第四章 隧道及地下工程構(gòu)造設(shè)計(jì)

第一節(jié)隧道橫斷面的設(shè)計(jì)要考慮到隧道斷面的大小滿足限界的要求。一、幾個基本概念：限界、隧道建筑限界、隧道實(shí)際限界。限界：列車是沿固定軌道高速運(yùn)動的物體，根據(jù)各種參數(shù)和尺寸，經(jīng)過計(jì)算確定的空間尺寸稱為限界。車輛限界：根據(jù)車輛輪廓線確定的尺寸。隧道建筑限界：考慮到照明、通訊和信號等設(shè)備的安裝，在車輛限界的基礎(chǔ)上確定的限界稱為建筑限界。隧道實(shí)際限界：考慮到列車運(yùn)行時的左右搖擺、隧道施工時偏離中心線的誤差、襯砌的變形以及其它因素，隧道實(shí)際限界比規(guī)定的隧道建筑限界稍微放寬一些。二、限界含義及其制定的原則（1）限界是確定行車軌道周圍構(gòu)筑物凈空的大小，是管線和設(shè)備安裝相互位置的依據(jù)，是專業(yè)間共同遵守的技術(shù)規(guī)定，它應(yīng)經(jīng)濟(jì)、合理、安全可靠。（2）限界應(yīng)依據(jù)車輛的輪廓尺寸和技術(shù)參數(shù)、軌道特性、受電方式、施工方法、設(shè)備安裝等綜合因素進(jìn)行分析計(jì)算確定。（3）限界一般是按平直線路的條件進(jìn)行制定。而曲線和道岔區(qū)的限界應(yīng)在直線地段限界的基礎(chǔ)上根據(jù)車輛的有關(guān)尺寸以及不同曲線半徑、超高、不同的道岔類型分別進(jìn)行加寬和加高。（4）在制定限界時，對結(jié)構(gòu)施工、測量、變形誤差，設(shè)備制造和安裝誤差，設(shè)計(jì)、施工運(yùn)營過程中難于預(yù)計(jì)的其它因素在內(nèi)的安全留量等，都應(yīng)分別進(jìn)行研究確定。三、限界基本內(nèi)容（1）限界坐標(biāo)系限界的坐標(biāo)系是二維直角坐標(biāo)，車輛橫斷面的垂直中心線與平直軌道橫斷面的垂直中心線相重合為縱坐標(biāo)軸Y。平直軌道軌頂連線為橫坐標(biāo)軸X，兩軸相垂的交點(diǎn)作為坐標(biāo)的原點(diǎn)Oxy。（2）車輛輪廓線1）車輛輪廓線的含義。車輛橫斷面外輪廓線，是經(jīng)過研究分析后確定，是作為確定車輛限界及設(shè)備限界的依據(jù)，是車輛設(shè)計(jì)和制造的基本數(shù)據(jù)。2）車體外輪廓尺寸。目前，我國規(guī)定地鐵車輛采用標(biāo)準(zhǔn)車型和寬體車型兩種。上海、廣州、南京采用寬體車型，北京、天津采用標(biāo)準(zhǔn)車型。盡管車型不同，但其制定限界的內(nèi)容和方法是相同的。由于幾個城市采用寬體車的車體外輪廓尺寸還沒有完全統(tǒng)一，限界的具體數(shù)值稍有出入，現(xiàn)以標(biāo)準(zhǔn)車型為例說明各種限界。標(biāo)準(zhǔn)車體長19000mm，寬2800mm，高3510mm或3700mm～3800mm（空調(diào)車）。3）車輛定距為12600mm。4）轉(zhuǎn)向架固定軸距為2100mm～2300mm。5）車輛地板面距軌面高度為1100mm。車輛輪廓線各點(diǎn)坐標(biāo)值，見下表。（3）車輛限界車輛限界的含義：根據(jù)車輛的輪廓尺寸和技術(shù)參數(shù)，并考慮靜態(tài)和動態(tài)情況下所能達(dá)到的橫向和豎向偏移量，按可能產(chǎn)生的最不利組合進(jìn)行計(jì)算。（4）設(shè)備限界車輛限界的基礎(chǔ)上+車輛的偏移和傾斜+設(shè)計(jì)、施工中不可預(yù)計(jì)的安全預(yù)留量。所有固定設(shè)備及土木工程的任何部分都不得侵入此輪廓線內(nèi)。（5）建筑限界1）定義：建筑限界是隧道和高架橋等結(jié)構(gòu)物的最小橫斷面有效內(nèi)輪廓線。在建筑限界以內(nèi)、設(shè)備限界以外的空間，應(yīng)能滿足固定設(shè)備和管線安裝的需要。在進(jìn)行隧道和高架設(shè)計(jì)時，必須考慮施工誤差、測量誤差、結(jié)構(gòu)變形等因素，才能保證竣工后隧道和高架的有效凈空滿足建筑限界的要求。四、區(qū)間直線段建筑限界（1）區(qū)間隧道的建筑限界是根據(jù)已定的車輛類型、受電方式、施工方法及以地質(zhì)條件等按不同結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行確定的。（2）區(qū)間直線段矩形隧道建筑限界。明挖施工的矩形隧道，其單洞單線隧道建筑限界寬度為4100mm，高度為4500mm。（3）圓形隧道建筑限界。盾構(gòu)施工的圓形隧道，不論在直線或曲線地段，只能采用同一直徑的盾構(gòu)，要想把直線和不同曲線半徑的地段分別采用不同直徑的盾構(gòu)進(jìn)行施工，是不可能的，所以應(yīng)按最小曲線半徑選用盾構(gòu)直徑進(jìn)行施工，才能滿足圓形隧道的建筑限界要求。如線路最小平面曲線半徑R=300m，圓形隧道建筑限界的直徑宜為∮=5200mm，見圖。（4）馬蹄形隧道建筑限界。隧道斷面需根據(jù)圍巖條件來確定其形式，當(dāng)圍巖條件較好時，可采用拱形直墻式或拱形墻式；在圍巖條件較差時，要增設(shè)仰拱。馬蹄形隧道內(nèi)部凈空尺寸，應(yīng)考慮其施工誤差才能滿足建筑限界的要求，一般在建筑限界的兩側(cè)及頂部各增加100mm。礦山法施工的淺埋暗挖隧道，多采用馬蹄形斷面，其建筑限界最大寬度為4820mm，最大高度為5160mm。五、曲線隧道的凈空加寬：1、由于曲線外軌超高引起車體內(nèi)傾所需要的加寬值；曲線上為了抵消向外的離心力，外軌需要抬起一個高度，稱之為外軌超高。由于外軌有了超高，使車體向內(nèi)傾斜，車體中線由原來的豎直變?yōu)橄騼?nèi)傾斜，隧道建筑限界上方控制點(diǎn)“J”向內(nèi)偏離線路中線一個水平距離d超內(nèi)d超內(nèi)—由于外軌超高，曲線隧道內(nèi)側(cè)應(yīng)予加寬的量值；E—曲線外軌超高；H—隧道建筑限界控制點(diǎn)J自軌面算起的高度。2、由于車體平移所需要的加寬值車輛經(jīng)過曲線時，車體的前后兩個轉(zhuǎn)向架中心點(diǎn)是沿著曲線線路前進(jìn)的，但是車體是剛性體，因而車輛中部向曲線內(nèi)側(cè)平移，車體前后端向曲線外側(cè)平移：R-曲線半徑；L-車輛長度；l-車輛前后轉(zhuǎn)向架中心間距。由于L=26m，l=18m曲線隧道的總加寬值：六、隧道襯砌斷面的初步擬定由于隧道結(jié)構(gòu)襯砌是一個超靜定結(jié)構(gòu)，不能直接計(jì)算出襯砌截面尺寸，因此，一般先假定一個尺寸，然后進(jìn)行計(jì)算：主要包括三個內(nèi)容：1、選定結(jié)構(gòu)的內(nèi)輪廓（凈空形狀）：要滿足限界要求。2、選定結(jié)構(gòu)軸線：結(jié)構(gòu)的軸線盡量接近壓力線。1）當(dāng)襯砌承受徑向分布的靜水壓力，結(jié)構(gòu)軸線為圓形；2）主要承受豎向荷載和不大的水平荷載，結(jié)構(gòu)采用直墻式；3）承受豎向荷載和較大的水平荷載，采用曲墻式。4）如果承受底鼓壓力，要設(shè)置仰拱。3、確定截面厚度：不能太厚，也不能太薄。第二節(jié)隧道洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造一、就地模筑混凝土整體式襯砌：1、直墻式襯砌：適用于地質(zhì)條件比較好（Ⅳ、Ⅴ類圍巖），圍巖壓力以豎向?yàn)橹鳌缀鯖]有或僅有很小的水平側(cè)壓力，襯砌由上部拱圈、兩側(cè)豎直邊墻和下部鋪底三部分組成。在地質(zhì)條件極好、整體巖層堅(jiān)固的情況下，并且沒有地下水的情況下，則只設(shè)置拱圈，省去邊墻，稱之為半襯砌。2、曲墻式襯砌適用于地質(zhì)比較差、巖體松散破碎，強(qiáng)度不高，有地下水，側(cè)向水平壓力比較大的情況，它由頂部拱圈、側(cè)面曲邊墻和底部仰拱組成。二、裝配式襯砌優(yōu)點(diǎn)：1、一經(jīng)裝配成環(huán)，不需要養(yǎng)生時間，即可承受圍巖壓力；2、預(yù)制的構(gòu)件可以在隧道外面生產(chǎn)，在洞內(nèi)機(jī)械化拼裝，從而改善了勞動條件；3、拼裝時，不需要臨時支撐如拱架、模板等；4、施工速度快。三、錨噴支護(hù)四、復(fù)合式襯砌1、初期支護(hù)（格柵、型鋼、錨噴混凝土）；2、防水層；3、二次襯砌第三節(jié)地下工程結(jié)構(gòu)與構(gòu)造（以地鐵工程為例）一、區(qū)間隧道襯砌結(jié)構(gòu)與構(gòu)造1、明挖法修建的隧道襯砌結(jié)構(gòu)與構(gòu)造(1)現(xiàn)澆整體式(2)預(yù)制裝配式

2、礦山法修建的隧道襯砌結(jié)構(gòu)與構(gòu)造1）、標(biāo)準(zhǔn)斷面的隧道（單孔單線）標(biāo)準(zhǔn)斷面區(qū)間隧道通常為單線隧道。2）、單孔雙線隧道；3）、渡線段、存車線的區(qū)間隧道。渡線段區(qū)間隧道一般為雙線或三線隧道，有時也是會雙連拱或三連拱隧道。礦山法修建的隧道通常采用復(fù)合式襯砌。初期支護(hù)（格柵、型鋼、錨噴混凝土）；防水層；二次襯砌在設(shè)計(jì)隧道襯砌時，應(yīng)滿足以下基本要求（1）必須與圍巖大面積牢固接觸，保證襯砌和圍巖作為一個整體來工作；（2）要允許圍巖產(chǎn)生有限制的變形（3）隧道襯砌設(shè)計(jì)成封閉式的；（4）隧道襯砌能分期施工北京地鐵5號線和平里北街站北端設(shè)有存車線，其中存車線的渡線段長109.106m，存車線長202.494m，總長311.6m。該段襯砌結(jié)構(gòu)型式有單線、雙線、大跨及雙連拱襯砌；區(qū)間其余地段均為單線襯砌。二、隧道襯砌斷面的擬定由于隧道結(jié)構(gòu)襯砌是一個超靜定結(jié)構(gòu)，不能直接計(jì)算出襯砌截面尺寸，因此，一般先假定一個尺寸，然后進(jìn)行計(jì)算：主要包括三個內(nèi)