城市矿山法铁路隧道的设计标准.doc

城市矿山法铁路隧道的设计标准日本铁道综合技术研究所编制的“铁道结构物设计标准城市矿山法修筑的铁路隧道”，于2002年3月公开发行。作为第1个指导用矿山法修整城市铁路隧道的指导性标准。现简要说明该标准的大致内容。1编制原则在城市隧道的建设中，一般都采用明挖法和盾构法，但由于技术的进步，采用矿山法的事例越来越多。特别是在断面变化的区间以及施工距离短的场合，从经济上的理由也有采用矿山法的趋势。而城市的地质条件通常都是掌子面自稳性差的，固结度低的围岩。同时要求极力控制地表面下沉和地下水位降低等对周边的影响这样严酷的制约条件之下。因此，根据以下原则编制了此标准。最大限度地利用围岩的支护能力是最基本的原则，其中积极地控制围岩的松弛和地表下沉的影响是最重要的。以城市的围岩为对象，采用新的围岩分级标准。在隧道施工过程中采用超前支护、一次支护来确保周边围岩的稳定。二次衬砌应考虑地下水复水后的水压、地震力和近接施工的影响。二次衬砌采用极限状态设计方法。根据施工实绩编制了一次支护和二次衬砌的标准设计。是能可适应多种条件的设计。为确保掌子面的稳定和控制对周边的影响，采用超前支护、降低地下水位及地层改良等作为隧道施工的基本措施，不是辅助性的的措施。2围岩分级围岩分级，虽然基本上仍然采用原来的分级，但比过去深化了。重新设定了分级指标（表1、2）。表1 粘性土的围岩分级围岩分级围岩强度比（Cf）浸水崩解度粘性土IN 掌子面基本稳定的围岩Cf2.0ILc 掌子面不稳定，有很小的变化就有正面挤出可能性的围岩1.5Cf2.00.5Cf1.5AC特LC掌子面稳定性特别低，对开挖有重大影响的围岩DCf0.5注：1）围岩分级符号：一般围岩（N）未固结围岩（LC ）2）210-6m以下的颗粒含有率大于30%，液限WL大于100%的场合，降1级。3）围岩状态表示粘性土围岩掌子面的自稳性。4)Cf=c/H（c：围岩单轴抗压强度）。一般说，黏性土围岩存在发生因塑性地压而产生的变形问题。在城市中这类地层以薄层、厚层以及互层等形态出现，比较均质。与流动化比较显著的砂质土比较是相对稳定的地层，其强度较低。其评价指标主要采用围岩强度比。表2 砂质土的围岩分级围岩分级相对密度（Dr）细颗粒含有率（Fc）砂质土IN掌子面基本稳定的围岩Dr80%Fc10%ILs掌子面不稳定，有很小的变化就有流出可能性的围岩Fc10%特LS掌子面稳定性特别低，预计对开挖有重大影响的围岩Dr80%注：1）围岩分级符号：一般围岩（N）未固结围岩（LS ）2）围岩状态表示砂质土围岩掌子面的自稳性。3）细颗粒含有率：土中含有小于75m的颗粒比率。4）本分级适合开挖时掌子面前方压力水头距掌子面中心小于+10m的条件。在+10m以上的场合，要研究降低水位等方法。砂质土围岩具有粒状土的特性，抗剪强度低，地层承载力也低，遇水会流失，很难保证掌子面的稳定性。其评价指标主要采用细颗粒含有率和均质系数。这样分级的主要原因是因掌子面发生塑性化和流动化种不同的现象而进行的。3设计原则本标准分为基本设计和详细设计2种。基本设计以大致掌握安全性、施工性、对周边的影响等为主要目的。基本设计的项目以表3中的为主要对象。详细设计是根据施工的实际情况，修正基本设计决定的项目和对表3中的以下的项目进行设计。表3 基本设计、详细设计的设计项目设计项目基本设计详细设计断面形状开挖方法对策超前支护一次支护二次衬砌及仰拱防排水洞口部量测 ：详细研究 ：以需要的精度研究：有必要时修正 ：有必要时研究设计方法根据围岩级别、设计对象采用以下方法进行设计。类比设计标准设计解析设计。图1是选择设计方法的流程图。图1 设计方法的选择流程图4基本设计基本设计包括断面形状、开挖方法和对策部分内容。与过去不同的是把对策列入基本设计的内容。也就是说，把掌子面稳定、地下水、地表下沉、近接施工等项目列入基本设计之中。在砂质土和黏性土中确定的断面形状，示于图和3。断面形状的按抗水压进行设计的。图砂质地层的双线断面形状例图黏性土地层双线断面形状例开挖方法可根据地层条件采用图等方法。各种方法的基本情况列于表。表城市条件下的主要开挖方法工法内容全断面法台阶法长台阶法短台阶法超短台阶法中壁法CD法CRD法导坑超前法图短台阶法例图中壁法（CD）例图中壁法（CRD）例图上半断面中壁法例图超前导坑法（眼镜法）例对策中有掌子面稳定对策、地下水对策和地表下沉、近接施工的影响等对策。掌子面稳定对策中，首先要决定在开挖后支护前这一段时间内，掌子面是否稳定？。因此，应对掌子面稳定性进行评价。一般说，掌子面稳定性决定于围岩的力学性质及物理性质、埋深、涌水状况等。掌子面稳定性的判定方法有根据物性判定的方法和力学上的判定方法。前者是从崩塌数据的统计中求出的，一般用于砂质土围岩的判定。当细颗粒含有率小于，相对密度小于或均质系数在以下，掌子面附近动水坡度大的场合，掌子面是很难稳定的。黏性土可采用力学方法进行判定。掌子面对策通常采用超前小导管、缩短一次开挖进尺、弧形开挖、临时闭合、正面支护等能够在开挖循环中采用的对策和不能在开挖循环中采用的对策，如超前支护、压浆、垂直锚杆等。前者主要用于掌子面的稳定，后者则主要用于拱顶的稳定。表列出掌子面稳定的主要对策的概况。表掌子面稳定的主要对策在地表下沉和近接施工影响对策中。首先要了解影响因素，主要有因开挖引起的下沉和因地下水位降低引起的下沉。前者是因开挖使围岩内应力释放，隧道周边围岩松弛或变形，此变形向近接结构物附近的围岩传递，而影响结构物的功能。或者是因地下水位降低使籀补围岩和近接结构物的围岩的孔隙水压降低，黏性土层和腐值土层的有效应力增加，引起压密下沉及近接结构物的位移。图表示城市条件下矿山法施工的地表下沉和埋深的关系。根据地表下沉的调查，如埋深在1D（约10m）以上，采用适当对策可以控制地表下沉在50mm以下，如增强对策可以控制在20mm以下。图地表下沉与埋深的关系超过容许值时，应采取对策，其中包括：新设隧道的对策、近接结构物的对策和中间围岩的对策等。指南中明确提出预测地表下沉和近接结构物影响的方法。） 开挖中地表下沉的预测表表示预测方法的分类。表隧道开挖时预测围岩位移的方法的分类预测方法的分类例备注类似事例的预测类似的围岩条件、埋深、工法的事例、统计数据的预测P公式等下沉影响范围、下沉分布、下沉坡度等的预测模型试验及统计数据的预测岛田公式等解析方法预测数值解析线弹性非线弹性弹塑性可以考虑复杂地层和隧道形状、施工步骤弹性理论解析L方法均质地层，圆形断面最近多采用数值解析的有限元法。图表示下沉值的预测值与实测值的关系。图下沉值的预测值与实测值的关系） 近接结构物影响的预测预测方法有围岩与近接结构物为一体的解析方法和不考虑近接结构物求出围岩位移或围岩应力，而后把位移或应力作为荷载、位移作用在结构物上的解析方法（图）。图近接结构物的位移和应力的预测方法另外一个重要稳态是设定容许值及管理值。表和表是容许值和管理值的大致标准。表建筑物的容许值、管理值设定例压密黏性土层上的建筑物限界值结构类型基础形式变形角（）相对下沉值（）总下沉值（）下限上限混凝土块布（）（）钢筋混凝土框架）独立（）（）布、垡钢筋混凝土壁体）布即时下沉的建筑物的限界值围岩结构类型基础形式变形角（）相对下沉值（）下限上限下限上限风化花岗岩钢筋混凝土（框架）独立钢筋混凝土（壁体）布洪积粘土钢筋混凝土（框架）独立表轨道面的容许值、管理值的设定例位移方向列车速度（）错动值（）折角（）平行移动折曲垂直水平表中的错动、平行移动、折角见下图。图表的注解5标准设计在设计方法中，推荐了类似设计、标准设计及解析设计种方法。下面仅将标准设计的情况加以介绍。） 标准设计的适用条件一般说标准设计使用于围岩等级为I、I的围岩。即能够满足表一般设计条件的情况。表一般的设计条件设计对象项目条件共同的断面形状标准的单线、双线、新干线断面地形没有产生偏压的地形埋深D以上（D:隧道直径）初期支护对策不需要特殊的对策不需要超前支护对周边的影响对周边围岩的位移限制不严格二次衬砌及仰拱防水、排水构造防水型隧道水压完成水位恢复后的水位距拱顶高度小于其他荷载不考虑自重以外的荷载（不考虑土压、地震的影响） 初期支护初期支护的模式与围岩的关系大致列于表。表围岩与初期支护围岩初期支护的目的主要的初期支护辅助的初期支护固结度低点软岩支持部分初期土压内压效果喷混凝土钢支撑锚杆短超前支护金属网土砂围岩支持松弛土压内压效果控制下沉喷混凝土钢支撑锚杆短超前支护金属网根据围岩分级和对既有资料的分析，初期支护的标准示于表和表。表双线隧道的标准初期支护参数支护模式INPILCPILSP围岩级别INILCILS喷混凝土上下半断面200mm250mm250mm仰拱200mm250mm250mm钢支撑间距1m1m1m上下半断面125H150H150H仰拱125H150H150H锚杆长度3m3m3m根数12根12根10根短超前支护长度2m3m3m间距（环向）0.6m0.6m0.6m表单线隧道的标准初期支护参数支护模式INPILCPILSP围岩级别INILCILS喷混凝土上下半断面0mm20mm20mm仰拱0mm20mm20mm钢支撑间距1m1m1m上下半断面1H15H15H仰拱1H15H15H锚杆长度3m3m3m根数1根1根10根短超前支护长度2m3m3m间距（环向）0.6m0.6m0.6m各类标准设计的模式示于图。图（）标准支护模式图图（）图（）在一次支护中，从城市的条件看，其作用有一些限制。特别是锚杆，在土砂地层中因不容许围岩松弛，也就是说，发挥锚杆作用的位移都不容许，因此锚杆的作用得不到发挥，原则上可以取消。此外，在开挖中如变形过大，最好不去增加喷混凝土的厚度，采用钢纤维喷混凝土比较合适。表中的短超前支护通常指我们所谓的小导管、钢插板等。它与超前支护不同，仅能控制小范围的围岩松弛和拱部崩塌。其模式图参见图。图压浆方式的短超前支护）二次衬砌和仰拱在城市条件下，考虑环境要求要采用防水型隧道，也要考虑近接施工的影响，因埋深小易受地震的影响等，因此本标准以防水型钢筋混凝土结构为对象，而且以隧道全都设置仰拱为原则。图和表是二次衬砌和仰拱的标准设计。表（） 二次衬砌和仰拱的标准设计（双线）名称围岩级别设计荷载（水压）距衬砌拱顶的高度（m）标准设计断面记事二次衬砌仰拱近接施工的可能范围防排水形式厚度（cm）配筋厚度（cm）配筋加载max KPa卸载（hmin/H）INLIN无30无45无排水型INL-无50D19250mm50D19250mm400.排水型INL00m50D19250mm50D19250mm950.防水型INL55m50D19250mm50D1925mm1250.INL1010m60D19250mm60D1925mm1500.ILLIL无30无45无排水型ILL-无50D19250mm50D19250mm150.排水型ILL00m50D19250mm50D19250mm600.防水型ILL55m50D19250mm50D1925mm750.ILL1010m60D19250mm65D1925mm550. 表（） 二次衬砌和仰拱的标准设计（单线）名称围岩级别设计荷载（水压）距衬砌拱顶的高度（m）标准设计断面记事二次衬砌仰拱近接施工的可能范围防排水形式厚度（cm）配筋厚度（cm）配筋加载max KPa卸载（hmin/H）INLIN无0无4无排水型INL-无0D19250mm0D19250mm0.排水型INL00mD19250mm0D19250mm0.防水型INL55m0D19250mm0D1925mm0.INL1010m0D19250mm0D1925mm50.ILLIL无30无无排水型ILL-无0D19250mm0D19250mm50.排水型ILL00m0D19250mm0D19250mm0.防水型ILL55m0D19250mm0D1925mm50.ILL1010m0D19250mmD1925mm50.图标准设计图表的标准设计的设计条件，与以往的设计条件有所不同。一个是考虑了近接施工的影响，一个是按抗水压衬砌采用机械极限状态法进行设计。设计中考虑的地下水位取距拱顶高度H=0、5、10m的范围。近接施工的影响可能的范围考虑了种情况。一种是加载的情况，一种是卸载的情况。上部加载的可能范围（max）（图）表中的max是在比较窄的范围上部荷载增加垂直荷载的容许值。核查时要确认垂直荷载增加值要在容许值以下。表中的max是按侧压系数和计算的。卸载的情况（图），表中的hmin/H是上部挖土残存的埋深比的容许值。核查时，要确认残存埋深比要在容许值以上。图上部荷载的模式图上部卸载的模式应该指出，在二次衬砌和仰拱中，是仰拱和边墙的连接部分的形状。图是一些工程事例。图仰拱构造例关于保护层的规定，考虑碳化、钢材腐蚀、冻融和化学作用等的影响以及耐久性的要求等，保护层要大一些。在明挖结构的顶板和底板规定是，明挖结构是平板的，而城市隧道的拱形的，理应大一些。因此，规定保护层厚度要确保。超前支护 在城市施工时，超前支护是必不可少的。所谓超前支护就是在开挖前先期进行支护，也就是我们所谓的“先支后挖”。超前支护有横断方向刚度大的拱形构造的予衬砌和纵向刚度大的梁构造的水平旋喷等方法。本指南为此增加了一章“超前支护”。其中说明超前支护的类型、设计方法等。在城市中要想安全施工必须确保掌子面的稳定和极力控制对地表面住宅和近接结构物的影响。超前支护就是为此目的而采取的措施。一般说，超前支护有种类型：槽式混凝土方式；水平喷射注浆方式；长钢管注浆方式。（） 槽式混凝土方式槽式混凝土方式是开挖前沿掌子面的隧道外周开挖厚约的拱形槽，开挖后立即用混凝土或砂浆充填。此方式因在隧道横断方向形成连续的刚性大的拱形结构，故在下列制约条件严格的场合采用。土砂等强度极低的场合；埋深浅，需控制地表下沉的场合；近接重要结构物会受到开挖影响的场合。（） 水平喷射注浆方式此方式是在开挖前于掌子面前方的隧道外周形成长约左右的管状拱形结构体。结构体的形成，是与钻孔的同时用高压喷射搅拌硬化材（水泥砂浆）形成的。可以形成一个沿燧道横向的拱形连续的结构。但与槽式混凝土方式比，连续体差一些。（） 长钢管注浆方式此方式，是开挖前在掌子面前方沿隧道外周配置长的钢管，形成拱形结构。为使钢管和围岩间形成一体，应在其间充填水泥浆；压注水泥浆和其他压注材。超前支护的的设计，目前还在研究之中，下面是根据工程实际，建议的设计参数。槽式混凝土方式槽式混凝土方式的预衬砌可用厚约混凝土壳或砂浆壳，比较柔软的拱壳，也可以用厚约的比较刚性大的拱壳。柔软的拱壳主要用于稳定掌子面，刚性大的拱壳用于控制地表下沉。其标准参数如下。预衬砌厚度：设置范围：（）设置角度：（）纵断方向钻孔长度：纵断方向充填长度：搭接长度：超前残余长度：（）铁道和公路隧道的横断面的标准模式和纵向的标准模式示于图。图设计断面水平喷射注浆方式其标准断面如下：喷射改良体直径：设置范围：（）设置角度：（）纵断方向钻孔长度：（）纵断方向改良长度：搭接长度：超前残余长度：（）设置间距：（）标准设计断面示于图。图设计断面长钢管压浆方式标准断面如下：钢管直径：设置范围：（）设置角度：（）纵断方向钻孔长度：（）纵断方向注浆长度：（）搭接长度：超前残余长度：（）设置间距：（）标准设计断面示于图。图设计断面极限状态设计法二次衬砌和仰拱是采用极限状态法进行设计的。） 隧道衬砌的变形特征一般的钢筋混凝土构件的动态如图所示，发生弯曲拉伸开裂（点）、钢筋屈服（点）后，同一地点的压缩侧的混凝土达到最终应变（点），从而荷载减少。但隧道衬砌这样以压应力为主的，由受到地层反力约束的拱型结构，即使因弯曲拉伸开裂和钢筋屈服使构件刚性降低，弯矩也会向没有降低的构件传递，一部分构件破坏不会造成整个结构体系的破坏。在衬砌上的荷载P和净空位移u的关系，如图所示，因荷载P在一处开裂（A点），钢筋屈服（B点），接着即使混凝土达到最终应变（C点），结构也多会保持稳定的状态，达到最大荷载（D点）的位移，承载力也还有一定的富裕。因此，在设计中要考虑这种的变形特征。图构件弯曲和回转角的关系图荷载与位移的关系）极限状态根据衬砌的这种特征，按表定义了二次衬砌和仰拱的极限状态。其对应的现象列于图及表。通常的RC结构的使用限界定义为图中的b点，但仰拱可以缓和一些。同样地，最终极限状态，通常的RC结构定义为c点，而衬砌可定义为d点。表1 二次衬砌和仰拱的极限状态名称定义使用极限状态对水压、近接施工产生的荷载等，主要是长期持续作用的荷载，丧失使用性和耐久性的状态最终极限状态对除地震以外作用的荷载（异常的水位上升等），丧失稳定和功能的状态图极限状态和现象表各极限状态和现象名称现象备注使用极限状态二次衬砌开裂造成钢筋腐蚀和衬砌掉块以钢筋混凝土结构为对象仰拱拉伸钢筋屈服、耐久性降低最终极限状态达到极限状态（混凝土压缩应变达到最终应变（），断面产生破坏，发生混凝土块掉落铁路隧道的使用极限状态主要指：衬砌掉块，妨碍运行；发生对列车运行安全性有影响的轨道变异；产生妨碍建筑限界的变形。而最终极限状态指：衬砌断面破坏，混凝土块体崩落；隧道结构体系丧失稳定性而崩塌；产生需要改建隧道的轨道变异；净空断面缩小，与列车接触。）二次衬砌和仰拱的安全系数二次衬砌和仰拱的安全系数列于表。表二次衬砌和仰拱的安全系数极限状态安全系数使用极限状态最终极限状态材料系数混凝土钢筋荷载系数结构解析系数构件系数 （）结构物系数地层调查系数）设计荷载作用在衬砌和仰拱上的荷载一般有自重，地下水位恢复的水压、近接施工影响的荷载。在设计时，因衬砌是在净空位移收敛后施做的，因此一般不考虑土压。但根据情况可按附加荷载考虑。在极限状态法设计中，荷载组合例示于表。表 各种极限状态的荷载组合例极限状态 荷载使用限界最终限界*1备注自重土压考虑衬砌完成后的增加水压低水位：可以考虑高水位高水位异常时近接施工的影响长期的近接施工后残留的影响短期的近接施工中的影响其他考虑内部荷载、冻结压力等备注常时或长期间持续作用的荷载除地震*2外作用的荷载注：原则考虑；：必要时考虑；*1，一般不研究*2地震的影响另行考虑。有关地表下沉的一些数据及研究成果） 城市隧道的地表下沉值的统计图是根据地表下沉值和埋深比的关系整理出来的，由图可见：埋深比越小，地表下沉值越大；埋深比大于以上，下沉值大致在左右；埋深比小于，特别是在以下，下沉值急剧增加。图地表下沉值与埋深比） 地表制约条件不同时的下沉值在城市条件下，地表制约条件严格时和不严格时的下沉值示于图。由图可见：埋深比在以下时，下沉值变化在之间；制约条件不严格时的下沉值比较大；制约条件严格时，下沉值可以控制在以下。图地表下沉值与埋深比） 隧道上部地层不同时的下沉值图是掌子面地层为砂质土的双线隧道的拱顶下沉值的量测值，因上部地层条件不同而整理的结果。由图可见：拱顶及地表的下沉值都是向下的，用埋深和半断面高度的无量纲值表示，可分为地表下沉和拱的下沉共同向下的区域、地表下沉大的区域（地表下沉埋深比）及地表下沉埋深比的区域。地表下沉值与拱顶下沉值差异最大的地点，是在凝灰质粘土、地表下沉埋深比为处。因此，如果上部有软弱地层，地表下沉值是很大的。图拱顶下沉值和地表下沉值） FEM法的下沉影响预测解析条件采用维非线性弹性解析。解析模式示于图，网络图示于图。图解析模式图网络图地层由隧道掌子面（砂质土）和表层土（黏性土）构成。地层物性值列于表。表地层物性值地层模式表层部掌子面部围岩级别未固结黏性土未固结黏性土S单位体积重量（）初期变形系数（）凝聚力（）内摩擦角初期泊松比弹性限界非线性变量备注相当N=3050采用台阶法开挖。解析步骤：自重解析上半断面开挖上半断面支护下半断面开挖下半断面支护开挖释放率：开挖，支护。支护模式参见表。表支护单元支护构件弹性系数断面惯性矩断面积备注E（）（）（）喷混凝土棒单元钢支撑梁单元解析组合及对策模式采用的对策有压注及超前支护，分别提高了凝聚力和刚性。解析组合及改良范围列于表。表解析组合解析组合对策模式改良范围输入值备注改良前改良后无压注提高凝结力上半断面全周全周全周超前支护提高刚性拱部提高倍模式图示于图。图模式图解析结果（） 压注范围的影响图是压注范围不同的