地鐵礦山法區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計指南_圖文

1、北京地鐵礦山法區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計計算指南 (試用北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司二 六年十二月驗收文件之三前 言根據(jù)北京城市軌道交通礦山法修建區(qū)間隧道的地層、地面環(huán)境和埋深等 實際條件,以及多年的設(shè)計施工經(jīng)驗,針對礦山法區(qū)間隧道設(shè)計檢算中有關(guān) 地層壓力、計算模型、計算參數(shù)等不統(tǒng)一或不明確狀況,在 地鐵設(shè)計規(guī)范 (GB50157-2003基礎(chǔ)上,吸納“北京地鐵礦山法區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計方法”研 究成果, 編制了 北京地鐵礦山法區(qū)間隧道設(shè)計計算指南 , 供北京軌道交通 建設(shè)設(shè)計參考。本指南主要起草人:羅富榮、 朱永全、 陳 曦、 張成滿、 王占生、 宋玉香、 賈曉云、李宏建、徐凌等。編 者 2006年 1

2、2月目 錄1 總則 ················································&#

3、183;··································· 12 設(shè)計計算技術(shù)指標 ············&

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

5、#183;··· 23 設(shè)計計算荷載 ············································&#

6、183;··························· 4 3.1 荷載分類和荷載組合 ···················

7、83;······································ 4 3.2 地層壓力 ·········

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

9、83;············ 5 3.3 地面車輛荷載引起的附加壓力 ··································

10、············ 6 3.4 地震荷載 ····································

11、···································· 7 3.5 水壓力 ············&

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

13、#183;············ 7 3.6 鄰近地面設(shè)施及建筑物壓力荷載 ·································

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

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

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

17、3;·····104 初期支護設(shè)計計算 ··········································

18、83;······················10 4.1 一般規(guī)定 ·························

19、83;·············································11 4.2 初期支護結(jié)構(gòu)檢算模型 ·

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

21、83;··114.3 初期支護強度檢算方法 ············································

22、3;·········135 二次襯砌設(shè)計計算 ······································

23、83;························ 146 5.1 一般規(guī)定 ·······················&

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

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

26、#183;····················16 5.3 襯砌結(jié)構(gòu)溫度伸縮縫 ··························&#

27、183;······························19條文說明 ··················&

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

29、#183;············241 總則 ····································

30、············································242 設(shè)計計算技術(shù)指標 ····

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

32、;········253 設(shè)計計算荷載 ········································

33、····························254 初期支護設(shè)計計算 ····················

34、;··········································305 二次襯砌設(shè)計計算 ·····

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

36、3;······321 總則1.0.1地下鐵道區(qū)間主要構(gòu)件設(shè)計使用年限為 100年。根據(jù)承載能力和正常使用要求, 采取有效措施,保證結(jié)構(gòu)強度、剛度,滿足結(jié)構(gòu)耐久性要求。1.0.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計計算應滿足施工、運營、城市規(guī)劃、環(huán)境保護、防水、防火、防迷流、 防腐蝕和人民防空的要求。1.0.3 礦山法區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)“破損階段”法,以材料極限強度進行設(shè)計。1.0.4 設(shè)計中除參照本指南外, 尚應符合 地鐵設(shè)計規(guī)范 (GB50157-2003等國家現(xiàn)行 的有關(guān)強制性標準的規(guī)定。1.0.5 本指南適用范圍:第四紀地層中的礦山法標準單線區(qū)間隧道。

37、 12設(shè)計計算技術(shù)指標2.0.1地下鐵道區(qū)間隧道為地鐵的主體結(jié)構(gòu)工程,防水等級為二級,耐火等級為一級。2.0.2 隧道結(jié)構(gòu)的抗震等級按三級考慮,根據(jù)北京地區(qū)地震烈度區(qū)劃圖 (50年超越概 率 10% ,隧道結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防基本烈度為 7度或 8度。2.0.3襯砌結(jié)構(gòu)按上級批復的人防抗力標準進行驗算。2.0.4結(jié)構(gòu)設(shè)計在滿足強度、 剛度和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上, 應根據(jù)地下水水位和地下水腐蝕 性等情況, 滿足防水和防腐蝕設(shè)計的要求。 當結(jié)構(gòu)處于有腐蝕性地下水時應采取抗侵蝕措 施,混凝土抗侵蝕系數(shù)不低于 0.8。2.0.5在永久荷載和可變荷載作用下, 二類環(huán)境中二次襯砌 結(jié)構(gòu)裂縫寬度 (迎土面 應不 大于 0

38、.2mm ,一類環(huán)境 (非迎土面及內(nèi)部混凝土構(gòu)件 襯砌結(jié)構(gòu)的裂縫寬度均應不大于 0.3mm 。 當計及地震、人防或其他偶然荷載作用時,可不驗算結(jié)構(gòu)的裂縫寬度。2.0.6礦山法區(qū)間隧道施工 地面沉降控制標準 應根據(jù)環(huán)境條件認真分析確定。 一般路面 下宜控制在 30mm 以內(nèi), 當穿越重要地面建筑物或地下管線時,上述數(shù)值應按照允許的 條件確定。2.0.7 混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中所用混凝土的極限強度應按表 2-1采用。 區(qū)間隧道內(nèi) 層襯砌采用鋼筋混凝土時其混凝土強度等級不應低于 C30,抗?jié)B等級不低于 S8,同時應 滿足其抗凍、抗?jié)B和抗侵蝕性等耐久性相關(guān)要求。 2.0.8混凝土的彈性模量應按表 2

39、-2采用。 混凝土的剪切彈性模量可按表 2-2數(shù)值乘以 0.43采用。混凝土的泊松比可采用 0.2。 2 2.0.9鋼筋強度和彈性模量按表 2-3采用。 2.0.10支護噴射混凝土的強度等級不得小于 C20。 C20噴射混凝土的極限強度可采用:軸心抗壓 15 MPa,彎曲抗壓 18 MPa,抗拉 1.3 MPa,彈性模量為 21GPa (注:噴射混凝土 的強度等級指采用噴射大板切割法,制作成邊長為 10cm 的立方體試塊,在標準條件下養(yǎng) 護 28d ,用標準試驗方法所得的極限抗壓強度乘以 0.95的系數(shù) 。 33 設(shè)計計算荷載3.1荷載分類和荷載組合3.1.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載類型及名稱應按表

40、3-1采用。 (2表中所列荷載未加說明者,可根據(jù)國家有關(guān)規(guī)范或根據(jù)實際情況確定;(3施工荷載包括:設(shè)備運輸及吊裝荷載,施工機具及人群荷載,施工堆載,相鄰施工的影響等荷載。3.1.2 確定荷載的數(shù)值時,應考慮施工和使用過程中發(fā)生的變化。3.1.3結(jié)構(gòu)設(shè)計時應按結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的最不利工況組合進行計算。 可能出現(xiàn)的荷載組合 有基本組合、 長期效應組合、 抗震偶然組合和人防偶然組合。 荷載組合形式如表 3-2所示。 4 53.2 地層壓力3.2.1 豎向均布壓力-+<-+=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 地層

41、重度,為上覆地層重度加權(quán)平均值, iih h=;i 、 i h 第 i 層地層重度和厚度。h 隧道上覆地層厚度; D 開挖斷面寬度;D 1豎向土壓力保持不變的起始深度, 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-+=;上覆地層內(nèi)摩擦角加權(quán)平均值, i ih h=;i 第 i 層地層內(nèi)摩擦角。c 上覆地層內(nèi)聚力加權(quán)平均值, i i c h c h=;i c 第 i 層地層內(nèi)聚力。t H 斷面高度。豎向荷載與

42、隧道埋深的關(guān)系如圖 3-1曲線所示。 3.2.2 側(cè)向均布壓力21( (45 22v t e H tg =+- (3-2式中 v 洞頂?shù)貙拥拇怪眽毫?隧道開挖高度內(nèi)各地層內(nèi)摩擦角的層厚加權(quán)平均值; 其他符號同前。 63.3 地面車輛荷載引起的附加壓力3.3.1 豎向壓力在道路下方的地下結(jié)構(gòu), 地面車輛及施工荷載可按 20kPa 的均布荷載取值, 并不計沖 擊壓力的影響。3.3.2 車輛荷載的側(cè)向壓力地面車輛荷載傳遞到地下結(jié)構(gòu)上的側(cè)壓力 ox p ,可按下式計算:oz a ox p p = (3-320452a tg =- (3-4式中 a 側(cè)壓力系數(shù)其它符號意義同前。3.4 地震荷載在襯砌結(jié)構(gòu)

43、橫截面和沿結(jié)構(gòu)縱軸方向的抗震設(shè)計和抗震穩(wěn)定性檢算中采用地震變形 法, 即以隧道所在位置的地層位移作為地震對結(jié)構(gòu)作用的輸入。 在北京地區(qū)隧道結(jié)構(gòu)抗震 設(shè)防基本烈度為 7度或 8度條件下, 地震偶然荷載值 (或影響程度 小于按上級批復人防抗 力標準的人防偶然荷載。因此,在計入人防偶然荷載時,可不驗算地震偶然荷載。等代的靜地震荷載包括:結(jié)構(gòu)本身和洞頂上方土柱的水平、 垂直慣性力以及主動土壓 力增量。水平地震荷載可分為垂直和沿著隧道縱軸兩個方向進行計算。 由于地震垂直加速度峰h1圖 3-1 地層豎向壓力計算圖式2K 7值一般為水平加速度的 1/22/3,而且也缺乏足夠的地震記錄,因此對震級較小和對垂直

44、 地震振動不敏感的結(jié)構(gòu), 可不考慮垂直地震荷載的作用。 只有在驗算結(jié)構(gòu)的抗浮能力時才 計及垂直慣性力。3.5 水壓力一般靜水壓力可使隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的軸向力加大, 對抗彎性能差的混凝土結(jié)構(gòu)來說, 相 當于改善了它的受力狀態(tài); 但高水位時, 對側(cè)墻和底板的某些截面的受力也可能產(chǎn)生不利 影響, 因此, 計算靜水壓力時應分別按可能出現(xiàn)的最高和最低水位考慮。 而驗算隧道結(jié)構(gòu) 的抗浮能力時,按可能出現(xiàn)的最高水位考慮。計算靜水壓力時, 兩種方法可供選擇, 一種是和土壓力分開計算; 另一種是將其視為 土壓力的一部分和土壓力一起計算。偏于安全,對于砂性土、粘土地層 (含粉質(zhì)粘土 采用 水土分算。水土分算時, 地下

45、水位以上的土采用天然重度 , 水位以下的土采用有效重度 '計算 土壓力, 另外再計算靜水壓力的作用。 水土合算時, 地下水位以上的土與水土分算時相同, 水位以下的土采用飽和重度 s 計算土壓力,不計算靜水壓力。其中土的有效重度 '為:w s -=' (3-5式中, w 水的重度,一般 3kN/m10=w 。 兩種計算靜水壓力的方法的差異示于圖 3-2中。3.6 鄰近地面設(shè)施及建筑物壓力荷載隧道穿越或鄰近地面高大建筑物時, 應考慮鄰近地面建筑物地基應力荷載所引起的附 加荷載。按土力學理論,假定地基為各向同性半無限體, 在不同地面荷載作用下,地基中(b水土合算(a水土分算

46、圖 3-2 兩種計算靜水壓力方法 8任一點所引起的附加應力,以布內(nèi)斯克 (Boussinesq解為基礎(chǔ)推導求解。矩形面積均布荷載作用下,土中任一點 N 的 z 已有解析解,但公式計算比較復雜, 計算時常用圖表來進行。邊長為 a 、 b 的矩形面積均布荷載作用時, 矩形角點下深度 Z 點 (如圖 3-3(a所示 的附 加應力 z 為:p k z = (3-62(, a zk f b b =式中 a 、 b 面積荷載的長和寬;Z 待求點深度; p 均布荷載值;k 矩形面積均布荷載角點下的應力系數(shù),如表 3-3所示。矩形面積均布荷載下,土中任一點 N (如圖 (3-3(b、 (c所示 的附加應力可用

47、疊加原 理求得。如圖 3-3(b所示,為求矩形 (a ×b 面積荷載中心 Z 點的 z ,可把矩形面積分成四 等分,先由表 3-3找四分之一面積角點下的應力系數(shù) 5. 02, 5. 05. 0(bzb a f k =,則中心點下 z 為 p bzb a f z = 5. 02, 5. 05. 0(4。又如圖 3-3所示,為求矩形面積外任意點 M 下的 z ,可按圖上 虛線過 M 點分成若干面積,則 M 點下的 z 可由幾個矩形面積角點下的 z 相疊加而成, 即p k k k k M M M M z +-= (584674523613 (3-7式 (3-7中 k 的腳標表示所代表的面積

48、,如 613M k 表示矩形面積 13M 6的角點應力系數(shù),圖 3-3 矩形均布荷載角點下和任一點下的應力 (a 角點下應力; (b 中點下應力; (c任一點下應力(a(b(c按每個面積的長邊和短邊比及深度和短邊之比,由表 3-3中查得。用表時要注意表中之 b 永遠代表短邊。 3.7人防荷載區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)人防荷載按 人民防空工程設(shè)計規(guī)范 (GB50225-95中地道、 坑道式人 防工程結(jié)構(gòu)荷載、結(jié)構(gòu)動力計算等有關(guān)規(guī)定計算確定。3.8其它荷載正常施工條件下, 區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)可忽略地鐵車輛荷載及其制動力作用、 溫度變化及混 凝土收縮徐變作用、人群荷載、施工荷載及設(shè)備重量作用。 9 104 初期支護設(shè)計

49、計算4.1 一般規(guī)定4.1.1 礦山法隧道 初期支護設(shè)計參數(shù)可采用工程類比法確定 ,施工中通過監(jiān)測進行修 正,并應通過理論驗算。4.1.2 礦山法隧道在預設(shè)計和施工階段, 應對初期支護的穩(wěn)定性進行判別。 初期支護施 工階段的穩(wěn)定性,可 按支護結(jié)構(gòu)實際總位移 U 與極限位移 U 0比較,并結(jié)合位移發(fā)展趨勢 進行判別。當 U U 0時,隧道穩(wěn)定;當 U >U 0時,隧道不穩(wěn)定。極限位移 U 0應根據(jù)地層條件、斷面特征及施工方法等因素分析確定。4.1.3 礦山法隧道初期支護應考慮能承受施工期間的全部荷載, 并對控制地層變形起主 要作用。4.2 初期支護結(jié)構(gòu)檢算模型4.2.1 礦山法地鐵隧道埋深

50、淺, 水、土作用荷載較為明確,初期支護結(jié)構(gòu)厚度較大,隧 道初期支護后獨立承受上覆地層壓力作用時間較長,因此, 常用的“荷載-結(jié)構(gòu)”和“地 層-結(jié)構(gòu)”兩種計算模式均可采用。4.2.2 檢算初期支護強度時,宜采用相對簡單的“荷載-結(jié)構(gòu)”計算模式。4.2.3 初期支護結(jié)構(gòu)強度檢算時, 應考慮地層對初期支護結(jié)構(gòu)變形的約束作用。 按局部 變形理論, 約束作用力 p 為其向地層方向產(chǎn)生的位移 與地層彈性抗力系數(shù) k 的乘積, 即:k p = (4-1式中 k 地層的彈性抗力系數(shù) (MPa/m,可用地質(zhì)勘察部門提供的基床系數(shù)代替。當無地質(zhì)勘察基床系數(shù)時,可按表 4-1所列基床系數(shù)平均值采用。4.2.4 檢算

51、初期支護后地層變形及支護剛度時, 宜采用“地層-結(jié)構(gòu)” 計算模式。在分 析施工過程中的地層變形情況時,還應考慮超前支護和超前加固的作用。4.3初期支護強度檢算方法4.3.1計算荷載采用“荷載結(jié)構(gòu)” 模型時, 作用在初期支護上的荷載有永久荷載中的地層壓力、 結(jié) 構(gòu)自重,和可變荷載的地面車輛荷載及其動力作用,不計水壓力、偶然荷載等其他荷載。 4.3.2計算圖式初期支護結(jié)構(gòu)按彈性支承鏈桿圖式計算, 將計算斷面劃分為 40 60個直梁等分單元, 拱部 90°120°(自動試算確定 范圍不設(shè)彈性鏈桿, 側(cè)邊加水平鏈桿, 底邊加豎直鏈桿。 11 12對于墻腳為圓角形支護,圓角處各節(jié)點同

52、時采用水平鏈桿和豎直鏈桿,計算圖式如圖 4-1所示。4.3.3 截面強度檢算方法根據(jù)初期支護格柵鋼架網(wǎng)噴混凝土或無鋼架噴混凝土結(jié)構(gòu)情況, 參照 鐵路隧道設(shè)計 規(guī)范 (TB10003-2005, 按破損階段法進行檢算。4.3.4 當初期支護采用無鋼架噴射混凝土、 厚度在 25cm 以上并按 4.3.2節(jié)計算圖式視為 偏壓構(gòu)件計算初期支護內(nèi)力時, 噴混凝土矩形截面軸心及偏心受壓構(gòu)件的抗壓強度應按下 式計算:a KN R bh (4-2式中 a R 初期支護噴射混凝土的抗壓極限強度,按 2.9節(jié)規(guī)定采用; K 安全系數(shù); N 軸向力 (N; b 截面的寬度 (m; h 截面的厚度 (m;構(gòu)件的縱向彎

53、曲系數(shù),對于隧道支護可取 1=; 軸向力的偏心影響系數(shù),按表 4-2采用。0(2表中 30200 /(44. 15 /(569. 12 /(648. 0000. 1h e h e h e +-+= 圖 4-1 圓角型斷面計算圖式 13從抗裂要求出發(fā),混凝土矩形截面偏心構(gòu)件的抗拉強度應按下式計算:1. 7561L R b hKN e h- (4-3式中 L R 噴射混凝土抗拉極限強度,按 2.9節(jié)規(guī)定采用;0e 截面偏心距;其它符號意義同前。注:計算表明,對混凝土矩形截面構(gòu)件,當 00.20e h 時,系抗壓強度控制承載力。4.3.5 格柵鋼架噴射混凝土初期支護每延米支護結(jié)構(gòu)的鋼筋量換算成鋼筋混

54、凝土矩形 截面,按 5.2.5節(jié)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)檢算方法計算。4.3.6 初期支護截面安全系數(shù)。 初期支護作為獨立承載結(jié)構(gòu)的作用時間相對較短, 重要 性程度也相對較低。根據(jù)鐵路隧道設(shè)計規(guī)范 (TB10003- 2005 素混凝土或鋼筋混凝土 結(jié)構(gòu)強度安全系數(shù)規(guī)定,如表 4-3和表 4-4所示,采用施工階段強度安全系數(shù)。 145 二次襯砌設(shè)計計算5.1 一般規(guī)定5.1.1 復合式襯砌的二次襯砌應按主要承載結(jié)構(gòu)設(shè)計, 應承受使用期的全部荷載, 其設(shè) 計參數(shù)可采用工程類比法確定,并應通過理論驗算。 5.1.2 作用在復合式結(jié)構(gòu)上的水壓力由二次襯砌承擔。5.2 計算方法5.2.1 礦山法區(qū)間隧道復合式結(jié)

55、構(gòu)在第四紀土層中的淺埋復合式結(jié)構(gòu), 二次襯砌與初期支護共同承擔著外荷載。 考慮到 支護與二次襯砌復合結(jié)構(gòu)計算模型較為復雜, 為使計算工作簡單, 按二次襯砌承擔全部外 荷載 (永久荷載、可變荷載和偶然荷載 計算,并滿足相應截面最小安全系數(shù)及裂縫寬度檢 算要求。5.2.2 襯砌結(jié)構(gòu)按 “荷載-結(jié)構(gòu)”模式計算, 破損階段法檢算結(jié)構(gòu)截面強度,并驗算鋼 筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫寬度。5.2.3 根據(jù)結(jié)構(gòu)特性按表 3-1所示荷載,按不同荷載組合情況計算。5.2.4 考慮地層對襯砌結(jié)構(gòu)變形的約束作用,按局部變形理論式 (4-1計算地層被動壓 力。5.2.5 截面強度檢算方法鋼筋混凝土矩形截面偏心受壓構(gòu)件的計算公式

56、(圖 5-1、圖 5-2 : 大偏心受壓 (055. 0h x 時,其截面強度按下式計算 (圖 5-1 :( 2/(00a h A R x h bx R KNe gg w '-'+- (5-1 小偏心受壓 (055. 0h x > 時,其截面強度按下式計算 (圖 5-2 :(5. 0020a h A R bh R KNe gg a '-'+ (5-2 當軸向力作用于鋼筋的重心之間,尚應符合下列要求: 15(5. 0020a h A R h b R e KN g g a -'+'' (5-3 式中 K 安全系數(shù);N 軸向力;b 截面的

57、寬度; 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 '軸向力作用點到鋼筋 g A 、 gA '重心的距離; a 、 a '自 g A 和 gA '鋼筋的重心分別至截面最近邊緣的距離; w R 混凝土的彎曲抗壓極限強度; a R 混凝土的抗壓極限強度;g R 鋼筋的計算強度;g A 、 gA '受拉、受壓鋼筋面積。 5.2.6 隧道襯砌按破損階段檢算構(gòu)件截面強度時, 根據(jù)所受的不同荷載組合, 在計算中 應分別選用不同的安全系數(shù),并不應小于表 5-1所列

58、數(shù)值。Ak N A g A g 圖 5-1 鋼筋混凝土大偏心受壓構(gòu)件強度計算圖g 圖 5-2 鋼筋混凝土小偏心受壓構(gòu)件強度計算圖A g 165.2.7 裂縫寬度驗算永久荷載和可變荷載作用下,二次襯砌結(jié)構(gòu)最大計算裂縫寬度 maxf 應滿足 2.5條的要求?？紤]裂縫寬度分布不均勻性及荷載長期作用影響后的最大裂縫寬度 max f (cm,可按 下列公式計算:f ggf l E 0. 2max = (5-4+=d l f 06. 06 (5-5 式中 E g 鋼筋的彈性模量;裂縫間縱向受拉鋼筋應變不均勻系數(shù);-=M bh R f 2235. 012. 1,當 4. 0<時,取 =0.4; 0.

59、1>時,取 0. 1=; M 永久荷載和可變荷載作用下的彎矩; b 矩形截面寬度;R f 混凝土的極限抗拉強度;h 截面高度;g 縱向受拉鋼筋應力,可取 087. 0h A Mg g =;g A 縱向受拉鋼筋的截面面積;h 0截面的有效高度, h 0=截面高度 h -保護層厚度 a ; l f 平均裂縫間距 (以厘米計 ;d 縱向受拉鋼筋的直徑 (以厘米計 ,當用不同直徑的鋼筋時,公式 (5-5中 d 改為換算直徑 s A g /4(s 為縱向受拉鋼筋總周長 ;縱向受拉鋼筋配筋率, 0bh A g =; 17與縱向受拉鋼筋表面形狀有關(guān)的系數(shù), 對螺紋鋼筋, 取 0.7=; 對光面鋼筋,取

60、 1.0=;對冷拔低碳鋼絲,取 1.25=。當采用級鋼筋作縱向受拉鋼筋時,應將計算求得的最大裂縫寬度乘以系數(shù) 1.1(注:如有可靠的設(shè)計經(jīng)驗或構(gòu)造措施時,式 (5-4中的系數(shù) 2.0可適當減小 。5.3 襯砌結(jié)構(gòu)溫度伸縮縫(1 溫度應力基本方程取如圖 5-3所示的一維線形結(jié)構(gòu),左端固定, 右 端 受 彈性約束,在溫差 T 的作用下,其一端產(chǎn)生的變 位 為 其自由變位與彈性約束變位之代數(shù)和,即:ELTL u z+= (5-6 ET z+= (5-7 式 (5-7為溫度變化狀態(tài)下一維彈性約束結(jié)構(gòu)的應力應變方程。 式中 u 結(jié)構(gòu)端部變位;材料線膨脹系數(shù), C30混凝土線膨脹系數(shù)取 1×10

61、-5/; z 結(jié)構(gòu)溫度應力;結(jié)構(gòu)應變;T 溫差;E 材料彈性模量 (C30混凝土取 31GPa 。由于受隧道內(nèi)熱環(huán)境的影響, 襯砌壁面溫度處于不斷變化狀態(tài), 溫差主要體現(xiàn)在:長 期運營洞內(nèi)溫度逐年遞增;晝夜洞內(nèi)環(huán)境溫差和季節(jié)變化引起的洞內(nèi)空氣溫差。圖 5-4、 5-5分別為冬季和夏季測試期間,北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司對北京地鐵 1、 2號 線地鐵區(qū)間隧道內(nèi)各測試斷面的平均空氣溫度 t a 、平均壁面溫度 t w ,以及平均壁面熱流 Q w 的實測結(jié)果 (佟麗華, 北京地鐵 1、 2號線熱環(huán)境節(jié)能控制研究 J, 暖通空調(diào), 2005(35。圖 5-4、 5-5可以看出, 實測區(qū)段壁面的季節(jié)

62、平均溫差約 4。 考慮長期運營洞內(nèi)溫度 積累遞增,季節(jié)平均溫差可取 410。(2外部約束應力方程當兩種面接觸的物體產(chǎn)生相對位移時, 在接觸面上必然產(chǎn)生剪切應力, 此時剪切應力 可表示為:圖 5-3 一維結(jié)構(gòu)模型 18u C z =- (5-8式中, 接觸面上的剪切應力;u 結(jié)構(gòu)水平位移;z C 地基水平阻力系數(shù)。二襯在溫度變化引起的變形過程中, 外約束主要是混凝土外壁與防水層之間的摩擦作 用。 外約束越強, 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的溫度應力越大。 根據(jù) 工程結(jié)構(gòu)裂縫控制 (王鐵夢著, 1997年 的研究成果,混凝土與軟粘土之間水平阻力系數(shù) C z 約 (13×10-2N/mm3;地基為一般 砂質(zhì)土

63、時, C z 約 (36×10-2N/mm3;堅硬粘土時 (610×10-2N/mm3;風化巖、低強度等級 混凝土時 (60100×10-2N/mm3。在隧道正常運營中,若防水層結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)良好,則 C z 較小,若隧道使用過程中,防水層發(fā)生破裂或其它形式的破壞,則相應的 C z 將有所增大。 在計算分析時,為偏于安全, C z 可取 10×10-2N/mm3。(3區(qū)間隧道襯砌結(jié)構(gòu)溫度應力方程的建立假定區(qū)間長度為 L ,二襯結(jié)構(gòu)壁厚為 t ,初支與二襯之間水平阻力系數(shù)為 z C ,若坐標 原點設(shè)在長度為一半處,則隧道結(jié)構(gòu)約束作用分布如圖 5-6所示。沿縱

64、向在任意點 z 處截 取一段 d z 長的微元體,其溫度引起的軸向力為 N ,約束剪切力為 Q ,在忽略地層壓力的 條件下,結(jié)構(gòu)縱向溫度應力可表示為:2/ch ch 1(L zT E z -= (5-9當 z =0時, z 達最大,即2/ch 11(max L T E z -= (5-10隧道結(jié)構(gòu)最大溫度應力與溫度荷載、 混凝土彈模、 線膨脹系數(shù)成正比, 同時還與周邊1 3 5 7 9 11 13 152 468 101214 1623 2425 26 2728 29 22風道 隧道溫 度 /熱 流 /(W /m 2圖 5-4 夏季平均溫度及熱流的實測結(jié)果 Q wtt a 58 1114 17

65、 20 23 26 24 6 8 10 12 14 16 18 1 3 4 5 6 7 8 9 1029 圖 5-5 冬季平均溫度及熱流的實測結(jié)果距風亭入口的距離 /m風道 隧道溫 度 /熱 流 /(W /m 2wt wt a 19約束條件以及結(jié)構(gòu)形狀、厚度等因素有關(guān)。(4設(shè)置溫度伸縮縫的結(jié)構(gòu)長度計算從隧道通風模式和空調(diào)技術(shù)角度出發(fā), 優(yōu)化通風方案和空調(diào)手段, 盡量保持洞內(nèi)環(huán) 境溫度穩(wěn)定,將隧道襯砌結(jié)構(gòu)溫度變化范圍控制在 7以內(nèi)。設(shè)置伸縮縫,防止結(jié)構(gòu)溫度應力危害的發(fā)生。當溫度荷載超過 -8時,可設(shè)置合理 的伸縮縫, 降低結(jié)構(gòu)溫度應力的量值, 確保隧道結(jié)構(gòu)在長期運營過程中的安全與使用功能。a 隧

66、道計算長度可取 400m 左右。 b 伸縮縫間距根據(jù)設(shè)防季節(jié)溫差和襯砌與防水板間摩阻系數(shù), 按前述方法計算確定。 表 5-2為不同 設(shè)防溫差和水平阻力系數(shù)條件下的伸縮縫間距參考值。c 伸縮縫合理縫寬伸縮縫的設(shè)置寬度與伸縮縫兩端 (自由端 的位移有關(guān),一般取自由端水平位移值的 2倍。若伸縮縫設(shè)置寬度取端部計算位移的 2倍, 則在 812溫差時,伸縮縫的設(shè)置寬度 應在 610mm ,考慮到施工誤差,建議伸縮縫縫寬取 2030mm 。yzQNN +dN圖 5-6 計算模型示意t北京地鐵礦山法區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計指南條文說明本條文說明系對重點條文的編制依據(jù)、存在的問題以及在執(zhí)行中應注意的事項等予以 說明。

67、為了減少篇幅,只列條文號,未抄錄原條文。1總則1.0.11.0.2關(guān)于設(shè)計使用年限,設(shè)計指導思想、考慮環(huán)境影響為原則。有些是針對 本指南的特點,有些是為使本指南條文內(nèi)容完整,參照地鐵設(shè)計規(guī)范提出。1.0.3地鐵設(shè)計規(guī)范 10.1.6條規(guī)定“地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計,應根據(jù)施工方法、結(jié)構(gòu)或 構(gòu)件類型、使用條件及荷載特性等,選用與其特點相近的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范和設(shè)計方法,結(jié)合 施工監(jiān)測逐步實現(xiàn)信息化設(shè)計” 。 相近的 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 (GB50010-2002采用概率 極限狀態(tài)法, 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范 (TB10003-2005對一般地區(qū)單線鐵路隧道整體式襯砌及 洞門、單線鐵路隧道偏壓襯砌及洞門、單線鐵路拱形明

68、洞襯砌及洞門結(jié)構(gòu)的設(shè)計采用概率 極限狀態(tài)法,其他類型隧道結(jié)構(gòu)按破損階段法設(shè)計。 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范是適用于工 業(yè)與民用房屋和一般構(gòu)筑物的國家標準,但與之配套的國家標準建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范只 對各種地面結(jié)構(gòu)的荷載和荷載組合系數(shù)作出規(guī)定,尚缺地下結(jié)構(gòu)的荷載及荷載組合系數(shù), 故無法直接用于地鐵設(shè)計中。由于目前尚缺乏地下鐵道隧道所處地層物理力學參數(shù)及統(tǒng)計 特性、 各種荷載、 地層與結(jié)構(gòu)相互作用數(shù)值及統(tǒng)計特征值, 難以采用概率極限狀態(tài)法設(shè)計, 故目前地下鐵道礦山法區(qū)間隧道暫按“破損階段法”設(shè)計。1.0.41.0.5強調(diào)了設(shè)計中除參照本指南外, 尚應符合 地鐵設(shè)計規(guī)范 (GB50157-2003等國家現(xiàn)行的有

69、關(guān)強制性標準的規(guī)定。明確了本指南是針對北京地鐵第四紀地層中的礦山 法區(qū)間單線隧道具體情況制定的。第三紀或其它地層中的礦山法區(qū)間隧道可參考本指南。 2設(shè)計計算技術(shù)指標2.0.12.0.5為使本指南條文內(nèi)容完整,參照地鐵設(shè)計規(guī)范提出。2.0.6按北京市地鐵設(shè)計施工有關(guān)規(guī)定和北京地鐵多年施工實踐經(jīng)驗提出。 20 212.0.72.10 地鐵礦山法區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)按破損階段法設(shè)計時,材料強度應采用極限強 度。本指南采用鐵路隧道設(shè)計規(guī)范 (TB10003-2005按“破損階段法和容許應力法設(shè)計” 的材料性能,包括混凝土極限強度與彈性模量、鋼筋強度與彈性模量和噴混凝土極限強度 與彈性模量。3 設(shè)計計算荷載3.

70、1 在進行隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計時應考慮的荷載類型均列于指南正文表 3-1中,其中部分永 久荷載、可變荷載和偶然荷載均作了具體規(guī)定。其他荷載如混凝土收縮應力、設(shè)備重量、 溫度變化影響荷載等在礦山法區(qū)間隧道中難以涉及,所以未作具體規(guī)定。如此類荷載明顯 時,在設(shè)計中應計入。按“破損階段法”設(shè)計時按不同荷載組合進行計算,但不需要荷載組合系數(shù)。 3.2 地層壓力 (1關(guān)于隧道埋深根據(jù)北京地鐵四、五和十號線礦山法區(qū)間隧道統(tǒng)計資料,隧道覆土埋深 6.019.8m , 平均埋深 12.75m ,如表 1所示。(2 關(guān)于不同地層壓力公式計算結(jié)果地層壓力是地下結(jié)構(gòu)所受的主要荷載。 一般情況下淺埋暗挖隧道地層壓力隨埋深增大

71、 而增加。極淺埋時可按隧道拱頂以上全部土柱重量考慮,而一般淺埋時需考慮土層破裂楔 形體下滑所受的摩擦阻力作用。目前國內(nèi)外計算地層壓力的公式很多,不同地層壓力公式 計算結(jié)果不一致,圖 1所示為以北京地鐵十號線礦山法區(qū)間標準段隧道斷面 (6.0m×6.33m埋深 h豎向荷載2D (12m 2h s圖 1 地層壓力與埋深的關(guān)系 為例,取圍巖容重 19 kg/m3,內(nèi)聚力為 20kPa ,內(nèi)摩擦角為 20°,巖石堅固系數(shù)取 0.8,采 用不同壓力公式得出的地層壓力值隨埋深的變化關(guān)系。 由圖 1可知,在北京地鐵礦山法區(qū)間隧道埋深和地層條件下,不同的土層壓力理論計 算結(jié)果相差明顯,并隨

72、埋深的增大,其差異更加顯著。以全土柱壓力最大,泰沙基壓力最 小, 比爾鮑曼和謝家烋理論結(jié)果居中。 前蘇聯(lián)早期的研究測試結(jié)果已表明, 對于軟弱地層, 普氏公式結(jié)果偏低,而泰沙基公式和普氏公式結(jié)果一樣,所得結(jié)果也偏小;謝家烋考慮的 因素較仔細,但用 0和 表述,一般勘測資料都用 c 、 ,而且 角也是經(jīng)驗公式,應用 不太方便,對于埋深增加時,所得結(jié)果偏大。鐵路隧道坍方統(tǒng)計公式所依據(jù)的資料大多來 自山嶺隧道,對城市隧道還不能直接采用。目前的深淺埋劃分法還有在交界處地層壓力突 22 23然降低等問題。針對這些情況建議在隧道埋深小于隧道開挖跨度時采用全土柱,隧道埋深大于隧道開 挖跨度時采用比爾鮑曼公式。

73、二者采用平順曲線連接過渡以避免出現(xiàn)陡降。比爾鮑曼公式 在埋置達到一定深度以后曲線出現(xiàn)向下彎曲, 在曲線拐點處用水平切線代替, 此埋深為 D 1。 埋深在 D 1以后視為深埋隧道 (土壓力已與埋深無關(guān) 。綜合上述各種因素,建議了地鐵隧道豎向均布壓力計算公式。 (3關(guān)于建議地層壓力公式的檢驗國內(nèi)部分城市地鐵礦山法隧道施工中的圍巖壓力實測資料,如表 2所示,實測地層壓 力都小于全土柱重量,大部分大于泰沙基理論壓力。相比較而言,接近于本指南推薦公式 的壓力。 經(jīng)“北京地鐵礦山法區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計方法”研究課題的大量計算,北京地鐵四、五 和十號線礦山法區(qū)間隧道支護及襯砌結(jié)構(gòu)采用推薦壓力公式檢算,安全系數(shù)都

74、能滿足要 求,且數(shù)值合理,表明所推薦的地層壓力適用。(4關(guān)于地層水平均布壓力地層主動水平壓力的確定,在淺埋松散地層中多是仿照擋土墻,按朗金理論取水平壓力系數(shù) 245(tan 2-=來計算,未考慮是否是粘性土或非粘性土。亦有少數(shù)人建議用靜止土壓力計算理論公式:-=10k , 為泊松比; 根據(jù) 地下工程設(shè)計施工手冊 (夏明耀,曾進倫主編 的建議, 靜止土壓力經(jīng)驗公式 '-=sin 0k , 式中 '為土的有效內(nèi)摩擦角, 為經(jīng)驗系數(shù),砂土、粉土取 1.0,粘性土、淤泥質(zhì)取 0.95 ,由于靜止土壓力公式中系數(shù)取 值相對復雜,為簡化計算,本指南推薦朗金理論公式。地層壓力分布形式,在淺埋

75、松散地層中,地層豎直壓力接近于均勻分布,地層水平壓力并不均勻,按均勻分布僅是一種近似計算處理。3.3地面車輛荷載及沖擊壓力對隧道的影響隨埋深增大而迅速減小, 北京地鐵礦山法 區(qū)間隧道埋深一般相對較大,按深度分散計算實際壓力數(shù)值可能較小。為偏于安全并為簡 化計算,地面車輛及施工荷載按 20kPa 取值,不計沖擊壓力的影響。3.4當前我國地鐵隧道橫斷面的抗震分析多按地震系數(shù)法進行。 這一方法的基本出發(fā) 點,認為地震對地下結(jié)構(gòu)的作用主要包括兩部分:一是結(jié)構(gòu)及其覆蓋層重量產(chǎn)生的與地表 地震加速度成比例的慣性力;二是地震引起的主動側(cè)壓力增量。地鐵設(shè)計規(guī)范 (GB50157-2003條文說明 10.5.1

76、第 9款認為:“地震系數(shù)法用于下面 兩種情況較為適宜:一是地下結(jié)構(gòu)與地面建、構(gòu)筑物合建,即作為上部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)時;二 是當與圍巖的重量相比,結(jié)構(gòu)自身的重量較大時 (例如防護等級特別高的抗爆結(jié)構(gòu) 。但是 對于單建的以民用為主要目的的地鐵隧道,由于其包括凈空在內(nèi)的單位體積的重量一般都 比圍巖重量輕,地震時幾乎與圍巖一同變形。這時,作為地震對結(jié)構(gòu)的作用,隨圍巖一同 產(chǎn)生的變形的影響是主要的,慣性力的影響則可忽略不計。以這一概念建立起來的抗震分 析方法稱為“反應位移法”或“地震變形法” ,其特點是以地下結(jié)構(gòu)所在位置的地層位移 作為地震對結(jié)構(gòu)作用的輸入。 ”對于“地震變形法”抗震分析時如何確定結(jié)構(gòu)所在位置

77、的地層位移值,目前還缺少足 夠的資料;礦山法區(qū)間隧道在應用“地震系數(shù)法”或“地震變形法”抗震分析時,隧道隨 埋深的地震效應等也需進一步研究確定。因此,暫用地震系數(shù)法進行隧道結(jié)構(gòu)橫向與縱向 抗震分析。經(jīng)大量計算證明,在北京地區(qū)隧道結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為 7度或 8度條件下,地震偶然 荷載 (或影響程度 小于按上級批復的人防抗力標準的人防偶然荷載。因此,在計入人防偶 然荷載時,可不驗算地震偶然荷載。專家認為,由于礦山法區(qū)間隧道斷面較小,隧道選用帶仰拱的曲墻式結(jié)構(gòu),背后注漿 和二次襯砌采用 C30整體鋼筋混凝土等措施,已具備較好的抗震性能,一般情況下可不采 用其它抗震構(gòu)造措施。3.5、 3.8參照地鐵設(shè)

78、計規(guī)范和北京地鐵設(shè)計經(jīng)驗確定。3.6關(guān)于鄰近地面設(shè)施及建筑物對地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加荷載, 目前還沒有較簡便的計 算方法,本指南推薦按土壓力著作中的矩形面積均布作用下附近地層深度處引起的附加應 力計算方法計算。其他地面荷載分布形式,計算比較復雜,本指南省略,具體的計算方法 24詳見有關(guān)土壓力著作 (如土力學劉成宇主編 。3.7關(guān)于人防荷載,參照人民防空工程設(shè)計規(guī)范 (GB50225-95土中地道、坑道式 人防工程結(jié)構(gòu)荷載和結(jié)構(gòu)動力計算等章節(jié)的規(guī)定計算確定,本指南不再贅述。4初期支護設(shè)計計算4.1礦山法區(qū)間隧道初期支護是復合式結(jié)構(gòu)的主要承載部分, 應承擔施工期間的全部 地層荷載和地面荷載,并具有一定

79、的強度和剛度,對控制地層變形起主要作用,且也應滿 足一定耐久性要求。支護后隧道的信息化設(shè)計與隧道穩(wěn)定性判別是隧道技術(shù)發(fā)展趨勢。地鐵隧道施工中位 移監(jiān)測十分正規(guī),積累了豐富的資料,難點是地鐵隧道極限位移的確定。礦山法區(qū)間隧道初期支護按工程類比法設(shè)計,還應經(jīng)理論驗算,這是地鐵設(shè)計更高要 求的結(jié)果。4.2礦山法區(qū)間隧道埋深較淺,水土作用荷載較為明確;支護結(jié)構(gòu)厚度較大,獨立結(jié) 構(gòu)作用時間較長。因此,應用“荷載-結(jié)構(gòu)”計算模式是簡單和可行的。在地面有重要建 筑物或地中埋設(shè)物等要求計算地層變形時,應用“地層-結(jié)構(gòu)”計算模式,并參考有關(guān)經(jīng) 驗建模和計算結(jié)果評價。隧道支護、襯砌結(jié)構(gòu)受力后的變形受到地層的約束,

80、引起地層的約束力,阻止隧道結(jié) 構(gòu)變形的發(fā)展,改善結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。在北京地鐵礦山法隧道中,地層約束作用也是明顯 的。 在計算中按局部變形理論進行計算, 地層抗力系數(shù)取勘察基床系數(shù)。 按北京市地鐵四、 五和十號線部分工程地質(zhì)勘查資料統(tǒng)計,垂直基床系數(shù)與水平基床系數(shù)值差異較小,設(shè)計 中水平基床系數(shù)可與垂直基床系數(shù)取相同值。4.3采用“荷載-結(jié)構(gòu)”計算模式時,結(jié)構(gòu)被動荷載作用范圍可先初定,待計算中自 動試算最終確定。結(jié)構(gòu)被動荷載作用方向應是外輪廓的徑向,為簡化計算可在墻部設(shè)為水 平方向,底部為豎直方向,墻腳處為水平和豎直兩方向。根據(jù)初期支護的結(jié)構(gòu)形式,即格柵鋼架噴混凝土或無鋼架網(wǎng)噴混凝土,應分別采用鋼 筋混凝土或素混凝土結(jié)構(gòu)截面強度檢算方法。當無鋼架噴混凝土初期支護較薄時, 由于輪廓不平整, 彈性固定無鉸拱的作用不明顯, 與傳統(tǒng)的整體式襯砌的計算圖式相差較大, 更接近于殼, 受力更為復雜。 本指南將其按 4.3.2的圖式計算時,限定其運用條件為厚度在 25cm 以上。 25“北京地鐵礦山法區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計方法”研究成果介紹,采用“荷載-結(jié)構(gòu)”計算 模式,作用在初期支護結(jié)構(gòu)上的荷載有地層荷載、自重荷載和地面荷載,不計水壓力和偶 然荷載,不同埋深地鐵十號線礦山法區(qū)間隧道標準斷面截面的最小安全系數(shù)為 4.21,另外 選擇了太陽宮站麥子店站區(qū)間跨度 12.