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1、北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法研究,石家庄铁道学院 二七年一月,1.合同规定的主要研究内容,汇报内容,2.区间隧道地层物理力学参数统计分析,3.区间隧道覆土压力荷载的确定,4.矿山法区间隧道支护强度设计方法,5.矿山法区间隧道支护刚度计算方法,6.矿山法区间隧道衬砌结构设计计算方法,7.区间隧道结构温度应力伸缩缝计算分析,8.矿山法区间隧道施工阶段设计方法,9.主要研究成果及结论,(1)北京地铁矿山法区间隧道不同条件下合理设计模式研究；,1.合同规定的主要研究内容,(2)北京地铁矿山法区间隧道结构可靠度设计研究；,(3)北京地铁矿山法区间隧道施工阶段设计方法研究 。,2.区间隧道地层物理力
2、学参数统计分析,北京地铁四号线、五号线和十号线共有车站71座、区间68座，收集到的地质资料车站37座，区间工程36座，共73座，占总工程数的52.5。结构资料仅收集了部分矿山法区间隧道初步设计的纵横断面图，共25座占区间总数的36.8。,(1)区间隧道地层资料工程名称,采用VFP建立地铁四、五和十号线地质资料数据库，建库中统一地层编号，统一后的地层编号如表1-4所示 。,(2)地质资料的数据库,各录入界面录入的数据，由数据库读入统一、库容量达3万余条 。,在VFP北京地铁地质资料数据库的基础上，按地层编号提取各主要物性、地下水位、埋深等数据表，按统计学的原理进行统计分析，并给出具体统计特征，为
3、后续研究工作奠定基础。完成了：,(3)地层物性指标统计分析,地层分层厚度统计特征,地层天然密度统计特征,内聚力统计特征,内摩擦角统计特征,压缩模量统计特征,泊松比统计特征,基床系数统计特征,隧道覆土埋深统计特征(平均覆土深度为12.75m，最大19.31m，最小4.6m),.区间隧道覆土压力荷载的确定,地铁设计规范中解释：一般情况，石质隧道，可根据围岩分级，依工程类比确定围岩压力；填土隧道及浅埋暗挖隧道一般按计算截面以上全部土柱重量考虑；深埋暗挖隧道按泰沙基公式、普氏公式或其它经验公式计算 。,(1)地铁设计规范关于地层荷载的规定及存在的问题, 地铁设计规范关于地层荷载的规定,a.我国隧道有关
4、规定, 深浅埋分界及土压力的有关规定,地下铁道设计规范没有深浅埋分界的具体规定。铁路隧道设计规范以统计隧道坍落拱高度为基础，,埋深Hh0时用全土柱，埋深h0H(22.5)h0时用谢家烋公式，埋深H(22.5)h0时用h0，不同深度土压力计算结果如图2-1 。,b.日本的有关规定,(a)如果覆土厚比隧道外径小(HD)，用全土柱压力。,(b)在粘性土中全土柱作垂直压力 。,(c)在砂土和硬粘土中，若覆土厚度比外径大许多倍(HD)，取“松弛土压”，按泰沙基公式计算 。,c.比尔鲍曼和泰沙基理论的有关规定,(a)用比尔鲍曼公式，但H增加到v趋于常数时即为深埋，不必分界。粘性土，c、都计；砂土只计 ，不
5、计c。,(b)用泰沙基公式，H5B，v 常数 。,a.埋深较浅时地层荷载按全土柱。,目前的习惯,b.埋深较大时按泰沙基公式进行修正折减；,c.埋深多大开始修正折减由各人经验，并不统一。,压力理论地层压力的比较及存在问题,以北京地铁十号线矿山法区间标准段隧道断面(6.0m6.33m，宽高)为例，采用各种不同公式计算竖向地层压力，得出地层压力值随埋深的关系，如图所示 。,从图及设计实践中存在以下一些问题 ：,a.深浅埋分界取为(12)D(D为隧道跨度)是否合适？这个范围值该如何选取？,b.取2D或2h为深浅埋分界，浅埋时用全土柱荷载，深埋时用泰沙基理论或普氏理论，必然出现分界处呈锯齿形，压力陡降，
6、让设计者很难处理，深度稍微变大，竖向地层压力反而降低，地层的挟制作用本来应是逐渐加大的，将渐变采用突变来处理并不合理，如何解决？,c.不论埋深情况均采用H全土柱公式，则地层压力明显偏大，必将带来不经济的设计；采用泰沙基公式时，深埋结果是否会得出不安全的设计？此问题值得重视。,通过对北京地铁四号线、五号线和十号线的结构设计资料分析与整理，设计中大多遵循2倍洞室跨度为深浅埋分界，低于2倍洞室跨度时采用全土柱荷载，高于2倍洞室跨度时采用泰沙基公式，这样上述问题就不可避免。,(4)不同压力理论地层分层和加权计算对比与分析,根据北京地铁的断面情况，采用不同压力理论，按照覆土深度内各地层物理力学指标加权平
7、均以及各地层分段计算，由计算结果可知，在北京地铁矿山法区间隧道埋深和地层实际条件下，不同的土层压力理论结果相差明显，并随埋深的增大，其差异更加显著。以全土柱压力最大，泰沙基压力最小，比尔鲍曼和谢家烋理论结果居中。分层地层的计算，对物性指标加权平均的单一地层计算时，比尔鲍曼和泰沙基理论与实际分层计算差异显著，而对全土柱和谢家烋理论差异较小。,(5)地层竖向荷载计算表达式推导与建议,针对上述问题，地层竖向荷载计算方法似应作些改进，主要思路是：极浅埋仍用全土柱，浅埋适当提高地层压力，深浅埋分界不用突变锯齿方式，而用平顺过渡 。,建议：在隧道埋深小于隧道跨度时采用全土柱，隧道埋深大于隧道跨度时采用比尔
8、鲍曼公式。关于深浅埋分界建议不宜采用某个定值出现压力锯齿形突变的方式，而认为当挟制作用随深度增加到使土压力成为定值或最大时，此深度即为深浅埋的分界，这样土压力是渐变增大的，不会出现突变 。,比尔鲍曼公式在埋置达到一定深度以后曲线出现向下弯曲，为了避免这种情况，在曲线拐点处用水平切线代替，视为深埋隧道(土压力已与埋深无关)，此埋深为D1 。,综合上述各种因素，建议地铁隧道竖向土压力计算公式为：,竖向荷载与隧道埋深的关系如图所示曲线 。,(6)地层侧向荷载计算表达式,地层侧向压力：,(7)建议地层压力公式使用效果分析,以北京地铁十号线区间隧道标准段为例，隧道覆土厚度为12m，用全土柱、普氏及本文推
9、荐的公式计算竖向地层压力，对初期支护进行安全度分析，控制截面(计算安全系数最小的截面)的结果如表所示。,由表可知，采用本文推荐的竖向土压力荷载计算结构的安全度介于全土柱和普氏理论之间，且能满足安全度的要求。另外用本文推荐的竖向土压力荷载对北京地铁四、五、十号线标准断面的初期支护在6m、9m、12m、15m以及19.8m埋深情况下的安全度进行了分析，由计算结果可知，竖向土压力如果用本文推荐的公式，现有的结构均能满足安全度要求。,国内部分城市地铁矿山法隧道施工中的围岩压力实测资料，如表所示，实测地层压力都小于全土柱重量，大部分大于泰沙基理论压力。相比较而言，接近于本指南推荐公式的压力 。,4.矿山
10、法区间隧道支护强度设计方法,喷锚衬砌和复合式衬砌的初期支护应按主要承载结构设计。其设计参数可采用工程类比法确定，施工中通过监测进行修正。浅埋、大跨度、围岩或环境条件复杂、形式特殊的结构，应通过理论计算进行检算 。,(1)地铁设计规范的有关规定, 矿山法施工的结构设计要求,复合式衬砌中的二次衬砌，应根据其施工时间、施工后荷载的变化情况、工程地质和水文地质条件、埋深和耐久性要求等因素设计 。,隧道开挖轮廓形状应尽可能保持平整、圆顺，避免出现隅角及局部应力集中，确保围岩的承载效应；一般不宜采用直墙式拱形轮廓，特别是底板与壁的隅角形状应确保圆顺。,混凝土结构耐久性设计要求,根据围岩条件、地形条件，隧道
11、衬砌均应采用曲墙式混凝土或钢筋混凝土衬砌。,用隔离层隔绝或减轻二次衬砌背后环境因素的影响。设置必要的诱导缝，隔离板等控制二次衬砌的初期开裂。,矿山法地铁隧道埋深浅，水土荷载较为明确，支护结构厚度较大，独立工作时间较长，因此常用的“荷载-结构”和“地层-结构”两种计算模式均可采用。但“荷载-结构”计算模式相对简单，与地铁隧道衬砌结构计算模式一致。因此，检算支护强度时宜采用“荷载-结构”模式，检算地层位移、支护结构刚度时宜采用“地层-结构”模式。,支护结构计算方法,采用“荷载结构”模型。,(3)隧道支护强度计算方法, 计算模型,a.圆角型断面支护计算模型,圆角(542949)处同时设水平链杆和竖直
12、链杆，计算模型如图所示，结果受力合理。,b.直角型断面的支护计算模型,对于直角型断面(如四、五号线)，初选模型如图3-6所示，计算结果如图3-7所示。,图3-7 直角型断面模型计算结果,对于直角型断面(如四、五号线)，初选模型如图3-6所示，计算结果如图3-7所示。,计算结果显示，在墙脚处最大弯矩139.574kNm，轴力814.81kN，应力集中特别严重。这种计算结果与实际不符的原因主要有，未考虑实际施工过程中支护仰拱后于拱墙施工，墙脚处已经产生了一定变形量，墙脚应力集中将大幅度缓解，另外也未考虑直墙脚所受到地层的支撑、摩擦和约束作用。,为简化计算，在直角拐角处按有导角加厚处理，如图3-8所
13、示。,c.截面强度检算方法,根据铁路隧道设计规范(TB100032001)，钢筋混凝土矩形截面的偏心受压构件的计算公式：,大偏心受压构件(x0.55h0)时 ：,大偏心受压构件(x0.55h0)时 ：, 十号线初期支护强度检算结果,a. 标准断面,根据对北京地铁埋深情况的统计，最大埋深为20m，标准断面检算了埋深为6m、7.2m、20m时的情况。检算结果如表所示。,b.大断面,除标准断面外，另外选择了断面比较大的太阳宫站麦子店西路站33结构断面(跨度为12.2m)以及苏州街站黄庄站F型结构断面(跨度为16.5m)进行了检算，检算时竖向土压力以实际埋深为准，检算结果如表所示 。,四号线检算,标准
14、断面为5.96m跨度，检算埋深为5.96m、7.15m、20m时的情况。检算结果如表所示 。,五号线检算,标准断面为5.8m跨度，检算埋深为5.8m、6.96m、20m时的情况。检算结果如表所示。,(4)小结,支护强度检算可采用“荷载结构”计算模式，该方法概念清晰、操作简单 。,目前采用的圆角断面形式，应在圆角处设置双链杆形式的计算模型；直角型断面形式在直角拐角处形成较大的应力集中，其结果与实际情况不符，计算中可按导角加厚处理 。,支护截面强度检算结果显示，支护截面的强度安全系数随埋深增大而减小，随断面增大而降低。十号线圆角型标准断面截面最小安全系数为4.21，大跨度、大埋深断面截面最小安全系
15、数为3.03；四号线和五号线直角型标准断面截面最小安全系数为1.74，大跨度、大埋深断面截面最小安全系数为1.18，直角型断面最不利截面都是在直角边墙脚处 。,考虑到支护仅在施工阶段独立工作，支护结构截面允许安全系数定为1.7，如表所示。,5.矿山法区间隧道支护刚度计算方法,土体勘测试验的压缩模量是在固结仪内进行压缩试验所得的结果如图所示。由图可得压缩模量的计算式为式：,(1) 计算弹性模量的取值,压缩模量是无侧向变形时试件轴向应力与轴向应变之比值。由弹性理论可得压缩模量与弹性模量之间的关系式为式 ：,经过长期实践，我国建立了和二者之间的经验关系如下 ：,高压缩性土：,低压缩性土 ：K10,黄
16、土： K25。,根据资料，北京地区E0/Es值一般为23，数值计算中采用的弹性模量一般大于变形模量。为简化计算，本文中按弹性模量为2.0Es计算。,(1) 计算弹性模量的取值, 地层结构计算模型, 应力释放率设定,应用有限元数值方法，确定围岩的特征曲线，再根据特征曲线直线段和曲线之间的变化点进行确定。视围岩特征曲线直线段部分，为围岩的弹性应力释放区段，来估计区间隧道开挖后围岩弹性应力释放所占的比例。,按围岩特性曲线确定洞室弹性应力释放率如表所示 。,隧道开挖围岩应力释放率与地层性质、硐室大小、形成、支护性质、支护时机及施工方法等多因素相关。实际支护所受的围岩压力要小于仅产生弹性应力释放后的全部地层压力，但也应注意到模型误差以及一定的安全因素 。,在综合上述因素后，矿山法区间隧道全断面开挖时，初始应力释放率开挖时定为40%，支护为60%。台阶法开挖时，上台阶开挖释放30%，支护时释放70%；下台阶开挖时释放25%，支护时释放75%。,
