北京地鐵礦山法區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計指南070106

1、驗收文件之三北京地鐵礦山法區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計計算指南（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)境和埋深等實際條件，以及多年的設(shè)計施工經(jīng)驗，針對礦山法區(qū)間隧道設(shè)計檢算中有關(guān)地層壓力、計算模型、計算參數(shù)等不統(tǒng)一或不明確狀況，在地鐵設(shè)計規(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)計方法”研究成果，編制了北京地鐵礦山法區(qū)間隧道設(shè)計計算指南，供北京軌道交通建設(shè)設(shè)計參考。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12月目 錄1 總則12 設(shè)計計算技

2、術(shù)指標(biāo)23 設(shè)計計算荷載43.1 荷載分類和荷載組合43.2 地層壓力53.3 地面車輛荷載引起的附加壓力63.4 地震荷載73.5 水壓力73.6 鄰近地面設(shè)施及建筑物壓力荷載83.7 人防荷載103.8 其它荷載104 初期支護(hù)設(shè)計計算104.1 一般規(guī)定114.2 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)檢算模型114.3 初期支護(hù)強(qiáng)度檢算方法135 二次襯砌設(shè)計計算1465.1 一般規(guī)定165.2 計算方法165.3 襯砌結(jié)構(gòu)溫度伸縮縫19條文說明241 總則242 設(shè)計計算技術(shù)指標(biāo)253 設(shè)計計算荷載254 初期支護(hù)設(shè)計計算305 二次襯砌設(shè)計計算321 總則 地下鐵道區(qū)間主要構(gòu)件設(shè)計使用年限為100年。根據(jù)承

3、載能力和正常使用要求，采取有效措施，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度，滿足結(jié)構(gòu)耐久性要求。1.0.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計計算應(yīng)滿足施工、運(yùn)營、城市規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)、防水、防火、防迷流、防腐蝕和人民防空的要求。1.0.3 礦山法區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)“破損階段”法，以材料極限強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計。1.0.4 設(shè)計中除參照本指南外，尚應(yīng)符合地鐵設(shè)計規(guī)范(GB50157-2003)等國家現(xiàn)行的有關(guān)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。1.0.5 本指南適用范圍：第四紀(jì)地層中的礦山法標(biāo)準(zhǔn)單線區(qū)間隧道。2 設(shè)計計算技術(shù)指標(biāo) 地下鐵道區(qū)間隧道為地鐵的主體結(jié)構(gòu)工程，防水等級為二級，耐火等級為一級。2.0.2 隧道結(jié)構(gòu)的抗震等級按三級考慮，根據(jù)北京地區(qū)地震烈度區(qū)劃圖

4、(50年超越概率10%)，隧道結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防基本烈度為7度或8度。 襯砌結(jié)構(gòu)按上級批復(fù)的人防抗力標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗算。 結(jié)構(gòu)設(shè)計在滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，應(yīng)根據(jù)地下水水位和地下水腐蝕性等情況，滿足防水和防腐蝕設(shè)計的要求。當(dāng)結(jié)構(gòu)處于有腐蝕性地下水時應(yīng)采取抗侵蝕措施，混凝土抗侵蝕系數(shù)不低于0.8。 在永久荷載和可變荷載作用下，二類環(huán)境中二次襯砌結(jié)構(gòu)裂縫寬度(迎土面)應(yīng)不大于0.2mm，一類環(huán)境(非迎土面及內(nèi)部混凝土構(gòu)件)襯砌結(jié)構(gòu)的裂縫寬度均應(yīng)不大于0.3mm。當(dāng)計及地震、人防或其他偶然荷載作用時，可不驗算結(jié)構(gòu)的裂縫寬度。 礦山法區(qū)間隧道施工地面沉降控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)環(huán)境條件認(rèn)真分析確定。一般路面下宜控制

5、在30mm以內(nèi)，當(dāng)穿越重要地面建筑物或地下管線時，上述數(shù)值應(yīng)按照允許的條件確定。2.0.7 混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中所用混凝土的極限強(qiáng)度應(yīng)按表2-1采用。區(qū)間隧道內(nèi)層襯砌采用鋼筋混凝土?xí)r其混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C30，抗?jié)B等級不低于S8，同時應(yīng)滿足其抗凍、抗?jié)B和抗侵蝕性等耐久性相關(guān)要求。表2-1 混凝土的極限強(qiáng)度(MPa)強(qiáng)度種類符號混凝土強(qiáng)度等級C15C20C25C30C40C50抗壓Ra12.015.519.022.529.536.5彎曲抗壓Rw15.019.424.228.136.945.6抗拉Rl1.41.72.02.22.73.1 混凝土的彈性模量應(yīng)按表2-2采用?；炷恋募羟袕椥阅?/p>

6、量可按表2-2數(shù)值乘以0.43采用?；炷恋牟此杀瓤刹捎?.2。表2-2 混凝土的彈性模量Ec(GPa)混凝土強(qiáng)度等級C15C20C25C30C40C50彈性模量Ec262829.53133.535.5 鋼筋強(qiáng)度和彈性模量按表2-3采用。表2-3 鋼筋的強(qiáng)度和彈性模量鋼筋種類屈服強(qiáng)度(MPa)抗拉極限強(qiáng)度(MPa)抗拉或抗壓計算強(qiáng)度(MPa)彈性模量(GPa)延伸率(%)HPB235(Q235)24038026021025HRB335(20MnSi)34052036020016 支護(hù)噴射混凝土的強(qiáng)度等級不得小于C20。C20噴射混凝土的極限強(qiáng)度可采用：軸心抗壓15 MPa，彎曲抗壓18 MPa

7、，抗拉1.3 MPa，彈性模量為21GPa (注：噴射混凝土的強(qiáng)度等級指采用噴射大板切割法，制作成邊長為10cm的立方體試塊，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d，用標(biāo)準(zhǔn)試驗方法所得的極限抗壓強(qiáng)度乘以0.95的系數(shù)) 。3 設(shè)計計算荷載3.1 荷載分類和荷載組合 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載類型及名稱應(yīng)按表3-1采用。表3-1 地下結(jié)構(gòu)荷載分類表荷載類型荷載名稱永久荷載結(jié)構(gòu)自重地層壓力結(jié)構(gòu)上部和受影響范圍內(nèi)的設(shè)施及建筑物壓力水壓力及浮力混凝土收縮及徐變影響設(shè)備重量地基下沉影響可變荷載基本可變荷載地面車輛荷載及其動力作用地面車輛荷載引起的側(cè)向土壓力地鐵車輛荷載及其動力作用人群荷載其他可變荷載溫度變化影響施工荷載偶然荷載地

8、震荷載人防荷載注：(1)設(shè)計中要求考慮的其他荷載，可根據(jù)其性質(zhì)分別列入上述三類荷載中；(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。3.1.2 確定荷載的數(shù)值時，應(yīng)考慮施工和使用過程中發(fā)生的變化。 結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)按結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的最不利工況組合進(jìn)行計算。可能出現(xiàn)的荷載組合有基本組合、長期效應(yīng)組合、抗震偶然組合和人防偶然組合。荷載組合形式如表3-2所示。表3-2 荷載組合形式序號組合永久荷載可變荷載偶然荷載地震荷載人防荷載1基本組合2長期效應(yīng)組合3抗震偶然組合4人防偶然組合3.2 地層壓

9、力 豎向均布壓力 (3-1)式中 地層重度，為上覆地層重度加權(quán)平均值，；、第i層地層重度和厚度。隧道上覆地層厚度；開挖斷面寬度；D1豎向土壓力保持不變的起始深度，。其中，；; ；上覆地層內(nèi)摩擦角加權(quán)平均值，；第i層地層內(nèi)摩擦角。上覆地層內(nèi)聚力加權(quán)平均值，；第i層地層內(nèi)聚力。斷面高度。豎向荷載與隧道埋深的關(guān)系如圖3-1曲線所示。 側(cè)向均布壓力 (3-2)式中 洞頂?shù)貙拥拇怪眽毫Γ凰淼篱_挖高度內(nèi)各地層內(nèi)摩擦角的層厚加權(quán)平均值；其他符號同前。 D埋深h豎向荷載D1圖3-1 地層豎向壓力計算圖式3.3 地面車輛荷載引起的附加壓力 豎向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

10、取值，并不計沖擊壓力的影響。 車輛荷載的側(cè)向壓力地面車輛荷載傳遞到地下結(jié)構(gòu)上的側(cè)壓力，可按下式計算： (3-3) (3-4)式中 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)人防抗力標(biāo)準(zhǔn)的人防偶然荷載。因此，在計入人防偶然荷載時，可不驗算地震偶然荷載。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

11、向進(jìn)行計算。由于地震垂直加速度峰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。只有在驗算結(jié)構(gòu)的抗浮能力時才計及垂直慣性力。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，對側(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，計算靜水壓力時應(yīng)分別按可能出現(xiàn)的最高和最低水位考慮。而驗算隧道結(jié)構(gòu)的抗浮能力時，按可能出現(xiàn)的最高水位考慮。計算靜水壓力時，兩種方法可供選擇，一種是和土壓力分開計算；另一種是將其視為土壓力的一部分和土壓力一起計算。偏

12、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，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算土壓力，另外再計算靜水壓力的作用。水土合算時，地下水位以上的土與水土分算時相同，水位以下的土采用飽和重度計算土壓力，不計算靜水壓力。其中土的有效重度為： (3-5)H2H10H10H2H20H10H2(b)水土合算(a)水土分算圖3-2 兩種計算靜水壓力方法式中，水的重度，一般。兩種計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，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

13、半無限體，在不同地面荷載作用下，地基中任一點(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的已有解析解，但公式計算比較復(fù)雜，計算時常用圖表來進(jìn)行。邊長為a、b的矩形面積均布荷載作用時，矩形角點(diǎn)下深度Z點(diǎn)(如圖3-3(a)所示)的附加應(yīng)力為： (3-6)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，可把矩形面積

14、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)，則中心點(diǎn)下為。又如圖3-3所示，為求矩形面積外任意點(diǎn)M下的，可按圖上虛線過M點(diǎn)分成若干面積，則M點(diǎn)下的可由幾個矩形面積角點(diǎn)下的相疊加而成，即圖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) (3-7)式(3-7)中k的腳標(biāo)表示所代表的面積，如表示矩形面積13M6的角點(diǎn)應(yīng)力系數(shù)，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。用表時要注意表中之b永遠(yuǎn)代表短邊。表3-3 矩形均布荷載角點(diǎn)下應(yīng)力系數(shù)表a/bz/b1.01.21.41.61.82.02.22.42

15、.62.83.04.06.08.010.00.00.2500.2500.2500.2500.2500.2500.2500.2500.2500.2500.2500.2500.2500.2500.2500.20.2490.2490.2490.2490.2490.2490.2490.2490.2490.2490.2490.2490.2490.2490.2490.40.2400.2420.2430.2430.2440.2440.2440.2440.2440.2440.2440.2440.2440.2440.2440.60.2230.2280.2300.2320.2320.2330.2330.2340.

16、2340.2340.2340.2340.2340.2340.2340.80.2000.2080.2120.2150.2170.2180.2180.2190.2190.3100.2200.2200.2200.2200.2201.00.1750.1850.1810.1960.1980.2000.2010.2020.2030.2030.2030.2040.2050.2050.2051.20.1520.1630.1710.1760.1790.1820.1840.1850.1860.1870.1870.1880.1890.1890.1891.40.1310.1420.1510.1570.1610.164

17、0.1670.1690.1700.1710.1710.1730.1740.1740.1741.60.1120.1240.1330.1400.1450.1480.1510.1530.1550.1560.1570.1590.1600.1600.1601.80.0970.1080.1170.1240.1290.1330.1370.1390.1410.1420.1430.1460.1480.1480.1482.00.0840.0950.1030.1100.1160.1200.1240.1260.1280.1300.1310.1350.1370.1370.1372.40.0640.0730.0810.0

18、880.0930.0980.1020.1050.1070.1090.1110.1160.1180.1190.1192.80.0500.0580.0650.0710.0760.0810.0840.0880.0900.0920.0940.1000.1040.1050.1053.20.0400.0470.0530.0580.0630.0670.0700.0740.0760.0790.0810.0870.0920.0930.0933.60.03260.0380.0430.0480.0520.0560.0590.0620.0650.0670.0690.0760.0820.0830.0844.00.027

19、0.0320.0360.0400.0440.0470.0510.0540.0560.0590.0600.0670.0730.0750.0765.00.0180.0210.0240.0270.0300.0330.0360.0380.0400.0420.0440.0500.0570.0600.0616.00.0130.0150.0170.0200.0220.0240.0260.0280.0290.0310.0330.0390.0460.0490.0517.00.0090.0110.0130.0150.0160.0180.0200.0210.0220.0240.0250.0310.0380.0410

20、.0438.00.0070.0090.0100.0110.0130.0140.0150.0170.0180.0190.0200.0250.0310.0350.0379.00.0060.0070.0080.0090.0100.0110.0120.0130.0140.0150.0160.0200.0260.0300.03210.00.0050.0060.0070.0070.0080.0090.1000.0110.0120.0130.0130.0170.0220.0260.0283.7 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

21、計算等有關(guān)規(guī)定計算確定。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。4 初期支護(hù)設(shè)計計算4.1 一般規(guī)定 礦山法隧道初期支護(hù)設(shè)計參數(shù)可采用工程類比法確定，施工中通過監(jiān)測進(jìn)行修正，并應(yīng)通過理論驗算。 礦山法隧道在預(yù)設(shè)計和施工階段，應(yīng)對初期支護(hù)的穩(wěn)定性進(jìn)行判別。初期支護(hù)施工階段的穩(wěn)定性，可按支護(hù)結(jié)構(gòu)實際總位移U與極限位移U0比較，并結(jié)合位移發(fā)展趨勢進(jìn)行判別。當(dāng)UU0時，隧道穩(wěn)定；當(dāng)UU0時，隧道不穩(wěn)定。極限位移U0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。 礦山法隧道初期支護(hù)應(yīng)考慮能承受施工期

22、間的全部荷載，并對控制地層變形起主要作用。4.2 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)檢算模型 礦山法地鐵隧道埋深淺，水、土作用荷載較為明確，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度較大，隧道初期支護(hù)后獨(dú)立承受上覆地層壓力作用時間較長，因此，常用的“荷載結(jié)構(gòu)”和“地層結(jié)構(gòu)”兩種計算模式均可采用。 檢算初期支護(hù)強(qiáng)度時，宜采用相對簡單的“荷載結(jié)構(gòu)”計算模式。4.2.3 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢算時，應(yīng)考慮地層對初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的約束作用。按局部變形理論，約束作用力為其向地層方向產(chǎn)生的位移與地層彈性抗力系數(shù)的乘積，即： (4-1)式中 k地層的彈性抗力系數(shù)(MPa/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，可按表4-1所列基床系

23、數(shù)平均值采用。4.2.4 檢算初期支護(hù)后地層變形及支護(hù)剛度時，宜采用“地層結(jié)構(gòu)”計算模式。在分析施工過程中的地層變形情況時，還應(yīng)考慮超前支護(hù)和超前加固的作用。表4-1 水平基床系數(shù)(MPa/m)統(tǒng)計結(jié)果表層號累計深度(m) 巖層名稱垂直基床系數(shù)(MPa/m)平均值變異系數(shù)子樣數(shù)子樣組數(shù)2.7689 填土5.1007 粉土、粘土、粉質(zhì)粘土20.15000.4858202037.1927 粉細(xì)砂29.16670.15396611.6213 粉土、粉質(zhì)粘土40.26460.3494173148313.4584 粉細(xì)砂30.96430.3264565617.0801 粘土、粉質(zhì)粘土35.85990.2

24、4849483119.1153 粉土38.85660.37285353321.9225 粉細(xì)砂31.38420.22975757423.7347 中粗砂35.45040.1836252528.1497 卵石、圓礫68.48300.19664746129.8067 中粗砂38.62500.12614040231.6000 粉細(xì)砂33.63890.1250363635.4953 粘土、粉質(zhì)粘土42.94990.2030210135137.9174 粉土48.62130.207115079239.3299 粉細(xì)砂42.75000.379388340.7534 細(xì)中砂40.15680.28633434

25、46.1734 卵石、圓礫80.425405596 粉細(xì)砂38.80600.30355858348.9280 中粗砂46.06250.27454848450.6280 粉土51.18900.22232121552.0940 粘土、粉質(zhì)粘土41.65630.1733191954.2485 粉土52.62420.22723333157.2941 粉質(zhì)粘土43.06330.19747372258.8197 細(xì)中砂37.00000.4060111164.3708 卵石、圓礫84.33330.25373030166.8165 粉細(xì)砂29.33330.380033268.9122

26、 中粗砂39.00000.13324471.4518 粘土、粉質(zhì)粘土41.30280.21451818173.4587 粉土50.62500.077188475.9645 粉細(xì)砂75.00000.000033178.2733 粉細(xì)砂482.0429 卵石圓礫30.00000.00001184.1929 粉質(zhì)粘土50.00000.0000444.3 初期支護(hù)強(qiáng)度檢算方法 計算荷載采用“荷載結(jié)構(gòu)”模型時，作用在初期支護(hù)上的荷載有永久荷載中的地層壓力、結(jié)構(gòu)自重，和可變荷載的地面車輛荷載及其動力作用，不計水壓力、偶然荷載等其他荷載。 計算圖式初期支護(hù)結(jié)構(gòu)按彈性支承鏈桿圖式計算，將計算斷面劃分為40 6

27、0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。圖4-1 圓角型斷面計算圖式對于墻腳為圓角形支護(hù)，圓角處各節(jié)點(diǎn)同時采用水平鏈桿和豎直鏈桿，計算圖式如圖4-1所示。 截面強(qiáng)度檢算方法根據(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)計規(guī)范(TB10003-2005)，按破損階段法進(jìn)行檢算。 當(dāng)初期支護(hù)采用無鋼架噴射混凝土、厚度在25cm以上并按節(jié)計算圖式視為偏壓構(gòu)件計算初期支護(hù)內(nèi)力時，噴混凝土矩形截面軸心及偏心受壓構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度應(yīng)按下式計算： (4-2)式中 初期支護(hù)噴射混凝土的抗壓極限強(qiáng)度，按2.9節(jié)

28、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；軸向力的偏心影響系數(shù)，按表4-2采用。表4-2 偏心影響系數(shù)e0/h0.000.020.040.060.080.100.120.140.161.0001.0001.0000.9960.9790.9540.9230.8860.845e0/h0.180.200.220.240.260.280.300.320.340.7990.7500.6980.6450.5900.5350.4800.4260.374e0/h0.360.380.400.420.440.460.480.3240.248

29、0.2360.1990.1700.1420.123注：(1)表中e0為軸向力偏心距；(2)表中從抗裂要求出發(fā)，混凝土矩形截面偏心構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度應(yīng)按下式計算： (4-3)式中 噴射混凝土抗拉極限強(qiáng)度，按2.9節(jié)規(guī)定采用；截面偏心距； 其它符號意義同前。注：計算表明，對混凝土矩形截面構(gòu)件，當(dāng)時，系抗壓強(qiáng)度控制承載力。 格柵鋼架噴射混凝土初期支護(hù)每延米支護(hù)結(jié)構(gòu)的鋼筋量換算成鋼筋混凝土矩形截面，按節(jié)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)檢算方法計算。 初期支護(hù)截面安全系數(shù)。初期支護(hù)作為獨(dú)立承載結(jié)構(gòu)的作用時間相對較短，重要性程度也相對較低。根據(jù)鐵路隧道設(shè)計規(guī)范(TB10003- 2005)素混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)規(guī)

30、定，如表4-3和表4-4所示，采用施工階段強(qiáng)度安全系數(shù)。 表4-3 隧道支護(hù)素混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)表4-4 隧道支護(hù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)5 二次襯砌設(shè)計計算5.1 一般規(guī)定 復(fù)合式襯砌的二次襯砌應(yīng)按主要承載結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)承受使用期的全部荷載，其設(shè)計參數(shù)可采用工程類比法確定，并應(yīng)通過理論驗算。 作用在復(fù)合式結(jié)構(gòu)上的水壓力由二次襯砌承擔(dān)。5.2 計算方法 礦山法區(qū)間隧道復(fù)合式結(jié)構(gòu)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?？紤]到支護(hù)與二次襯砌復(fù)合結(jié)構(gòu)計算模型較為復(fù)雜，為使計算工作簡單，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)計算，并滿足相應(yīng)截面最小安全

31、系數(shù)及裂縫寬度檢算要求。 襯砌結(jié)構(gòu)按“荷載結(jié)構(gòu)”模式計算，破損階段法檢算結(jié)構(gòu)截面強(qiáng)度，并驗算鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫寬度。 根據(jù)結(jié)構(gòu)特性按表3-1所示荷載，按不同荷載組合情況計算。 考慮地層對襯砌結(jié)構(gòu)變形的約束作用，按局部變形理論式(4-1)計算地層被動壓力。 截面強(qiáng)度檢算方法鋼筋混凝土矩形截面偏心受壓構(gòu)件的計算公式(圖5-1、圖5-2)：大偏心受壓 ()時，其截面強(qiáng)度按下式計算(圖5-1)： (5-1)小偏心受壓 ()時，其截面強(qiáng)度按下式計算(圖5-2)： (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： (5-3)式中 安全系數(shù)；軸向力；Agk NeeRgAgRgAgRwbxaahh0

32、xbAg圖5-1 鋼筋混凝土大偏心受壓構(gòu)件強(qiáng)度計算圖k NeeRgAgRgAgNh圖5-2 鋼筋混凝土小偏心受壓構(gòu)件強(qiáng)度計算圖ah0hxabh0 AgAg截面的寬度；截面的厚度；截面的有效高度，；截面的有效高度，；、軸向力作用點(diǎn)到鋼筋、重心的距離；、自和鋼筋的重心分別至截面最近邊緣的距離；混凝土的彎曲抗壓極限強(qiáng)度；混凝土的抗壓極限強(qiáng)度；鋼筋的計算強(qiáng)度；、受拉、受壓鋼筋面積。 隧道襯砌按破損階段檢算構(gòu)件截面強(qiáng)度時，根據(jù)所受的不同荷載組合，在計算中應(yīng)分別選用不同的安全系數(shù)，并不應(yīng)小于表5-1所列數(shù)值。表5-1 鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)荷載組合永久荷載+可變荷載永久荷載+可變荷載+偶然荷載破

33、壞原因鋼筋達(dá)到計算強(qiáng)度或混凝土達(dá)到抗壓或抗剪極限強(qiáng)度2.42.0混凝土達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度3.63.0 裂縫寬度驗算永久荷載和可變荷載作用下，二次襯砌結(jié)構(gòu)最大計算裂縫寬度應(yīng)滿足2.5條的要求?？紤]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(cm)，可按下列公式計算： (5-4) (5-5)式中 Eg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)；，當(dāng)時，取0.4；時，?。籑永久荷載和可變荷載作用下的彎矩；b矩形截面寬度；Rf混凝土的極限抗拉強(qiáng)度；截面高度；縱向受拉鋼筋應(yīng)力，可?。豢v向受拉鋼筋的截面面積；h0截面的有效高度，h0截面高度h保護(hù)層厚度a；lf平均裂縫間距(以厘米計)；d縱

34、向受拉鋼筋的直徑(以厘米計)，當(dāng)用不同直徑的鋼筋時，公式(5-5)中d改為換算直徑(s為縱向受拉鋼筋總周長)；縱向受拉鋼筋配筋率，；與縱向受拉鋼筋表面形狀有關(guān)的系數(shù)，對螺紋鋼筋，??；對光面鋼筋，??；對冷拔低碳鋼絲，取。當(dāng)采用級鋼筋作縱向受拉鋼筋時，應(yīng)將計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)計經(jīng)驗或構(gòu)造措施時，式(5-4)中的系數(shù)2.0可適當(dāng)減小)。zL圖5-3 一維結(jié)構(gòu)模型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位與彈性約束變位之代數(shù)和，即： (5-6) (5-7)式

35、(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 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/；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)各測試斷面的平均空氣溫度ta、平均壁面溫度tw，以及平均壁面熱流Qw的實測結(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

36、通空調(diào)，2005(35)。圖5-4、5-5可以看出，實測區(qū)段壁面的季節(jié)平均溫差約4?？紤]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，在接觸面上必然產(chǎn)生剪切應(yīng)力，此時剪切應(yīng)力可表示為： (5-8)式中，接觸面上的剪切應(yīng)力；u結(jié)構(gòu)水平位移；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)Cz約(13)×10-2N/mm3；地基為一般砂質(zhì)土?xí)r，Cz約(36)&#

37、215;10-2N/mm3；堅硬粘土?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Cz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Cz將有所增大。在計算分析時，為偏于安全，Cz可取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，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dz長的微元體，其溫度引起的軸向力為N，約束剪切力

38、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： (5-9)當(dāng)z0時，達(dá)最大，即 (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，同時還與周邊約束條件以及結(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，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

39、板間摩阻系數(shù)，按前述方法計算確定。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。表5-2 襯砌結(jié)構(gòu)極限長度計算結(jié)果(m)溫度/水平阻力系數(shù)Cz/×10-2N/mm310255075100812880564840109260403228127648322424c)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)置寬度取端部計算位移的2倍，則在812溫差時，伸縮縫的設(shè)置寬度應(yīng)在610mm，考慮到施工誤差，建議伸縮縫縫寬取2030mm。 北京地鐵礦山法區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計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

40、問題以及在執(zhí)行中應(yīng)注意的事項等予以說明。為了減少篇幅，只列條文號，未抄錄原條文。1 總則1.0.11.0.2 關(guān)于設(shè)計使用年限，設(shè)計指導(dǎo)思想、考慮環(huán)境影響為原則。有些是針對本指南的特點(diǎn)，有些是為使本指南條文內(nèi)容完整，參照地鐵設(shè)計規(guī)范提出。1.0.3 地鐵設(shè)計規(guī)范條規(guī)定“地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計，應(yīng)根據(jù)施工方法、結(jié)構(gòu)或構(gòu)件類型、使用條件及荷載特性等，選用與其特點(diǎn)相近的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范和設(shè)計方法，結(jié)合施工監(jiān)測逐步實現(xiàn)信息化設(shè)計”。相近的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB50010-2002)采用概率極限狀態(tài)法，鐵路隧道設(shè)計規(guī)范(TB10003-2005)對一般地區(qū)單線鐵路隧道整體式襯砌及洞門、單線鐵路隧道偏壓襯砌及洞門、

41、單線鐵路拱形明洞襯砌及洞門結(jié)構(gòu)的設(shè)計采用概率極限狀態(tài)法，其他類型隧道結(jié)構(gòu)按破損階段法設(shè)計?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范是適用于工業(yè)與民用房屋和一般構(gòu)筑物的國家標(biāo)準(zhǔn)，但與之配套的國家標(biāo)準(zhǔn)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范只對各種地面結(jié)構(gòu)的荷載和荷載組合系數(shù)作出規(guī)定，尚缺地下結(jié)構(gòu)的荷載及荷載組合系數(shù)，故無法直接用于地鐵設(shè)計中。由于目前尚缺乏地下鐵道隧道所處地層物理力學(xué)參數(shù)及統(tǒng)計特性、各種荷載、地層與結(jié)構(gòu)相互作用數(shù)值及統(tǒng)計特征值，難以采用概率極限狀態(tài)法設(shè)計，故目前地下鐵道礦山法區(qū)間隧道暫按“破損階段法”設(shè)計。 強(qiáng)調(diào)了設(shè)計中除參照本指南外，尚應(yīng)符合地鐵設(shè)計規(guī)范(GB50157-2003)等國家現(xiàn)行的有關(guān)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。明確了本

42、指南是針對北京地鐵第四紀(jì)地層中的礦山法區(qū)間單線隧道具體情況制定的。第三紀(jì)或其它地層中的礦山法區(qū)間隧道可參考本指南。2 設(shè)計計算技術(shù)指標(biāo)2.0.12.0.5 為使本指南條文內(nèi)容完整，參照地鐵設(shè)計規(guī)范提出。 按北京市地鐵設(shè)計施工有關(guān)規(guī)定和北京地鐵多年施工實踐經(jīng)驗提出。2.10 地鐵礦山法區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)按破損階段法設(shè)計時，材料強(qiáng)度應(yīng)采用極限強(qiáng)度。本指南采用鐵路隧道設(shè)計規(guī)范(TB10003-2005)按“破損階段法和容許應(yīng)力法設(shè)計”的材料性能，包括混凝土極限強(qiáng)度與彈性模量、鋼筋強(qiáng)度與彈性模量和噴混凝土極限強(qiáng)度與彈性模量。3 設(shè)計計算荷載3.1 在進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)考慮的荷載類型均列于指南正文表3-1中

43、，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，在設(shè)計中應(yīng)計入。按“破損階段法”設(shè)計時按不同荷載組合進(jìn)行計算，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。極淺埋時可按隧道拱頂以上全部土柱重量考慮，而一般淺埋時需考慮土層破裂楔形體下滑

44、所受的摩擦阻力作用。目前國內(nèi)外計算地層壓力的公式很多，不同地層壓力公式計算結(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)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。表1 北京地鐵四、五和十號線礦山法區(qū)間隧道覆土深度統(tǒng)計(單位：m)最小值最大值平均值工程名稱9.880011.500010.6900北京地鐵四號線馬家樓站石榴莊路站8.000011.00009.5000北京地鐵四號線石榴莊路站角門北路站14.000015.800014.900

45、0北京地鐵四號線陶然亭站菜市口站15.200019.800017.5000北京地鐵四號線菜市口站宣武門站6.000016.000011.0000北京地鐵四號線宣武門站西單站12.000018.000015.0000北京地鐵四號線西單站靈鏡胡同站14.650019.310016.9800北京地鐵四號線新街口站西直門站12.230018.970015.6000北京地鐵四號線西直門站動物園站9.600018.060013.8300北京地鐵四號線動物園站白石橋站7.400016.200011.8000北京地鐵四號雙榆樹站黃莊站9.000016.000012.5000北京地鐵四號黃莊站中關(guān)村站10.50

46、0012.500011.5000北京地鐵四號中關(guān)村站成府路站19.900011.000010.4500北京地鐵四號中關(guān)村站成府路站216.100017.100016.6000北京地鐵五號線雍和宮站和平里北街站4.68004.87004.7750北京地鐵五號線干楊樹站大屯站4.600017.000010.8000北京地鐵五號線崇文門站東單站9.800012.600011.2000北京地鐵五號線劉家窯站蒲黃榆站16.209017.613016.9110北京地鐵五號線瓷器口站崇文門站14.920016.220015.5700北京地鐵五號線天壇東門站瓷器口站7.300010.00008.6500北京地

47、鐵十號線八達(dá)嶺高速站熊貓環(huán)島站9.100012.300010.7000北京地鐵十號線花園東路站八達(dá)嶺高速站8.000010.00009.0000北京地鐵十號線黃莊站科南路站9.000014.000011.5000北京地鐵十號線科南路站知春路站7.000014.900010.9500北京地鐵十號線蘇州街站黃莊站9.540010.570010.0550北京地鐵十號線太陽宮站麥子店西路站13.000017.000015.0000北京地鐵十號線知春路站學(xué)院路站16.000018.000017.0000北京地鐵十號線工體北路站呼家樓站16.000018.000017.0000北京地鐵十號線呼家樓站光華路

48、站由圖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??；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、，而且角也是經(jīng)驗公式，應(yīng)用不太方便，對于埋深增加時，所得結(jié)果偏大。鐵路隧道坍方統(tǒng)計公式所依據(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采用全土柱，隧道埋深大于隧道開挖跨度時采用比爾鮑曼公式。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D1。埋深在D1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算公式。(3)關(guān)于建議地層壓力公式的檢驗國內(nèi)部分城市地鐵礦山法隧道施工中的圍巖壓力實測資料，如表2所示，實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