北京地铁浅埋暗挖双连拱隧道设计摘要:北京地铁十号线安定路站—北土城东站区间穿越安定路,由于路面下管线密布故采用矿山法施工,设计为双连拱结构。文章介绍地铁双连拱结构的设计及施工方法。关键词:地下铁道 矿山法 双连拱结构0 前言 双连拱隧道在公路、铁路隧道中已有较多的应用,但在地铁隧道中的应用并不多见,而且地铁的双连拱隧道设计和施工与以岩石为主的公路、铁路隧道有明显不同。下面将结合北京地铁设计实例对双连拱隧道的设计进行探讨。1 工程概况 北京地铁十号线安定路站—北土城东站区间在靠近安定路站处,由于区间穿越安定路,安定路车流量比较大,并且路下管线密布,因此该段区间采用矿山法施工,设计为双连拱结构。隧道埋深大约9m,断面尺寸如图1所示。
隧道穿越的土层为粉质粘土④层和粉土⑥2层。根据地勘报告,结构已进入潜水位,施工前需人工降水。根据本区间的水文地质情况,采用大口井“抽渗结合”的方法降水,将潜水位降低到结构底板以下约1m处。2 施工方法 双连拱隧道常用的施工方法为中导洞法,即先施工中导洞,然后浇筑中隔墙,在中隔墙形成承载能力后,再进行侧洞开挖,最后施作侧洞衬砌以形成双连拱结构。根据本段隧道的情况,要求先将中导洞贯通,然后再开挖两侧洞,这样既可以通过中导洞了解该隧道的土层地质状况,又能更好保证两侧洞施工安全。其施工步骤如下: 1)打超前小导管对拱顶土层预支护。 2)上、下台阶法开挖中导洞,并施作初期支护。 3)铺设防水层浇筑中隔墙。 4)上、下台阶法分别开挖左右两侧洞,并施作初期支护。 5)分段拆除内部临时支护,施作防水层,浇筑二次衬砌,完成结构施工。3 初衬支护参数 初衬采用C20喷射混凝土,小导管Φ42@300,L=3500mm,外倾角5°,纵向间距为1500mm。钢格栅由4根Φ25钢筋焊接而成,每榀格栅间距500mm,钢筋网Φ6@200mm×200mm,双侧布置。格栅纵向拉结筋22,环向间距500mm,单侧布置。4 结构设计4.1 荷载组合 采用的荷载组合如下: ①基本组合构件强度计算;②短期效应组合构件抗裂验算;③抗震偶然组合构件强度验算;④人防偶然组合构件强度验算。4.2 主要荷载取值 1)结构自重:钢筋混凝土重度γ=25kN/m3。 2)地层竖向压力:本隧道覆土厚度为9m,为浅埋暗挖隧道,因此按计算截面以上全部土柱重量考虑;地层水平压力:采用朗肯土压力理论,施工阶段外侧取主动土压力,使用阶段取静止土压力。 3)地面超载:20kPa。 4)地震荷载:按8度地震烈度考虑。 5)人防荷载:5级人防,地面空气冲击波超压峰值ΔPm=0.1MPa。4.3 结构计算 计算方法采用荷载—结构法。对施工阶段和使用阶段分别进行内力计算,初期支护单独承载时,采用符合文克尔假定的弹性支承链杆来体现围岩的弹性抗力。弹性支承的一端与支护在节点处铰接,只传递轴向压力。侧向支承链杆水平方向布置,仰拱底面的支承链杆垂直布置。 初期支护与二次衬砌共同承载时,两层衬砌之间的相互传力作用以桁架单元模拟,每一桁架单元的两端与其相应的内外层梁单元节点相铰接。桁架单元只考虑承受压力,桁架单元径向设置。同时考虑在长期使用过程中,外部荷载因初期支护材料性能退化和刚度下降向二次衬砌转移。4.3.1 初衬计算 初衬的计算按照施工步骤对每一工况分别进行计算,然后将所有工况的计算结果进行比较,确定控制截面的内力,计算结果见图2、图3、图4。初衬计算时,水土压力按水土合算考虑。4.3.2 二衬计算 按初期支护与二次衬砌共同承载计算二次衬砌内力时,由于初衬不考虑防水,因此由二次衬砌承受全部水压力,而土压力则作用在初衬上,考虑到在长期作用下,初期支护材料性能会逐渐退化,刚度会下降,以初衬的刚度乘以0.5倍的系数进行折减,计算结果见图5。 经过计算发现:底部墙脚外侧、底板跨中内侧、拱背外侧及拱顶内侧为最不利控制点,通过对该部分控制点进行配筋计算,可以确定初衬、二次衬砌结构断面所需的钢筋数量。4.4 地震与人防设计 目前,地下结构的抗震设计是将地震作用用等代的静力荷载代替,按静力计算模型求结构的内力,人防设计是将人防荷载等效为静荷载作用在结构上,从而求出结构的内力反应。由于抗震设计时结构安全系数降低,不考虑裂缝控制,人防设计时材料的强度系数提高,以及不考虑裂缝的控制。通过试算,在地震荷载和人防荷载作用下的结构产生的内力对结构断面配筋不起控制作用。这样地震与人防设计的重点是采取满足规范要求的一些构造措施。5 监控量测 利用监控量测获得的信息指导施工,这是浅埋暗挖法施工中必不可少的一个组成部分。通过监测对地层稳定性和支护系统可靠性作出判断,及时采取相应措施,以确保施工的安全。本工程将地表位移、拱顶下沉、隧道周边收敛等量测项目定为监控量测的必测项目,将土压力、土体位移、支护应力等作为选测项目。当测点的位移时间曲线变化率呈明显收敛趋势,隧道水平收敛变化率<0.12mm/d,拱顶下沉变化率<0.1mm/d,而且所测的位移值大于预计总位移值的80%时,可以认为隧道已达到基本稳定。6 结构防水 防水设计遵循“以防为主、刚柔结合、多道防线、因地制宜、综合治理”的原则,以结构自防水为根本,施工缝、变形缝等接缝防水为重点,辅以附加防水层加强防水,具体措施如下: 1)二次衬砌结构采用防水混凝土进行结构自防水,防水混凝土的抗渗等级≮S8。 2)隧道在初期支护与二次衬砌之间设置全包柔性防水层,防水层采用厚度为1.5mm的合成树脂类防水板。在防水层与初期支护之间设置防水层的缓冲层,缓冲层材料采用单位重量≮400g/m2的无纺布,底板(包括仰拱)部分的防水板铺设完毕后,在防水层上铺设保护层,保护层采用厚度为5mm的纤维板或厚度≮1mm的HDPE防水板。 3)二次衬砌混凝土浇筑完毕后,应对拱顶部位的防水层和二次衬砌之间进行回填注浆处理。 4)在区间隧道内设置防水封闭区,防水封闭区采用在环向和水平纵向施工缝部位设置背贴式止水带的方法进行处理。依靠止水带齿条与二次衬砌混凝土之间的咬合以及止水带注浆管后续注浆密封的方法沿隧道环向和纵向形成防水封闭区。7 结语 通过对北京地铁双连拱隧道设计与施工,主要得到以下一些经验和体会: 1)由于双连拱结构施工对周边围岩存在着多次扰动,特别是在中隔墙顶部存在着受力复杂的塑性区,因此,在设计、施工时应特别重视中隔墙的受力平衡及其稳定。 2)双连拱隧道的结构特点决定了这种隧道形式在防水上的弱点,连拱上部低凹成槽,水易在槽中滞留。因此该部位初衬背后须注浆回填密实就显得尤为重要,通过在拱顶预埋注浆管进行补充注浆,既可以防止初衬背后存在空洞,又可以有效地阻挡凹槽中的水向结构内部渗透。 3)双连拱隧道中导洞的宽度在满足受力要求的情况下可适当加大,这样既能使中隔墙施工时有足够的操作空间,同时根据计算中导洞宽度加大使中隔墙的受力减小。 4) 中导洞初衬施作完后,应尽快施作中隔墙,中隔墙的底部应做出一扩大脚,可以有效控制沉降。 5)在施工二次衬砌时,应分段拆除临时支护,一次不宜超过10m,拆除过多会产生较大沉降变形。参考文献[1]施仲衡,张弥,王新杰.地下铁道设计与施工[M].西安:陕西科学技术出版社,1997.[2]GB50157—2003,地铁设计规范[S].
隧道穿越的土层为粉质粘土④层和粉土⑥2层。根据地勘报告,结构已进入潜水位,施工前需人工降水。根据本区间的水文地质情况,采用大口井“抽渗结合”的方法降水,将潜水位降低到结构底板以下约1m处。2 施工方法 双连拱隧道常用的施工方法为中导洞法,即先施工中导洞,然后浇筑中隔墙,在中隔墙形成承载能力后,再进行侧洞开挖,最后施作侧洞衬砌以形成双连拱结构。根据本段隧道的情况,要求先将中导洞贯通,然后再开挖两侧洞,这样既可以通过中导洞了解该隧道的土层地质状况,又能更好保证两侧洞施工安全。其施工步骤如下: 1)打超前小导管对拱顶土层预支护。 2)上、下台阶法开挖中导洞,并施作初期支护。 3)铺设防水层浇筑中隔墙。 4)上、下台阶法分别开挖左右两侧洞,并施作初期支护。 5)分段拆除内部临时支护,施作防水层,浇筑二次衬砌,完成结构施工。3 初衬支护参数 初衬采用C20喷射混凝土,小导管Φ42@300,L=3500mm,外倾角5°,纵向间距为1500mm。钢格栅由4根Φ25钢筋焊接而成,每榀格栅间距500mm,钢筋网Φ6@200mm×200mm,双侧布置。格栅纵向拉结筋22,环向间距500mm,单侧布置。4 结构设计4.1 荷载组合 采用的荷载组合如下: ①基本组合构件强度计算;②短期效应组合构件抗裂验算;③抗震偶然组合构件强度验算;④人防偶然组合构件强度验算。4.2 主要荷载取值 1)结构自重:钢筋混凝土重度γ=25kN/m3。 2)地层竖向压力:本隧道覆土厚度为9m,为浅埋暗挖隧道,因此按计算截面以上全部土柱重量考虑;地层水平压力:采用朗肯土压力理论,施工阶段外侧取主动土压力,使用阶段取静止土压力。 3)地面超载:20kPa。 4)地震荷载:按8度地震烈度考虑。 5)人防荷载:5级人防,地面空气冲击波超压峰值ΔPm=0.1MPa。4.3 结构计算 计算方法采用荷载—结构法。对施工阶段和使用阶段分别进行内力计算,初期支护单独承载时,采用符合文克尔假定的弹性支承链杆来体现围岩的弹性抗力。弹性支承的一端与支护在节点处铰接,只传递轴向压力。侧向支承链杆水平方向布置,仰拱底面的支承链杆垂直布置。 初期支护与二次衬砌共同承载时,两层衬砌之间的相互传力作用以桁架单元模拟,每一桁架单元的两端与其相应的内外层梁单元节点相铰接。桁架单元只考虑承受压力,桁架单元径向设置。同时考虑在长期使用过程中,外部荷载因初期支护材料性能退化和刚度下降向二次衬砌转移。4.3.1 初衬计算 初衬的计算按照施工步骤对每一工况分别进行计算,然后将所有工况的计算结果进行比较,确定控制截面的内力,计算结果见图2、图3、图4。初衬计算时,水土压力按水土合算考虑。4.3.2 二衬计算 按初期支护与二次衬砌共同承载计算二次衬砌内力时,由于初衬不考虑防水,因此由二次衬砌承受全部水压力,而土压力则作用在初衬上,考虑到在长期作用下,初期支护材料性能会逐渐退化,刚度会下降,以初衬的刚度乘以0.5倍的系数进行折减,计算结果见图5。 经过计算发现:底部墙脚外侧、底板跨中内侧、拱背外侧及拱顶内侧为最不利控制点,通过对该部分控制点进行配筋计算,可以确定初衬、二次衬砌结构断面所需的钢筋数量。4.4 地震与人防设计 目前,地下结构的抗震设计是将地震作用用等代的静力荷载代替,按静力计算模型求结构的内力,人防设计是将人防荷载等效为静荷载作用在结构上,从而求出结构的内力反应。由于抗震设计时结构安全系数降低,不考虑裂缝控制,人防设计时材料的强度系数提高,以及不考虑裂缝的控制。通过试算,在地震荷载和人防荷载作用下的结构产生的内力对结构断面配筋不起控制作用。这样地震与人防设计的重点是采取满足规范要求的一些构造措施。5 监控量测 利用监控量测获得的信息指导施工,这是浅埋暗挖法施工中必不可少的一个组成部分。通过监测对地层稳定性和支护系统可靠性作出判断,及时采取相应措施,以确保施工的安全。本工程将地表位移、拱顶下沉、隧道周边收敛等量测项目定为监控量测的必测项目,将土压力、土体位移、支护应力等作为选测项目。当测点的位移时间曲线变化率呈明显收敛趋势,隧道水平收敛变化率<0.12mm/d,拱顶下沉变化率<0.1mm/d,而且所测的位移值大于预计总位移值的80%时,可以认为隧道已达到基本稳定。6 结构防水 防水设计遵循“以防为主、刚柔结合、多道防线、因地制宜、综合治理”的原则,以结构自防水为根本,施工缝、变形缝等接缝防水为重点,辅以附加防水层加强防水,具体措施如下: 1)二次衬砌结构采用防水混凝土进行结构自防水,防水混凝土的抗渗等级≮S8。 2)隧道在初期支护与二次衬砌之间设置全包柔性防水层,防水层采用厚度为1.5mm的合成树脂类防水板。在防水层与初期支护之间设置防水层的缓冲层,缓冲层材料采用单位重量≮400g/m2的无纺布,底板(包括仰拱)部分的防水板铺设完毕后,在防水层上铺设保护层,保护层采用厚度为5mm的纤维板或厚度≮1mm的HDPE防水板。 3)二次衬砌混凝土浇筑完毕后,应对拱顶部位的防水层和二次衬砌之间进行回填注浆处理。 4)在区间隧道内设置防水封闭区,防水封闭区采用在环向和水平纵向施工缝部位设置背贴式止水带的方法进行处理。依靠止水带齿条与二次衬砌混凝土之间的咬合以及止水带注浆管后续注浆密封的方法沿隧道环向和纵向形成防水封闭区。7 结语 通过对北京地铁双连拱隧道设计与施工,主要得到以下一些经验和体会: 1)由于双连拱结构施工对周边围岩存在着多次扰动,特别是在中隔墙顶部存在着受力复杂的塑性区,因此,在设计、施工时应特别重视中隔墙的受力平衡及其稳定。 2)双连拱隧道的结构特点决定了这种隧道形式在防水上的弱点,连拱上部低凹成槽,水易在槽中滞留。因此该部位初衬背后须注浆回填密实就显得尤为重要,通过在拱顶预埋注浆管进行补充注浆,既可以防止初衬背后存在空洞,又可以有效地阻挡凹槽中的水向结构内部渗透。 3)双连拱隧道中导洞的宽度在满足受力要求的情况下可适当加大,这样既能使中隔墙施工时有足够的操作空间,同时根据计算中导洞宽度加大使中隔墙的受力减小。 4) 中导洞初衬施作完后,应尽快施作中隔墙,中隔墙的底部应做出一扩大脚,可以有效控制沉降。 5)在施工二次衬砌时,应分段拆除临时支护,一次不宜超过10m,拆除过多会产生较大沉降变形。参考文献[1]施仲衡,张弥,王新杰.地下铁道设计与施工[M].西安:陕西科学技术出版社,1997.[2]GB50157—2003,地铁设计规范[S].
