成都地鐵管片方案設(shè)計(jì)_圖文

1、5、區(qū)間盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1） 主要設(shè)計(jì)原則盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)功能要求以及建筑限界、施工工藝、結(jié)構(gòu)防水和城市規(guī)劃等方面的要求。結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，按地震烈度為7度進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，采取相應(yīng)的構(gòu)造處理措施，以提高結(jié)構(gòu)的整體抗震能力。結(jié)構(gòu)抗力應(yīng)滿(mǎn)足人防部門(mén)的要求，抗力級(jí)別為6級(jí)。結(jié)構(gòu)類(lèi)型和施工方法，應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和周?chē)沫h(huán)境條件，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選確定，并應(yīng)按相關(guān)規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、抗浮和裂縫寬度驗(yàn)算的要求，并滿(mǎn)足施工工藝的要求。對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)就其施工和正常使用階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，必要時(shí)也應(yīng)進(jìn)行剛度和穩(wěn)定性驗(yàn)算。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行裂

2、縫寬度驗(yàn)算，其最大裂縫允許值為：明挖法和礦山法施工的結(jié)構(gòu)為0.20.3mm ；盾構(gòu)法施工的結(jié)構(gòu)為0.150.20mm 。結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗浮驗(yàn)算時(shí)，其抗浮安全系數(shù)不得小于1.05，否則應(yīng)采取抗浮處理措施。采用暗挖法施工時(shí)，區(qū)間隧道為平行的雙洞單線(xiàn)隧道，兩隧道的凈距一般不宜小于1.0倍隧道洞徑。所選擇的盾構(gòu)機(jī)型，必須對(duì)地層有較好的適應(yīng)性，并同時(shí)依據(jù)盾構(gòu)推進(jìn)速度、周?chē)h(huán)境狀況、工期、造價(jià)等各方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。嚴(yán)格控制工程施工引起的地面沉降量，其允許數(shù)值應(yīng)根據(jù)地鐵沿線(xiàn)的地面建筑及地下構(gòu)筑物等實(shí)際情況確定，并因地制宜地采取措施。結(jié)構(gòu)防水設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地震烈度、環(huán)境條件、結(jié)構(gòu)形式、施工

3、工藝及材料來(lái)源等因素進(jìn)行，并應(yīng)遵循“以防為主、多道設(shè)防、剛?cè)峤Y(jié)合、因地制宜、綜合防治”的原則。車(chē)站及出入口通道防水等級(jí)為一級(jí)；車(chē)站風(fēng)道及區(qū)間隧道防水等級(jí)為二級(jí)。2） 盾構(gòu)機(jī)類(lèi)型的選擇3） 鋼筋混凝土管片和特殊管片的設(shè)計(jì)（1）盾構(gòu)隧道斷面尺寸的擬定成都地鐵圓形區(qū)間隧道內(nèi)徑的確定是在建筑限界5200mm 的基礎(chǔ)上考慮施工誤差、測(cè)量誤差、設(shè)計(jì)擬合誤差、不均勻沉降等諸多因素確定的。并根據(jù)關(guān)于明確成都地鐵一期工程試驗(yàn)段工程有關(guān)問(wèn)題的會(huì)議紀(jì)要（2003第一期）的精神，本次設(shè)計(jì)內(nèi)徑為5400mm （見(jiàn)圖5.3.1）。（2）單、雙層襯砌比較制造管片的材料有鑄鐵、鋼材以及混凝土等，此外使用復(fù)合材料制作的管片也逐

4、漸增多，在隧道防水、受力合理和經(jīng)濟(jì)性能等方面都有明顯的優(yōu)勢(shì)。其中鋼筋混凝土管片是目前最為常用的，其原因有：具有一定強(qiáng)度；加工制作比較容易，采用鋼模制作時(shí)可保證管片的精度（能達(dá)到±0.5mm ）；耐腐蝕；造價(jià)也低。因此，鋼筋混凝土管片管片在我國(guó)得到了大規(guī)模采用。從我國(guó)上海、廣州和深圳等地鐵的施工和運(yùn)行檢驗(yàn)情況來(lái)看，采用有一定接頭剛度的單層柔性襯砌是成功的，單層襯砌施工工藝單一、工期短和投資省。因此，本次設(shè)計(jì)采用單層管片襯砌，設(shè)計(jì)成鋼筋混凝土平板型，其接頭采用彎螺栓。（3）管片的厚度與幅寬管片的厚度與隧道斷面大小的比，取決于地層條件和隧道埋深等，最主要是取決于荷載條件。一般情況下，管片厚

5、度為管片外徑的4左右，我國(guó)的單線(xiàn)地鐵區(qū)間隧道多采用350mm 和300mm 兩種。根據(jù)成都地區(qū)的工程地質(zhì)條件及地下水埋深情況，管片厚度取定為300mm ，并進(jìn)行相應(yīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，驗(yàn)算其強(qiáng)度和剛度。管片的幅寬應(yīng)根據(jù)隧道的斷面，結(jié)合實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，并滿(mǎn)足曲線(xiàn)擬合的條件下，選擇在經(jīng)濟(jì)性、施工性方面較合理的寬度。從便于搬運(yùn)、組裝以及出于對(duì)隧道曲線(xiàn)段上施工時(shí)盾尾長(zhǎng)度的考慮，管片幅寬是小一些為好。但是，從降低管片制造成本，減少易出現(xiàn)漏水等缺陷的接頭部數(shù)量、提高施工速度等方面考慮，則幅寬大一些為好。目前，我國(guó)地鐵盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)中多采用幅寬1.2m 和1.5m 三種，隨著盾構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展，趨向于采用寬幅管片。

6、由于成都地質(zhì)條件十分復(fù)雜，地下水位高、含漂石的砂礫石地層，施工過(guò)程中線(xiàn)形的控制難以保證。對(duì)于同樣的曲線(xiàn)半徑，采用1.2m 的管片比1.5m 的管片的曲線(xiàn)擬合誤差要小，同樣是10cm 的總誤差，留給施工誤差的剩余相對(duì)要大。因此，本次擬定幅寬為1.5m 和1.2m 兩種，對(duì)于平曲線(xiàn)半徑小于350m 的小半徑區(qū)間隧道，采用1.2m 的幅寬，而對(duì)于直線(xiàn)和大半徑區(qū)間，則采用1.5m 的幅寬。（4）管片襯砌環(huán)分塊設(shè)計(jì)襯砌環(huán)的分塊主要由管片制作、防水、運(yùn)輸、拼裝、結(jié)構(gòu)受力性能等因素確定，目前國(guó)內(nèi)地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道基本上采用六塊方案，一塊小封頂塊，兩塊鄰接塊和三塊標(biāo)準(zhǔn)塊。本次設(shè)計(jì)采用以上分塊方案，即一環(huán)分成6塊

7、，見(jiàn)圖5.3.1所示。一環(huán)管片由1塊封頂塊管片(F圓心角為15°，標(biāo)準(zhǔn)塊管片3塊(分別為B1、B2、B3 圓心角均為72°。鄰接塊管片左右各1塊(分別為L(zhǎng)1、L2 圓心角均為64.5°，縱向接頭為10處，按36°等角度布置。環(huán)向和縱向螺栓均采用6.8級(jí)M24型彎螺栓。 圖3 管片分塊圖（5）拼裝方式襯砌圓環(huán)有通縫、錯(cuò)縫兩種拼裝方式。通縫拼裝時(shí)，管片襯砌結(jié)構(gòu)的整體剛度較小，導(dǎo)致變形較大、內(nèi)力較小。錯(cuò)縫拼裝條件下，管片襯砌結(jié)構(gòu)的整體剛度較大，減少結(jié)構(gòu)變形，但襯砌結(jié)構(gòu)較之通縫內(nèi)力要大，且管片制作精度不夠時(shí)容易在推進(jìn)過(guò)程中被頂裂，甚至頂碎，因此，應(yīng)加大對(duì)管片精度

8、的要求。錯(cuò)縫拼裝的拼轉(zhuǎn)角度根據(jù)縱向螺栓的布置而定，可以?xún)森h(huán)一組錯(cuò)縫拼裝，也可以三環(huán)一組錯(cuò)縫拼裝，通常將K 塊放在隧道拱頂90°范圍以?xún)?nèi)。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的管片分塊方式，可實(shí)現(xiàn)兩環(huán)一組的錯(cuò)縫拼裝方式，第一環(huán)管片的封頂塊 (F在拱頂正上方，第二環(huán)管片的封頂塊 (F從正上方右偏36°。（6）管片的楔形量盾構(gòu)在曲線(xiàn)段施工和蛇行修正時(shí)，需要使用楔形管片環(huán)，楔形管片環(huán)分為左轉(zhuǎn)環(huán)及右轉(zhuǎn)環(huán)。蛇行修正用楔形管片環(huán)的數(shù)量，會(huì)因工程區(qū)域內(nèi)所包含的緩曲線(xiàn)和急曲線(xiàn)區(qū)段的比例、有無(wú)S 形曲線(xiàn)等的隧道線(xiàn)路、影響盾構(gòu)操作穩(wěn)定性的周?chē)鷩鷰r的情況而不同。通常，蛇行修正用楔形管片環(huán)數(shù)量大概是直線(xiàn)區(qū)間所需管片環(huán)數(shù)的3

9、5。楔形量除了根據(jù)管片種類(lèi)、管片寬度、管片環(huán)外徑、曲線(xiàn)外徑、曲線(xiàn)間楔形管片環(huán)使用比例、管片制作的方便性確定外，還應(yīng)根據(jù)盾尾操作空隙而定。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的區(qū)間隧道線(xiàn)形，其最小半徑為350m ，按曲線(xiàn)擬合所需要的楔形量為25mm ，但綜合考慮施工經(jīng)驗(yàn)等因素，采用楔形量38mm 的楔形管片環(huán)，模擬線(xiàn)形采用直線(xiàn)環(huán)、左轉(zhuǎn)環(huán)和右轉(zhuǎn)環(huán)組合的方式。（7）特殊管片的設(shè)計(jì)區(qū)間的聯(lián)絡(luò)通道在修建，有兩種方式，一是從地表進(jìn)行明挖施工，但是當(dāng)?shù)孛鏃l件不允許時(shí)，只能采用暗挖的方式。暗挖聯(lián)絡(luò)通道時(shí)，必須先從區(qū)間隧道里面，破除管片襯砌，然后采用注漿加固或凍結(jié)法進(jìn)行施工?？紤]到成都地鐵地質(zhì)的具體情況，主要為砂礫石、地下水位高，因降

10、水產(chǎn)生的地表沉降小，同時(shí)地表又沒(méi)有明挖條件。故本次推薦采用先降水再注漿加固地層，最后用暗挖方式修建聯(lián)絡(luò)通道。同時(shí)，為了保證施工的安全和施工中管片的拆卸方便，本次設(shè)計(jì)在聯(lián)絡(luò)通道處，區(qū)間隧道采用鋼管片和鋼筋混凝土管片組成的復(fù)合型管片環(huán)。4） 區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算（1）管片襯砌結(jié)構(gòu)環(huán)力學(xué)模型盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型有鉸接圓環(huán)模型、勻質(zhì)圓環(huán)模型和梁彈簧模型。鉸接圓環(huán)模型、勻質(zhì)圓環(huán)模型屬于經(jīng)驗(yàn)性為主的簡(jiǎn)化計(jì)算法，此種方法因不能明示接頭位置，難于反映管片襯砌結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀況（如考慮為勻質(zhì)圓環(huán)時(shí)，不能反映圓環(huán)偏轉(zhuǎn)某一角度后的截面內(nèi)力及變形變化、不能計(jì)算錯(cuò)縫時(shí)的縱向接頭的剪力等），計(jì)算結(jié)果受人為影響的因素

11、較大。梁彈簧模型屬于精確計(jì)算法，能考慮各類(lèi)接頭位置與剛度、錯(cuò)縫時(shí)的環(huán)間相互咬合效應(yīng)，及隧道與周?chē)馏w的實(shí)際相互作用關(guān)系。根據(jù)精確計(jì)算法還能明確計(jì)算出襯砌管片的環(huán)向及縱向接頭的各種內(nèi)力值，可準(zhǔn)確地進(jìn)行各類(lèi)襯砌管片接頭的設(shè)計(jì)。我國(guó)以前多采用勻質(zhì)圓環(huán)模型進(jìn)行受力分析，隨著盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)理論的發(fā)展，目前也出現(xiàn)了采用梁彈簧模型進(jìn)行力學(xué)分析，兩種力學(xué)模型（見(jiàn)圖1）的具體情況如下:勻質(zhì)圓環(huán)模型將襯砌圓環(huán)考慮為彈性勻質(zhì)圓環(huán)，用小于1的剛度折減系數(shù)來(lái)體現(xiàn)環(huán)向接頭的影響，不具體考慮接頭的位置，即僅降低襯砌圓環(huán)的整體抗彎剛度，如日本的修正慣用計(jì)算法。用曲梁?jiǎn)卧M剛度折減后的襯砌圓，同時(shí)用彎矩增大系數(shù)來(lái)表達(dá)錯(cuò)縫拼裝引

12、起的附加內(nèi)力值。根據(jù)國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，通常取為0.75，為0.3。梁彈簧模型在一襯砌圓環(huán)內(nèi)，具體考慮環(huán)向接頭的位置和接頭的剛度，用曲梁?jiǎn)卧M管片的實(shí)際狀況，用接頭抗彎剛度 K 來(lái)體現(xiàn)環(huán)向接頭的實(shí)際抗彎剛度。為錯(cuò)縫式拼裝時(shí)，因縱向接頭將引起襯砌圓環(huán)間的相互咬合作用，此時(shí)根據(jù)錯(cuò)縫拼裝方式，除考慮計(jì)算對(duì)象的襯砌圓環(huán)外，將對(duì)其有影響的前后的襯砌圓環(huán)也作為對(duì)象，采用空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，并用圓環(huán)徑向抗剪剛度K r 和切向抗剪剛度K t 來(lái)體現(xiàn)縱向接頭的環(huán)間傳力效果。同時(shí)假定環(huán)間接頭不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)， 圖1 管片襯砌圓環(huán)計(jì)算的兩種力學(xué)模型（2）管片襯砌結(jié)構(gòu)接頭力學(xué)模型在采用梁彈簧模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，管片接頭抗彎剛度k

13、 ，的取值很重要，它是評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理與否的關(guān)鍵。工程設(shè)計(jì)中常因設(shè)計(jì)者對(duì)k 的取值偏差導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)較大差異，從而使得在條件基本近似的條件下，管片厚度等重要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)相差甚大，導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò)于保守或偏于不安全。目前，工程中對(duì)k 的取值還沒(méi)有圖表或公式可以遵循，實(shí)際中一般采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或室內(nèi)模型試驗(yàn)進(jìn)行確定。以下應(yīng)用三維有限元理論的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值方法對(duì)管片接頭剛度進(jìn)行模擬計(jì)算，為盾構(gòu)隧道裝配式管片襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算提供依據(jù)。計(jì)算假定已有研究成果表明，盾構(gòu)隧道管片接頭變形主要由接頭板接縫材料壓縮和連接螺栓受拉變形組成，相比而言，接頭端面其余部位變形較小且近乎線(xiàn)性變化。根據(jù)

14、管片接頭端面變形特點(diǎn)，計(jì)算過(guò)程中主要引入了如下假定：小變形假設(shè)：外荷載作用下的管片接頭端面變形和轉(zhuǎn)動(dòng)與構(gòu)件幾何尺寸相比較而言非常微小，屬小變形范疇。平截面假設(shè)：除接觸端面由于受螺栓拉力和混凝土擠壓而形成曲面外，管片其余斷面變形前后均為平截面。材料均勻性假設(shè)：忽略材料幾何制造等形成的差異，假定計(jì)算管片為均質(zhì)各向同性材料。計(jì)算參數(shù)結(jié)合研究對(duì)象所處圍巖條件，埋深范圍等確定襯砌環(huán)軸力、彎矩變化范圍分別為3001000kN 和-150200kN.m 。計(jì)算中通過(guò)在管片遠(yuǎn)離接縫的兩側(cè)端頭施加均布面荷載以形成軸力N ，通過(guò)在單塊管片中部施加均布線(xiàn)荷載形成彎矩M 。計(jì)算中管片混凝土彈性模量35GPa ，泊松比

15、0.17；連接螺栓彈性模量210GPa ，泊松比0.3。有限元模型計(jì)算采用整體笛卡兒坐標(biāo)系對(duì)平板直接頭管片（管片尺寸：長(zhǎng)³寬³高：3581mm ³1500mm ³300mm ）進(jìn)行三維建模分析。考慮到盾構(gòu)管片的實(shí)際承載和變形及其影響因素，對(duì)管片內(nèi)側(cè)遠(yuǎn)離接觸面底邊線(xiàn)施加鉛直約束，而在水平面內(nèi)允許其自由變形。結(jié)合結(jié)構(gòu)幾何對(duì)稱(chēng)性，計(jì)算管片取0.5倍幅寬，約束對(duì)稱(chēng)面變形。模型建立、網(wǎng)格劃分及約束施加如圖2所示。由于抗彎剛度與螺栓的型式無(wú)關(guān)，只與螺栓在截面上的具體布置和數(shù)量有關(guān)，故本次以直螺栓為例，進(jìn)行抗彎剛度的計(jì)算分析。模型加載通過(guò)在管片左右兩側(cè)端面施加均布面荷

16、載p 形成軸力，在管片跨中附近施加均布線(xiàn)荷載F M ，使得管片接頭處形成軸力彎矩組合受力體系，如圖3所示: (a 整體建模 (b 單側(cè)管片建模 接頭面未發(fā)生張開(kāi)，整個(gè)端面襯墊部位均承受壓應(yīng)力；另一種是管片結(jié)構(gòu)形成類(lèi)似簡(jiǎn)支梁的變形（忽略襯墊影響），在接頭部分發(fā)生分離，但受壓區(qū)高度小于整個(gè)管片接頭端面管片厚度， 轉(zhuǎn)角而逐漸減小, 并最終趨于穩(wěn)定。開(kāi)始階段-M 關(guān)系曲線(xiàn)呈凸面向上的變化趨勢(shì)，凸面曲率逐漸減小，最終-M 關(guān)系近似為一條直線(xiàn)。-M 關(guān)系曲線(xiàn)初始斜率無(wú)限大，代表了軸力作用下的接頭端面處于全端面受壓狀態(tài)，這是由于在荷載施加初期階段，管片軸力較大，作用彎矩相對(duì)較小，管片接頭全端面主要承受軸力所

17、產(chǎn)生的壓應(yīng)力；隨著彎矩的增加，中性軸上移，管片擾曲，接頭端面分離并開(kāi)始形成局部受壓區(qū)和局部受拉張開(kāi)區(qū)，受拉張開(kāi)區(qū)襯墊不再承受外荷載，螺栓出露并和受壓區(qū)襯墊共同作用以抵抗外加荷載作用。管片接頭張開(kāi)度和接頭端面轉(zhuǎn)角主要由螺栓拉力和受壓區(qū)襯墊壓縮量決定。軸力為零的時(shí)候，管片產(chǎn)生類(lèi)似于純彎曲簡(jiǎn)支梁的變形，-M 關(guān)系近乎直線(xiàn)變化；軸力增大，-M 關(guān)系曲線(xiàn)更易趨于穩(wěn)定，這主要是軸力影響下的襯墊單元作用得到了加強(qiáng)，從而能及早與連接螺栓共同作用以使結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定。理論上講，接頭抗彎剛度反映的是管片接頭抵抗外荷載作用下的變形能力，它與接縫材料特性和管片結(jié)構(gòu)尺寸密切相關(guān)。計(jì)算結(jié)果中客觀表現(xiàn)為當(dāng)襯墊受壓區(qū)高度和螺栓變

18、形達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后，-M 關(guān)系近似成線(xiàn)性變化，即抗彎剛度k 幾乎保持不變。點(diǎn)繪計(jì)算所得不同工況下的管片接頭M N 關(guān)系曲線(xiàn)如圖6所示。由圖中可以看出，軸力一定條件下，隨著彎矩的增大，管片接縫端面轉(zhuǎn)角增大；彎矩一定條件下，隨著軸力的增大，管片接縫端面轉(zhuǎn)角減小。這充分說(shuō)明了管片接縫轉(zhuǎn)角隨結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化而凸現(xiàn)的非線(xiàn)性特性，同時(shí)也預(yù)示隨著軸力和彎矩的變化，管片接頭端面受壓區(qū)混凝土高度和張開(kāi)量也將發(fā)生相應(yīng)改變。 圖5 M 關(guān)系曲線(xiàn)/10 r a d -2-2(a 正彎曲 (b 負(fù)彎曲圖6 M N 關(guān)系曲線(xiàn) (a 正彎曲 (b 負(fù)彎曲圖7 k-M-N 三維關(guān)系曲線(xiàn)為探明結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化對(duì)接縫接頭剛度變化規(guī)律的影響

19、，點(diǎn)繪計(jì)算所得不同外荷載作用下的k -M-N 三維關(guān)系曲線(xiàn)如圖7所示。由圖中可以看出，軸力一定情況下，隨著彎矩的增大，管片接頭剛度k 逐漸減小且漸趨穩(wěn)定；彎矩一定情況下，隨著軸力的增大，管片接頭剛度k相應(yīng)增大。這充分說(shuō)明了管片接頭剛度隨結(jié)構(gòu)所受荷載的變化規(guī)律。點(diǎn)繪不同偏心矩e 下的管片接頭剛度k 變化趨勢(shì)如圖8所示。由圖中可以看出：偏心矩e 對(duì)k 的變化規(guī)律影響較大。軸力相同情況下，k 隨e 的加大（即結(jié)構(gòu)彎矩增加）而急劇減小，但減小幅度逐漸趨于平緩，并最終趨于穩(wěn)定，不再隨e 的改變發(fā)生較大變化；相同偏心矩情況下，軸力變化對(duì)管片接頭剛度k 幾乎沒(méi)有影響。究其原因在于，管片環(huán)拼裝完成后，接頭抗彎

20、剛度即成為結(jié)構(gòu)的固有特性之一。從圖中還可以看出，偏心矩趨于0時(shí)，管片接頭剛度k 趨于無(wú)窮大，這主要是由于外加彎矩越小時(shí)，管片結(jié)構(gòu)越加接近于接縫端面全斷面受壓的純壓構(gòu)件，接縫更難以張開(kāi)的緣故。 圖8 不同軸力作用下的e lgk關(guān)系曲線(xiàn)根據(jù)研究成果，結(jié)合成都地鐵一號(hào)線(xiàn)工程建設(shè)實(shí)際情況和所選用的管片結(jié)構(gòu)尺寸、內(nèi)力分布、接縫襯墊厚度等影響因素，建議管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中取接頭正抗彎剛度k +5³104kN.m/rad，負(fù)抗彎剛度k -3³104kN.m/rad。（3）荷載結(jié)構(gòu)模式在進(jìn)行盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算分析時(shí)，其荷載的計(jì)算采用荷載結(jié)構(gòu)模式，見(jiàn)圖9所示。在確定作用在隧道上方的土層壓力方

21、面，國(guó)內(nèi)外視地層情況，主要采用卸拱理論(太沙基公式為主體 和按全部地層壓力計(jì)算土層壓力的方法，但均帶有較大近似性。國(guó)外也有取最小土壓力不小于1D 2D(D為隧道直徑 高度的上覆土體自重（當(dāng)計(jì)算土壓力小于此值時(shí)）的經(jīng)驗(yàn)法(如 Design of Segment，Japan Society of Civil Engineering，1994.6 。 襯砌圓環(huán)與周?chē)馏w的相互作用通過(guò)設(shè)置在襯砌全環(huán)只能受壓的徑向彈簧單元和切向彈簧單元來(lái)體現(xiàn)，這些單元受拉時(shí)將自動(dòng)脫離，彈簧單元的剛度由襯砌周?chē)馏w的地基抗力系數(shù)決定。考慮到本次標(biāo)段的最大和最小埋深分別在17m 左右和9m 左右，上覆地層壓力的計(jì)算原則為，

22、對(duì)于深埋斷面，首先按太沙基卸拱理論計(jì)算上覆地層壓力，當(dāng)計(jì)算值小于2倍隧道直徑高度的上覆土體自重時(shí)，取2倍隧道直徑高度的上覆土體自重作為上覆地層壓力。對(duì)于淺埋斷面，直接取用全部上覆土體自重作為上覆地層壓力。同時(shí)，因區(qū)間隧道所在地層主要為砂卵石，而且其地下水豐富，一般地下水位為-1m -4m ，故采用水土分算的模式進(jìn)行荷載計(jì)算。 除土水壓力外，實(shí)際的計(jì)算荷載按施工和使用階段可能出現(xiàn)的其它最不利荷載組合進(jìn)行 荷載分類(lèi)見(jiàn)表1所示，包括永久荷載、可變荷載和偶然荷載。地層壓力豎向地層壓力按全部地層壓力計(jì)算。而側(cè)壓力當(dāng)隧道處于粘性土中時(shí)按水土和算考慮，在砂性土地層時(shí)按水土分算考慮。 地層抗力通過(guò)設(shè)置在襯砌全

23、環(huán)只能受壓的徑向彈簧單元和切向彈簧單元來(lái)體現(xiàn)，這些單元受拉時(shí)將自動(dòng)脫離，彈簧單元的剛度由襯砌周?chē)馏w的地基抗力系數(shù)決定。同時(shí)，偏于安全方向的考慮，未計(jì)管片周?chē){引起的抗力增加效果。 管片結(jié)構(gòu)自重鋼筋混凝土管片重度取25kN/m3。 水壓當(dāng)在砂性土地層時(shí)水土分算時(shí)，水壓按靜水壓力考慮。 隧道內(nèi)部荷載根據(jù)規(guī)范地鐵隧道內(nèi)的車(chē)輛荷載及沖擊力對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響較小，可略去不計(jì)。表1 荷載分類(lèi)表 （5）計(jì)算斷面的選擇 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)成都地鐵試驗(yàn)段區(qū)間隧道地質(zhì)為第四紀(jì)地層，自上而下依次為全新統(tǒng)填筑土層（Q 4ml ），全新統(tǒng)沖積層（Q 4al ），上更統(tǒng)冰水流水堆積層（Q 3fgl-al ）。其上部為人工

24、填筑層，可塑粘土或粉質(zhì)粘土、粉土，下部為卵石土，卵石土厚19.726.2m ，基巖為K 2g 紫紅色泥巖，頂面埋深25.630.0m 。卵石土中卵石成分主要由巖漿巖和變質(zhì)巖類(lèi)組成，呈圓形亞圓形。按重量百分比，漂石組平均值10.318.4%，卵石組為70.266.5%，礫石組為5.98%，土粒組為11.58.3%。直徑大于5cm 的卵石含量一般都在50%以上。礫卵石以弱風(fēng)化為主，局部中等風(fēng)化。根據(jù)密實(shí)程度和充填物含量的差異，可將其劃分為稍密砂卵石、中密砂卵石和密實(shí)砂卵石三個(gè)層，在晚更新世晚期（Q 32）地層中大粒徑卵石含量較高，一般在1015%，在局部地段富集成層，含量達(dá)2030%，大粒徑漂石一

25、般在200400mm ，在（Q 32）地層中還分布著膠結(jié)礫石層，鈣泥質(zhì)膠結(jié)、半膠結(jié)狀，膠結(jié)物以鈣質(zhì)為主含鐵質(zhì)及泥質(zhì)混合物，多呈孔隙式膠結(jié)，硬度大。該地段地下水主要為第四系孔隙潛水，含水層為砂卵石層地層滲透系數(shù)K=1520m/d。一般條件下地下水位埋深23m ，升降的幅度為2m 。 計(jì)算斷面根據(jù)本標(biāo)段的埋深條件、地層的土質(zhì)、地下水及管片襯砌環(huán)的特征等條件，選取可能出現(xiàn)的最不利受力情況的最大及最小埋深斷面各一處分別單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)考慮隧道經(jīng)過(guò)的民房、火車(chē)股道和橋梁三個(gè)特殊斷面進(jìn)行計(jì)算，各計(jì)算斷面的主要土質(zhì)特征條件匯總于表2。 （6）管片襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形分析 設(shè)定檢算標(biāo)準(zhǔn)本次設(shè)計(jì)所用的材料為：管

26、片鋼筋級(jí)鋼強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy 310MPa ；管片砼C50，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc 23.1MPa 管片砼C50，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft 2MPa 。結(jié)構(gòu)變形控制值：直徑變形2D ；環(huán)縫張開(kāi)2mm ；縱縫張開(kāi)3mm 。 砼結(jié)構(gòu)允許裂縫開(kāi)展：裂縫寬度0.2mm 。 結(jié)構(gòu)抗浮安全系數(shù)：施工期1.03，使用期1.07。 計(jì)算結(jié)果根據(jù)不同的計(jì)算斷面、管片環(huán)的幅寬和錯(cuò)縫拼裝中每一環(huán)的不同位置以及不同的水土壓計(jì)算方式，進(jìn)行了管片襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和和變形分析，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3所示。表中值均為襯砌環(huán)每環(huán)管片的內(nèi)實(shí)際內(nèi)力值，正彎矩代表隧道內(nèi)側(cè)受拉，負(fù)彎矩代表隧道外側(cè)受拉。表3中加了底紋的計(jì)算組的內(nèi)力圖和變形圖見(jiàn)圖1017所示

27、。表2 計(jì)算斷面土質(zhì)特征條件 1為隧道所處地層之值。2基床系數(shù)偏于安全地沒(méi)有計(jì)及管片周?chē){引起增大的影響。計(jì)算結(jié)果分析關(guān)于幅寬. 由表3中計(jì)算組N1N4的結(jié)果可以看出，隨著管片幅寬的增加，其變形增大、而內(nèi)力減小。因此，考慮到防水和工程造價(jià)以及施工進(jìn)度等，本次設(shè)計(jì)推薦采用幅寬為1.5m 的管片。但是，考慮到地質(zhì)條件的復(fù)雜性，施工中線(xiàn)形的控制比較難，故對(duì)于小半徑區(qū)間，采用幅寬為1.2m 的管片。關(guān)于水土合算. 對(duì)于盾構(gòu)進(jìn)出豎井段和下穿萬(wàn)福橋等特殊地段，在施工中其地層條件采用注漿進(jìn)行加固處理的情況，應(yīng)采用水土合算的模式計(jì)算管片襯砌的內(nèi)力和變形結(jié)果，如表中N1N14。關(guān)于地下水位變化. 水土分算時(shí)，

28、對(duì)于地鐵運(yùn)營(yíng)后，因周?chē)课萁ㄖ幕邮┕ぃ厝徊扇〗邓胧?，將?dǎo)致地下水位降低，從而導(dǎo)致管片襯砌截面的內(nèi)力和變形增加，如表中N21N32。故在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮地下水位的變化情況進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)和驗(yàn)算，同時(shí)在基坑開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施。關(guān)于拼裝方式. 由表3中N21N32可以看出，相同水位條件下，通縫拼裝時(shí)管片襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力比錯(cuò)縫拼裝條件下的要小，而變形要大。說(shuō)明通縫拼裝在成都這種砂卵石地層條件下的受力是有利的，但是，考慮到變形的增加，將導(dǎo)致管片接頭的張開(kāi)量和張開(kāi)的深度增加，從而降低隧道的整體防水能力。因此，本次設(shè)計(jì)采用兩環(huán)一組的錯(cuò)縫拼裝方式，第一環(huán)管片的封頂塊(F在拱頂正上方，第二環(huán)管片的

29、封頂塊 (F從正上方右偏36°。關(guān)于計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證. 日本等國(guó)采用修正的慣用法設(shè)計(jì)了許多盾構(gòu)隧道，為確保計(jì)算結(jié)構(gòu)的可靠性，同時(shí)也采用修正的慣用法進(jìn)行了校核性計(jì)算，結(jié)果如表3中N33。與N30和N29的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，其變形和最大正負(fù)彎矩以及相應(yīng)的軸力都較為接近，說(shuō)明本次計(jì)算結(jié)果是可信的。關(guān)于配筋設(shè)計(jì)內(nèi)力和變形值的選取. 本標(biāo)段的埋深從9.0m 17m 左右，同時(shí)還經(jīng)過(guò)了民房、火車(chē)股道和橋梁基礎(chǔ)。由于成都的砂卵石地層條件，而且地下水位高，故采用分算條件下的內(nèi)力和變形結(jié)果進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。因此，對(duì)于普通的區(qū)間盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)，采用N29和N30的內(nèi)力和變形結(jié)果，同時(shí)，應(yīng)考慮到施工

30、荷載配置相應(yīng)的構(gòu)造鋼筋；對(duì)于下穿民房、火車(chē)股道和橋梁基礎(chǔ)等特殊斷面，應(yīng)采用相應(yīng)的內(nèi)力和變形結(jié)果；但是，對(duì)于進(jìn)出豎井等特殊地段的地層條件進(jìn)行加固處理后的情況，應(yīng)采用水土合算的計(jì)算值，根據(jù)不同的埋深選取相應(yīng)的內(nèi)力和變形結(jié)果；最后，配筋設(shè)計(jì)和驗(yàn)算還應(yīng)考慮到地鐵運(yùn)營(yíng)中，因周?chē)邮┕さ慕邓畬?dǎo)致地下水位降低帶來(lái)的附加應(yīng)力。表3 管片襯砌環(huán)的截面內(nèi)力及變形計(jì)算結(jié)果 說(shuō)明：圖中計(jì)算編號(hào)右上角的a 表示該環(huán)管片的幅寬為1.2m ，其他各計(jì)算組的幅寬為1.5m ；“-1.0m ”表示地下水位為地下1.0m 。5）結(jié)構(gòu)防水設(shè)計(jì)（1）防水原則和標(biāo)準(zhǔn)防水原則結(jié)構(gòu)防水工程設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地震烈度、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

31、、施工方法和使用要求等因素進(jìn)行。并遵循“以防為主、多道設(shè)防、剛?cè)峤Y(jié)合、因地制宜、綜合防治”的原則。防水標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)地下工程防水技術(shù)規(guī)范（GB50108-2001）及地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50157-92），并根據(jù)相關(guān)工程的經(jīng)驗(yàn)，防水標(biāo)準(zhǔn)擬定如下：盾構(gòu)區(qū)間隧道總體防水等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)不允許漏水，結(jié)構(gòu)表面可有少量的濕漬。但根據(jù)工程部位及使用要求的不同，各部防水標(biāo)準(zhǔn)有所區(qū)別。見(jiàn)下表7.4。表4 防水等級(jí)及其標(biāo)準(zhǔn) （2）防水措施結(jié)構(gòu)防水體系包括管片結(jié)構(gòu)自防水、接頭防水、以及隧道與工作井和聯(lián)絡(luò)通道連接處的防水。結(jié)構(gòu)自防水強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)自防水為本，采取有效措施增強(qiáng)混凝土抗?jié)B抗裂性，減小地下水對(duì)混凝土的滲透性，防水混

32、凝土抗?jié)B等級(jí)，應(yīng)根據(jù)工程埋深，按地下工程防水技術(shù)規(guī)范（GB50108-2001）確定。盾構(gòu)管片的抗?jié)B等級(jí)不小于S 10。當(dāng)?shù)叵滤畬?duì)混凝土及鋼筋混凝土有腐蝕時(shí)，要求混凝土及鋼筋混凝土的抗侵蝕系數(shù)大于0.8。盾構(gòu)管片鄰?fù)羵?cè)需涂耐磨高強(qiáng)的防腐涂料。防水混凝土裂縫寬度:迎水面不得大于0.15mm; 背水面不得大于0.2mm 。防水混凝土所用砂、石料必須符合現(xiàn)行普通混凝土用砂質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法和普通混凝土用碎石或卵石質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法的規(guī)定。防水混凝土中的水泥應(yīng)采用低水化熱水泥，并根據(jù)需要摻入有一定補(bǔ)償收縮功能的復(fù)合型防水劑或防裂性混凝土外加劑及一定數(shù)量的粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉、硅粉等。粉煤灰的級(jí)別不應(yīng)低于

33、二級(jí)，摻入量不宜大于20%，其它摻合料的摻量應(yīng)經(jīng)試驗(yàn)確定。 接頭防水管片間縱、環(huán)縫必須采用耐久性好、性能優(yōu)良的防水彈性密封墊。一般應(yīng)有12道框形彈性密封墊和內(nèi)側(cè)嵌縫兩道防水措施，根據(jù)地質(zhì)條件及地層透水量，必要時(shí)可在襯砌中部加設(shè)注漿孔，作為補(bǔ)救防水措施。管片間的彈性密封墊的構(gòu)造形式應(yīng)經(jīng)試驗(yàn)確定，一般要求在張開(kāi)量8mm 時(shí)能抵抗0.6MPa 水壓。盾構(gòu)出洞時(shí)，為防止泥沙及水的涌入，需設(shè)置簾布橡膠圈，簾布橡膠由模具分塊壓制，然后連成一整環(huán)。嵌縫范圍：進(jìn)出洞2030m ，聯(lián)接通道兩側(cè)各10m 處襯砌環(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。嵌縫材料可采用與

34、基層粘結(jié)性好、耐久性好、彈性及抗下墜性好的材料。螺栓孔宜采用氯丁膠與遇水膨脹橡膠復(fù)合的密封圈進(jìn)行密封，并對(duì)其螺栓采用混凝土填實(shí)保護(hù)法或涂刷防銹材料。吊裝孔在管片安裝就位后，宜采用密封材料進(jìn)行密封處理。變形縫設(shè)在車(chē)站與區(qū)間接頭及加固段末尾及地質(zhì)條件變化大的區(qū)段，縫間采用加厚丁腈襯墊及復(fù)合變形縫專(zhuān)用密封墊進(jìn)行密封。在區(qū)間盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)外側(cè)涂抹耐磨防水涂料（如環(huán)氧樹(shù)脂等），提高管片結(jié)構(gòu)的防水能力。同時(shí)，在施工過(guò)程中及時(shí)向盾尾地層和襯砌管片間的環(huán)形空隙均勻注漿。隧道與工作井和聯(lián)絡(luò)通道連接處的防水在盾構(gòu)隧道與工作井連接處設(shè)置環(huán)形鋼筋混凝土保護(hù)圈，其材料采用摻加合成纖維和高效減水劑的混凝土，有助于減

35、少和避免干縮裂縫以及溫差收縮裂縫。保護(hù)圈混凝土與井壁內(nèi)襯鋼板、管片混凝土表面之間均要設(shè)置遇水膨脹止水條。 井圈混凝土施工縫內(nèi)側(cè)要預(yù)留嵌縫槽，用中模量聚氨酯或聚硫密封膠密封，加強(qiáng)防水。 隧道與聯(lián)絡(luò)通道連接處預(yù)設(shè)兜繞成圈的遇水膨脹止水條和預(yù)埋注漿管；聯(lián)絡(luò)通道自身采用防水板作全包處理；聯(lián)絡(luò)通道應(yīng)與隧道具有同等設(shè)計(jì)壽命。在我國(guó)地鐵建設(shè)中，南京地鐵、廣州地鐵和上海地鐵等的地下水位都比較高，采用盾構(gòu)法施工，其襯砌結(jié)構(gòu)采用裝配式混凝土管片，在接縫處設(shè)置止水條、并采取必要的防水措施后，均能滿(mǎn)足防水要求。因此，對(duì)于成都地鐵，采用盾構(gòu)法施工，其防水能滿(mǎn)足要求。 變形圖(單位：mm 彎矩圖(單位：KN ²m括號(hào)內(nèi)的值為相應(yīng)的軸力(單位：KN 軸力圖(單位：KN 剪力圖(單位：KN括號(hào)內(nèi)的值為相應(yīng)的彎矩(單位：KN ²m 縱向螺栓法向剪力圖(單位：KN 縱向螺栓切向剪力圖(單位：KN圖10 N2內(nèi)力和變形圖 變形圖(單位：mm 彎矩圖