城市地铁盾构法区间隧道的设计(1)

1 目录目录 第一章 工程概况 2 第二章 工程地质和水文地质 2 第三章 隧道设计 3 第 1 节 主要设计标准 3 第 2 节 盾构隧道线路的拟合 3 第 3 节 管片构造形式 5 第 4 节 管片结构设计 7 第 5 节 管片防水设计 8 第 6 节 联络通道和洞门设计 10 第四章 结论与建议 11 2 第一章第一章工程概况工程概况 越 三区间属于广州地铁二号线工程的的北段 由越秀公园站 火车站 火车站 三元里站两 个双孔区间隧道和两个联络通道及泵房组成 工程起于越秀区的地铁越秀公园站 向北下穿人 民北路 环市西路到达地铁广州火车站 然后 线路从地下穿过广州火车站南站房等建筑群向 西北延伸 最后下穿广花路到达地铁三元里站 区间全长 3926 单线延米 曲线半径为 600m 和 400m 两种 区间纵坡均为 v 形坡 最大坡度为 30 最小竖曲线半径为 3000m 线路沿线地形起伏较 大 隧道最小覆土厚度为 9m 最大覆土厚度为 26m 第二章第二章工程地质和水文地质工程地质和水文地质 区间的地层岩性在上部为 人工填土层 流塑 软塑状淤积层 海陆交互淤积层 冲 洪积砂层 冲 洪积土层 残积土层 下部为 全风化 强风化 中等风化和微风化带的泥质粉砂岩 区 间隧道穿越地层大部分是岩层 少部分为残积土层和断裂破碎带 隧道所处的地层为上软下硬 软硬岩互层现象特征明显 本段地下水主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水两种 第四系孔隙水主要赋存在淤泥质砂层和 3 冲积 洪积砂层内 基岩裂隙水多属承压水 但富水性较小 透水性多较弱 第三章第三章隧道设计隧道设计 第第1节节主要设计标准主要设计标准 1 结构的安全等级为一级 2 区间隧道的抗震按 7 度设计 人防按 6 级考虑 3 防水标准 隧道整体为二级 隧道上半部 A 级 隧道下半部 洞门及联络通道 B 级 4 结构最大裂缝允许宽度 管片内侧 0 3 mm 外侧 0 2 mm 5 地表沉隆控制标准 30 10mm 建筑物倾斜控制标准 框架结构 2 砖混结构 1 5 6 线形控制允差 设计拟合轴线与理论轴线允差 10mm 个别情况允许为 20mm 掘进轴线 与设计轴线允差 70mm 7 衬砌结构变形 直径变形 1 D D 为隧道外径 环缝张开 2mm 纵缝张开P 拱部 P 边墙 2 对双线隧道 由于右线开挖影响 在仰拱部位 总的表现特征是仰拱右侧处的径向应力大 17 于其左侧 3 3A 标段断面的径向应力较 6 标为大 原因为 3A 标设临时仰拱且断面下部分处 于风化岩上 围岩变形相对较小 故由 地层 支护 特征曲线可知 其必然导致径向应力大 4 在结构未封闭成环之前 拱部变形过大 实测应力值较小 随时间延长 初期支护结构刚 度及强度提高 其支护抗力逐渐增大 反映为围岩施加于支护的径向应力也随之变大 这符 合 地层 支护 特征曲线的原理 5 拱部压力在下台阶开挖至断面里程时 开挖边墙前后 的压力值产生了较大的改变 此时 拱顶压力增大 而两拱腰却稍有下降 随下半断面支护 结构的施作 整体刚度提高 拱部压力存在一个 平台 压力大小不变 或 卸荷 压力略 有下降 现象 随整个支护结构的应力调整和再分配 拱部压力又重新进入一个缓慢增长直至 稳定的过程 6 边墙与仰拱处的压力变化趋势基本相同 不同的是断面封闭成环后 随着结 构的逐步稳定 应力的调整和再分配 仰拱的压力值增长速率相对较大 从而使仰拱部位承 受了较大的围岩压力 4 2 孔隙水压力分布特征 孔隙水压力的历时曲线见图 3 由图 3 以及在 3A 3C 标等的量测资料可知 孔隙水压力 的分布特征为 1 初期支护未封闭成环前 孔隙水压力随工作面推进有降低的趋势 表明工 作面处的孔隙水压力为最小值 而随着断面的封闭 孔隙水压力逐渐增加 至一定值后渐趋 18 稳定 2 拱顶部位孔隙水压力为负值 表明该处土体处于松驰状态 为剪性张拉区 3 仰 拱处的孔隙水压力为最大 其次为下台阶的右下侧和左下侧 4 孔隙水压力分布与围岩径向 应力分布特征基本类似 图 3 孔隙水压力的历时曲线 4 3 初期支护格栅钢架结构内力 由所测的格栅钢架主筋的截面轴力和弯矩的变化趋势通过结构简化而计算 见图 4 和 5 由图 4 5 可知 1 在观测断面安装后 7d 开挖工作面距测试断面 1 39D 初期支护的 上半断面轴力 在封闭后符号变异 封闭成环后 上 下断面的截面轴力有增加的趋势 然 后呈稳定态势且拱部略有下降 2 上半断面结构的轴力在刚安装时为压力 其后变为拉力 拱部轴力在封闭成环后 变为压力 两拱腰也由受拉变为受压 下半断面左右两边墙以及仰 拱两侧轴力均为压力 而在仰拱底处由开始的拉拉逐渐趋变为压力状态 上述特征与设计的 整个结构断面皆受压不相一致 3 结构所受弯矩的分布状态为 在封闭成环后 除仰拱部以 及侧墙为内侧受拉外 其他实测的结果均与设计值不同 4 相比较而言 上半断面承受了较 大的轴力和弯矩 说明上半断面的支护结构为主要承受部位 19 图 4 初次支扩结构截面轴力变化趋势 图 5 初次支护结构截面弯矩变化趋势 4 4 超前支护体应力 对超前小导管的应力分析采用拉 压 弯组合 以拱腰小导管为例 其拉 压 应变及弯曲 应变在不同开挖长度时 实测应变沿小导管长度的变化趋势见图 6 7 图 6 小导管的拉 压应变的变化趋势 图 7 小导管的弯曲应变的变化趋势 由图 6 7 及其他小导管的应变测试资料可得 超前支护小导管的应变变化特征为 1 随 工作面 开挖 超前支护体上沿全长皆有应力分布 小导管的工作状态是拉弯组合 即小导 管在围岩荷载的作用下 产生弯曲的同时也伴随有拉伸 2 随工作面推进 拉应力增加 其 应变增量有向下一测点递增的趋势 3 当工作面推进长度大于小导管长度时 尤其是上下台 阶封闭成环后 小导管全部转化为受压 表明其超前作用消失 4 由弯曲应变知 其承受地 层上覆荷载的能力随小导管在土中剩余长度的减小而减小 因此设计时应该考虑 必须保证 小导管在土中有一定的剩余长度 4 5 拱脚与土体的接触应力 20 对浅埋暗挖法 隧道拱脚处土体的承载力将直接影响隧道拱顶下沉 为寻求减缓拱顶下 沉的拱脚处理措施 分别在左 右两拱脚安设了土压力盒 实测表明 拱脚处的接触应力远 超过土体的基本承载力 实测值最大为 814 2 kPa 而土体的基本承载力仅为 260 kPa 倘不 采取措施 必使拱顶下沉急剧增大 或者消极等待初期支护封闭成环后 才能使拱顶下沉变 缓 5 浅埋隧道应力重分布的分区认识 实测的围岩径向应力与上覆土柱荷载的比值随隧道开挖而呈现的分布规律如图 8 的实线 部分 而对工作面前方应力的分布状态 可利用超前支护的应力量测资料作推断 由本次超 前小导管的现场量测资料可知 围岩压力产生的最大应变点 应力集中峰值 距工作面的距离 约为 1 2m 文 11 对超前支护体的数值模拟也表明 有预加固时 隧道工作面前方约 2 5m 处 其围岩径向力就等于原始地应力 若没有预加固 则此距离可远至工 作面前方 15m 据此可绘出随工作面开挖 其前后应力的分布规律如图 8 其中工作面前方应力分布 无测点 线 为推断结果 L 为推进长度 D 为隧道宽度 针对深圳地铁一期工程利用 ANSYS 有限元软 件分析的隧道工作面前方围岩应力的分布特征见图 9 由图 9 可知 其与上述实测和分析的 规律一致 21 上述隧道工作面围岩应力重分布的规律也已被模型试验所验证 文 11 基于实验室试验 利用传感器所测的随工作面移动 拱顶上部围岩压力的分布规律是 隧道推进时 在上覆地 层中产生了 压力波形 在工作面前方 4 9m 处 围岩中的应力与原始应力相比较 逐渐 增加 7 18 图 8 围岩压力与土柱荷载比值随开挖的分布规律 图 9 工作面前方围岩应力分布特征 在工作面前 2 4m 处达到最大值 然后在工作面前方 0 5 2 5m 距离处降低到原始应力 并在已安装的衬砌处降到原始应力的 40 50 在工作面处为原始应力的 70 95 工 作面通过一段距离后 围岩压力逐渐增加而接近原始应力 基于实测以及上述分析 可提出浅埋城市地铁隧道工作面 沿隧道推进方向 其围岩应 力分布可分 3 个区域 如图 10 图 10 中 I 为原始地应力区 为增压区 为应力降