓構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算圖A g 16永久荷載和可變荷載作用下,二次襯砌結(jié)構(gòu)最大計(jì)算裂縫寬度 maxf 應(yīng)滿足 2.5條的要求。考慮裂縫寬度分布不均勻性及荷載長期作用影響后的最大裂縫寬度 max f (cm,可按 下列公式計(jì)算:f ggf

50、l E 0. 2max = (5-4+=d l f 06. 06 (5-5 式中 E g 鋼筋的彈性模量;裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù);-=M bh R f 2235. 012. 1,當(dāng) 4. 0<時(shí),取 =0.4; 0. 1>時(shí),取 0. 1=; M 永久荷載和可變荷載作用下的彎矩; b 矩形截面寬度;R f 混凝土的極限抗拉強(qiáng)度;h 截面高度;g 縱向受拉鋼筋應(yīng)力,可取 087. 0h A Mg g =;g A 縱向受拉鋼筋的截面面積;h 0截面的有效高度, h 0=截面高度 h -保護(hù)層厚度 a ; l f 平均裂縫間距 (以厘米計(jì) ;d 縱向受拉鋼筋的直徑 (以厘米計(jì)

51、,當(dāng)用不同直徑的鋼筋時(shí),公式 (5-5中 d 改為換算直徑 s A g /4(s 為縱向受拉鋼筋總周長 ;縱向受拉鋼筋配筋率, 0bh A g =; 17與縱向受拉鋼筋表面形狀有關(guān)的系數(shù), 對螺紋鋼筋, 取 0.7=; 對光面鋼筋,取 1.0=;對冷拔低碳鋼絲,取 1.25=。當(dāng)采用級鋼筋作縱向受拉鋼筋時(shí),應(yīng)將計(jì)算求得的最大裂縫寬度乘以系數(shù) 1.1(注:如有可靠的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或構(gòu)造措施時(shí),式 (5-4中的系數(shù) 2.0可適當(dāng)減小 。5.3 襯砌結(jié)構(gòu)溫度伸縮縫(1 溫度應(yīng)力基本方程取如圖 5-3所示的一維線形結(jié)構(gòu),左端固定, 右 端 受 彈性約束,在溫差 T 的作用下,其一端產(chǎn)生的變 位 為 其自由變

52、位與彈性約束變位之代數(shù)和,即:ELTL u z+= (5-6 ET z+= (5-7 式 (5-7為溫度變化狀態(tài)下一維彈性約束結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變方程。 式中 u 結(jié)構(gòu)端部變位;材料線膨脹系數(shù), C30混凝土線膨脹系數(shù)取 1×10-5/; z 結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力;結(jié)構(gòu)應(yīng)變;T 溫差;E 材料彈性模量 (C30混凝土取 31GPa 。由于受隧道內(nèi)熱環(huán)境的影響, 襯砌壁面溫度處于不斷變化狀態(tài), 溫差主要體現(xiàn)在:長 期運(yùn)營洞內(nèi)溫度逐年遞增;晝夜洞內(nèi)環(huán)境溫差和季節(jié)變化引起的洞內(nèi)空氣溫差。圖 5-4、 5-5分別為冬季和夏季測試期間,北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司對北京地鐵 1、 2號 線地鐵區(qū)間隧道內(nèi)各

53、測試斷面的平均空氣溫度 t a 、平均壁面溫度 t w ,以及平均壁面熱流 Q w 的實(shí)測結(jié)果 (佟麗華, 北京地鐵 1、 2號線熱環(huán)境節(jié)能控制研究 J, 暖通空調(diào), 2005(35。圖 5-4、 5-5可以看出, 實(shí)測區(qū)段壁面的季節(jié)平均溫差約 4。 考慮長期運(yùn)營洞內(nèi)溫度 積累遞增,季節(jié)平均溫差可取 410。(2外部約束應(yīng)力方程當(dāng)兩種面接觸的物體產(chǎn)生相對位移時(shí), 在接觸面上必然產(chǎn)生剪切應(yīng)力, 此時(shí)剪切應(yīng)力 可表示為:圖 5-3 一維結(jié)構(gòu)模型 18u C z =- (5-8式中, 接觸面上的剪切應(yīng)力;u 結(jié)構(gòu)水平位移;z C 地基水平阻力系數(shù)。二襯在溫度變化引起的變形過程中, 外約束主要是混凝土

54、外壁與防水層之間的摩擦作 用。 外約束越強(qiáng), 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力越大。 根據(jù) 工程結(jié)構(gòu)裂縫控制 (王鐵夢著, 1997年 的研究成果,混凝土與軟粘土之間水平阻力系數(shù) C z 約 (13×10-2N/mm3;地基為一般 砂質(zhì)土?xí)r, C z 約 (36×10-2N/mm3;堅(jiān)硬粘土?xí)r (610×10-2N/mm3;風(fēng)化巖、低強(qiáng)度等級 混凝土?xí)r (60100×10-2N/mm3。在隧道正常運(yùn)營中,若防水層結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)良好,則 C z 較小,若隧道使用過程中,防水層發(fā)生破裂或其它形式的破壞,則相應(yīng)的 C z 將有所增大。 在計(jì)算分析時(shí),為偏于安全, C z 可取

55、 10×10-2N/mm3。(3區(qū)間隧道襯砌結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力方程的建立假定區(qū)間長度為 L ,二襯結(jié)構(gòu)壁厚為 t ,初支與二襯之間水平阻力系數(shù)為 z C ,若坐標(biāo) 原點(diǎn)設(shè)在長度為一半處,則隧道結(jié)構(gòu)約束作用分布如圖 5-6所示。沿縱向在任意點(diǎn) z 處截 取一段 d z 長的微元體,其溫度引起的軸向力為 N ,約束剪切力為 Q ,在忽略地層壓力的 條件下,結(jié)構(gòu)縱向溫度應(yīng)力可表示為:2/ch ch 1(L zT E z -= (5-9當(dāng) z =0時(shí), z 達(dá)最大,即2/ch 11(max L T E z -= (5-10隧道結(jié)構(gòu)最大溫度應(yīng)力與溫度荷載、 混凝土彈模、 線膨脹系數(shù)成正比, 同時(shí)還與

56、周邊1 3 5 7 9 11 13 152 468 101214 1623 2425 26 2728 29 22風(fēng)道 隧道溫 度 /熱 流 /(W /m 2圖 5-4 夏季平均溫度及熱流的實(shí)測結(jié)果 Q wtt a 58 1114 17 20 23 26 24 6 8 10 12 14 16 18 1 3 4 5 6 7 8 9 1029 圖 5-5 冬季平均溫度及熱流的實(shí)測結(jié)果距風(fēng)亭入口的距離 /m風(fēng)道 隧道溫 度 /熱 流 /(W /m 2wt wt a 19約束條件以及結(jié)構(gòu)形狀、厚度等因素有關(guān)。(4設(shè)置溫度伸縮縫的結(jié)構(gòu)長度計(jì)算從隧道通風(fēng)模式和空調(diào)技術(shù)角度出發(fā), 優(yōu)化通風(fēng)方案和空調(diào)手段, 盡

57、量保持洞內(nèi)環(huán) 境溫度穩(wěn)定,將隧道襯砌結(jié)構(gòu)溫度變化范圍控制在 7以內(nèi)。設(shè)置伸縮縫,防止結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力危害的發(fā)生。當(dāng)溫度荷載超過 -8時(shí),可設(shè)置合理 的伸縮縫, 降低結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的量值, 確保隧道結(jié)構(gòu)在長期運(yùn)營過程中的安全與使用功能。a 隧道計(jì)算長度可取 400m 左右。 b 伸縮縫間距根據(jù)設(shè)防季節(jié)溫差和襯砌與防水板間摩阻系數(shù), 按前述方法計(jì)算確定。 表 5-2為不同 設(shè)防溫差和水平阻力系數(shù)條件下的伸縮縫間距參考值。c 伸縮縫合理縫寬伸縮縫的設(shè)置寬度與伸縮縫兩端 (自由端 的位移有關(guān),一般取自由端水平位移值的 2倍。若伸縮縫設(shè)置寬度取端部計(jì)算位移的 2倍, 則在 812溫差時(shí),伸縮縫的設(shè)置寬度 應(yīng)在

58、 610mm ,考慮到施工誤差,建議伸縮縫縫寬取 2030mm 。yzQNN +dN圖 5-6 計(jì)算模型示意t北京地鐵礦山法區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南條文說明本條文說明系對重點(diǎn)條文的編制依據(jù)、存在的問題以及在執(zhí)行中應(yīng)注意的事項(xiàng)等予以 說明。為了減少篇幅,只列條文號,未抄錄原條文。1總則 20 213 設(shè)計(jì)計(jì)算荷載3.1 在進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的荷載類型均列于指南正文表 3-1中,其中部分永 久荷載、可變荷載和偶然荷載均作了具體規(guī)定。其他荷載如混凝土收縮應(yīng)力、設(shè)備重量、 溫度變化影響荷載等在礦山法區(qū)間隧道中難以涉及,所以未作具體規(guī)定。如此類荷載明顯 時(shí),在設(shè)計(jì)中應(yīng)計(jì)入。按“破損階段法”設(shè)計(jì)時(shí)按不同

59、荷載組合進(jìn)行計(jì)算,但不需要荷載組合系數(shù)。 3.2 地層壓力 (1關(guān)于隧道埋深根據(jù)北京地鐵四、五和十號線礦山法區(qū)間隧道統(tǒng)計(jì)資料,隧道覆土埋深 6.019.8m , 平均埋深 12.75m ,如表 1所示。(2 關(guān)于不同地層壓力公式計(jì)算結(jié)果地層壓力是地下結(jié)構(gòu)所受的主要荷載。 一般情況下淺埋暗挖隧道地層壓力隨埋深增大 而增加。極淺埋時(shí)可按隧道拱頂以上全部土柱重量考慮,而一般淺埋時(shí)需考慮土層破裂楔 形體下滑所受的摩擦阻力作用。目前國內(nèi)外計(jì)算地層壓力的公式很多,不同地層壓力公式 計(jì)算結(jié)果不一致,圖 1所示為以北京地鐵十號線礦山法區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)段隧道斷面 (6.0m×6.33m埋深 h豎向荷載2D (

60、12m 2h s圖 1 地層壓力與埋深的關(guān)系 為例,取圍巖容重 19 kg/m3,內(nèi)聚力為 20kPa ,內(nèi)摩擦角為 20°,巖石堅(jiān)固系數(shù)取 0.8,采 用不同壓力公式得出的地層壓力值隨埋深的變化關(guān)系。 由圖 1可知,在北京地鐵礦山法區(qū)間隧道埋深和地層條件下,不同的土層壓力理論計(jì) 算結(jié)果相差明顯,并隨埋深的增大,其差異更加顯著。以全土柱壓力最大,泰沙基壓力最 小, 比爾鮑曼和謝家烋理論結(jié)果居中。 前蘇聯(lián)早期的研究測試結(jié)果已表明, 對于軟弱地層, 普氏公式結(jié)果偏低,而泰沙基公式和普氏公式結(jié)果一樣,所得結(jié)果也偏小;謝家烋考慮的 因素較仔細(xì),但用 0和 表述,一般勘測資料都用 c 、 ,而

61、且 角也是經(jīng)驗(yàn)公式,應(yīng)用 不太方便,對于埋深增加時(shí),所得結(jié)果偏大。鐵路隧道坍方統(tǒng)計(jì)公式所依據(jù)的資料大多來 自山嶺隧道,對城市隧道還不能直接采用。目前的深淺埋劃分法還有在交界處地層壓力突 22 23然降低等問題。針對這些情況建議在隧道埋深小于隧道開挖跨度時(shí)采用全土柱,隧道埋深大于隧道開 挖跨度時(shí)采用比爾鮑曼公式。二者采用平順曲線連接過渡以避免出現(xiàn)陡降。比爾鮑曼公式 在埋置達(dá)到一定深度以后曲線出現(xiàn)向下彎曲, 在曲線拐點(diǎn)處用水平切線代替, 此埋深為 D 1。 埋深在 D 1以后視為深埋隧道 (土壓力已與埋深無關(guān) 。綜合上述各種因素,建議了地鐵隧道豎向均布壓力計(jì)算公式。 (3關(guān)于建議地層壓力公式的檢驗(yàn)

62、國內(nèi)部分城市地鐵礦山法隧道施工中的圍巖壓力實(shí)測資料,如表 2所示,實(shí)測地層壓 力都小于全土柱重量,大部分大于泰沙基理論壓力。相比較而言,接近于本指南推薦公式 的壓力。 經(jīng)“北京地鐵礦山法區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法”研究課題的大量計(jì)算,北京地鐵四、五 和十號線礦山法區(qū)間隧道支護(hù)及襯砌結(jié)構(gòu)采用推薦壓力公式檢算,安全系數(shù)都能滿足要 求,且數(shù)值合理,表明所推薦的地層壓力適用。(4關(guān)于地層水平均布壓力地層主動水平壓力的確定,在淺埋松散地層中多是仿照擋土墻,按朗金理論取水平壓力系數(shù) 245(tan 2-=來計(jì)算,未考慮是否是粘性土或非粘性土。亦有少數(shù)人建議用靜止土壓力計(jì)算理論公式:-=10k , 為泊松比; 根

63、據(jù) 地下工程設(shè)計(jì)施工手冊 (夏明耀,曾進(jìn)倫主編 的建議, 靜止土壓力經(jīng)驗(yàn)公式 '-=sin 0k , 式中 '為土的有效內(nèi)摩擦角, 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),砂土、粉土取 1.0,粘性土、淤泥質(zhì)取 0.95 ,由于靜止土壓力公式中系數(shù)取 值相對復(fù)雜,為簡化計(jì)算,本指南推薦朗金理論公式。地層壓力分布形式,在淺埋松散地層中,地層豎直壓力接近于均勻分布,地層水平壓力并不均勻,按均勻分布僅是一種近似計(jì)算處理。3.3地面車輛荷載及沖擊壓力對隧道的影響隨埋深增大而迅速減小, 北京地鐵礦山法 區(qū)間隧道埋深一般相對較大,按深度分散計(jì)算實(shí)際壓力數(shù)值可能較小。為偏于安全并為簡 化計(jì)算,地面車輛及施工荷載按 20

64、kPa 取值,不計(jì)沖擊壓力的影響。3.4當(dāng)前我國地鐵隧道橫斷面的抗震分析多按地震系數(shù)法進(jìn)行。 這一方法的基本出發(fā) 點(diǎn),認(rèn)為地震對地下結(jié)構(gòu)的作用主要包括兩部分:一是結(jié)構(gòu)及其覆蓋層重量產(chǎn)生的與地表 地震加速度成比例的慣性力;二是地震引起的主動側(cè)壓力增量。對于“地震變形法”抗震分析時(shí)如何確定結(jié)構(gòu)所在位置的地層位移值,目前還缺少足 夠的資料;礦山法區(qū)間隧道在應(yīng)用“地震系數(shù)法”或“地震變形法”抗震分析時(shí),隧道隨 埋深的地震效應(yīng)等也需進(jìn)一步研究確定。因此,暫用地震系數(shù)法進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)橫向與縱向 抗震分析。經(jīng)大量計(jì)算證明,在北京地區(qū)隧道結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為 7度或 8度條件下,地震偶然 荷載 (或影響程度 小于

65、按上級批復(fù)的人防抗力標(biāo)準(zhǔn)的人防偶然荷載。因此,在計(jì)入人防偶 然荷載時(shí),可不驗(yàn)算地震偶然荷載。專家認(rèn)為,由于礦山法區(qū)間隧道斷面較小,隧道選用帶仰拱的曲墻式結(jié)構(gòu),背后注漿 和二次襯砌采用 C30整體鋼筋混凝土等措施,已具備較好的抗震性能,一般情況下可不采 用其它抗震構(gòu)造措施。3.5、 3.8參照地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范和北京地鐵設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定。3.6關(guān)于鄰近地面設(shè)施及建筑物對地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加荷載, 目前還沒有較簡便的計(jì) 算方法,本指南推薦按土壓力著作中的矩形面積均布作用下附近地層深度處引起的附加應(yīng) 力計(jì)算方法計(jì)算。其他地面荷載分布形式,計(jì)算比較復(fù)雜,本指南省略,具體的計(jì)算方法 24詳見有關(guān)土壓力著作 (如土力

66、學(xué)劉成宇主編 。3.7關(guān)于人防荷載,參照人民防空工程設(shè)計(jì)規(guī)范 (GB50225-95土中地道、坑道式 人防工程結(jié)構(gòu)荷載和結(jié)構(gòu)動力計(jì)算等章節(jié)的規(guī)定計(jì)算確定,本指南不再贅述。4初期支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算4.1礦山法區(qū)間隧道初期支護(hù)是復(fù)合式結(jié)構(gòu)的主要承載部分, 應(yīng)承擔(dān)施工期間的全部 地層荷載和地面荷載,并具有一定的強(qiáng)度和剛度,對控制地層變形起主要作用,且也應(yīng)滿 足一定耐久性要求。支護(hù)后隧道的信息化設(shè)計(jì)與隧道穩(wěn)定性判別是隧道技術(shù)發(fā)展趨勢。地鐵隧道施工中位 移監(jiān)測十分正規(guī),積累了豐富的資料,難點(diǎn)是地鐵隧道極限位移的確定。礦山法區(qū)間隧道初期支護(hù)按工程類比法設(shè)計(jì),還應(yīng)經(jīng)理論驗(yàn)算,這是地鐵設(shè)計(jì)更高要 求的結(jié)果。4.2礦

67、山法區(qū)間隧道埋深較淺,水土作用荷載較為明確;支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度較大,獨(dú)立結(jié) 構(gòu)作用時(shí)間較長。因此,應(yīng)用“荷載-結(jié)構(gòu)”計(jì)算模式是簡單和可行的。在地面有重要建 筑物或地中埋設(shè)物等要求計(jì)算地層變形時(shí),應(yīng)用“地層-結(jié)構(gòu)”計(jì)算模式,并參考有關(guān)經(jīng) 驗(yàn)建模和計(jì)算結(jié)果評價(jià)。隧道支護(hù)、襯砌結(jié)構(gòu)受力后的變形受到地層的約束,引起地層的約束力,阻止隧道結(jié) 構(gòu)變形的發(fā)展,改善結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。在北京地鐵礦山法隧道中,地層約束作用也是明顯 的。 在計(jì)算中按局部變形理論進(jìn)行計(jì)算, 地層抗力系數(shù)取勘察基床系數(shù)。 按北京市地鐵四、 五和十號線部分工程地質(zhì)勘查資料統(tǒng)計(jì),垂直基床系數(shù)與水平基床系數(shù)值差異較小,設(shè)計(jì) 中水平基床系數(shù)可與垂直基

68、床系數(shù)取相同值。4.3采用“荷載-結(jié)構(gòu)”計(jì)算模式時(shí),結(jié)構(gòu)被動荷載作用范圍可先初定,待計(jì)算中自 動試算最終確定。結(jié)構(gòu)被動荷載作用方向應(yīng)是外輪廓的徑向,為簡化計(jì)算可在墻部設(shè)為水 平方向,底部為豎直方向,墻腳處為水平和豎直兩方向。根據(jù)初期支護(hù)的結(jié)構(gòu)形式,即格柵鋼架噴混凝土或無鋼架網(wǎng)噴混凝土,應(yīng)分別采用鋼 筋混凝土或素混凝土結(jié)構(gòu)截面強(qiáng)度檢算方法。 25“北京地鐵礦山法區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法”研究成果介紹,采用“荷載-結(jié)構(gòu)”計(jì)算 模式,作用在初期支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載有地層荷載、自重荷載和地面荷載,不計(jì)水壓力和偶 然荷載,不同埋深地鐵十號線礦山法區(qū)間隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面截面的最小安全系數(shù)為 4.21,另外 選擇了太陽宮

69、站麥子店站區(qū)間跨度 12.2m 大斷面和蘇州街站 黃莊站區(qū)間跨度 16.5m 大 斷面,在其實(shí)際埋深下截面最小安全系數(shù)為 3.03。不同埋深地鐵四號線和十號線各區(qū)間標(biāo) 準(zhǔn)斷面截面最小安全系數(shù)為 2.89,它們基本滿足指南正文表 4-4施工安全系數(shù) 1.7的要求。 5二次襯砌設(shè)計(jì)計(jì)算5.1根據(jù)地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范要求, 復(fù)合式襯砌中的二次襯砌應(yīng)根據(jù)其施工期間、 施工 后荷載的變化情況、 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、 埋深和耐久性要求等因素按下列原則設(shè)計(jì): (1第四紀(jì)土層中的淺埋結(jié)構(gòu),初期支護(hù)應(yīng)具有較大的剛度和強(qiáng)度,且宜提前施作二次 襯砌,由二者共同承受外部荷載;(2應(yīng)考慮在長期使用過程中, 外部荷載因初

70、期支護(hù)材料性能退化和剛度下降向二次襯 砌的轉(zhuǎn)移;(3作用在不排水型結(jié)構(gòu)上的水壓力由二次襯砌承擔(dān);(4淺埋和級圍巖中的結(jié)構(gòu)宜采用鋼筋混凝土襯砌。遵照上述原則,在第四紀(jì)土層中的淺埋復(fù)合式結(jié)構(gòu)二次襯砌采用鋼筋混凝土形式,并 與初期支護(hù)共同承擔(dān)外荷載。雖然初期支護(hù)的材料性能和剛度在長時(shí)間使用過程中會有所 降低,外荷載會向二襯轉(zhuǎn)移,但若全部荷載由二襯承擔(dān),則可能會出現(xiàn)某些斷面安全度不 夠?？紤]到初期支護(hù)性能雖然有所降低,但整體效能仍高于周圍地層,也考慮到支護(hù)與二 次襯砌復(fù)合式計(jì)算模型較為復(fù)雜,因此將支護(hù)層實(shí)際承受外荷載貢獻(xiàn)等效為對二次襯砌周 邊環(huán)境的改善作用,即適當(dāng)提高二襯周邊介質(zhì)的彈性抗力數(shù)值,按二次

71、襯砌自身承擔(dān)全部 外荷載進(jìn)行檢算,滿足概率極限狀態(tài)法結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠指標(biāo)的要求。為簡化計(jì)算,按二次襯 砌自身承擔(dān)全部外荷載, 以結(jié)構(gòu) “破損階段” 法進(jìn)行檢算, 并相應(yīng)制定截面最小安全系數(shù)。 關(guān)于二次襯砌施作時(shí)機(jī),原則上當(dāng)初期支護(hù)強(qiáng)度及剛度足夠時(shí),應(yīng)在初期支護(hù)的位移 收斂穩(wěn)定后施作二次襯砌。 二次襯砌與開挖面距離較大時(shí), 也有利于保證防水層施工質(zhì)量, 減少施工干擾。但在有地面較大荷載、支護(hù)結(jié)構(gòu)開口等原因使支護(hù)承載力不足時(shí)應(yīng)提前施 作二次襯砌,并研究適當(dāng)提高二次襯砌承載能力。5.2二次襯砌按“荷載結(jié)構(gòu)”計(jì)算模式,破損階段法檢算結(jié)構(gòu)截面強(qiáng)度。具體檢算 公式與鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 (TB10003-2005

72、中按破損階段計(jì)算大小偏心鋼筋混凝土矩形 26截面公式相同,也就是混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范 (TJ 10-74按破損階段法的計(jì)算公式。按二次襯 砌自身承擔(dān)全部外荷載進(jìn)行檢算,按不同荷載組合,北京地鐵四、五和十號線礦山法各區(qū) 間隧道的截面安全系數(shù)如表 4表 6所示,各線截面最小安全系數(shù)分別為 5.18、 4.99和 4.20(如表 3所示 ,檢算結(jié)果表明隧道截面安全系數(shù)遠(yuǎn)高于 2.0的規(guī)范值。為證明隧道截面安全系數(shù)是否偏高,對上述四、五和十號線礦山法各區(qū)間隧道按概率 極限狀態(tài)法分析,在永久荷載與可變荷載作用下的可靠指標(biāo)如表 4表 6所示,大部分區(qū) 間隧道可靠指標(biāo)尚不能滿足目標(biāo)可靠指標(biāo)要求,這主要是地層各項(xiàng)參

73、數(shù)變異性較大的影 響,這是不容忽視的。只有當(dāng)考慮支護(hù)與襯砌的復(fù)合式作用,即將支護(hù)實(shí)際承載貢獻(xiàn)等效 為對二襯周邊環(huán)境改善 (將地層彈性抗力系數(shù)提高為 2.0倍 的作用后, 地鐵四、 五和十號線 各礦山法區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)才可滿足目標(biāo)可靠指標(biāo) (如表 79 要求。 因此,目前地鐵隧道二次襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)從安全、承載和耐久性全面考慮。在目前尚 難以進(jìn)行概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的情況下,按二次襯砌自身承擔(dān)全部外荷載進(jìn)行檢算,提高安 全系數(shù)數(shù)值是簡化計(jì)算、 確保結(jié)構(gòu)抗裂性要求、 應(yīng)對地層荷載和地層抗力變異性大的有效、 合理方法。二次襯砌按“荷載結(jié)構(gòu)”計(jì)算模式,以破損階段法檢算結(jié)構(gòu)截面強(qiáng)度和裂縫寬度。 當(dāng)按二次襯

74、砌自身承擔(dān)全部外荷載進(jìn)行檢算,在永久荷載和可變荷載作用下,地鐵四、五 和十號線礦山法各區(qū)間隧道截面最大裂縫寬度如表 1012所示,除五號線雍和區(qū)間、崇東 區(qū)間和天磁區(qū)間襯砌最大裂縫寬度超過 0.2mm 限值外, 其他區(qū)間襯砌滿足裂縫寬度限值要 求。當(dāng)按二次襯砌與初期支護(hù)共同承擔(dān)全部外荷載進(jìn)行檢算時(shí),在永久荷載和可變荷載作 用下,上述五號線雍和區(qū)間、崇東區(qū)間和天磁區(qū)間襯砌最大裂縫寬度分別為 0.191mm 、 0.183mm 和 0.192mm 。四、五和十號線礦山法各區(qū)間隧道截面最大裂縫寬度均滿足限值要 求。5.3當(dāng)隧道長度較短時(shí), 結(jié)構(gòu)長度對最大溫度應(yīng)力影響較大, 即隨著隧道長度的增加, 二

75、襯溫度應(yīng)力也不斷增加;當(dāng)隧道長度增加到一定程度 (400m以后,隧道長度對結(jié)構(gòu)最大 溫度應(yīng)力的影響變得不再顯著 (如圖 2 。 27襯砌結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力直接受溫度荷載的影響, 當(dāng) Cz =10×10-2N/mm3時(shí), 不同溫度荷載 下,結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力隨溫度荷載的變化規(guī)律見圖 3。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,隧道襯砌最大溫度應(yīng)力與溫度荷載呈線性關(guān)系,溫差越大,襯砌所受 拉應(yīng)力越大。在 C z =10×10-2N/mm3條件下,區(qū)間地鐵隧道襯砌 C30混凝土能承受 7的 負(fù)溫荷載, 當(dāng)降溫超過 7時(shí), 溫度荷載產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力將超過混凝土的抗拉極限強(qiáng)度, 從而產(chǎn)生環(huán)向受拉溫度裂縫。從初期支護(hù)及防水

76、層對襯砌的約束條件對襯砌溫度應(yīng)力分布的影響規(guī)律 (圖 4 可以看 出,外部約束條件對自由端一定長度范圍內(nèi)襯砌應(yīng)力分布影響較大,外部約束越強(qiáng),影響 的長度越短;約束越弱,溫度應(yīng)力達(dá)到最大值所經(jīng)歷的長度越長。 28 圖 4-8溫度荷載下不同外部約束條件對溫度應(yīng)力的影響 29 30 31 表 8 北京地鐵五號線標(biāo)準(zhǔn)斷面二襯結(jié)構(gòu)安全度(復(fù)合式作用 區(qū)間 名稱 雍和 區(qū)間 崇東 區(qū)間 劉蒲 區(qū)間 天磁 區(qū)間 磁崇 區(qū)間 埋深(m 內(nèi)側(cè)配筋 拱部 仰拱 墻部 拱部 仰拱 墻部 拱部 仰拱 墻部 拱部 仰拱 墻部 拱部 仰拱 墻部 20100 20100 20100 14200 20100 20100 14

77、200 20100 20100 14200 22200 22200 22200 25200 25200 最小值 拱部 仰拱 墻部 拱部 仰拱 墻部 拱部 仰拱 墻部 拱部 仰拱 墻部 拱部 仰拱 墻部 外側(cè)配筋 20100 20100 20100 14200 20200 20100 14200 20200 20100 14200 22200 22200 22200 25200 2522200 (永久 荷載K 10.78 17.50 14.81 9.18 16.00 15.37 10.66 18.48 17.49 8.18 17.92 13.20 9.56 16.33 11.37 9.18 (永

78、久 可變K 9.98 8.20 13.49 8.7 7.47 13.94 9.71 8.64 15.99 7.70 8.61 13.07 8.87 7.60 13.60 7.47 (永久 可變 地震K 10.03 15.28 12.95 8.51 13.94 13.40 9.72 15.98 15.13 7.69 15.75 11.74 8.90 14.54 9.94 7.69 (永久 可變 人防K 6.96 9.70 7.78 5.85 8.72 7.93 6.39 9.44 8.49 5.56 10.33 7.04 6.24 9.13 5.84 5.56 (永久+ 可變可 靠指標(biāo) 4.9

79、4.9 4.9 2.13 4.9 4.9 2.08 4.9 4.9 2.21 3.95 4.9 4.26 3.90 4.9 2.08 17 16 13 19 17.5 表 9 北京地鐵十號線標(biāo)準(zhǔn)斷面二襯結(jié)構(gòu)安全度(復(fù)合式作用 區(qū)間 名稱 八熊 區(qū)間 工呼 區(qū)間 呼光 區(qū)間 花八 區(qū)間 黃科 區(qū)間 科知 區(qū)間 太麥 區(qū)間 知學(xué) 區(qū)間 埋深(m 拱部 仰拱 墻部 拱部 仰拱 墻部 拱部 仰拱 墻部 拱部 仰拱 墻部 拱部 仰拱 墻部 拱部 仰拱 墻部 拱部 仰拱 墻部 拱部 仰拱 墻部 內(nèi)側(cè)配筋 20200 22200 2022200 16125 22125 22125 16125 22125 2

80、2125 20200 22200 2022200 18200 1820200 1820200 18200 18100 18100 20200 20100 20100 18200 18100 18100 最小值 拱部 仰拱 墻部 拱部 仰拱 墻部 拱部 仰拱 墻部 拱部 仰拱 墻部 拱部 仰拱 墻部 拱部 仰拱 墻部 拱部 仰拱 墻部 拱部 仰拱 墻部 外側(cè)配筋 20200 22200 2022200 16125 22125 22125 16125 22125 22125 20200 22200 2022200 18200 18200 1820200 18200 18200 1820200 20