隧道及地下工程構造設計課件PPT（54頁）

1、第一節(jié) 隧道橫斷面的設計要考慮到隧道斷面的大小滿足限界的要求。一、幾個基本概念：限界、隧道建筑限界、隧道實際限界。限界：列車是沿固定軌道高速運動的物體，根據(jù)各種參數(shù)和尺寸，經(jīng)過計算確定的空間尺寸稱為限界。車輛限界：根據(jù)車輛輪廓線確定的尺寸。隧道建筑限界：考慮到照明、通訊和信號等設備的安裝，在車輛限界的基礎上確定的限界稱為建筑限界。隧道實際限界：考慮到列車運行時的左右搖擺、隧道施工時偏離中心線的誤差、襯砌的變形以及其它因素，隧道實際限界比規(guī)定的隧道建筑限界稍微放寬一些。二、 限界含義及其制定的原則（1）限界是確定行車軌道周圍構筑物凈空的大小，是管線和設備安裝相互位置的依據(jù)，是專業(yè)間共同遵守的技術

2、規(guī)定，它應經(jīng)濟、合理、安全可靠。（2）限界應依據(jù)車輛的輪廓尺寸和技術參數(shù)、軌道特性、受電方式、施工方法、設備安裝等綜合因素進行分析計算確定。（3）限界一般是按平直線路的條件進行制定。而曲線和道岔區(qū)的限界應在直線地段限界的基礎上根據(jù)車輛的有關尺寸以及不同曲線半徑、超高、不同的道岔類型分別進行加寬和加高。（4）在制定限界時，對結構施工、測量、變形誤差，設備制造和安裝誤差，設計、施工運營過程中難于預計的其它因素在內的安全留量等，都應分別進行研究確定。三、 限界基本內容（1）限界坐標系限界的坐標系是二維直角坐標，車輛橫斷面的垂直中心線與平直軌道橫斷面的垂直中心線相重合為縱坐標軸Y。平直軌道軌頂連線為橫

3、坐標軸X，兩軸相垂的交點作為坐標的原點Oxy。（2）車輛輪廓線1）車輛輪廓線的含義。車輛橫斷面外輪廓線，是經(jīng)過研究分析后確定，是作為確定車輛限界及設備限界的依據(jù)，是車輛設計和制造的基本數(shù)據(jù)。2）車體外輪廓尺寸。目前，我國規(guī)定地鐵車輛采用標準車型和寬體車型兩種。上海、廣州、南京采用寬體車型，北京、天津采用標準車型。盡管車型不同，但其制定限界的內容和方法是相同的。由于幾個城市采用寬體車的車體外輪廓尺寸還沒有完全統(tǒng)一，限界的具體數(shù)值稍有出入，現(xiàn)以標準車型為例說明各種限界。標準車體長19000mm，寬2800mm，高3510mm或3700mm3800mm（空調車）。3）車輛定距為12600mm。4）轉

4、向架固定軸距為2100mm2300mm。5）車輛地板面距軌面高度為1100mm。車輛輪廓線各點坐標值，見下表。 （3）車輛限界車輛限界的含義：根據(jù)車輛的輪廓尺寸和技術參數(shù)，并考慮靜態(tài)和動態(tài)情況下所能達到的橫向和豎向偏移量，按可能產(chǎn)生的最不利組合進行計算。（4）設備限界車輛限界的基礎上+車輛的偏移和傾斜+設計、施工中不可預計的安全預留量。所有固定設備及土木工程的任何部分都不得侵入此輪廓線內。（5）建筑限界1）定義：建筑限界是隧道和高架橋等結構物的最小橫斷面有效內輪廓線。在建筑限界以內、設備限界以外的空間，應能滿足固定設備和管線安裝的需要。在進行隧道和高架設計時，必須考慮施工誤差、測量誤差、結構變

5、形等因素，才能保證竣工后隧道和高架的有效凈空滿足建筑限界的要求。四、 區(qū)間直線段建筑限界（1）區(qū)間隧道的建筑限界是根據(jù)已定的車輛類型、受電方式、施工方法及以地質條件等按不同結構形式進行確定的。（2）區(qū)間直線段矩形隧道建筑限界。明挖施工的矩形隧道，其單洞單線隧道建筑限界寬度為4100mm，高度為4500mm。（3）圓形隧道建筑限界。盾構施工的圓形隧道，不論在直線或曲線地段，只能采用同一直徑的盾構，要想把直線和不同曲線半徑的地段分別采用不同直徑的盾構進行施工，是不可能的，所以應按最小曲線半徑選用盾構直徑進行施工，才能滿足圓形隧道的建筑限界要求。如線路最小平面曲線半徑R=300m，圓形隧道建筑限界的

6、直徑宜為=5200mm，見圖。（4）馬蹄形隧道建筑限界。隧道斷面需根據(jù)圍巖條件來確定其形式，當圍巖條件較好時，可采用拱形直墻式或拱形墻式；在圍巖條件較差時，要增設仰拱。馬蹄形隧道內部凈空尺寸，應考慮其施工誤差才能滿足建筑限界的要求，一般在建筑限界的兩側及頂部各增加100mm。礦山法施工的淺埋暗挖隧道，多采用馬蹄形斷面，其建筑限界最大寬度為4820mm，最大高度為5160mm。五、曲線隧道的凈空加寬：1、由于曲線外軌超高引起車體內傾所需要的加寬值；曲線上為了抵消向外的離心力，外軌需要抬起一個高度，稱之為外軌超高。由于外軌有了超高，使車體向內傾斜，車體中線由原來的豎直變?yōu)橄騼葍A斜，隧道建筑限界上方

7、控制點“J”向內偏離線路中線一個水平距離d超內d超內由于外軌超高，曲線隧道內側應予加寬的量值； E曲線外軌超高； H隧道建筑限界控制點J自軌面算起的高度。2、由于車體平移所需要的加寬值車輛經(jīng)過曲線時，車體的前后兩個轉向架中心點是沿著曲線線路前進的，但是車體是剛性體，因而車輛中部向曲線內側平移，車體前后端向曲線外側平移：R-曲線半徑；L-車輛長度；l-車輛前后轉向架中心間距。由于L=26m，l=18m曲線隧道的總加寬值：六、隧道襯砌斷面的初步擬定由于隧道結構襯砌是一個超靜定結構，不能直接計算出襯砌截面尺寸，因此，一般先假定一個尺寸，然后進行計算：主要包括三個內容：1、選定結構的內輪廓（凈空形狀）

8、：要滿足限界要求。2、選定結構軸線：結構的軸線盡量接近壓力線。1）當襯砌承受徑向分布的靜水壓力，結構軸線為圓形；2）主要承受豎向荷載和不大的水平荷載，結構采用直墻式；3）承受豎向荷載和較大的水平荷載，采用曲墻式。4）如果承受底鼓壓力，要設置仰拱。3、確定截面厚度：不能太厚，也不能太薄。第二節(jié) 隧道洞身支護結構的構造一、就地模筑混凝土整體式襯砌：1、直墻式襯砌：適用于地質條件比較好（、類圍巖），圍巖壓力以豎向為主、幾乎沒有或僅有很小的水平側壓力，襯砌由上部拱圈、兩側豎直邊墻和下部鋪底三部分組成。在地質條件極好、整體巖層堅固的情況下，并且沒有地下水的情況下，則只設置拱圈，省去邊墻，稱之為半襯砌。2

9、、曲墻式襯砌適用于地質比較差、巖體松散破碎，強度不高，有地下水，側向水平壓力比較大的情況，它由頂部拱圈、側面曲邊墻和底部仰拱組成。二、裝配式襯砌優(yōu)點：1、一經(jīng)裝配成環(huán)，不需要養(yǎng)生時間，即可承受圍巖壓力；2、預制的構件可以在隧道外面生產(chǎn)，在洞內機械化拼裝，從而改善了勞動條件；3、拼裝時，不需要臨時支撐如拱架、模板等；4、施工速度快。三、錨噴支護四、復合式襯砌1、初期支護（格柵、型鋼、錨噴混凝土）；2、防水層；3、二次襯砌第三節(jié) 地下工程結構與構造（以地鐵工程為例）一、 區(qū)間隧道襯砌結構與構造1、明挖法修建的隧道襯砌結構與構造(1)現(xiàn)澆整體式(2)預制裝配式 2、 礦山法修建的隧道襯砌結構與構造

10、1）、標準斷面的隧道（單孔單線）標準斷面區(qū)間隧道通常為單線隧道。 2）、單孔雙線隧道；3）、渡線段、存車線的區(qū)間隧道。渡線段區(qū)間隧道一般為雙線或三線隧道，有時也是會雙連拱或三連拱隧道。礦山法修建的隧道通常采用復合式襯砌。初期支護（格柵、型鋼、錨噴混凝土）；防水層；二次襯砌在設計隧道襯砌時，應滿足以下基本要求（1）必須與圍巖大面積牢固接觸，保證襯砌和圍巖作為一個整體來工作；（2）要允許圍巖產(chǎn)生有限制的變形（3）隧道襯砌設計成封閉式的；（4）隧道襯砌能分期施工北京地鐵5號線和平里北街站北端設有存車線，其中存車線的渡線段長109.106 m，存車線長202.494 m，總長311.6m。該段襯砌結構

11、型式有單線、雙線、大跨及雙連拱襯砌；區(qū)間其余地段均為單線襯砌。 二、隧道襯砌斷面的擬定由于隧道結構襯砌是一個超靜定結構，不能直接計算出襯砌截面尺寸，因此，一般先假定一個尺寸，然后進行計算：主要包括三個內容：1、選定結構的內輪廓（凈空形狀）：要滿足限界要求。2、選定結構軸線：結構的軸線盡量接近壓力線。1）當襯砌承受徑向分布的靜水壓力，結構軸線為圓形；2）主要承受豎向荷載和不大的水平荷載，結構采用直墻式；3）承受豎向荷載和較大的水平荷載，采用曲墻式。4）如果承受底鼓壓力，要設置仰拱。3、確定截面厚度：不能太厚，也不能太薄。三、 盾構隧道襯砌結構類型選擇與設計參數(shù)1、盾構隧道襯砌結構類型選擇 盾構法

12、修建的區(qū)間隧道襯砌主要為預制裝配式襯砌。 預制裝配式襯砌是用工廠預制的構件，稱為管片，在盾構尾部拼裝而成的。管片種類按材料可分為鋼筋混凝土，鋼、鑄鐵以及由幾種材料組合而成的復合管片。 鋼筋混凝土管片的耐壓性和耐久性都比較好，目前已可生產(chǎn)抗壓強度達60MPa，滲透系數(shù)小于10-11m/s的管片，而且，這種管片剛度大，由其組成的襯砌防水性能有保證，所以，在用盾構法修建的各種隧道中都得到了廣泛的應用。2、橫截面內輪廓和結構尺寸擬定（1）橫截面內輪廓尺寸 采用盾構法修建地下鐵道區(qū)間隧道時，無論是在直線上還是曲線上，均使用同一臺盾構施工，中途無法更換。因此，其橫截面的內輪廓尺寸全線是同一的，故除要根據(jù)建

13、筑限界、施工誤差、道床類型、預留變形等條件決定外，還要按線路的最小曲線半徑進行驗算，保證列車在最困難條件下也能安全通過。廣州、上海地下鐵道的圓形區(qū)間隧道內徑為5.5m，可以保證3.0m的寬體車在R=300m，最大超高h=120mm的曲線上安全通過。（2）管片厚度 管片的厚度取決于圍巖條件、覆蓋層厚度、管片材料、隧道用途、施工工藝等條件。為了充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力，現(xiàn)代的隧道工程中都采用柔性襯砌，其厚度相對較薄。根據(jù)日本經(jīng)驗，單層的鋼筋混凝土管片襯砌，管片厚度一般為襯砌環(huán)外徑的5.5%左右。上海地下鐵道區(qū)間隧道鋼筋混凝土管片厚度為350mm，廣州、北京、深圳、南京地下鐵道管片厚度為300mm

14、，約為襯砌環(huán)外徑的5%6%。（3）管片寬度管片寬度的選擇對施工、造價的影響較大。 當寬度較小時，雖然搬運、組裝，在曲線上施工方便，但接縫增多，加大了隧道防水的難度，增加管片制作成本，而且不利于控制隧道縱向的不均勻沉降。 管片寬度太大則施工不便，也會使盾尾長度增長而影響盾構的靈活性。因此，過去單線區(qū)間隧道管片的寬度控制在700mm1000mm之間，但隨著鉸接盾構的出現(xiàn)，管片寬度有進一步提高的趨勢，目前，控制在1000mm1500mm之間，例如，上海地下鐵道區(qū)間隧道的管片寬度為1000mm，廣州地下鐵道區(qū)間隧道采用鉸接式盾構施工，故其管片寬度為1200mm。（4）襯砌環(huán)的分塊襯砌環(huán)的組成，一般有兩

15、種方式。一種是由若干標準管片（A）、二塊相鄰管片（B）和一塊封頂管片（K）構成。另一種是由若干塊A型管片、一塊B型管片和一塊K型構成，見圖6-17，相鄰管片一端帶坡面，封頂管片則兩端或一端帶坡面。從方便施工，提高襯砌環(huán)防水效果角度看，第一種方式較好。圖6-17 管片分塊方法 （5）襯砌環(huán)的拼裝 襯砌環(huán)的拼裝形式有錯縫和通縫兩種，見圖6-18。錯縫拼裝可使接縫分布均勻，減少接縫及整個襯砌環(huán)的變形，整體剛度大，所以是一種較為普遍采用的拼裝形式。但當管片制作精度不夠高時，管片在盾構推進過程中容易被頂裂，甚至頂碎。在某些場合，例如需要拆除管片修建旁通道處或某些特殊需要時，則襯砌環(huán)常采用通縫拼裝形式，以

16、便于結構處理 。圖6-18 管片拼縫型式 由上述可知，從制作成本、防水、拼裝速度等方面考慮，襯砌環(huán)分塊數(shù)越少越好，但從運輸和拼裝方便而言，又希望分塊數(shù)多些。在設計時應結合隧道所處的圍巖條件、荷載情況、構造特點、計算模型（如按多鉸柔性圓環(huán)考慮，分塊數(shù)應多些，按彈性勻質圓環(huán)考慮，分塊數(shù)宜少）、運輸能力、制作拼裝方便等因素綜合考慮決定。通常直徑D6m的地下鐵道區(qū)間隧道，襯砌環(huán)以分46塊為宜，D6m時，可分為68塊。上海、廣州地鐵都是分6塊。 區(qū)間盾構隧道結構(1)盾構隧道管片分6塊：3塊標準管片(A型)，2塊鄰接管片(B1、B2型)1塊封頂管片(C型)。(2)每環(huán)的寬度為1200mm。(3)環(huán)與環(huán)之間設置16個縱向連接螺栓，沿圓周均勻布置。(4)一環(huán)中相鄰兩塊管片間環(huán)向連接設2個螺栓，每環(huán)共設12個環(huán)向螺栓。盾構區(qū)間直線段斷面結構 管片襯砌分塊 管片拼裝位置展開 四、 地鐵車站襯砌結構與構造 車站結構 通常分為：單層單跨, 單層多跨、雙層單跨、雙層多跨、多層多跨結構等。 從結構型式來看，有矩形結構和拱形結構。（1）如果是明挖法或蓋挖法施工的車站，結構型式為矩形框架結構。1）雙