地铁矿山法区间隧道结构设计指南

1、北京地铁矿山法区间隧道结构设计计算指南 (试用北京市轨道交通建设管理有限公司二 六年十二月验收文件之三前 言根据北京城市轨道交通矿山法修建区间隧道的地层、地面环境和埋深等 实际条件,以及多年的设计施工经验,针对矿山法区间隧道设计检算中有关 地层压力、计算模型、计算参数等不统一或不明确状况,在 地铁设计规范 (GB50157-2003基础上,吸纳“北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法”研 究成果, 编制了 北京地铁矿山法区间隧道设计计算指南 , 供北京轨道交通 建设设计参考。本指南主要起草人:罗富荣、 朱永全、 陈 曦、 张成满、 王占生、 宋玉香、 贾晓云、李宏建、徐凌等。编 者 2006年 1

2、2月目 录1 总则 ················································&#

3、183;··································· 12 设计计算技术指标 ············&

4、#183;·················································&

5、#183;··· 23 设计计算荷载 ············································&#

6、183;··························· 4 3.1 荷载分类和荷载组合 ···················

7、83;······································ 4 3.2 地层压力 ·········

8、83;·················································

9、83;············ 5 3.3 地面车辆荷载引起的附加压力 ··································

10、············ 6 3.4 地震荷载 ····································

11、···································· 7 3.5 水压力 ············&

12、#183;·················································&

13、#183;············ 7 3.6 邻近地面设施及建筑物压力荷载 ·································

14、83;········· 8 3.7 人防荷载 ······································

15、83;································103.8 其它荷载 ···············

16、3;·················································

17、3;·····104 初期支护设计计算 ··········································

18、83;······················10 4.1 一般规定 ·························

19、83;·············································11 4.2 初期支护结构检算模型 ·

20、83;·················································

21、83;··114.3 初期支护强度检算方法 ············································

22、3;·········135 二次衬砌设计计算 ······································

23、83;························ 146 5.1 一般规定 ·······················&

24、#183;···············································16 5.2 计算方法 &

25、#183;·················································&

26、#183;····················16 5.3 衬砌结构温度伸缩缝 ··························&#

27、183;······························19条文说明 ··················&

28、#183;·················································&

29、#183;············241 总则 ····································

30、············································242 设计计算技术指标 ····

31、;··················································

32、;········253 设计计算荷载 ········································

33、····························254 初期支护设计计算 ····················

34、;··········································305 二次衬砌设计计算 ·····

35、3;·················································

36、3;······321 总则 12设计计算技术指标 2 33 设计计算荷载3.1荷载分类和荷载组合 (2表中所列荷载未加说明者,可根据国家有关规范或根据实际情况确定;(3施工荷载包括:设备运输及吊装荷载,施工机具及人群荷载,施工堆载,相邻施工的影响等荷载。 4 53.2 地层压力-+<-+=1211311213 1( 1(D h K D K K D D h D K h K K h D h h v (3-1式中 地层重度,为上覆地层重度加权平均值, iih h=;i 、 i h 第 i 层地层重度和厚度。h 隧道上覆地层厚度; D

37、 开挖断面宽度;D 1竖向土压力保持不变的起始深度, 1312121K K K K D -=。其中, 1212 45(tan tan a K -=; 1245tan(tan 21a c K -=; 245tan(21-+=t H D a ; D K D K K D K K 212131-+=;上覆地层内摩擦角加权平均值, i ih h=;i 第 i 层地层内摩擦角。c 上覆地层内聚力加权平均值, i i c h c h=;i c 第 i 层地层内聚力。t H 断面高度。21( (45 22v t e H tg =+- (3-2式中 v 洞顶地层的垂直压力;隧道开挖高度内各地层内摩擦角的层厚加权

38、平均值; 其他符号同前。 63.3 地面车辆荷载引起的附加压力在道路下方的地下结构, 地面车辆及施工荷载可按 20kPa 的均布荷载取值, 并不计冲 击压力的影响。地面车辆荷载传递到地下结构上的侧压力 ox p ,可按下式计算:oz a ox p p = (3-320452a tg =- (3-4式中 a 侧压力系数其它符号意义同前。3.4 地震荷载在衬砌结构横截面和沿结构纵轴方向的抗震设计和抗震稳定性检算中采用地震变形 法, 即以隧道所在位置的地层位移作为地震对结构作用的输入。 在北京地区隧道结构抗震 设防基本烈度为 7度或 8度条件下, 地震偶然荷载值 (或影响程度 小于按上级批复人防抗

39、力标准的人防偶然荷载。因此,在计入人防偶然荷载时,可不验算地震偶然荷载。等代的静地震荷载包括:结构本身和洞顶上方土柱的水平、 垂直惯性力以及主动土压 力增量。水平地震荷载可分为垂直和沿着隧道纵轴两个方向进行计算。 由于地震垂直加速度峰h1图 3-1 地层竖向压力计算图式2K 7值一般为水平加速度的 1/22/3,而且也缺乏足够的地震记录,因此对震级较小和对垂直 地震振动不敏感的结构, 可不考虑垂直地震荷载的作用。 只有在验算结构的抗浮能力时才 计及垂直惯性力。3.5 水压力一般静水压力可使隧道结构内力的轴向力加大, 对抗弯性能差的混凝土结构来说, 相 当于改善了它的受力状态; 但高水位时, 对

40、侧墙和底板的某些截面的受力也可能产生不利 影响, 因此, 计算静水压力时应分别按可能出现的最高和最低水位考虑。 而验算隧道结构 的抗浮能力时,按可能出现的最高水位考虑。计算静水压力时, 两种方法可供选择, 一种是和土压力分开计算; 另一种是将其视为 土压力的一部分和土压力一起计算。偏于安全,对于砂性土、粘土地层 (含粉质粘土 采用 水土分算。水土分算时, 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 '计算 土压力, 另外再计算静水压力的作用。 水土合算时, 地下水位以上的土与水土分算时相同, 水位以下的土采用饱和重度 s 计算土压力,不计算静水压力。其中土的有效重度 &

41、#39;为:w s -=' (3-5式中, w 水的重度,一般 3kN/m10=w 。 两种计算静水压力的方法的差异示于图 3-2中。3.6 邻近地面设施及建筑物压力荷载隧道穿越或邻近地面高大建筑物时, 应考虑邻近地面建筑物地基应力荷载所引起的附 加荷载。按土力学理论,假定地基为各向同性半无限体, 在不同地面荷载作用下,地基中(b水土合算(a水土分算 图 3-2 两种计算静水压力方法 8任一点所引起的附加应力,以布内斯克 (Boussinesq解为基础推导求解。矩形面积均布荷载作用下,土中任一点 N 的 z 已有解析解,但公式计算比较复杂, 计算时常用图表来进行。边长为 a 、 b 的

42、矩形面积均布荷载作用时, 矩形角点下深度 Z 点 (如图 3-3(a所示 的附 加应力 z 为:p k z = (3-62(, a zk f b b =式中 a 、 b 面积荷载的长和宽;Z 待求点深度; p 均布荷载值;k 矩形面积均布荷载角点下的应力系数,如表 3-3所示。矩形面积均布荷载下,土中任一点 N (如图 (3-3(b、 (c所示 的附加应力可用叠加原 理求得。如图 3-3(b所示,为求矩形 (a ×b 面积荷载中心 Z 点的 z ,可把矩形面积分成四 等分,先由表 3-3找四分之一面积角点下的应力系数 5. 02, 5. 05. 0(bzb a f k =,则中心点下

43、 z 为 p bzb a f z = 5. 02, 5. 05. 0(4。又如图 3-3所示,为求矩形面积外任意点 M 下的 z ,可按图上 虚线过 M 点分成若干面积,则 M 点下的 z 可由几个矩形面积角点下的 z 相叠加而成, 即p k k k k M M M M z +-= (584674523613 (3-7式 (3-7中 k 的脚标表示所代表的面积,如 613M k 表示矩形面积 13M 6的角点应力系数,图 3-3 矩形均布荷载角点下和任一点下的应力 (a 角点下应力; (b 中点下应力; (c任一点下应力(a(b(c按每个面积的长边和短边比及深度和短边之比,由表 3-3中查得。

44、用表时要注意表中之 b 永远代表短边。 3.7人防荷载区间隧道结构人防荷载按 人民防空工程设计规范 (GB50225-95中地道、 坑道式人 防工程结构荷载、结构动力计算等有关规定计算确定。3.8其它荷载正常施工条件下, 区间隧道结构可忽略地铁车辆荷载及其制动力作用、 温度变化及混 凝土收缩徐变作用、人群荷载、施工荷载及设备重量作用。 9 104 初期支护设计计算4.1 一般规定当 U U 0时,隧道稳定;当 U >U 0时,隧道不稳定。极限位移 U 0应根据地层条件、断面特征及施工方法等因素分析确定。4.2 初期支护结构检算模型k p = (4-1式中 k 地层的弹性抗力系数 (MPa

45、/m,可用地质勘察部门提供的基床系数代替。当无地质勘察基床系数时,可按表 4-1所列基床系数平均值采用。4.3初期支护强度检算方法初期支护结构按弹性支承链杆图式计算, 将计算断面划分为 40 60个直梁等分单元, 拱部 90°120°(自动试算确定 范围不设弹性链杆, 侧边加水平链杆, 底边加竖直链杆。 11 12对于墙脚为圆角形支护,圆角处各节点同时采用水平链杆和竖直链杆,计算图式如图 4-1所示。根据初期支护格栅钢架网喷混凝土或无钢架喷混凝土结构情况, 参照 铁路隧道设计 规范 (TB10003-2005, 按破损阶段法进行检算。a KN R bh (4-2式中 a R

46、 初期支护喷射混凝土的抗压极限强度,按 2.9节规定采用; K 安全系数; N 轴向力 (N; b 截面的宽度 (m; h 截面的厚度 (m;构件的纵向弯曲系数,对于隧道支护可取 1=; 轴向力的偏心影响系数,按表 4-2采用。0(2表中 30200 /(44. 15 /(569. 12 /(648. 0000. 1h e h e h e +-+= 图 4-1 圆角型断面计算图式 13从抗裂要求出发,混凝土矩形截面偏心构件的抗拉强度应按下式计算:1. 7561L R b hKN e h- (4-3式中 L R 喷射混凝土抗拉极限强度,按 2.9节规定采用;0e 截面偏心距;其它符号意义同前。注

47、:计算表明,对混凝土矩形截面构件,当 00.20e h 时,系抗压强度控制承载力。 145 二次衬砌设计计算5.1 一般规定5.2 计算方法在第四纪土层中的浅埋复合式结构, 二次衬砌与初期支护共同承担着外荷载。 考虑到 支护与二次衬砌复合结构计算模型较为复杂, 为使计算工作简单, 按二次衬砌承担全部外 荷载 (永久荷载、可变荷载和偶然荷载 计算,并满足相应截面最小安全系数及裂缝宽度检 算要求。钢筋混凝土矩形截面偏心受压构件的计算公式 (图 5-1、图 5-2 : 大偏心受压 (055. 0h x 时,其截面强度按下式计算 (图 5-1 :( 2/(00a h A R x h bx R KNe

48、gg w '-'+- (5-1 小偏心受压 (055. 0h x > 时,其截面强度按下式计算 (图 5-2 :(5. 0020a h A R bh R KNe gg a '-'+ (5-2 当轴向力作用于钢筋的重心之间,尚应符合下列要求: 15(5. 0020a h A R h b R e KN g g a -'+'' (5-3 式中 K 安全系数;N 轴向力;b 截面的宽度; h 截面的厚度;0h 截面的有效高度, a h h -=0; 0h '截面的有效高度, a h h '-='0; e 、 e &#

49、39;轴向力作用点到钢筋 g A 、 gA '重心的距离; a 、 a '自 g A 和 gA '钢筋的重心分别至截面最近边缘的距离; w R 混凝土的弯曲抗压极限强度; a R 混凝土的抗压极限强度;g R 钢筋的计算强度;g A 、 gAk N A g A g 图 5-1 钢筋混凝土大偏心受压构件强度计算图g 图 5-2 钢筋混凝土小偏心受压构件强度计算图A g 16永久荷载和可变荷载作用下,二次衬砌结构最大计算裂缝宽度 maxf 应满足 2.5条的要求。考虑裂缝宽度分布不均匀性及荷载长期作用影响后的最大裂缝宽度 max f (cm,可按 下列公式计算:f ggf

50、l E 0. 2max = (5-4+=d l f 06. 06 (5-5 式中 E g 钢筋的弹性模量;裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数;-=M bh R f 2235. 012. 1,当 4. 0<时,取 =0.4; 0. 1>时,取 0. 1=; M 永久荷载和可变荷载作用下的弯矩; b 矩形截面宽度;R f 混凝土的极限抗拉强度;h 截面高度;g 纵向受拉钢筋应力,可取 087. 0h A Mg g =;g A 纵向受拉钢筋的截面面积;h 0截面的有效高度, h 0=截面高度 h -保护层厚度 a ; l f 平均裂缝间距 (以厘米计 ;d 纵向受拉钢筋的直径 (以厘米计

51、,当用不同直径的钢筋时,公式 (5-5中 d 改为换算直径 s A g /4(s 为纵向受拉钢筋总周长 ;纵向受拉钢筋配筋率, 0bh A g =; 17与纵向受拉钢筋表面形状有关的系数, 对螺纹钢筋, 取 0.7=; 对光面钢筋,取 1.0=;对冷拔低碳钢丝,取 1.25=。当采用级钢筋作纵向受拉钢筋时,应将计算求得的最大裂缝宽度乘以系数 1.1(注:如有可靠的设计经验或构造措施时,式 (5-4中的系数 2.0可适当减小 。5.3 衬砌结构温度伸缩缝(1 温度应力基本方程取如图 5-3所示的一维线形结构,左端固定, 右 端 受 弹性约束,在温差 T 的作用下,其一端产生的变 位 为 其自由变

52、位与弹性约束变位之代数和,即:ELTL u z+= (5-6 ET z+= (5-7 式 (5-7为温度变化状态下一维弹性约束结构的应力应变方程。 式中 u 结构端部变位;材料线膨胀系数, C30混凝土线膨胀系数取 1×10-5/; z 结构温度应力;结构应变;T 温差;E 材料弹性模量 (C30混凝土取 31GPa 。由于受隧道内热环境的影响, 衬砌壁面温度处于不断变化状态, 温差主要体现在:长 期运营洞内温度逐年递增;昼夜洞内环境温差和季节变化引起的洞内空气温差。图 5-4、 5-5分别为冬季和夏季测试期间,北京市轨道交通建设管理有限公司对北京地铁 1、 2号 线地铁区间隧道内各

53、测试断面的平均空气温度 t a 、平均壁面温度 t w ,以及平均壁面热流 Q w 的实测结果 (佟丽华, 北京地铁 1、 2号线热环境节能控制研究 J, 暖通空调, 2005(35。图 5-4、 5-5可以看出, 实测区段壁面的季节平均温差约 4。 考虑长期运营洞内温度 积累递增,季节平均温差可取 410。(2外部约束应力方程当两种面接触的物体产生相对位移时, 在接触面上必然产生剪切应力, 此时剪切应力 可表示为:图 5-3 一维结构模型 18u C z =- (5-8式中, 接触面上的剪切应力;u 结构水平位移;z C 地基水平阻力系数。二衬在温度变化引起的变形过程中, 外约束主要是混凝土

54、外壁与防水层之间的摩擦作 用。 外约束越强, 结构产生的温度应力越大。 根据 工程结构裂缝控制 (王铁梦著, 1997年 的研究成果,混凝土与软粘土之间水平阻力系数 C z 约 (13×10-2N/mm3;地基为一般 砂质土时, C z 约 (36×10-2N/mm3;坚硬粘土时 (610×10-2N/mm3;风化岩、低强度等级 混凝土时 (60100×10-2N/mm3。在隧道正常运营中,若防水层结构工作状态良好,则 C z 较小,若隧道使用过程中,防水层发生破裂或其它形式的破坏,则相应的 C z 将有所增大。 在计算分析时,为偏于安全, C z 可取

55、 10×10-2N/mm3。(3区间隧道衬砌结构温度应力方程的建立假定区间长度为 L ,二衬结构壁厚为 t ,初支与二衬之间水平阻力系数为 z C ,若坐标 原点设在长度为一半处,则隧道结构约束作用分布如图 5-6所示。沿纵向在任意点 z 处截 取一段 d z 长的微元体,其温度引起的轴向力为 N ,约束剪切力为 Q ,在忽略地层压力的 条件下,结构纵向温度应力可表示为:2/ch ch 1(L zT E z -= (5-9当 z =0时, z 达最大,即2/ch 11(max L T E z -= (5-10隧道结构最大温度应力与温度荷载、 混凝土弹模、 线膨胀系数成正比, 同时还与

56、周边1 3 5 7 9 11 13 152 468 101214 1623 2425 26 2728 29 22风道 隧道温 度 /热 流 /(W /m 2图 5-4 夏季平均温度及热流的实测结果 Q wtt a 58 1114 17 20 23 26 24 6 8 10 12 14 16 18 1 3 4 5 6 7 8 9 1029 图 5-5 冬季平均温度及热流的实测结果距风亭入口的距离 /m风道 隧道温 度 /热 流 /(W /m 2wt wt a 19约束条件以及结构形状、厚度等因素有关。(4设置温度伸缩缝的结构长度计算从隧道通风模式和空调技术角度出发, 优化通风方案和空调手段, 尽

57、量保持洞内环 境温度稳定,将隧道衬砌结构温度变化范围控制在 7以内。设置伸缩缝,防止结构温度应力危害的发生。当温度荷载超过 -8时,可设置合理 的伸缩缝, 降低结构温度应力的量值, 确保隧道结构在长期运营过程中的安全与使用功能。a 隧道计算长度可取 400m 左右。 b 伸缩缝间距根据设防季节温差和衬砌与防水板间摩阻系数, 按前述方法计算确定。 表 5-2为不同 设防温差和水平阻力系数条件下的伸缩缝间距参考值。c 伸缩缝合理缝宽伸缩缝的设置宽度与伸缩缝两端 (自由端 的位移有关,一般取自由端水平位移值的 2倍。若伸缩缝设置宽度取端部计算位移的 2倍, 则在 812温差时,伸缩缝的设置宽度 应在

58、 610mm ,考虑到施工误差,建议伸缩缝缝宽取 2030mm 。yzQNN +dN图 5-6 计算模型示意t北京地铁矿山法区间隧道结构设计指南条文说明本条文说明系对重点条文的编制依据、存在的问题以及在执行中应注意的事项等予以 说明。为了减少篇幅,只列条文号,未抄录原条文。1总则 20 213 设计计算荷载3.1 在进行隧道结构设计时应考虑的荷载类型均列于指南正文表 3-1中,其中部分永 久荷载、可变荷载和偶然荷载均作了具体规定。其他荷载如混凝土收缩应力、设备重量、 温度变化影响荷载等在矿山法区间隧道中难以涉及,所以未作具体规定。如此类荷载明显 时,在设计中应计入。按“破损阶段法”设计时按不同

59、荷载组合进行计算,但不需要荷载组合系数。 3.2 地层压力 (1关于隧道埋深根据北京地铁四、五和十号线矿山法区间隧道统计资料,隧道覆土埋深 6.019.8m , 平均埋深 12.75m ,如表 1所示。(2 关于不同地层压力公式计算结果地层压力是地下结构所受的主要荷载。 一般情况下浅埋暗挖隧道地层压力随埋深增大 而增加。极浅埋时可按隧道拱顶以上全部土柱重量考虑,而一般浅埋时需考虑土层破裂楔 形体下滑所受的摩擦阻力作用。目前国内外计算地层压力的公式很多,不同地层压力公式 计算结果不一致,图 1所示为以北京地铁十号线矿山法区间标准段隧道断面 (6.0m×6.33m埋深 h竖向荷载2D (

60、12m 2h s图 1 地层压力与埋深的关系 为例,取围岩容重 19 kg/m3,内聚力为 20kPa ,内摩擦角为 20°,岩石坚固系数取 0.8,采 用不同压力公式得出的地层压力值随埋深的变化关系。 由图 1可知,在北京地铁矿山法区间隧道埋深和地层条件下,不同的土层压力理论计 算结果相差明显,并随埋深的增大,其差异更加显著。以全土柱压力最大,泰沙基压力最 小, 比尔鲍曼和谢家烋理论结果居中。 前苏联早期的研究测试结果已表明, 对于软弱地层, 普氏公式结果偏低,而泰沙基公式和普氏公式结果一样,所得结果也偏小;谢家烋考虑的 因素较仔细,但用 0和 表述,一般勘测资料都用 c 、 ,而

61、且 角也是经验公式,应用 不太方便,对于埋深增加时,所得结果偏大。铁路隧道坍方统计公式所依据的资料大多来 自山岭隧道,对城市隧道还不能直接采用。目前的深浅埋划分法还有在交界处地层压力突 22 23然降低等问题。针对这些情况建议在隧道埋深小于隧道开挖跨度时采用全土柱,隧道埋深大于隧道开 挖跨度时采用比尔鲍曼公式。二者采用平顺曲线连接过渡以避免出现陡降。比尔鲍曼公式 在埋置达到一定深度以后曲线出现向下弯曲, 在曲线拐点处用水平切线代替, 此埋深为 D 1。 埋深在 D 1以后视为深埋隧道 (土压力已与埋深无关 。综合上述各种因素,建议了地铁隧道竖向均布压力计算公式。 (3关于建议地层压力公式的检验

62、国内部分城市地铁矿山法隧道施工中的围岩压力实测资料,如表 2所示,实测地层压 力都小于全土柱重量,大部分大于泰沙基理论压力。相比较而言,接近于本指南推荐公式 的压力。 经“北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法”研究课题的大量计算,北京地铁四、五 和十号线矿山法区间隧道支护及衬砌结构采用推荐压力公式检算,安全系数都能满足要 求,且数值合理,表明所推荐的地层压力适用。(4关于地层水平均布压力地层主动水平压力的确定,在浅埋松散地层中多是仿照挡土墙,按朗金理论取水平压力系数 245(tan 2-=来计算,未考虑是否是粘性土或非粘性土。亦有少数人建议用静止土压力计算理论公式:-=10k , 为泊松比; 根

63、据 地下工程设计施工手册 (夏明耀,曾进伦主编 的建议, 静止土压力经验公式 '-=sin 0k , 式中 '为土的有效内摩擦角, 为经验系数,砂土、粉土取 1.0,粘性土、淤泥质取 0.95 ,由于静止土压力公式中系数取 值相对复杂,为简化计算,本指南推荐朗金理论公式。地层压力分布形式,在浅埋松散地层中,地层竖直压力接近于均匀分布,地层水平压力并不均匀,按均匀分布仅是一种近似计算处理。3.3地面车辆荷载及冲击压力对隧道的影响随埋深增大而迅速减小, 北京地铁矿山法 区间隧道埋深一般相对较大,按深度分散计算实际压力数值可能较小。为偏于安全并为简 化计算,地面车辆及施工荷载按 20

64、kPa 取值,不计冲击压力的影响。3.4当前我国地铁隧道横断面的抗震分析多按地震系数法进行。 这一方法的基本出发 点,认为地震对地下结构的作用主要包括两部分:一是结构及其覆盖层重量产生的与地表 地震加速度成比例的惯性力;二是地震引起的主动侧压力增量。对于“地震变形法”抗震分析时如何确定结构所在位置的地层位移值,目前还缺少足 够的资料;矿山法区间隧道在应用“地震系数法”或“地震变形法”抗震分析时,隧道随 埋深的地震效应等也需进一步研究确定。因此,暂用地震系数法进行隧道结构横向与纵向 抗震分析。经大量计算证明,在北京地区隧道结构抗震设防烈度为 7度或 8度条件下,地震偶然 荷载 (或影响程度 小于

65、按上级批复的人防抗力标准的人防偶然荷载。因此,在计入人防偶 然荷载时,可不验算地震偶然荷载。专家认为,由于矿山法区间隧道断面较小,隧道选用带仰拱的曲墙式结构,背后注浆 和二次衬砌采用 C30整体钢筋混凝土等措施,已具备较好的抗震性能,一般情况下可不采 用其它抗震构造措施。3.5、 3.8参照地铁设计规范和北京地铁设计经验确定。3.6关于邻近地面设施及建筑物对地铁结构产生的附加荷载, 目前还没有较简便的计 算方法,本指南推荐按土压力著作中的矩形面积均布作用下附近地层深度处引起的附加应 力计算方法计算。其他地面荷载分布形式,计算比较复杂,本指南省略,具体的计算方法 24详见有关土压力著作 (如土力

66、学刘成宇主编 。3.7关于人防荷载,参照人民防空工程设计规范 (GB50225-95土中地道、坑道式 人防工程结构荷载和结构动力计算等章节的规定计算确定,本指南不再赘述。4初期支护设计计算4.1矿山法区间隧道初期支护是复合式结构的主要承载部分, 应承担施工期间的全部 地层荷载和地面荷载,并具有一定的强度和刚度,对控制地层变形起主要作用,且也应满 足一定耐久性要求。支护后隧道的信息化设计与隧道稳定性判别是隧道技术发展趋势。地铁隧道施工中位 移监测十分正规,积累了丰富的资料,难点是地铁隧道极限位移的确定。矿山法区间隧道初期支护按工程类比法设计,还应经理论验算,这是地铁设计更高要 求的结果。4.2矿

67、山法区间隧道埋深较浅,水土作用荷载较为明确;支护结构厚度较大,独立结 构作用时间较长。因此,应用“荷载-结构”计算模式是简单和可行的。在地面有重要建 筑物或地中埋设物等要求计算地层变形时,应用“地层-结构”计算模式,并参考有关经 验建模和计算结果评价。隧道支护、衬砌结构受力后的变形受到地层的约束,引起地层的约束力,阻止隧道结 构变形的发展,改善结构的工作状态。在北京地铁矿山法隧道中,地层约束作用也是明显 的。 在计算中按局部变形理论进行计算, 地层抗力系数取勘察基床系数。 按北京市地铁四、 五和十号线部分工程地质勘查资料统计,垂直基床系数与水平基床系数值差异较小,设计 中水平基床系数可与垂直基

68、床系数取相同值。4.3采用“荷载-结构”计算模式时,结构被动荷载作用范围可先初定,待计算中自 动试算最终确定。结构被动荷载作用方向应是外轮廓的径向,为简化计算可在墙部设为水 平方向,底部为竖直方向,墙脚处为水平和竖直两方向。根据初期支护的结构形式,即格栅钢架喷混凝土或无钢架网喷混凝土,应分别采用钢 筋混凝土或素混凝土结构截面强度检算方法。 25“北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法”研究成果介绍,采用“荷载-结构”计算 模式,作用在初期支护结构上的荷载有地层荷载、自重荷载和地面荷载,不计水压力和偶 然荷载,不同埋深地铁十号线矿山法区间隧道标准断面截面的最小安全系数为 4.21,另外 选择了太阳宫

69、站麦子店站区间跨度 12.2m 大断面和苏州街站 黄庄站区间跨度 16.5m 大 断面,在其实际埋深下截面最小安全系数为 3.03。不同埋深地铁四号线和十号线各区间标 准断面截面最小安全系数为 2.89,它们基本满足指南正文表 4-4施工安全系数 1.7的要求。 5二次衬砌设计计算5.1根据地下铁道设计规范要求, 复合式衬砌中的二次衬砌应根据其施工期间、 施工 后荷载的变化情况、 工程地质和水文地质条件、 埋深和耐久性要求等因素按下列原则设计: (1第四纪土层中的浅埋结构,初期支护应具有较大的刚度和强度,且宜提前施作二次 衬砌,由二者共同承受外部荷载;(2应考虑在长期使用过程中, 外部荷载因初

70、期支护材料性能退化和刚度下降向二次衬 砌的转移;(3作用在不排水型结构上的水压力由二次衬砌承担;(4浅埋和级围岩中的结构宜采用钢筋混凝土衬砌。遵照上述原则,在第四纪土层中的浅埋复合式结构二次衬砌采用钢筋混凝土形式,并 与初期支护共同承担外荷载。虽然初期支护的材料性能和刚度在长时间使用过程中会有所 降低,外荷载会向二衬转移,但若全部荷载由二衬承担,则可能会出现某些断面安全度不 够。考虑到初期支护性能虽然有所降低,但整体效能仍高于周围地层,也考虑到支护与二 次衬砌复合式计算模型较为复杂,因此将支护层实际承受外荷载贡献等效为对二次衬砌周 边环境的改善作用,即适当提高二衬周边介质的弹性抗力数值,按二次

71、衬砌自身承担全部 外荷载进行检算,满足概率极限状态法结构目标可靠指标的要求。为简化计算,按二次衬 砌自身承担全部外荷载, 以结构 “破损阶段” 法进行检算, 并相应制定截面最小安全系数。 关于二次衬砌施作时机,原则上当初期支护强度及刚度足够时,应在初期支护的位移 收敛稳定后施作二次衬砌。 二次衬砌与开挖面距离较大时, 也有利于保证防水层施工质量, 减少施工干扰。但在有地面较大荷载、支护结构开口等原因使支护承载力不足时应提前施 作二次衬砌,并研究适当提高二次衬砌承载能力。5.2二次衬砌按“荷载结构”计算模式,破损阶段法检算结构截面强度。具体检算 公式与铁路隧道设计规范 (TB10003-2005

72、中按破损阶段计算大小偏心钢筋混凝土矩形 26截面公式相同,也就是混凝土设计规范 (TJ 10-74按破损阶段法的计算公式。按二次衬 砌自身承担全部外荷载进行检算,按不同荷载组合,北京地铁四、五和十号线矿山法各区 间隧道的截面安全系数如表 4表 6所示,各线截面最小安全系数分别为 5.18、 4.99和 4.20(如表 3所示 ,检算结果表明隧道截面安全系数远高于 2.0的规范值。为证明隧道截面安全系数是否偏高,对上述四、五和十号线矿山法各区间隧道按概率 极限状态法分析,在永久荷载与可变荷载作用下的可靠指标如表 4表 6所示,大部分区 间隧道可靠指标尚不能满足目标可靠指标要求,这主要是地层各项参

73、数变异性较大的影 响,这是不容忽视的。只有当考虑支护与衬砌的复合式作用,即将支护实际承载贡献等效 为对二衬周边环境改善 (将地层弹性抗力系数提高为 2.0倍 的作用后, 地铁四、 五和十号线 各矿山法区间隧道结构可靠指标才可满足目标可靠指标 (如表 79 要求。 因此,目前地铁隧道二次衬砌设计参数应从安全、承载和耐久性全面考虑。在目前尚 难以进行概率极限状态设计的情况下,按二次衬砌自身承担全部外荷载进行检算,提高安 全系数数值是简化计算、 确保结构抗裂性要求、 应对地层荷载和地层抗力变异性大的有效、 合理方法。二次衬砌按“荷载结构”计算模式,以破损阶段法检算结构截面强度和裂缝宽度。 当按二次衬

74、砌自身承担全部外荷载进行检算,在永久荷载和可变荷载作用下,地铁四、五 和十号线矿山法各区间隧道截面最大裂缝宽度如表 1012所示,除五号线雍和区间、崇东 区间和天磁区间衬砌最大裂缝宽度超过 0.2mm 限值外, 其他区间衬砌满足裂缝宽度限值要 求。当按二次衬砌与初期支护共同承担全部外荷载进行检算时,在永久荷载和可变荷载作 用下,上述五号线雍和区间、崇东区间和天磁区间衬砌最大裂缝宽度分别为 0.191mm 、 0.183mm 和 0.192mm 。四、五和十号线矿山法各区间隧道截面最大裂缝宽度均满足限值要 求。5.3当隧道长度较短时, 结构长度对最大温度应力影响较大, 即随着隧道长度的增加, 二

75、衬温度应力也不断增加;当隧道长度增加到一定程度 (400m以后,隧道长度对结构最大 温度应力的影响变得不再显著 (如图 2 。 27衬砌结构温度应力直接受温度荷载的影响, 当 Cz =10×10-2N/mm3时, 不同温度荷载 下,结构最大应力随温度荷载的变化规律见图 3。根据计算结果,隧道衬砌最大温度应力与温度荷载呈线性关系,温差越大,衬砌所受 拉应力越大。在 C z =10×10-2N/mm3条件下,区间地铁隧道衬砌 C30混凝土能承受 7的 负温荷载, 当降温超过 7时, 温度荷载产生的结构拉应力将超过混凝土的抗拉极限强度, 从而产生环向受拉温度裂缝。从初期支护及防水

76、层对衬砌的约束条件对衬砌温度应力分布的影响规律 (图 4 可以看 出,外部约束条件对自由端一定长度范围内衬砌应力分布影响较大,外部约束越强,影响 的长度越短;约束越弱,温度应力达到最大值所经历的长度越长。 28 图 4-8温度荷载下不同外部约束条件对温度应力的影响 29 30 31 表 8 北京地铁五号线标准断面二衬结构安全度(复合式作用 区间 名称 雍和 区间 崇东 区间 刘蒲 区间 天磁 区间 磁崇 区间 埋深(m 内侧配筋 拱部 仰拱 墙部 拱部 仰拱 墙部 拱部 仰拱 墙部 拱部 仰拱 墙部 拱部 仰拱 墙部 20100 20100 20100 14200 20100 20100 14

77、200 20100 20100 14200 22200 22200 22200 25200 25200 最小值 拱部 仰拱 墙部 拱部 仰拱 墙部 拱部 仰拱 墙部 拱部 仰拱 墙部 拱部 仰拱 墙部 外侧配筋 20100 20100 20100 14200 20200 20100 14200 20200 20100 14200 22200 22200 22200 25200 2522200 (永久 荷载K 10.78 17.50 14.81 9.18 16.00 15.37 10.66 18.48 17.49 8.18 17.92 13.20 9.56 16.33 11.37 9.18 (永

78、久 可变K 9.98 8.20 13.49 8.7 7.47 13.94 9.71 8.64 15.99 7.70 8.61 13.07 8.87 7.60 13.60 7.47 (永久 可变 地震K 10.03 15.28 12.95 8.51 13.94 13.40 9.72 15.98 15.13 7.69 15.75 11.74 8.90 14.54 9.94 7.69 (永久 可变 人防K 6.96 9.70 7.78 5.85 8.72 7.93 6.39 9.44 8.49 5.56 10.33 7.04 6.24 9.13 5.84 5.56 (永久+ 可变可 靠指标 4.9

79、4.9 4.9 2.13 4.9 4.9 2.08 4.9 4.9 2.21 3.95 4.9 4.26 3.90 4.9 2.08 17 16 13 19 17.5 表 9 北京地铁十号线标准断面二衬结构安全度(复合式作用 区间 名称 八熊 区间 工呼 区间 呼光 区间 花八 区间 黄科 区间 科知 区间 太麦 区间 知学 区间 埋深(m 拱部 仰拱 墙部 拱部 仰拱 墙部 拱部 仰拱 墙部 拱部 仰拱 墙部 拱部 仰拱 墙部 拱部 仰拱 墙部 拱部 仰拱 墙部 拱部 仰拱 墙部 内侧配筋 20200 22200 2022200 16125 22125 22125 16125 22125 2

80、2125 20200 22200 2022200 18200 1820200 1820200 18200 18100 18100 20200 20100 20100 18200 18100 18100 最小值 拱部 仰拱 墙部 拱部 仰拱 墙部 拱部 仰拱 墙部 拱部 仰拱 墙部 拱部 仰拱 墙部 拱部 仰拱 墙部 拱部 仰拱 墙部 拱部 仰拱 墙部 外侧配筋 20200 22200 2022200 16125 22125 22125 16125 22125 22125 20200 22200 2022200 18200 18200 1820200 18200 18200 1820200 20