第6章 交通地下工程支護結(jié)構(gòu)類型及參數(shù)設(shè)計

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第6章交通地下工程支護結(jié)構(gòu)類型及參數(shù)設(shè)計 6.1地下工程圍巖與支護結(jié)構(gòu)的共同作用地下工程開挖時，由于臨空面的形成，圍巖開始向洞內(nèi)產(chǎn)生位移，我們稱之為收斂。地下工程應在開挖后適時地沿周邊設(shè)置支護結(jié)構(gòu)，對巖體的移動產(chǎn)生抗力（阻力），形成約束。收斂和約束的概念 6.1.1圍巖支護需求曲線修正前:在理想條件下：①在形成塑性區(qū)后，無論加多大的支護阻力都不能使圍巖的徑向位移為零；②不論支護阻力如何?。ㄉ踔敛辉O(shè)支護），圍巖總是可以通過增大塑性區(qū)范圍來取得自身的穩(wěn)定而不致坍塌。 修正后:曲線形象地表達了支護結(jié)構(gòu)與圍巖之間的相互作用：在極限位移范圍內(nèi)，圍巖允許的位移大了，所需的支護阻力就??；圍巖允許的位移小了，所需的支護阻力就大。所以這條曲線可以稱為“支護需求曲線”或“圍巖特性曲線”。6.1.1圍巖支護需求曲線 6.1.2支護結(jié)構(gòu)的補給曲線（支護特性曲線）任何一種支護結(jié)構(gòu)，如鋼拱支撐，錨桿、噴射混凝土層、模板灌注混凝土襯砌等，只要有一定的剛度，并和圍巖緊密接觸，總能對圍巖變形提供一定的約束力，即支護阻力。但由于每一種支護形式都有自己的結(jié)構(gòu)特點，提供的支護阻力大小與分布，以及它隨支護變形而增加的情況都有很大的不同。 6.1.2支護結(jié)構(gòu)的補給曲線（支護特性曲線）以圓形隧道為研究對象，并假定圍巖作用在支護結(jié)構(gòu)的反力也是徑向勻布的。相對于圍巖的力學特性而言，混凝土或鋼支護結(jié)構(gòu)的力學特性可以認為是線彈性的，即Ks定義為支護結(jié)構(gòu)的剛度，不同的支護結(jié)構(gòu)型式將有不同的Ks值 1.混凝土或噴射混凝土的支護結(jié)構(gòu)支護結(jié)構(gòu)的剛度:支護結(jié)構(gòu)提供的最大支護阻力Pamax為:Ec和Rc是混凝土或噴射混凝土的彈性模量和抗壓強度。 2.灌漿錨桿是1的系數(shù)，表示灌漿后所增加的剛度，Es是鋼筋的彈性模量，dB、Sa、Se，l是錨桿的直徑、縱向和橫向間距、長度。而錨桿最大的抗拔力只能參考以往類似的工程實例確定。 3.組合式支護結(jié)構(gòu)如采用噴射混凝土和鋼錨桿聯(lián)合支護時，其組合的支護剛度即為：它能提供的最大支護阻力也是兩者之和。 支護結(jié)構(gòu)所能提供的支護阻力是隨支護結(jié)構(gòu)的剛度而增大，所以，這條曲線又稱為“支護補給曲線”，或稱為“支護特性曲線” 6.1.3圍巖與支護結(jié)構(gòu)的相互作用初期圍巖所需的支護約束力很大，而一般支護結(jié)構(gòu)所能供給的則很小。因此，圍巖繼續(xù)變形，在變形過程中支護結(jié)構(gòu)的約束阻力進一步增長，如果支護結(jié)構(gòu)有足夠的強度和剛度，則圍巖的支護需求曲線和支護結(jié)構(gòu)的支護補給曲線會相交一點，而達到平衡。隨著時間的推移，圍巖性質(zhì)惡化、錨桿銹蝕等，這個平衡狀態(tài)還將調(diào)整。 （一）不同剛度的支護結(jié)構(gòu)與圍巖達成平衡時的支護和位移是不同的。（二）同樣剛度的支護結(jié)構(gòu)，架設(shè)的時間不同，最后達成平衡的狀態(tài)也是不同的 6.2支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則6.2.1對支護結(jié)構(gòu)的基本要求（1）必須能與圍巖大面積地牢固接觸。（2）要允許地下結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生有限制的變形。（3）要能分期施工，并使早期支護和后期支護相互配合，“主動”控制圍巖的變形。（4）支護結(jié)構(gòu)要滿足易于架設(shè)，構(gòu)件可以互換，斷面類型單一等施工技術(shù)上的要求。 6.2.2支護結(jié)構(gòu)類型的選擇和設(shè)計支護結(jié)構(gòu)的類型：木支撐、鋼支撐、錨桿和金屬網(wǎng)支護、噴射混凝土和混凝土支護以及復合式支護結(jié)構(gòu)。1、支護結(jié)構(gòu)類型的選擇 木支撐只是在塌方搶救時用來作為臨時支撐。鋼支撐基本上有兩種形式，一種是用型鋼做成的鋼拱，另一種是用鋼筋焊成的格柵拱。錨桿所提供的支護阻力比較小，尤其不能防止小塊塌落，所以，它經(jīng)常和金屬網(wǎng)同時使用，如能與噴射混凝土聯(lián)合使用效果更佳。噴射混凝土支護中有素噴混凝土和鋼纖維噴混凝土兩種。立模板灌注混凝土支護有人工灌注和混凝土泵灌注兩種。 支護結(jié)構(gòu)類型的選擇根據(jù)客觀需要和實際可能相結(jié)合的原則?？陀^需要是指圍巖和地下水的狀況；實際可能就是支護結(jié)構(gòu)本身的能力、適應性、經(jīng)濟性以及施工的可能性。2、在設(shè)計支護結(jié)構(gòu)時應注意：1)支護結(jié)構(gòu)最好設(shè)計成封閉式的。2)對于抗拉性能較差的混凝土類支護結(jié)構(gòu)，應盡量避免受彎矩作用。 6.3鐵路隧道支護類型的選擇和設(shè)計參數(shù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》（TB10003～2005）規(guī)定:隧道應采用曲墻式襯砌，襯砌類型應優(yōu)先采用復合式襯砌，地下水不發(fā)育的I、II級圍巖的短隧道，可采用噴錨襯砌。襯砌結(jié)構(gòu)的形式及尺寸，可根據(jù)圍巖級別、水文地質(zhì)條件、埋置深度、結(jié)構(gòu)工作特點，結(jié)合施工條件等，通過工程類比和結(jié)構(gòu)計算確定，必要時，還應經(jīng)過試驗論證。 （1）復合式襯砌設(shè)計應綜合考慮各種因素，力求充分發(fā)揮圍巖所具有的自承能力。（2）復合式襯砌的初期支護，宜采用噴錨支護；二次襯砌宜采用模筑混凝土；（3）各級圍巖在確定開挖斷面時，除應滿足隧道建筑限界要求外，還應預留適當?shù)膰鷰r變形量。（4）復合式襯砌初期支護及二次襯砌的設(shè)計參數(shù)，可采用工程類比法確定，并通過理論分析進行驗算。1.復合式襯砌設(shè)計規(guī)定 （1）噴錨襯砌內(nèi)部輪廓應比整體式襯砌適當放大，除考慮施工誤差和位移量外，應再預留10cm作為必要時補強用。（2）遇下列情況，不應采用噴錨襯砌：1）地下水發(fā)育或大面積淋水地段；2）能造成襯砌腐蝕或膨脹性圍巖的地段；3）最冷月平均氣溫低于-5℃地區(qū)的凍害地段；4）有其他特殊要求的隧道。（3）噴錨襯砌的設(shè)計參數(shù)，參照規(guī)范規(guī)定。2.噴錨襯砌設(shè)計規(guī)定 （1）襯砌拱圈可設(shè)計為等截面或變截面形式。I～III級圍巖地段，一般地區(qū)可采用直墻襯砌，IV～VI級圍巖地段，應采用曲墻有仰拱的襯砌；III級圍巖雙線、多線隧道也應采用曲墻有仰拱的襯砌。VI級圍巖的襯砌應采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。（2）因地形或地質(zhì)構(gòu)造等引起有明顯偏壓的地段，應采用偏壓襯砌；IV、V、VI級圍巖的偏壓襯砌應采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。3.整體式襯砌設(shè)計規(guī)定 （3）單線隧道洞口段當圍巖為I～III級，線路中線與地形等高線斜交時，可采用斜交襯砌。雙線斜交襯砌的選用應慎重考慮。（4）最冷月平均氣溫低于-15℃的地區(qū)，應根據(jù)情況設(shè)置變形縫。（5）各級圍巖地段的拱部襯砌背后，宜壓注水泥砂漿。不良地質(zhì)地段或偏壓襯砌地段，襯砌背后應壓注水泥砂漿或其他漿液。 應根據(jù)圍巖的性質(zhì)及狀態(tài)、地下水情況、隧道斷面尺寸及其埋置深度等條件（1）系統(tǒng)錨桿應沿隧道周邊均勻布置，方向應接近于徑向或垂直巖層，并應根據(jù)使用目的和圍巖性質(zhì)及狀態(tài)等確定錨桿的類型、錨固方式、長度等。（2）自穩(wěn)時間短、初期變形大的地層，或?qū)Φ孛嫦鲁亮坑袊栏裣拗茣r，應采用鋼架。根據(jù)圍巖條件的不同，可選擇開口式鋼架或封閉式鋼架。（3）松散、破碎或膨脹性圍巖中宜采用鋼筋網(wǎng)噴射混凝土作初期支護。4.初期支護的確定 大瑤山隧道支護實例大瑤山隧道為雙線鐵路隧道，全長14.3km，位于廣東省境內(nèi)坪石—樂昌之間。經(jīng)方案比選，采用長隧道方案。該方案從線路角度看，較沿河方案縮短線路長度約11km，改善了運營條件；從地質(zhì)角度看，避開了沿河水文條件惡劣及巖坡的坍塌、錯落、滑坡等不良地質(zhì)地段。 大瑤山隧道線路方案示意圖 V圍巖襯砌斷面（單位：鋼筋直徑以mm計，余均以cm計） IV圍巖襯砌斷面（單位：cm） 6.4公路隧道支護類型的選擇和設(shè)計參數(shù)公路隧道支護（襯砌）類型有噴錨支護（襯砌）、整體式襯砌和復合式襯砌。高速公路、一級公路、二級公路的隧道應采用復合式襯砌；三級及三級以下公路隧道，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級圍巖條件下，隧道洞口段應采用復合式襯砌或整體式襯砌，其它段可采用錨噴襯砌。6.4.1支護（襯砌）類型及其選擇 6.4.2分離式獨立雙洞隧道復合式襯砌設(shè)計參數(shù)隧道襯砌參數(shù)，一般采用工程類比法進行設(shè)計，通過理論分析進行驗算。根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTGD70-2004），復合式襯砌初期支護及二次襯砌的設(shè)計參數(shù)可參照表7-6、表7-7選用，但應通過施工過程對圍巖和支護結(jié)構(gòu)動態(tài)的監(jiān)控量測及信息反饋對設(shè)計參數(shù)作必要的驗證和調(diào)整。 6.4.3小凈距及連拱隧道支護類型選擇及設(shè)計參數(shù)由于公路選線條件的限制，往往不可避免地出現(xiàn)小凈距隧道或連拱隧道。當隧道間的中間巖柱寬度小于表7-8的值時，應視為小凈距隧道。圍巖級別ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ最小凈距（m）1.0×B1.5×B2.0×B2.5×B3.5×B4.0×B 6.4.3小凈距及連拱隧道支護類型選擇及設(shè)計參數(shù)小凈距隧道支護設(shè)計要求：1、應優(yōu)先選用復合式襯砌，支護參數(shù)應經(jīng)工程類比、計算分析綜合確定。2、設(shè)計應考慮相應的施工方法，并提出各類方法的具體要求。3、設(shè)計與施工應遵循“少擾動、快加固、勤量測、早封閉”的原則，并將中間巖柱的穩(wěn)定與加固作為設(shè)計與施工的重點。 4、小凈距隧道監(jiān)控量測應根據(jù)不同圍巖級別制定量測方案，將中間巖柱穩(wěn)定、爆破振動對相鄰洞室的影響作為監(jiān)控量測的重點。5、在地震動峰值加速度大于0.15g的地區(qū)選用小凈距隧道時，宜進行抗震強度和穩(wěn)定性驗算。 連拱隧道支護設(shè)計要求：1、隧道暗挖段應優(yōu)先采用復合式襯砌，支護參數(shù)可采用工程類比或計算分析確定。2、中墻設(shè)計應在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工安全的前提下，綜合考慮洞外接線要求、防排水系統(tǒng)的可靠性等因素。3、連拱隧道按中墻結(jié)構(gòu)形式不同分為整體式中墻和復合式中墻兩種形式，在有條件加大中墻厚度的地段宜選用復合式中墻連拱隧道形式。6.4.3小凈距及連拱隧道支護類型選擇及設(shè)計參數(shù) 4、兩車道連拱隧道設(shè)計為整體式中墻時，中墻厚度不宜小于1.4m；設(shè)計為復合式中墻時，中墻厚度不宜小于2.0m。三車道連拱隧道設(shè)計為整體式中墻時，中墻厚度不宜小于1.6m；設(shè)計為復合式中墻時，中墻厚度不宜小于2.2m。5、在地震動峰值加速度大于0.15g的地區(qū)，連拱隧道應進行抗震強度和穩(wěn)定性驗算。 6.5盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)類型選擇與設(shè)計參數(shù)6.5.1盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)類型選擇盾構(gòu)法修建的區(qū)間隧道襯砌有預制裝配式襯砌、預制裝配式襯砌和模注鋼筋混凝土整體式襯砌相結(jié)合的雙層襯砌以及擠壓混凝土整體式襯砌三大類 盾構(gòu)法修建的隧道襯砌結(jié)構(gòu)a．單層裝配式襯砌b．雙層襯砌c．擠壓混凝土整體襯砌 1．預制裝配式襯砌管片種類按材料可分為鋼筋混凝土，鋼、鑄鐵以及由幾種材料組合而成的復合管片。鋼筋混凝土管片的耐壓性和耐久性好,剛度大，在用盾構(gòu)法修建的各種隧道中都得到了廣泛的應用。缺點是重量大，抗拉強度較低，在脫模、運輸、拼裝過程中，容易將其角部碰壞。鋼管片的強度高，具有良好的焊接性，便于加工和維修，重量輕也便于施工。與混凝土管片相比，其剛度小、易變形，而且鋼管片的抗銹性差，在不做二次襯砌時，必需有抗腐、抗銹措施。鑄鐵管片強度高，和鋼管片相比，剛度亦較大,防水和防銹蝕性能好，易加工。 按管片螺栓手孔成型大小，可將管片分為箱型和平板型兩類。箱型管片平板型管片 箱型管片箱型管片呈肋板型結(jié)構(gòu)。手孔較大不僅方便了接頭螺栓的穿入擰緊，而且也節(jié)省了材料，使單塊管片重量減輕，便于運輸和拼裝。但因截面削弱較多，在盾構(gòu)千斤頂推力作用下容易開裂。箱型管片的接縫：縱向接縫（徑向接縫）和橫向接縫（環(huán)向接縫）一般都是平面狀的。 平板型管片平板型管片是呈曲板型結(jié)構(gòu)的管片。由于管片截面削弱少或無削弱，故對盾構(gòu)千斤頂推力具有較大的抵抗力，對通風的阻力也較小。無手孔的管片也稱為砌塊?，F(xiàn)代的鋼筋混凝土管片多采用平板型結(jié)構(gòu)。 平板型管片的接縫除可采用平面狀外，也有采用榫槽式接縫，當襯砌中內(nèi)力較大時，管片的徑向接縫還可以做成圓柱狀的，使接縫不產(chǎn)生或少產(chǎn)生彎矩。榫槽式接縫圓柱狀接縫 管片之間以及各襯砌環(huán)之間的連接方式剛性連接：通過增加連接螺栓的排數(shù)，力圖在構(gòu)造上使接縫處的剛度與管片本身相同。柔性連接：允許相鄰管片間產(chǎn)生微小的轉(zhuǎn)動和壓縮，使襯砌環(huán)能按內(nèi)力分布狀態(tài)產(chǎn)生相應的變形，以改善襯砌環(huán)的受力狀態(tài)。目前較為通用的是柔性連接，常用的有以下幾種形式：（1）單排螺栓連接（2）銷釘連接（3）無連接件 （1）單排螺栓連接按螺栓形狀又可分為彎螺栓連接、直螺栓連接和斜螺栓連接三種。 彎螺栓連接多用于鋼筋混凝土管片平面形接縫上，由于它所需螺栓手孔小，截面削弱少，原以為接縫剛度可以增加，能承受較大的正負彎矩，但實踐表明，彎螺栓連接容易變形，且拼裝麻煩，用料又多，近年來有被其它螺栓連接方式取代的傾向。 直螺栓連接是最常見的連接方式。設(shè)置單排直螺栓的位置，要考慮它與管片端肋的強度相匹配，即在端肋破壞前，螺栓應先屈服，同時又要考慮施工因素的影響。斜螺栓連接是近幾年發(fā)展起來的用于鋼筋混凝土管片上的一種連接方式，它所需的螺栓手孔最小，耗鋼量最省。 （2）銷釘連接。銷釘?shù)淖饔贸秊榱伺R時穩(wěn)定管片，保證防水密封墊的壓力外，在安裝管片時還起導向作用，將相鄰襯砌環(huán)連在一起。和螺栓連接相比既省力、省時，價格又低廉，連接效果也相當好。銷釘是埋在襯砌內(nèi)的，不能回收，故通常都是用塑料制成 （3）無連接件。在穩(wěn)定的不透水地層中，圓形襯砌的徑向接縫也可不用任何連接件連接。因管片沿隧道徑向呈一楔形體，外緣寬內(nèi)緣窄，在外部壓力作用下，管片將相互擠緊，而形成一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。 2．雙層襯砌在裝配式襯砌內(nèi)部再做一層整體式混凝土或鋼筋混凝土內(nèi)襯。根據(jù)需要還可以在裝配式襯砌與內(nèi)層之間敷設(shè)防水隔離層。雙層襯砌主要用在含有腐蝕性地下水的地層中。但近年來，由于混凝土耐腐蝕性和管片防水性能的提高，采用雙層襯砌的必要性已大為減少，但仍有一些國家如日本等堅持使用雙層襯砌。 6.5.2橫截面內(nèi)輪廓和結(jié)構(gòu)尺寸擬定1．橫截面內(nèi)輪廓尺寸橫截面的內(nèi)輪廓尺寸全線是同一的。要根據(jù)建筑限界、施工誤差、道床類型、預留變形等條件決定外，還要按線路的最小曲線半徑進行驗算，保證列車在最困難條件下也能安全通過。廣州、上海地下鐵道的圓形區(qū)間隧道內(nèi)徑為5.5m。 6.5.2橫截面內(nèi)輪廓和結(jié)構(gòu)尺寸擬定2．管片厚度管片的厚度取決于圍巖條件、覆蓋層厚度、管片材料、隧道用途、施工工藝等條件。為了充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力，現(xiàn)代的隧道工程中都采用柔性襯砌，其厚度相對較薄。根據(jù)日本經(jīng)驗，單層的鋼筋混凝土管片襯砌，管片厚度一般為襯砌環(huán)外徑的5.5%左右。上海地下鐵道管片厚度為350mm，廣州、北京、深圳、南京地下鐵道管片厚度為300mm，約為襯砌環(huán)外徑的5%~6%。 6.5.2橫截面內(nèi)輪廓和結(jié)構(gòu)尺寸擬定3．管片寬度管片寬度的選擇對施工、造價的影響較大。單線區(qū)間隧道管片的寬度控制在700mm~1000mm之間，但隨著鉸接盾構(gòu)的出現(xiàn)，管片寬度有進一步提高的趨勢，目前，控制在1000mm~1500mm之間。上海地下鐵道區(qū)間隧道的管片寬度為1000mm。 4．襯砌環(huán)的分塊襯砌環(huán)的組成，一般有兩種方式。一種是由若干標準管片（A）、二塊相鄰管片（B）和一塊封頂管片（K）構(gòu)成。另一種是由若干塊A型管片、一塊B型管片和一塊K型構(gòu)成 通常直徑D≤6m的地下鐵道區(qū)間隧道，襯砌環(huán)以分4~6塊為宜，D>6m時，可分為6~8塊。上海、廣州地鐵都是分6塊。襯砌環(huán)的拼裝形式有錯縫和通縫兩種 5．螺栓和注漿孔的配置組裝管片用的螺栓分為縱向連接螺栓和環(huán)向連接螺栓兩種。螺栓孔的設(shè)置不得降低管片強度，并方便螺栓緊固作業(yè)。為了均勻地向襯砌背后進行回填注漿，管片上還應設(shè)置一個以上的注漿孔，注漿孔直徑一般由所用的注漿材料決定，通常其內(nèi)徑為50mm左右。螺栓直徑（mm）273033螺栓孔直徑（mm）32~3335~3838~41 6.5.3盾構(gòu)法施工時特殊地段的襯砌曲線段的襯砌在豎曲線和水平曲線地段上，需要在標準襯砌環(huán)之間插入一些楔形襯砌環(huán)，以保證隧道向所需的方向逐漸轉(zhuǎn)折 楔形襯砌環(huán)的楔入量Δ，即楔形襯砌環(huán)最大寬度與最小寬度之差，或楔入角θ，即楔入量與襯砌外徑D外之比，除應根據(jù)曲線半徑、襯砌外徑、管片寬度和在曲線段使用楔形襯砌環(huán)所占的百分比確定外，還要按盾尾間隙量進行校核。襯砌環(huán)外徑2R02R0<4m4m≤2R0<6m6m≤2R0<8m8m≤2R010m≤2R0<12m楔入量（mm）15~4520~5025~6030~7032~80楔入角15′~60′15′~45′10′~35′10′~30′10′~25′實踐中采用的楔入量和楔入角如表7-11所示