城市地鐵盾構(gòu)法區(qū)間隧道的設(shè)計(jì)

PAGEPAGE1目錄TOC\o"1-3"第一章工程概況 2第二章工程地質(zhì)和水文地質(zhì) 2第三章隧道設(shè)計(jì) 3第1節(jié)主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 3第2節(jié)盾構(gòu)隧道線路的擬合 3第3節(jié)管片構(gòu)造形式 5第4節(jié)管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7第5節(jié)管片防水設(shè)計(jì) 8第6節(jié)聯(lián)絡(luò)通道和洞門(mén)設(shè)計(jì) 10第四章結(jié)論與建議 11

工程概況越—三區(qū)間屬于廣州地鐵二號(hào)線工程的的北段,由越秀公園站—火車(chē)站、火車(chē)站—三元里站兩個(gè)雙孔區(qū)間隧道和兩個(gè)聯(lián)絡(luò)通道及泵房組成。工程起于越秀區(qū)的地鐵越秀公園站,向北下穿人民北路、環(huán)市西路到達(dá)地鐵廣州火車(chē)站;然后,線路從地下穿過(guò)廣州火車(chē)站南站房等建筑群向西北延伸,最后下穿廣花路到達(dá)地鐵三元里站。區(qū)間全長(zhǎng)3926單線延米,曲線半徑為600m和400m兩種。區(qū)間縱坡均為“v”形坡,最大坡度為30‰,最小豎曲線半徑為3000m。線路沿線地形起伏較大,隧道最小覆土厚度為9m,最大覆土厚度為26m。工程地質(zhì)和水文地質(zhì)區(qū)間的地層巖性在上部為:人工填土層,流塑—軟塑狀淤積層,海陸交互淤積層,沖、洪積砂層,沖、洪積土層,殘積土層。下部為:全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中等風(fēng)化和微風(fēng)化帶的泥質(zhì)粉砂巖。區(qū)間隧道穿越地層大部分是巖層,少部分為殘積土層和斷裂破碎帶。隧道所處的地層為上軟下硬,軟硬巖互層現(xiàn)象特征明顯。本段地下水主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水兩種。第四系孔隙水主要賦存在淤泥質(zhì)砂層和沖積—洪積砂層內(nèi)?；鶐r裂隙水多屬承壓水,但富水性較小,透水性多較弱。隧道設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(1)結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為一級(jí)。(2)區(qū)間隧道的抗震按7度設(shè)計(jì),人防按6級(jí)考慮。(3)防水標(biāo)準(zhǔn):隧道整體為二級(jí);隧道上半部A級(jí);隧道下半部、洞門(mén)及聯(lián)絡(luò)通道B級(jí)。(4)結(jié)構(gòu)最大裂縫允許寬度:管片內(nèi)側(cè)0.3mm,外側(cè)0.2mm。(5)地表沉隆控制標(biāo)準(zhǔn):-30/+10mm;建筑物傾斜控制標(biāo)準(zhǔn):框架結(jié)構(gòu)2‰,磚混結(jié)構(gòu)1.5‰。(6)線形控制允差:設(shè)計(jì)擬合軸線與理論軸線允差≤10mm(個(gè)別情況允許為20mm);掘進(jìn)軸線與設(shè)計(jì)軸線允差≤70mm。(7)襯砌結(jié)構(gòu)變形:直徑變形≤1‰D(D為隧道外徑);環(huán)縫張開(kāi)<2mm;縱縫張開(kāi)<3mm;盾構(gòu)隧道線路的擬合3.2.1襯砌環(huán)的組合形式為了滿足緩和曲線、圓曲線以及施工糾偏的需要,盾構(gòu)隧道實(shí)際是通過(guò)一定組合的直線襯砌環(huán)來(lái)擬合理論曲線,擬合曲線應(yīng)滿足擬合允差要求。因此,轉(zhuǎn)彎環(huán)(有一定錐度的楔形環(huán))是必須的。襯砌環(huán)的組合形式一般有三種:①標(biāo)準(zhǔn)環(huán)+左、右轉(zhuǎn)彎環(huán);②左、右轉(zhuǎn)彎環(huán);③萬(wàn)能管片。由于①施工難度小,故選用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)+左、右轉(zhuǎn)彎環(huán)的組合形式。3.2.2(1)模具數(shù)量。根據(jù)越—三區(qū)間的曲線長(zhǎng)度的比例,施工進(jìn)度,確定需要的管片模具數(shù)量為:4套標(biāo)準(zhǔn)環(huán)+1套左轉(zhuǎn)彎環(huán)+1套右轉(zhuǎn)彎環(huán)。(2)擬合比例。區(qū)間有兩種半徑的曲線,分別是R600和R400。由于越—三區(qū)間曲線長(zhǎng)度較大,為了最大利用轉(zhuǎn)彎環(huán),R400地段的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)和轉(zhuǎn)彎環(huán)的數(shù)量取比例為1∶1。(3)楔形量。轉(zhuǎn)彎環(huán)的楔形量采用下式計(jì)算:δ={[(m/n)S+S′)]×D÷(R+D/2)}×(m+n)÷(m+ncosφ)式中:δ———楔形量;S、S′———分別是標(biāo)準(zhǔn)襯砌環(huán)、楔形環(huán)的最大寬度;m、n———曲線上標(biāo)準(zhǔn)襯砌環(huán)、楔形襯砌環(huán)的總數(shù)量;φ———錯(cuò)縫拼裝時(shí)封頂塊的偏轉(zhuǎn)角度;D、R———管片的外直徑、隧道中線的曲線半徑。將越—三區(qū)間的線路要素、管片參數(shù)代入上式,求得其楔形量為50mm。31213設(shè)計(jì)線路擬合誤差根據(jù)管片的幾何參數(shù),對(duì)R400半徑的曲線進(jìn)行了線路排版擬合計(jì)算,其結(jié)果表明線路擬合誤差一般在10mm之內(nèi),最大偏差值為16.4mm。管片幾何參數(shù)滿足線路擬合允差標(biāo)準(zhǔn)。管片構(gòu)造形式31311管片內(nèi)徑管片的內(nèi)徑為á5400mm,是根據(jù)下列條件確定的:①圓形隧道的建筑限界是á5200mm的圓;②根據(jù)地鐵一號(hào)線的經(jīng)驗(yàn),盾構(gòu)施工誤差和隧道的后期沉降可以控制在100mm之內(nèi)。31312襯砌環(huán)的分塊目前,對(duì)于中等直徑的地鐵隧道管片,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)小封頂塊的組合形式。這種多分塊形式便于運(yùn)輸,拼裝容易、靈活。管片分塊的大小一般是由盾構(gòu)機(jī)的千斤頂?shù)臄?shù)量、封頂塊的插入形式確定。越—三區(qū)間的標(biāo)準(zhǔn)塊為72°,鄰接塊為64.5°,封頂塊為15°。31313管片寬度國(guó)內(nèi)地鐵的盾構(gòu)管片寬度一般為1.0m,1.2m兩種。管片寬度大的主要優(yōu)點(diǎn)是:①每循環(huán)的掘進(jìn)長(zhǎng)度大,施工效率提高。②隧道的環(huán)向接縫減少,防水效果好。從提高施工效率,降低管片接頭數(shù)量,提高防水的可靠性考慮,最后確定選用1.5m的管片,這在國(guó)內(nèi)是首次。31314襯砌環(huán)接縫方式管片的拼裝方式有通縫和錯(cuò)縫兩種。前者在管片制作、拼裝上較后者更易于實(shí)施,因此,國(guó)內(nèi)上海地鐵從開(kāi)始到最近一直大量采用。我們選擇錯(cuò)縫拼裝的形式主要是基于以下幾點(diǎn):①成環(huán)管片間的接縫形式不再是“十”字形,而成為“T”形,沒(méi)有了縱向通縫,增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性。②由于錯(cuò)縫拼裝,管片通過(guò)接縫將內(nèi)力傳遞給相臨環(huán),管片抗變形能力增強(qiáng),提高了防水效果。③通縫拼裝的管片一般只能提供一種楔形環(huán),而錯(cuò)縫拼裝時(shí),可以提供幾種不同錐度的楔形環(huán),使得管片選型余地更大,線路的擬合更容易、精確,防水效果更好。31315封頂塊的插入方式封頂塊的插入方法受盾構(gòu)機(jī)千斤頂行程、管片寬度、施工操作誤差影響,它決定封頂塊的尺寸大小,是管片細(xì)部設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。封頂塊的插入方式對(duì)設(shè)計(jì)和施工影響很大,合理的插入方式?jīng)Q定了封頂塊的穩(wěn)定性、管片安裝操作性。插入方式有三種:①?gòu)较虿迦?②縱向插入;③徑向插入結(jié)合縱向插入。方式③結(jié)合了前二者的優(yōu)點(diǎn),故選擇這種插入方式。具體方法是:封頂塊管片先縱向搭接4/5管片長(zhǎng)度,再?gòu)较蛲粕?最后縱向插入成環(huán)。31316接縫的構(gòu)造管片的接縫有設(shè)榫槽和不設(shè)榫槽兩種,前者在軟土地層能提高管片的安裝精度,有利于控制變形。結(jié)合廣州地層較硬特點(diǎn),若采用接縫設(shè)榫槽將會(huì)導(dǎo)致接縫處易開(kāi)裂,這種開(kāi)裂發(fā)生在管片背面將是看不見(jiàn)且無(wú)法修補(bǔ)的。因此,管片環(huán)、縱縫均不設(shè)榫槽。31317連接形式管片之間采用彎螺栓連接,優(yōu)點(diǎn)是:操作簡(jiǎn)單,工藝成熟,螺栓手孔對(duì)管片削弱小。管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)31411計(jì)算模型結(jié)構(gòu)計(jì)算模型為修正慣用設(shè)計(jì)法,它是修正了管片接頭對(duì)內(nèi)力的影響的均質(zhì)圓環(huán)計(jì)算方法。計(jì)算時(shí),采用按折減后的管片剛度ηEI(η為抗彎剛度有效率)代替EI進(jìn)行計(jì)算?？紤]到管片錯(cuò)縫拼裝影響進(jìn)行內(nèi)力大小,在計(jì)算結(jié)果中引入彎距加大率ξ修正內(nèi)力。計(jì)算簡(jiǎn)圖和內(nèi)力調(diào)整方法見(jiàn)圖1。η、ξ為經(jīng)驗(yàn)數(shù)值,一般按0.6≤η≤0.8,0.3≤ξ≤0.5取值。圖1修正慣用設(shè)計(jì)法計(jì)算簡(jiǎn)圖31412計(jì)算荷載根據(jù)隧道所處地層不同,選取不同的計(jì)算工況計(jì)算,取最不利計(jì)算工況作為結(jié)構(gòu)配筋的依據(jù)。主要設(shè)計(jì)荷載為水土壓力,地層抗力按三角形分布計(jì)算。土荷載采用太沙基(Terzaghi)土壓公式計(jì)算。越—三區(qū)間荷載的控制工況為地質(zhì)較差的殘積土層。31413計(jì)算結(jié)果圓形隧道內(nèi)力見(jiàn)圖2。計(jì)算結(jié)果表明隧道的拱頂內(nèi)力為最不利截面,裂縫控制結(jié)構(gòu)的配筋。管片混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50,鋼筋采用一、二級(jí)鋼筋。管片防水設(shè)計(jì)3.5.1防水原則防水原則是“以防為主,多道設(shè)防,因地制宜,綜合治理”。以高抗?jié)B標(biāo)號(hào)的自身防水混凝土為根本,管片接縫防水為關(guān)鍵。3.5.2(1)襯砌外注漿防水。襯砌管片與天然土體之間存在環(huán)形空隙,通過(guò)同步注漿與二次注漿充填空隙,形成第一道外圍防水圖2圓形隧道內(nèi)力圖(每延米)層。同步注漿在管片拼裝完成后進(jìn)行,二次注漿通過(guò)管片注漿孔補(bǔ)強(qiáng)。注漿材料采用水泥砂漿,目的是使注漿體盡快凝固穩(wěn)定,減少管片變形。為了增強(qiáng)漿液的流動(dòng)性,摻入了外加劑膨潤(rùn)土。注漿量為1.3～1.5倍的管片外環(huán)形空隙,注漿壓力為0.1～0.3MPa。(2)管片自防水。管片為高標(biāo)號(hào)預(yù)制混凝土,采用蒸汽養(yǎng)護(hù),其抗?jié)B標(biāo)號(hào)為S12。(3)管片接縫防水的第一道防線:彈性密封墊。接縫防水的成功與否是整個(gè)工程的成敗的關(guān)鍵。管片接縫防水設(shè)計(jì)首先要選定合適工程特點(diǎn)的彈性密封墊?？紤]國(guó)內(nèi)的遇水膨脹橡膠硫化加工技術(shù)較成熟等因素,選擇了遇水膨脹橡膠作為接縫防水的材料。區(qū)間最大靜水壓約為0.2MPa,接縫設(shè)計(jì)水壓按3倍的靜水水壓即0.6MPa考慮。(4)管片接縫防水的第二道防線:嵌縫防水。在洞門(mén)段30m、聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)各8～10m處等變形量大的襯砌環(huán)段進(jìn)行整環(huán)嵌填,其余區(qū)段則在拱頂45°范圍和拱底90°范圍內(nèi)嵌填的。嵌縫材料采用氯丁膠乳水泥,它與混凝土結(jié)合面采用界面處理劑進(jìn)行處理。聯(lián)絡(luò)通道和洞門(mén)設(shè)計(jì)3.6.1聯(lián)絡(luò)通道聯(lián)絡(luò)通道采用洞內(nèi)礦山法施工,襯砌形式為復(fù)合式襯砌。每處聯(lián)絡(luò)通道左右線由4環(huán)特殊襯砌環(huán)組成。每環(huán)特殊襯砌環(huán)由4塊混凝土管片和2塊鋼管片組成,鋼管片設(shè)在聯(lián)絡(luò)通道洞口處,拆卸方便。鋼管片為高精度機(jī)加工鋼結(jié)構(gòu)。3.6.2在區(qū)間的兩端設(shè)現(xiàn)澆混凝土洞門(mén)圈,設(shè)置洞門(mén)圈的目的是將車(chē)站結(jié)構(gòu)和混凝土管片連接為整體,有利于區(qū)間和車(chē)站的節(jié)點(diǎn)處的防水。洞門(mén)的長(zhǎng)度根據(jù)區(qū)間長(zhǎng)度和管片寬度確定,且≥300mm。結(jié)論與建議(1)廣州地鐵區(qū)間地層具有上軟下硬,隧道地基承載力較好的特點(diǎn)。隧道的襯砌環(huán)采用環(huán)間、塊間不設(shè)榫槽的平板型管片,采用錯(cuò)縫拼裝的組裝,彎螺栓連接等構(gòu)造形式。其施工操作方便,管片的變形在合理的范圍內(nèi),實(shí)踐證明這種構(gòu)造形式是合適的。(2)設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)襯砌環(huán)擬合區(qū)間直線線路,但在施工時(shí)曾試對(duì)部分直線線路采用左右轉(zhuǎn)彎換交替拼裝擬合的成功,消除原來(lái)封頂塊設(shè)在隧道底部影響施工安全的擔(dān)心。這說(shuō)明采用左右轉(zhuǎn)彎環(huán)或萬(wàn)能管片的組合形式來(lái)擬合直線線路是沒(méi)有問(wèn)題的,但前提條件是盾構(gòu)機(jī)的管片選型系統(tǒng)應(yīng)有較高的自動(dòng)化程度。(3)盾構(gòu)施工的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是快速掘進(jìn),越—三區(qū)間在國(guó)內(nèi)首次采用1.5m的大寬度管片,使得其掘進(jìn)速度達(dá)到單洞掘進(jìn)405m/月的國(guó)內(nèi)歷史水平。1.5m的大寬度管片應(yīng)用是成功的,值得推廣。從施工情況來(lái)看,1.5m的管片在中等直徑的地鐵隧道已經(jīng)到了寬度極限。要進(jìn)一步提高掘進(jìn)速度,從設(shè)計(jì)方面,今后應(yīng)著眼于采用拼裝速度快的斜螺栓連接方法的研究。(4)管片接縫防水是防水的關(guān)鍵和重點(diǎn),越—三區(qū)間設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)管片的接縫防水作了專(zhuān)門(mén)的試驗(yàn)研究,然后才用于工程實(shí)踐,防水效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求,防水措施是成功的。(5)在管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中如何結(jié)合地層特征、裝配式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)選用合適的計(jì)算模型,是值得深入研究的問(wèn)題。今后應(yīng)在管片的接頭實(shí)驗(yàn)方面多做研究,為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

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(6)盾構(gòu)隧道是自動(dòng)化程度較高的先進(jìn)技術(shù),管片設(shè)計(jì)時(shí)只有做到與盾構(gòu)機(jī)、管片模具制造等專(zhuān)業(yè)密切配合,才能做出合理的管片設(shè)計(jì)。

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(7)盾構(gòu)技術(shù)在國(guó)外已發(fā)展到大直徑、多圓盾構(gòu)等新技術(shù)的應(yīng)用。當(dāng)前,我國(guó)盾構(gòu)技術(shù)還處于一個(gè)起步和推廣的階段,隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日益頻繁,盾構(gòu)隧道會(huì)越來(lái)越多。遺憾的是,我國(guó)在盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)方面還沒(méi)有國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范可遵循。

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因此,建議有關(guān)部門(mén)對(duì)這一技術(shù)深入研究,盡快制定相關(guān)的設(shè)計(jì)、施工規(guī)范,以推動(dòng)盾構(gòu)法在我國(guó)的蓬勃發(fā)展。

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參考文獻(xiàn):

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[1]潘昌實(shí)1盾構(gòu)隧道襯砌設(shè)計(jì)指南(草案)[J].世界隧道,1997,02.

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說(shuō)

明

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