北京地鐵淺埋暗挖雙連拱隧道設計摘要:北京地鐵十號線安定路站—北土城東站區間穿越安定路,由于路面下管線密布故采用礦山法施工,設計為雙連拱結構。文章介紹地鐵雙連拱結構的設計及施工方法。關鍵詞:地下鐵道 礦山法 雙連拱結構0 前言 雙連拱隧道在公路、鐵路隧道中已有較多的應用,但在地鐵隧道中的應用并不多見,而且地鐵的雙連拱隧道設計和施工與以巖石為主的公路、鐵路隧道有明顯不同。下面將結合北京地鐵設計實例對雙連拱隧道的設計進行探討。1 工程概況 北京地鐵十號線安定路站—北土城東站區間在靠近安定路站處,由于區間穿越安定路,安定路車流量比較大,并且路下管線密布,因此該段區間采用礦山法施工,設計為雙連拱結構。隧道埋深大約9m,斷面尺寸如圖1所示。
隧道穿越的土層為粉質粘土④層和粉土⑥2層。根據地勘報告,結構已進入潛水位,施工前需人工降水。根據本區間的水文地質情況,采用大口井“抽滲結合”的方法降水,將潛水位降低到結構底板以下約1m處。2 施工方法 雙連拱隧道常用的施工方法為中導洞法,即先施工中導洞,然后澆筑中隔墻,在中隔墻形成承載能力后,再進行側洞開挖,最后施作側洞襯砌以形成雙連拱結構。根據本段隧道的情況,要求先將中導洞貫通,然后再開挖兩側洞,這樣既可以通過中導洞了解該隧道的土層地質狀況,又能更好保證兩側洞施工安全。其施工步驟如下: 1)打超前小導管對拱頂土層預支護。 2)上、下臺階法開挖中導洞,并施作初期支護。 3)鋪設防水層澆筑中隔墻。 4)上、下臺階法分別開挖左右兩側洞,并施作初期支護。 5)分段拆除內部臨時支護,施作防水層,澆筑二次襯砌,完成結構施工。3 初襯支護參數 初襯采用C20噴射混凝土,小導管Φ42@300,L=3500mm,外傾角5°,縱向間距為1500mm。鋼格柵由4根Φ25鋼筋焊接而成,每榀格柵間距500mm,鋼筋網Φ6@200mm×200mm,雙側布置。格柵縱向拉結筋22,環向間距500mm,單側布置。4 結構設計4.1 荷載組合 采用的荷載組合如下: ①基本組合構件強度計算;②短期效應組合構件抗裂驗算;③抗震偶然組合構件強度驗算;④人防偶然組合構件強度驗算。4.2 主要荷載取值 1)結構自重:鋼筋混凝土重度γ=25kN/m3。 2)地層豎向壓力:本隧道覆土厚度為9m,為淺埋暗挖隧道,因此按計算截面以上全部土柱重量考慮;地層水平壓力:采用朗肯土壓力理論,施工階段外側取主動土壓力,使用階段取靜止土壓力。 3)地面超載:20kPa。 4)地震荷載:按8度地震烈度考慮。 5)人防荷載:5級人防,地面空氣沖擊波超壓峰值ΔPm=0.1MPa。4.3 結構計算 計算方法采用荷載—結構法。對施工階段和使用階段分別進行內力計算,初期支護單獨承載時,采用符合文克爾假定的彈性支承鏈桿來體現圍巖的彈性抗力。彈性支承的一端與支護在節點處鉸接,只傳遞軸向壓力。側向支承鏈桿水平方向布置,仰拱底面的支承鏈桿垂直布置。 初期支護與二次襯砌共同承載時,兩層襯砌之間的相互傳力作用以桁架單元模擬,每一桁架單元的兩端與其相應的內外層梁單元節點相鉸接。桁架單元只考慮承受壓力,桁架單元徑向設置。同時考慮在長期使用過程中,外部荷載因初期支護材料性能退化和剛度下降向二次襯砌轉移。4.3.1 初襯計算 初襯的計算按照施工步驟對每一工況分別進行計算,然后將所有工況的計算結果進行比較,確定控制截面的內力,計算結果見圖2、圖3、圖4。初襯計算時,水土壓力按水土合算考慮。4.3.2 二襯計算 按初期支護與二次襯砌共同承載計算二次襯砌內力時,由于初襯不考慮防水,因此由二次襯砌承受全部水壓力,而土壓力則作用在初襯上,考慮到在長期作用下,初期支護材料性能會逐漸退化,剛度會下降,以初襯的剛度乘以0.5倍的系數進行折減,計算結果見圖5。 經過計算發現:底部墻腳外側、底板跨中內側、拱背外側及拱頂內側為最不利控制點,通過對該部分控制點進行配筋計算,可以確定初襯、二次襯砌結構斷面所需的鋼筋數量。4.4 地震與人防設計 目前,地下結構的抗震設計是將地震作用用等代的靜力荷載代替,按靜力計算模型求結構的內力,人防設計是將人防荷載等效為靜荷載作用在結構上,從而求出結構的內力反應。由于抗震設計時結構安全系數降低,不考慮裂縫控制,人防設計時材料的強度系數提高,以及不考慮裂縫的控制。通過試算,在地震荷載和人防荷載作用下的結構產生的內力對結構斷面配筋不起控制作用。這樣地震與人防設計的重點是采取滿足規范要求的一些構造措施。5 監控量測 利用監控量測獲得的信息指導施工,這是淺埋暗挖法施工中必不可少的一個組成部分。通過監測對地層穩定性和支護系統可靠性作出判斷,及時采取相應措施,以確保施工的安全。本工程將地表位移、拱頂下沉、隧道周邊收斂等量測項目定為監控量測的必測項目,將土壓力、土體位移、支護應力等作為選測項目。當測點的位移時間曲線變化率呈明顯收斂趨勢,隧道水平收斂變化率<0.12mm/d,拱頂下沉變化率<0.1mm/d,而且所測的位移值大于預計總位移值的80%時,可以認為隧道已達到基本穩定。6 結構防水 防水設計遵循“以防為主、剛柔結合、多道防線、因地制宜、綜合治理”的原則,以結構自防水為根本,施工縫、變形縫等接縫防水為重點,輔以附加防水層加強防水,具體措施如下: 1)二次襯砌結構采用防水混凝土進行結構自防水,防水混凝土的抗滲等級≮S8。 2)隧道在初期支護與二次襯砌之間設置全包柔性防水層,防水層采用厚度為1.5mm的合成樹脂類防水板。在防水層與初期支護之間設置防水層的緩沖層,緩沖層材料采用單位重量≮400g/m2的無紡布,底板(包括仰拱)部分的防水板鋪設完畢后,在防水層上鋪設保護層,保護層采用厚度為5mm的纖維板或厚度≮1mm的HDPE防水板。 3)二次襯砌混凝土澆筑完畢后,應對拱頂部位的防水層和二次襯砌之間進行回填注漿處理。 4)在區間隧道內設置防水封閉區,防水封閉區采用在環向和水平縱向施工縫部位設置背貼式止水帶的方法進行處理。依靠止水帶齒條與二次襯砌混凝土之間的咬合以及止水帶注漿管后續注漿密封的方法沿隧道環向和縱向形成防水封閉區。7 結語 通過對北京地鐵雙連拱隧道設計與施工,主要得到以下一些經驗和體會: 1)由于雙連拱結構施工對周邊圍巖存在著多次擾動,特別是在中隔墻頂部存在著受力復雜的塑性區,因此,在設計、施工時應特別重視中隔墻的受力平衡及其穩定。 2)雙連拱隧道的結構特點決定了這種隧道形式在防水上的弱點,連拱上部低凹成槽,水易在槽中滯留。因此該部位初襯背后須注漿回填密實就顯得尤為重要,通過在拱頂預埋注漿管進行補充注漿,既可以防止初襯背后存在空洞,又可以有效地阻擋凹槽中的水向結構內部滲透。 3)雙連拱隧道中導洞的寬度在滿足受力要求的情況下可適當加大,這樣既能使中隔墻施工時有足夠的操作空間,同時根據計算中導洞寬度加大使中隔墻的受力減小。 4) 中導洞初襯施作完后,應盡快施作中隔墻,中隔墻的底部應做出一擴大腳,可以有效控制沉降。 5)在施工二次襯砌時,應分段拆除臨時支護,一次不宜超過10m,拆除過多會產生較大沉降變形。參考文獻[1]施仲衡,張彌,王新杰.地下鐵道設計與施工[M].西安:陜西科學技術出版社,1997.[2]GB50157—2003,地鐵設計規范[S].
隧道穿越的土層為粉質粘土④層和粉土⑥2層。根據地勘報告,結構已進入潛水位,施工前需人工降水。根據本區間的水文地質情況,采用大口井“抽滲結合”的方法降水,將潛水位降低到結構底板以下約1m處。2 施工方法 雙連拱隧道常用的施工方法為中導洞法,即先施工中導洞,然后澆筑中隔墻,在中隔墻形成承載能力后,再進行側洞開挖,最后施作側洞襯砌以形成雙連拱結構。根據本段隧道的情況,要求先將中導洞貫通,然后再開挖兩側洞,這樣既可以通過中導洞了解該隧道的土層地質狀況,又能更好保證兩側洞施工安全。其施工步驟如下: 1)打超前小導管對拱頂土層預支護。 2)上、下臺階法開挖中導洞,并施作初期支護。 3)鋪設防水層澆筑中隔墻。 4)上、下臺階法分別開挖左右兩側洞,并施作初期支護。 5)分段拆除內部臨時支護,施作防水層,澆筑二次襯砌,完成結構施工。3 初襯支護參數 初襯采用C20噴射混凝土,小導管Φ42@300,L=3500mm,外傾角5°,縱向間距為1500mm。鋼格柵由4根Φ25鋼筋焊接而成,每榀格柵間距500mm,鋼筋網Φ6@200mm×200mm,雙側布置。格柵縱向拉結筋22,環向間距500mm,單側布置。4 結構設計4.1 荷載組合 采用的荷載組合如下: ①基本組合構件強度計算;②短期效應組合構件抗裂驗算;③抗震偶然組合構件強度驗算;④人防偶然組合構件強度驗算。4.2 主要荷載取值 1)結構自重:鋼筋混凝土重度γ=25kN/m3。 2)地層豎向壓力:本隧道覆土厚度為9m,為淺埋暗挖隧道,因此按計算截面以上全部土柱重量考慮;地層水平壓力:采用朗肯土壓力理論,施工階段外側取主動土壓力,使用階段取靜止土壓力。 3)地面超載:20kPa。 4)地震荷載:按8度地震烈度考慮。 5)人防荷載:5級人防,地面空氣沖擊波超壓峰值ΔPm=0.1MPa。4.3 結構計算 計算方法采用荷載—結構法。對施工階段和使用階段分別進行內力計算,初期支護單獨承載時,采用符合文克爾假定的彈性支承鏈桿來體現圍巖的彈性抗力。彈性支承的一端與支護在節點處鉸接,只傳遞軸向壓力。側向支承鏈桿水平方向布置,仰拱底面的支承鏈桿垂直布置。 初期支護與二次襯砌共同承載時,兩層襯砌之間的相互傳力作用以桁架單元模擬,每一桁架單元的兩端與其相應的內外層梁單元節點相鉸接。桁架單元只考慮承受壓力,桁架單元徑向設置。同時考慮在長期使用過程中,外部荷載因初期支護材料性能退化和剛度下降向二次襯砌轉移。4.3.1 初襯計算 初襯的計算按照施工步驟對每一工況分別進行計算,然后將所有工況的計算結果進行比較,確定控制截面的內力,計算結果見圖2、圖3、圖4。初襯計算時,水土壓力按水土合算考慮。4.3.2 二襯計算 按初期支護與二次襯砌共同承載計算二次襯砌內力時,由于初襯不考慮防水,因此由二次襯砌承受全部水壓力,而土壓力則作用在初襯上,考慮到在長期作用下,初期支護材料性能會逐漸退化,剛度會下降,以初襯的剛度乘以0.5倍的系數進行折減,計算結果見圖5。 經過計算發現:底部墻腳外側、底板跨中內側、拱背外側及拱頂內側為最不利控制點,通過對該部分控制點進行配筋計算,可以確定初襯、二次襯砌結構斷面所需的鋼筋數量。4.4 地震與人防設計 目前,地下結構的抗震設計是將地震作用用等代的靜力荷載代替,按靜力計算模型求結構的內力,人防設計是將人防荷載等效為靜荷載作用在結構上,從而求出結構的內力反應。由于抗震設計時結構安全系數降低,不考慮裂縫控制,人防設計時材料的強度系數提高,以及不考慮裂縫的控制。通過試算,在地震荷載和人防荷載作用下的結構產生的內力對結構斷面配筋不起控制作用。這樣地震與人防設計的重點是采取滿足規范要求的一些構造措施。5 監控量測 利用監控量測獲得的信息指導施工,這是淺埋暗挖法施工中必不可少的一個組成部分。通過監測對地層穩定性和支護系統可靠性作出判斷,及時采取相應措施,以確保施工的安全。本工程將地表位移、拱頂下沉、隧道周邊收斂等量測項目定為監控量測的必測項目,將土壓力、土體位移、支護應力等作為選測項目。當測點的位移時間曲線變化率呈明顯收斂趨勢,隧道水平收斂變化率<0.12mm/d,拱頂下沉變化率<0.1mm/d,而且所測的位移值大于預計總位移值的80%時,可以認為隧道已達到基本穩定。6 結構防水 防水設計遵循“以防為主、剛柔結合、多道防線、因地制宜、綜合治理”的原則,以結構自防水為根本,施工縫、變形縫等接縫防水為重點,輔以附加防水層加強防水,具體措施如下: 1)二次襯砌結構采用防水混凝土進行結構自防水,防水混凝土的抗滲等級≮S8。 2)隧道在初期支護與二次襯砌之間設置全包柔性防水層,防水層采用厚度為1.5mm的合成樹脂類防水板。在防水層與初期支護之間設置防水層的緩沖層,緩沖層材料采用單位重量≮400g/m2的無紡布,底板(包括仰拱)部分的防水板鋪設完畢后,在防水層上鋪設保護層,保護層采用厚度為5mm的纖維板或厚度≮1mm的HDPE防水板。 3)二次襯砌混凝土澆筑完畢后,應對拱頂部位的防水層和二次襯砌之間進行回填注漿處理。 4)在區間隧道內設置防水封閉區,防水封閉區采用在環向和水平縱向施工縫部位設置背貼式止水帶的方法進行處理。依靠止水帶齒條與二次襯砌混凝土之間的咬合以及止水帶注漿管后續注漿密封的方法沿隧道環向和縱向形成防水封閉區。7 結語 通過對北京地鐵雙連拱隧道設計與施工,主要得到以下一些經驗和體會: 1)由于雙連拱結構施工對周邊圍巖存在著多次擾動,特別是在中隔墻頂部存在著受力復雜的塑性區,因此,在設計、施工時應特別重視中隔墻的受力平衡及其穩定。 2)雙連拱隧道的結構特點決定了這種隧道形式在防水上的弱點,連拱上部低凹成槽,水易在槽中滯留。因此該部位初襯背后須注漿回填密實就顯得尤為重要,通過在拱頂預埋注漿管進行補充注漿,既可以防止初襯背后存在空洞,又可以有效地阻擋凹槽中的水向結構內部滲透。 3)雙連拱隧道中導洞的寬度在滿足受力要求的情況下可適當加大,這樣既能使中隔墻施工時有足夠的操作空間,同時根據計算中導洞寬度加大使中隔墻的受力減小。 4) 中導洞初襯施作完后,應盡快施作中隔墻,中隔墻的底部應做出一擴大腳,可以有效控制沉降。 5)在施工二次襯砌時,應分段拆除臨時支護,一次不宜超過10m,拆除過多會產生較大沉降變形。參考文獻[1]施仲衡,張彌,王新杰.地下鐵道設計與施工[M].西安:陜西科學技術出版社,1997.[2]GB50157—2003,地鐵設計規范[S].