本科毕业设计上海地铁合川路～外环路站区间隧道结构设计.docx

目 录第一部分 上海地铁合川路外环路站区间隧道结构设计第一部分 上海地铁合川路外环路站区间隧道结构设计1 控制网的建立1 1.1 概述1 1.2 控制网的技术设计2 1.3 测量的外业工作92 数字化地形图测绘设计193 geostar 软件实际应用26 3.1 geostar 软件特点和功能简介26 3.2 geostar 软件应用实例分析27第二部分 上海地铁合川路外环路站区间隧道施工组织设计1 引言302 系统技术分析31 2.1 概述31 2.2数字化地形图测绘的技术设计333 系统改造设计38 3.1 改造方案42第三部分 列车振动荷载对地铁周围土体长期变形性状的影响1 概述612 水平冻结施工方法61 2.1 技术设计施工72 2.2数字化施工755 结论82参考文献83附录88翻译部分90致谢98第一部分合川路站外环路站区间隧道结构设计中国矿业大学2012届本科生毕业设计 第 49 页1工程概况1.1 工程简介上海轨道交通9号线一期工程途经松江、闵行和徐汇三个区，工程自松江新城至宜山路站，全程约31公里。沿途共设车站12座。本次隧道工程的设计范围是汶水路站新沪路站区间隧道，它属于上海轨道交通七号线的一部分。上海轨道交通9号线一期工程r408标是其中一部分，包括外环路站合川路站区间和合川路站虹梅路站区间。1.2 工程范围隧道设计为圆形隧道，隧道外径为6200mm，内径5500mm。该区间圆形隧道共有上行右线，下行左线两条平行隧道。隧道采用高站位低区间的驼峰状。工程最大坡度28.76，最小曲率半径r=449.928m，隧道顶覆土9.2623.27m。上海轨道交通9号线一期工程r408标外环路站合川路站区间起于dk25+902.200止于dk24+209.75，在里程dk24+881.948处风井一座，单线全长约1692.45 m，隧道最大覆土厚度约为23m，最大纵坡为26.98。本区间由两台盾构机从合川路站西端头井出发，分别沿上下行线穿越中间风井进入外环路站东端头井。沿线途径漕宝路，跨越大上海国际花园，与宜山路相连接，沿线多为厂区、居民区，道路交通繁忙，车辆和人流众多。1.3 工程规模表1.1外环路合川路区间隧道主要工程规模单线全长5500mm隧道外尺寸6200mm管片厚度350mm管片宽度1200mm单线全长1692.45m2设计依据2.1 区域地质本区段隧道主要穿越的土层为：1淤泥质粘土层、2砂质粉土层，1-1粉质粘土层、第1-2粘土层、2砂质粘土，3粉质粘土层及粘土层。区间隧道掘进范围内的地基土层具有以下性质：区间隧道通过的含水量高，孔隙比大，呈流塑-软塑状态；强度低，压缩性高且稳定时间长；渗透性弱，排水固结时间长。隧道掘进时将适当控制掘进速率，避免对土体产生过大的扰动，以减少施工后的沉降和不均匀沉降。拟建区间段发现有暗浜存在、未发现天然气等不良地质现象。本场区地下水对砼无腐蚀性，对钢结构有弱腐蚀性。本区段的地震基本烈度为7度，属类场地。2.2 地质概述（1）区间内土层特性表外环-合川区间沿线地层由上至下土层主要见表2.1。表2.1 区间内土层特性表土层层号土层名称层底埋深m层底标高m土层描述1人工填土0.403.30 4.441.53均有分布，以杂填土为主，含少量碎石等，局部以素填土为主，含植物根茎等。2浜底淤泥2.70 2.14内含有机质、少量石子、垃圾等。粘土3.104.601.600.03均有分布，可塑，均匀，含少量铁锰质结核，及氧化铁锈斑，由上而下土质变软，中高压缩性。淤泥质粉质粘土5.608.40-0.59-3.68均有分布，流塑，尚均匀，夹有少量粉性土薄层，局部呈淤泥质粉质粘土，高压缩性。1淤泥质粘土12.9016.50-8.05-11.23均有分布，流塑，均匀，夹少量极薄层粉砂，见零星贝壳碎屑，局部呈淤泥质粉质粘土，中压缩性。2砂质粉土15.3017.80-10.47-13.11尚均匀，含云母极少量贝壳碎屑，夹少量粘性土，局部呈粉砂，中压缩性。1-1粉质粘土15.0021.30-10.50-16.48流塑，欠均匀，夹薄层粉土、粉砂，局部为淤泥质，高压缩性。1-2粘土25.5027.60-20.67-22.76软塑，均匀，含少量泥钙质结核及半腐植物根茎，部分孔下部呈粉质粘土，高压缩性。2砂质粉土21.5026.00-16.75-21.37很湿，稍密中密，尚均匀，含云母，夹少量粘性土，局部呈粉砂，中压缩性。3粉质粘土26.0041.00-21.25-36.28尚均匀，夹有薄层状粉土、粉砂，局部含泥钙质结核、腐植质及少量有机质，中压缩性。粘土28.5033.50-23.83-28.61场区局部缺失，可塑，均匀，含少量铁锰质结核及氧化铁斑点，中压缩性。续表2.11-1砂质粉土35.0045.50-30.30-40.78均有分布，湿，中密密实，均匀含云母，局部夹粉砂及少量粘性土，中压缩性。1-2粉砂未钻穿未钻穿均有分布，饱和，密实，均匀，含云母，中压缩性。（2）地基土物理力学性质各地层地基土物理力学特性详见表2.2。表2.2 地基土物理力学性质土层层号土层名称土层厚度（m）湿重度(kn/m3)含水量w（%）孔隙比e粘聚力c（kpa）内摩擦角（度）1人工填土0.403.302浜底淤泥0.002.30粘土0.802.7018.435.60.9923.914.0淤泥质粉质粘土1.404.4017.444.41.2414.211.51淤泥质粘土5.608.9016.948.91.3714.211.52砂质粉土0.003.5018.131.80.915.027.51-1粉质粘土0.005.8017.640.21.1316.214.51-2粘土0.007.3017.737.01.0819.214.52砂质粉土0.009.1018.231.50.915.728.03粉质粘土0.0015.5017.835.81.0418.416.0粘土0.006.5019.423.70.7130.418.01-1砂质粉土1.008.0018.729.30.826.128.01-2粉砂未钻穿18.927.40.780.634.02.3自然条件2.3.1 地下水施工场地地下水主要有浅部土层中的潜水和深部粉性土层中的（微）承压水。据市标岩土工程勘察规范（dgj 08-37-2002），承压水位，一般低于潜水位，浅部土层中的潜水位埋深，一般离地表面0.31.5m，年平均地下水位离地表面0.50.7m，低水位埋深为1.50m；第1层承压水位埋深为311m。潜水位和承压水位随季节、气候等因素而有所变化。江河边一定距离范围内，特别是有浅层粉性土分布区，其潜水位受潮汐影响较明显。因此，在本工程中取地下水位离地表面0.5m。据有关资料，地下水的温度，埋深在4m范围内受气温变化影响，4m以下水温较稳定，一般为1618。根据岩土工程勘察规范判定，地下水对混凝土无腐蚀性。由于拟建场地地下水水位较高，根据上海地区经验，当地下水（潜水）对混凝土无腐蚀性性时，其土对混凝土亦无腐蚀性，故判定拟建场地地下水和土对混凝土无腐蚀性。另据水质分析报告和类同工程经验判定，场地地下水对钢结构有弱腐蚀性。2.3.2 气象条件（1）气温上海市年平均气温18.4，最高为39，最低-4。（2）降水全年无霜期约230天，年平均降雨量在1200毫米左右，但一年中60的雨量集中在5至9月的汛期，汛期有春雨、梅雨、秋雨三个雨期。（3）日照全年日照时数平均为1638.2小时。2.4区间沿线管线及障碍物情况根据物探成果报告，可知该区间内分布有上水、煤气、电力、电话、污水（雨水）等多种管线，其埋设深度在地面以下04.0m范围内。沿漕宝路方向，在道路北侧有两路上水管道，管径为300mm、800 mm，埋深约1.0m和1.2m（此埋深为管顶埋深，下同）；有两路电话电缆，分别为9孔和15孔，埋深为0.7m；道路中央有一雨水管道，管径为450mm，埋深约1.0m；道路南侧有一路电话电缆，为36孔；有一路上水管道，管径300mm，埋深约0.7m。在新泾港河西岸有一输油管道，管径为375mm，埋深约为1.2m。合川路站外环路站隧道线路走漕宝路，跨越大上海国际花园，物探成果图对其基础的类型、桩长、标高都作了详细的说明。3 隧道施工方案与衬砌选型设计3.1 隧道施工方案在现有的施工条件下，根据地下工程的施工方法，本工程可选用的施工方案有：明挖法、暗挖法、矿山法、顶管法、盾构法。以下对四种施工法进行优劣比较，并确定施工方案。3.1.1 明挖法地下工程施工时，在埋深较浅的情况下，广泛采用明挖法。明挖法是先从地表向地下开挖基坑或堑壕，直至设计标高，再在开挖好的预定位置灌注地下结构，最后在修建好的地下结构周围及其上部回填，并恢复原来地面的一种地下工程施工方法。主要有：（1）放坡开挖放坡开挖是指隧道埋深较浅，周围土体稳定时，施工对周围环境影响较小，依靠适当坡率的边坡来保持土体稳定的基坑开挖方法。这种方法虽然开挖量大，但施工机械化程度高，施工速度快，质量也容易得到保证。受地下水影响的工程也可采用井点降水的方法，以便提高边坡的稳定性及改善基坑内施工环境。放坡开挖是明挖法的首选方案。（2）盖挖法盖挖法是由地面向下开挖至一定深度后，将顶部封闭，其余的下部工程在封闭的顶盖下进行施工，主体结构可以顺作，也可逆作。顺作法即在支护基坑的钢桩上架设钢梁铺设临时路面维持地面交通，开挖到基坑底后，先浇注底板，然后浇注侧墙，最后浇注顶板。逆作法即用刚度较大的围护结构取代了钢桩，用结构顶板作为路面系统和支撑，结构施作顺序是自上而下，挖土后先浇箱顶板，然后浇注侧墙，最后浇注底板。与放坡开挖相比，盖挖法施工的优点主要有：结构水平位移小；结构板作为基坑开挖的支撑，节省了临时支撑；缩短占道时间，减少地面干扰；受外界气候影响小。其缺点包括：出土不方便；板墙柱施工接头需进行防水处理；功效底，速度慢；结构框架形成之前，中间立柱能够支撑的上部荷载有限。此法虽然开挖量大，但施工机械化程度高，施工速度快，质量也容易得到保证，受地下水影响的工程也可采用井点降水的方法，放坡开挖是明挖法的首选方案。3.1.2 矿山法矿山法是城市深部地下工程常用的暗挖施工方法，具有不影响地面正常交通与生产，地表下沉量小，适用于硬、软岩层中各类地下工程，特别是对于中硬岩中。然而矿山法隧道施工的工作环境恶劣，超挖、欠挖量大，无用功多，对围岩的破坏性大，而且进度缓慢。主要工法有：（1）全断面开挖法全断面开挖法是在整个设计断面上一次向前挖掘推进的施工方法。该法的优点是：可最大限度地利用洞内作业空间，工作面宽敞，能使用大型高效设备，加快施工进度；断面一次挖成，施工组织与管理比较简单；通风、运输、排水等辅助工作及各种管线铺设工作均较便利。（2）台阶法台阶法是将隧道断面分成若干（一般为23）分层，各分层呈台阶状同时推进施工。这种方法的最需笨重的钻孔设备，它是全断面开挖法的变化方法。这种方法对地质适应性较强。台阶法根据台阶长度不同，可分为长台阶法、短台阶法和超短台阶法三种，在施工中选用何种台阶，应根据下面两个条件判断：其一初期支护形成闭合断面的时间要求，围岩稳定性越差，要求闭合时间越短；其二是上部断面施工所采用的开挖、支护、出渣等机械设备所需空间大小的要求。按台阶布置方式的不同，台阶法可分为正台阶和反台阶两种方法。相对于台阶法，全断面开挖适用于设计断面较小，周围地质情况稳定的隧道。（3）管棚法管棚超前支护法是近年发展起来的一种在软弱围岩中进行隧道掘进的新技术。管棚法最早是作为隧道施工的一种辅助方法，在软岩隧道施工中穿越破碎带、松散带、软弱地层，涌水、涌砂层发挥了重要作用。由于预埋超前管棚做顶板及侧壁支撑，为后续的隧道开挖奠定了坚实的基础，且施工快、安全性高、工期短，被认为是隧道施工中解决冒顶的最有效最合理的施工方法。随后管棚法被用于城市地下铁道的暗挖施工，在建筑物密集、交通繁忙的城市中心地区。采用明挖法施工地下工程必须拆迁大量的地层管网和地面建筑物，随着人们对环境保护的呼声越来越高及政府对环保的日益重视，施工方不得不放弃既影响交通又不利于环境保护的明挖法而改用暗挖施工法，管棚法作为一种重要的暗挖施工法在日本、美国及欧洲各国被广泛采用。管棚支护技术大大增加了小型隧道开挖的应用范围。使用这种方法，隧道开挖将在预先顶进的钢管的保护下进行。管棚法是开挖大直径、短距离隧道的最为安全有效的方法。通常，管棚法运用于铁路下的隧道施工和新型地铁车站的建设中。在此类工程中的微型隧道作业将大规模进行。多数情况下，使用这种方法是采用钢管进行操作，即把钢管顶进地层中，围绕隧道建设区域形成一个“安全保护棚”。机器掘进一段不长的距离后，可以通过一个设计巧妙的闸门装置向后缩回到始发隧道中，这样，它就可以在相同的开挖面上展开另一段隧道的开挖作业。3.1.3 顶管法顶管法是直接在松散土层或富水松软地层中敷设中、小型管道的一种施工方法。顶管法一般用于修建排水管、敷设煤气罐、输油管、动力电缆和通讯电缆的管道、地下交通隧道及桥梁的墩台等，这些管道的内径一般都在23m。内径太大和太小的管道顶进都较困难，口径超过3m的较长距离顶管综合经济效益不如盾构法施工。本工程设计隧道内径为5.5m。3.1.4 盾构法盾构法盾构法是在地表以下土层或松软岩层中暗挖隧道的一种施工方法。盾构推进主要依靠盾构内部设置的千斤顶，如此不断开挖，不断拼装，并不断推进，借助盾构这种施工机械可用较快的速度完成隧道施工基本作业循环，直至隧道建成。盾构法隧道建设对地面干扰小，施工速度快、安全、机械化和自动化程度高等优点是显而易见的。盾构法的类型很多，按开挖方式不同可分为：手工挖掘式、半机械挖掘式和全机械挖掘式三种；按断面形状不同可分为：圆形、拱形、矩形和马蹄形四种；按排除地下水与稳定开挖面的方式可分为：泥水加压、土压平衡等。3.1.5 方案确定明挖法施工技术要求较低，费用低，但是工期较长，劳动强度高，对环境影响大，地面场地要求高，适用于埋深较浅的隧道，本工程埋深最深处达近23m，故已不适合用明挖法施工。暗挖法施工与明挖法施工相比，对地面环境影响小，地面场地要求低，施工费用较高，然而矿山法适用于硬、软岩层中各类地下工程，特别是对于中硬岩中。本工程工期要求工期较短，且地下水丰富，土层较软，因此不选用矿山法施工。本工程设计隧道内径为5.5m，内径较大，管道顶进困难，考虑到场地以及经济效益的影响不选用顶管法施工。管棚法施工进度较慢，劳动强度大，本工程工期紧，任务重，不适合采用管棚法施工。盾构法和其他的施工方法比较，具有地面作业少、适应性广、对周围环境影响小、自动化程度高、施工快速优质高效、安全环保等特点。首先，盾构是一种集机、电、液压、传感、信息技术于一体的隧道施工成套专用特种设备，盾构法施工的掘进、出土运输、衬砌拼装、接缝防水和盾尾注浆充填等作业都是在盾构保护下进行，实现了工厂化施工，掘进速度较快。从而缩短了工期，降低了劳动强度和材料消耗，较大的提高了经济效益和社会效益。在土质差、水位高、埋深大的隧道施工中、有较高的技术优越性。其次，盾构法施工场地作业少，隐蔽性好，因噪声、震动引起的环境问题小；穿越地下地面建筑群和地下管线密集区时，周围可不受施工影响；施工时不影响地面交通；不受气候条件影响。再次，盾构法施工改善了作业人员的劳动条件，减轻了体力劳动量，施工在盾壳的保护下进行，可避免人员伤亡，减少安全事故。最后，自动化、信息化高。盾构采用了计算机控制、传感器、激光导向、测量、超前地质探测、通信技术，是集机、光、电、气、液、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，具有自动化程度高的优点。而且具有施工数据采集功能，盾构姿态管理功能，施工数据管理功能，施工数据实时远传功能，实现了信息化施工。但是，盾构法也存在机械设备复杂，价格昂贵，施工工艺繁琐，施工队伍专业化程度高等缺点。本区间工程地质条件较为复杂，隧道埋深满足盾构施工条件，覆土层埋深大，地下水丰富，工程的工期要求较紧，而且对于地面沉降要求较高，综合以上各种施工工法的优缺点可知，盾构法施工具有进度快，对工程地质的适应能力强，施工过程安全高等优点，采用盾构法施工可以很好的发挥它的优点，充分满足工程的要求，考虑到上海地铁隧道施工的一般方法，最终确定本隧道区间采用盾构法进行施工。3.2 衬砌选型盾构隧道衬砌用管片按材料可分为钢筋混凝土管片和铸铁管片、钢管片，复合管片。钢筋混凝土管片有一定的强度，加工制作比较容易，耐腐蚀，造价低，是最为常用的管片形式，但是较为笨重，在运输、安装施工过程中易损坏。铸铁管片强度高，易铸成薄壁结构，管片质量轻，搬运安装方便，管片精度高，外形准确，防水性能好。但是管片金属消耗量大，机械加工量也大，价格昂贵。由于铸铁管片具有脆性破坏的特性，不宜用作承受冲击荷载的隧道衬砌结构。钢管片的优点是重量轻，强度高。缺点是刚度小，耐修饰性差，需要进行机械加工已满足防水要求。成本昂贵，金属消耗大，国外在使用钢管片的同时，再在其内浇注混凝土或钢筋混凝土内衬。复合管片外壳采用钢板制成，在壳内设钢筋，浇注混凝土，组成一个复合结构，这样其重量比钢筋混凝土管片轻，刚度比钢管片大，金属消耗量比钢管片小，缺点是钢板耐腐蚀性差，加工复杂冗繁。由于隧道直径较小，埋深浅，并考虑到经济性以及国内目前的使用情况，本区间采用钢筋混凝土管片。钢筋混凝土管片一般有箱型管片和平板型管片两种形式。钢筋混凝土管片型式中，有箱型管片和平板型管片。箱型管片一般用于较大直径的隧道。单块管片重量较轻，在等量材料的条件下，与平板型管片相比，箱型管片能做到抗弯刚度大、管片之间便于连接等。因而，可有效地降低造价。当然，当管片的背板厚度较小、腔格偏大时，在盾构千斤顶作用下混凝土将会发生剥落、压碎等情况。平板管片是目前最常用的管片型式，常用于中小直径的隧道，在相等厚度条件下，其抗弯刚度及强度均大于箱型管片，单块管片重量较重，对盾构顶力具有较大抵抗能力，正常运营时对隧道通风阻力较小。有时，在大直径隧道内也采用该型式的管片，但主要用于地面荷载大，或者穿越地面建筑群时的隧道区段，用来抵抗较大的外荷载。通过比较，平板管片安全性较高，所以，本区间采用平板型钢筋混凝土管片。4 隧道计算4.1 计算原则及采用规范计算原则：（1）设计服务年限100年；（2）工程结构的安全等级按一级考虑；（3）取上覆土层厚度最大的横断面计算；（4）满足施工阶段，正常运营阶段和特殊情况下强度计算要求；（5）接缝变形在接缝防水措施所能适应的范围内；（6）成型管片裂缝宽度不大于0.2mm；（7）隧道最小埋深处需满足抗浮要求。采用规范：（1）混凝土结构设计规范（gb50010-2010）；（2）地下工程防水技术规范（gb50108-2008）； （3）地下铁道设计规范（gb50517-2003）；（4）地下铁道工程施工及验收规范（gb50299-1999）；（5）建筑工程施工质量验收统一标准（gb50300-2001）；（6）地下铁道、轻轨交通工程测量规范（gb50308-1999）；（7）盾构法隧道施工与验收规范（gb50446-2008）；（8）混凝土结构工程施工质量验收规范（gb50204-2002）。4.2 断面的选择及内力计算根据设计规范，盾构隧道衬砌的结构计算采用自由变形的弹性均质圆环法。选取隧道埋深最深的工况进行分析，根据外环路站合川路站区间隧道剖面图，该处盾构隧道中心标高-21.716m、地面标高4.44m。结构设计时，考虑了基本使用阶段+特殊荷载组合阶段可能出现的最不利荷载组合进行结构强度、刚度和裂缝张开量等验算。4.2.1 土层情况根据工程地质剖面图，可得工况的土层地质的分布情况，见下图工况隧道断面土层分布图。4.2.2 荷载计算及组合区间隧道外径为6200mm，内径为5500mm。衬砌采用预制钢筋混凝土管片。混凝土强度为c55。荷载计算取b=1m的单位宽度进行计算，同时根据管片所处地层的特征及地基土的物理力学性质，在计算水土压力时用水土分算的方法。图4.1 隧道断面土层分布图（一）基本使用阶段的荷载计算（1）衬砌自重： （4.1）式中 衬砌自重，kpa；钢筋混凝土容重，取为25 kn/m3； 管片厚度，m。将已知数值带入计算可得： kn/m3。（2）衬砌拱顶竖向地层压力：拱顶部： （4.2）式中 衬砌拱顶竖向地层压力，kpa；衬砌顶部以上各个土层的容重，在地下水位以下的土层容重取其浮重度，kn/m3；衬砌顶部以上各个土层的厚度，m。 kpa。拱背部： （4.3）式中 衬砌拱背竖向地层压力，kpa；拱背均布荷载，kn/m。 （4.4）衬砌拱背覆土的加权平均容重，kn/m3； 衬砌圆环计算半径，m。 将已知数值带入计算可得： kn/m3； kpa。（3）地面超载：由于本隧道埋深不是很深，故须考虑到地面超载的影响，取地面超载为20kpa，并将它叠加到竖向土压上去，故总的竖向土压力为206.534kpa。（4）侧向水平均匀土压力： （4.5）式中 侧向水平均匀土压力，kpa；衬砌环直径高度内各土层内摩擦角加权平均值，（）；c衬砌环直径高度内各土层内聚力加权平均值，kpa；13.3 kpa 将已知数值带入计算可得： kpa。（5）侧向三角形水平土压力： （4.6）式中 侧向三角形水平土压力，kpa；衬砌圆环计算半径，m；衬砌环直径高度内各土层重度的加权平均值，kn/m3； kn/m3。 将已知数值带入计算可得：36.667 kpa。（6）静水压力：水位高为22.77m。（7）衬砌拱底反力： （4.7）式中 pr衬砌拱底反力，kpa；pv1衬砌拱顶竖向地层压力，kpa； pv2衬砌拱背部荷载，kpa；g衬砌自重，kpa；w水的容重，取为10 kn/m3。 将已知数值带入计算可得： kpa。（二）考虑特殊荷载作用本设计中特殊荷载指人防、地震荷载等。在本设计中竖向特殊荷载取100 kpa，侧向特殊荷载取40 kpa。本设计内力计算采用土层地下建筑结构和隧道工程中的计算工法。对基本使用阶段和特殊荷载阶段两种情况下可能出现的最不利荷载进行组合。取左半衬砌圆环进行分析，将其均分为九个部分，各部分分别为0、22.5、45、67.5、90、112.5、135、157.5、180，其中0表示衬砌圆环垂直直径处，22.5为0处向左量取22.5处，以此类推。计算中弯矩用m表示，轴力用n表示，终值由结构在各种荷载作用下得到的内力经过叠加得到。各断面内力系数表如下表4.1。表4.1 断面内力系数表荷载截面位置截面内力m（knm）n（kn）自重0上部荷载0底部反力0水压0均布测压0测压0根据表4.1中内力计算公式，并运用excel表格进行汇总计算，计算结果见表4.2：表4.2 管片内力计算一览表截面位置基本使用阶段特殊荷载阶段m（knm）n（kn）m（knm）n（kn）0137.011018.71170.2686.0022.5124.741043.66125.77114.064515.371130.6915.36182.8367.5-115.971225.54-104.81254.9390-194.431278.17-177.10292.50112.5-186.551312.88-171.74299.23135-106.461302.60-76.20287.25续表4.3157.55.211270.31121.21240.45180106.741236.87416.66148.01由于本工程所采用的管片设计宽度为b=1.2m，而荷载计算是按管片宽度b=1m计算所得，所以最终荷载应在b=1m计算基础上乘以1.2的系数。将内力组合汇总如表4.3。表4.3 管片内力组合一览表截面位置内力组合1.2m管片内力组合m（knm）n（kn）m（knm）n（kn）0307.26811104.705368.72171325.64622.5220.27621157.72264.33141389.2644510.949961313.51613.139951576.21967.5-199.4411480.468-239.3291776.56290-297.3571570.67-356.8281884.804112.5-242.8511612.11-291.4211934.532135-62.7021589.852-75.24241907.823157.5192.06831510.764230.48191812.917180466.9161384.882560.29921661.859根据计算所得的内力图绘出衬砌的内力组合图如下：图4.2 衬砌内力组合图由内力组合值可知，弯矩在拱底处=180取得正的最大值（管片内侧受拉，m=628.079 knm），在=90的时候取得负的最大值（管片外侧受拉，m= -445.838knm）；轴力在=112.5时取得最大值n=1934 kn。4.3 断面设计4.3.1 管片断面管片配筋取衬砌结构承受弯矩最大值作为设计依据，在内力组合中得出的结果，在=180时截面内侧受拉弯矩最大，=90时截面外侧受拉弯矩最大。故按=180时的截面进行内排钢筋设计，按=90时的截面进行外排钢筋设计。根据混凝土结构设计规范，并参考文献盾构法隧道施工技术及应用，按偏心受压构件进行截面配筋设计。（1）对衬砌管片进行内排配筋=180时： 弯矩m=560.30 knm；轴力n=1661.86 kn。管片钢筋选定为hrb400（20mnsiv）型热轧钢筋，选用混凝土等级为c55混凝土。h=350mm，h0= h as=h-50=300mm。mm （4.8）ea=20mm（ea取20和11.7 mm较大者） ei=e0+ea=337+20=357mm0.3300=90mm （4.9）式中 e0截面的初始偏心距，mm； ea轴向力在偏心方向上的附加偏心距，mm； ei修正截面初始偏心距，mm；混凝土的保护层厚度，mm；h管片的厚度，mm。所以，初判属大偏心受压情况。 (4.10）将已知数值带入计算可得：mm式中 e轴向力到受拉钢筋合力点的距离，mm；截面的偏心距增大系数，取为1.0；对受压面配筋： （4.11）式中 矩形应力图强度与受压区混凝土最大应力的比值；混凝土的抗压强度设计值，n/mm2；管片宽度，mm；界限相对受压区高度；钢筋屈服强度设计值，n/mm2；截面的有效高度，mm。根据选定的级hrb400钢筋和c55混凝土，查表可得：=1.0； =25.3 n/mm2； =1.2m；=0.508；=360 n/mm2； =300mm。将已知数值带入计算可得：= 2605mm20。为负说明混凝土受压强度已经足够，按最小配筋率计算。最小配筋率min：查表得：=1.96 n/mm2；=360 n/mm2；0.245% （4.12）式中 最小配筋率；混凝土的抗拉强度设计值，n/mm2； 钢筋的屈服强度设计值，n/mm2。 （4.13）式中 b管片宽度，mm； 截面的有效高度，mm。将已知数值带入计算可得：mm2。由于受压区采用最小配筋，则要重新计算受压区高度： （4.14）式中 等效矩形应力图强度与受压区混凝土最大应力fc的比值；混凝土的抗压强度设计值，n/mm2；管片宽度，mm；轴向力到受拉钢筋合力点的距离，mm；钢筋屈服强度设计值，n/mm2；截面的有效高度，mm；截面承受的最大轴力，kn。将已知数值带入计算可得：=95.1 mm0.3h0=0.3300=90 mm；mm。对受压面配筋：式中 各符号的解释与前面一致。 将已知数值带入计算可得： = -4510.8 mm20为负说明混凝土受压强度已经足够，按最小配筋率计算。最小配筋率：0.245% mm2由于受压区采用最小配筋，则要重新计算受压区高度：式中 各符号的解释与前面一致。将已知数值带入计算可得：计算得：=68.114283.9mm2。外筋：选用522240的钢筋进行布置，as =1899.7mm21759.15 mm2。验算总的配筋率： =1.79 %min=0.245% （4.17）式中 内部配筋的计算面积，mm2；as 外部配筋的计算面积，mm2。 （4.18）式中 内部配筋的计算面积，mm2；as 外部配筋的计算面积，mm2。 故有：=1500 kn，所以满足局部承压要求。4.4.2 预埋件设计起吊管片预埋件设置在管片内弧面轴心处，为保证搬运拼装安全，以最重管片标封底块（180）为例，对预埋件进行抗拔计算： （4.25）式中 h衬砌管片重度，25 kn/mm3；管片的体积，m3。 将已知数值带入计算可得：kn。根据管片重量，预埋件的锚筋配置为3根hrb335（20mnsiv） 热轧钢筋，=603 mm2。 （4.26）式中 各符号的解释与前面一致。将已知数值带入计算可得：4，满足要求。4.5 抗浮验算根据隧道断面土层分布情况，取本隧道覆土最浅处进行抗浮验算，即合川路站起点处。隧道顶覆土为9.26m。（1）浮力： （4.27）式中 隧道衬砌圆环体积，m3；隧道外径，6.2m；将已知数值带入计算可得：301.9 kn。（2）结构自重： （4.28）式中 管片重度，25 kn/m3；管片外径，m；管片外径，m。将已知数值带入计算可得：kn。（3）隧道覆土重： （4.29） 式中 覆土深度，m； 隧道外径，6.2m；土层加权平均重度，kn/m3。 kn/m3。将已知数值带入计算可得： kn。（4）抗浮系数： （4.30）将已知数值带入计算可得：3.8461.1（1.1为最小抗浮安全系数）,满足要求。经上述各项验算，设计的成果为：衬砌管片厚度为350，每环宽为1200mm，管片混凝土强度等级为c55。管片配筋时，主筋种类采用hrb400，外侧选用钢筋，内侧选用钢筋。5 隧道主要技术经济指标5.1 开挖土方量根据所选盾构机的外径d=6200 mm，以及右线和左线的全长均为1692.45 m，粗略计算隧道土方开挖量。右线开挖量：右 =/4l右=51070.3m3；左线开挖量：左 =/4l左=51070.3 m3；总开挖量约为102140.7 m3。5.2 管片用量外环路虹梅路站区间隧道衬砌环计2821环。管片纵向和环向均采用m30直螺栓连接。管片环与环之间用17根纵向螺栓相连接。每环管片块与块间以12根环向螺栓连接。表5.1 衬砌连接件用量表（不计负环）序号名称型号单环数量总数量1环向螺栓m3012套33852套2纵向螺栓m3017套47957套3环向止水垫圈24只66704只4纵向止水垫圈34只95714只5压浆闷头6只16926只5.3 钢筋用量计算钢筋的用量，从每环管片钢筋用量入手，每环管片内部受拉钢筋量，在前面计算中已经得出。每环管片内侧：hrb400（20mnsiv）热轧钢筋，4559.30mm2，管片外侧：hrb400（20mnsiv）热轧钢筋，=1899.70mm2。故每环环向钢筋用量为吨，每环纵向钢筋用量为0.1897.8=1.474吨。钢筋总用量为吨。5.4 人工费用人工费用单指的是在盾构施工阶段的人工费。将盾构施工阶段掘进施工人员每天分3个班，注浆施工人员每天分3个班，由于盾构隧道分为上下行线，故共计12个班，每班15人，总计180人；材料、机电维修各一个班，每个班10人，总计每天约200人(这里提到的施工人员包括管理人员)。按照上海市类似行业普通工人每天工资记为90元，按工程每天推进8环的平均工作量，则整个工期所需人工费大约为元。1 工程概况上海轨道交通9号线一期工程途经松江、闵行和徐汇三个区，工程自松江新城至宜山路站，全程约31公里。沿途共设车站12座。外环路站合川路站区间起于dk25+902.200止于dk24+209.75，在里程dk24+881.948处风井一座，单线全长约1692.45 m，隧道最大覆土厚度约为23m，最大纵坡为26.98。本工程区间由两台盾构机从合川路站西端头井出发，分别沿上下行线穿越中间风井进入外环路站东端头井。沿线途径漕宝路，跨越大上海国际花园，与宜山路相连接，沿线多为厂区、居民区，道路交通繁忙，车辆和人流众多。2 隧道施工准备2.1 技术准备2.1.1 技术管理体系建立以项目总工程师负责的技术管理体系，对技术工作的各个环节加以控制。技术管理体系见图2.1。图2.1技术管理体系图2.1.2 测量管理（1）建立完善的施工放样测量复核制度，并对测量成果进行技术交底，未经复核和交底的测量成果不予使用。 （2）测量仪器按计量部门规定，定期进行检修、鉴定，在使用前进行严格的检查，确保其精度满足测量要求。仪器由专人操作、保养和保管。2.1.3 试验管理（1）进货检验严把进货关，加强对厂家资质、保证体系的审查和材料合格证、各种检验资料的验收工作。（2）过程检验和试验执行试验抽检见证制度，由检测单位和监理工程