城市地铁与轻轨工程（第二版）课件：区间隧道工程

区间隧道工程区间隧道的衬砌结构区间隧道的断面形式区间隧道的结构设计方法11.12内容：区间隧道的结构类型1.21区间隧道的结构类型1.1

区间隧道的断面形式区间隧道有矩形、圆形、多圆形、拱形、及椭圆等断面形式。区间隧道是连接两个地下车站之间的建筑物，工程投资所占份额较大，所以区间隧道设计得合理与否,将对整个工程的造价产生很大的影响。（1）矩形断面矩形断面分单跨、双跨两种，其内轮廓与区间隧道建筑限界接近，内部净空可以得到充分利用，便于顶板上敷设城市地下管网设施。单跨双跨6.0m×4.3m顶管竣工后管道内景（2）拱形断面拱形断面有单拱、双拱和多跨连拱三种形式，前者多用于单线或双线的区间隧道或联络通道，后两者多用在停车线、折返线或喇叭口岔线上。单拱双拱多跨连拱拱形断面区间隧道示意图拱形隧道在传统的条石材质隧道中采用较多（3）圆形断面圆形断面形式具有结构受力合理、线路纵向坡度、平面曲线半径变化不会改变断面形状、对内净空利用影响少等特点。其横截面的内轮廓尺寸除要根据建筑限界、施工误差、道床类型、预留变形等条件决定外，还要按线路的最小曲线半径进行验算。单层装配式衬砌挤压混凝土整体衬砌圆形盾构隧道目前国内广州、上海、南京等城市的地铁圆形区间隧道内径均为5.5m。受城市既有地下构筑物的限制。近年来开发了双圆、三圆、矩形等多种盾构断面形式。双圆的盾构断面形式可以采用上下、左右任意组合的结构形式，使之与周边条件相协调。双圆形断面区间隧道示意图双圆盾构隧道双圆盾构掘进机1.2区间隧道的衬砌结构明挖法建造的矩形断面隧道衬砌分为装配式和整体浇筑钢筋混凝土式结构。装配式整体浇筑钢筋混凝土式目前单跨和双跨较为通用，装配式衬砌各构件之间的接头构造，除了要考虑强度、刚度、防水性等方面的要求，还要求构造简单，施工方便。由于装配式衬砌整体性较差，防水较困难。指的是现浇模注混凝土衬砌，有素混凝土和钢筋混凝土两种。优点是整体性好、防水性高，能够适用于各种工程地质和水文地质条件，但施工工序较多，速度较慢，而且还需要有一定的养护时间，不能立即承载，对围岩不能做到及时支护。（1）拱形断面隧道的衬砌结构拱形断面隧道的衬砌一般是由初期支护、防水层和二次衬砌组成的复合式衬砌结构。左图为某地铁单线区间隧道的复合式衬砌，其外层为喷锚支护，对围岩起加固作用，并控制围岩变形，防止围岩松动失稳。最适宜采用喷锚支护。根据具体情况选用锚杆、喷混凝土、钢筋网和钢支撑等单一或并用而成。（1）拱形断面隧道的衬砌结构内层为模筑混凝土，或喷混凝土的二次衬砌，通常在初期支护封闭后尽快施作。防水层的作用是防水和减少二次衬砌因混凝土收缩而产生的裂缝。在防水要求不高围岩有一定的自稳能力时，区间隧道亦可采用单层的模筑混凝土衬砌，不做初期支护和防水层。（2）圆形断面隧道的衬砌结构盾构法修建的圆形断面隧道衬砌结构，可分为单层和双层衬砌。单层衬砌，是在盾尾内一次拼装组成的，施工中起到支撑围岩和承受盾构推力的作用，成环后成为永久性结构。国内现有的地铁盾构隧道，以单层管片衬砌为主。单层管片运输单层衬砌，一般采用施工迅速、安装容易的预制装配式管片结构或挤压混凝土整体式衬砌结构。虽然预制装配式管片结构强度高，抗渗性强，结构承载力大，自动化程度高，施工进度较快，但需要较多的施工设备。此外，混凝土的制备、输送、钢筋架立等工艺较为复杂。因此，我国主要盾构隧道衬砌主要是用的是预制装配式管片结构。预制管片的生产①衬砌环的分块与拼装预制装配式衬砌环的分块，—般有两种方式：一种是由4块标准管片(A)、2块相邻管片(B)和1块封顶管片(K)构成；另一种是由3块标准管片(A)、两块相邻管片(B)和1块封项管片(K)构成。环形管片分块示意图盾构机盾构机进洞盾构机出洞①衬砌环的分块与拼装衬砌环的拼装形式，有错缝和通缝两种。错缝拼装，可使接缝分布均匀，减少接缝及整个衬砌环的变形，整体刚度大。但对管片的制片精度要求高。封顶块的拼装形式，有径向楔入和纵向插入两种。径向楔入时，封顶块的两个径向边必须呈内八字形或者平行。受载后有向下滑动的趋势，对受力不利；纵向插入时，封顶块不易向内滑动，受力较好。但在拼装封顶块时，需加长盾构千斤顶行程。环形管片分块示意图从防水、拼装速度等方面考虑，衬砌环分块数越少越好，但从运输和拼装方便而言，又希望分块数多些。设计时，应结合隧道所处的围岩条件、荷载情况、构造特点、计算模型、运输能力、制作拼装方便等因素综合考虑决定。通常，直径D≤6m的隧道衬砌环以分4~6块为宜；

＞6m时，可分为6~8块。上海和广州地铁均为6块。曲线段的衬砌除与上述规定相同外，尚需在标准衬砌环之间插入一些楔形衬砌环或楔形垫板，以保证隧道向设计的方向转折。①衬砌环的分块与拼装管片按材料可分为钢筋混凝土、钢、铸铁以及几种材料组合而成的复合管片。在区间隧道的特殊地段，如集水井、需要开口的衬砌环或预计将承受特殊荷载的地段，—般采用钢或铸铁管片。按截面形式，管片又分为箱形和平板形两类。②管片分类及连接钢筋混凝土箱形管片箱型管片手孔较大不仅方便接头螺栓的穿入和拧紧，而且较省材料，单块管片重量较轻，便于运输和拼装，截面的削弱量应考虑在盾构千斤顶推力作用下不发生开裂为前提。箱形管片的纵向加劲肋是传递千斤顶推力的关键部位，一般沿衬砌环向等距离布置。平板形管片是因螺栓手孔较小或无手孔而呈曲板形结构的管片，仅在螺栓孔处有截面的削弱，可以较好地承受盾构千斤顶的推力，同时，由于内在表面平整，对通风的阻力比较小。现代盾构隧道的钢筋混土管片大多采用平板型结构。②管片分类及连接钢筋混凝土平板形管片管片宽度的选择，对施工、造价的影响较大。②管片分类及连接宽度较大施工不便，也会使盾尾长度增长而影响盾构的灵活性。搬运、组装、在曲线上施工都比较方便，但接缝增多，加大了隧道防水的难题，增加了管片制作成本，而且不利于控制隧道纵向的不均匀沉降。宽度较小管片宽度应根据盾构的灵活性和拼装能力确定，在条件许可的情况下，应尽量加大管片的宽度，以减少接缝的数量。随着铰接盾构的出现，管片宽度有进一步提高的趋势，目前，多控制在1000~1400mm之间。管片之间以及各衬砌环之间的连接方式，从其力学特性来看，可分为柔性连接和刚性连接。②管片分类及连接柔性连接允许相邻管片间产生微小的转动和压缩，使衬砌环能按内力分布状态产生相应的变形，以改善衬砌环的受力状态通过增加连接螺栓的排数，力图在构造上使接缝处的刚度与管片的刚度相同。刚性连接刚性连接拼装复杂、造价较高，且还会在衬砌环中产生较大的次应力，带来不良后果，因此，目前较为通用的是柔性连接。常用的柔性连接，有单排螺栓连接和销钉连接。一般浅埋地铁线路纵断面为高站位、低区间的布置形式。因此，两条区间隧道之间的联络通道可设在线路的最低点，并与排水泵站台一并修建。③区间联络通道衬砌结构区间联络通道在设置联络通道的地段，区间隧道的内侧需要留出—个旁洞。为了承受旁洞顶部拱圈传来的荷载，旁洞下均需设置过梁以及支承过梁的壁柱，从而在旁洞四周形成封闭的框架。下图为铸铁管片拼装的旁洞框架。③区间联络通道衬砌结构联络通道钢管片旁洞开口部分在盾构通过时用临时填充管片堵塞，使衬砌环保持封闭，以改善其受力条件，防止泥沙涌入。联络通道施工前，再将其拆除形成旁洞，此时，荷载才得以完全传到框架上。一般情况下，联络通道和中间泵站均采用矿山法施工，为了加强其防水性能可采用拱形封闭的复合式衬砌。联络通道衬砌的各项设计参数可按计算确定，亦可按工程类比法采用。③区间联络通道衬砌结构采用盾构法建造区间隧道时，渡线和折返线隧道一般是和车站一起采用明挖法施工。由于渡线的断面变化较多，一般以矿山法施工为宜。④渡线和折返线衬砌结构（3）双圆盾构隧道的衬砌结构根据施工方法的不同，双圆形断面隧道的管片结构有两种形式。MF施工法横向双连形管片结构示意图（3）双圆盾构隧道的衬砌结构DOT施工法的管片结构示意图2区间隧道的结构设计方法由于施工方法不同，地铁区间隧道的断面形式、结构支护衬砌类型、结构计算方法和适用范围各异。表6-1列出了国内外隧道结构设计模型，表6-2列出了隧道施工和设计方法分类。

国内外隧道结构设计模型

表6-1国家盾构开挖的软土隧道锚喷、钢拱支护的软土隧道中硬石质深埋隧道明挖施工的框架结构

澳大利亚弹性介质中全支承圆环(全周弹簧模型)；MuirWood法、Curtis法或假定隧道变形法初期支护：Proctor-white法；二次支护：弹性介质中全支承圆环；MuirWood法、Curtis法或假定隧道变形法初期支护：Proctor-white法；二次支护：弹性介质中全支承圆环；MuirWood法、Curtis法或假定隧道变形法箱形框架弯矩分配奥地利弹性地基圆环弹性地基圆环；FEM；收敛约束法经验方法弹性地基框架接下表德国覆盖<2D，顶部无支承的弹性地基圆环(部分弹簧模型)；覆盖<3D，全支承的弹性地基圆环(全周弹簧模型)；FEM覆盖<2D，顶部无支承的弹性地基圆环；覆盖<3D，全支承的弹性地基圆环；FEM全支承的弹性地基圆环；FEM；连续介质或收敛－约束法弹性地基框架(底压力颁布简化)中国弹性地基圆环；经验法初期支护：FEM，收敛约束法；二次支护：弹性地基圆环初期支护：经验法永久支护：作用－反作用模型；大型洞室：FEM箱形框架弯矩分配瑞士

作用－反作用模型FEM；经验法；收敛－约束法矫形框架弯矩分配英国弹性地基圆环；MuirWood法收敛－约束法；经验法FEM；经验法；收敛－约束法弹性地基连续框架接下表续上表

美国弹性地基模型

弹性地基圆环；Proctor-white法；FEM；锚杆法；经验法

瑞典

通常为经验法，有时用作用－反作用模型、连续介质模型、收敛－约束法

比利时Schulze-Duddek法

刚架法国随意性地基圆环；FEMFEM；作用－反作用模型；经验法连续介质模型；收敛－约束法；经验法

日本局部支承圆环；梁－弹簧模型局部支承的弹性地基圆环；经验法加量测；FEM弹性地基框架；FEM；特征曲线法弹性地基框架；FEM续上表国内外隧道结构设计模型

序号施工方法断面形式衬砌支护形式结构设计计算方法1明挖法矩形和直墙拱形现浇钢筋混凝土、预制钢筋混凝土砌块软弱土层中弹性连续矩形、拱形框架，结构力学方法或假定抗力结构力学方法2矿山法(钻爆法、凿岩机掘进法)拱形、直墙拱形和圆形钢拱架、喷射混凝土锚杆支护、现浇钢筋混凝土复合衬砌、预制钢筋混凝土砌块局部变形理论的弹性地基梁方法、反分析法、新奥法、数值分析方法3盾构法圆形钢、铸铁、钢筋混凝土(或钢纤维)管片地层衬砌位移协调弹塑性解析解，数值分析法、弹性无铰自由变形圆环、弹性多铰局部抗力约束圆环接下表4顶管法圆形或矩形钢筋混凝土预制管段同35沉管法矩形预制钢筋混凝土箱段同16配合上述施工方法的辅助工法：①注浆加固；②降低水位；③冻结法；④管棚法圆形、直墙拱形、矩形钢拱架临时支护，现浇钢筋混凝土的衬砌支护同2续上表顶管法：隧道或地下管道穿越铁路、道路、河流或建筑物等各种障碍物时采用的一种暗挖式施工方法。在施工时，通过传力顶铁和导向轨道，用支承于基坑后座上的液压千斤顶将管压入土层中，同时挖除并运走管正面的泥土。当第一节管全部顶入土层后，接着将第二节管接在后面继续顶进，这样将一节节管子顶入，作好接口，建成涵管。顶管法特别适于修建穿过已成建筑物、交通线下面的涵管或河流、湖泊。顶管按挖土方式的不同分为机械开挖顶进、挤压顶进、水力机械开挖和人工开挖顶进等。沉管法：沉管法是预制管段沉放法的简称，是在水底建筑隧道的一种施工方法。其施工顺序是先在船台上或干坞中制作隧道管段（用钢板和混凝土或钢筋混凝土），管段两端用临时封墙沉管法密封后滑移下水(或在坞内放水)，使其浮在水中，再拖运到隧道设计位置。定位后,向管段内加载,使其下沉至预先挖好的水底沟槽内。管段逐节沉放，并用水力压接法将相邻管段连接。最后拆除封墙，使各节管段连通成为整体的隧道。冻结法：使土体中水分冻结，整个冻结