地铁区间渡线段大跨无仰拱隧道设计研究

与设计

地铁区间渡线段大跨无仰拱隧道设计研究

郭瑶

(中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院，河南郑州450000)

摘要：以青岛地铁2号线某区间渡线段暗挖隧道为背景，通过对地质条件的研判分析，进行地铁暗挖大跨隧 道不设置仰拱的研究与设计。计算结果及工程实践反馈，暗挖大跨无仰拱隧道的初支及二衬受力和变形在设 计范围内，可供今后类似条件下地铁暗挖隧道结构设计参考。关键词：地铁隧道；大跨度；无仰拱

DOI： 10. 13219/j. gjgyat. 2018. 03. 007

中图分类号：U452. 25 文献标识码：A 文章编号=1672-3953(2018)03-0026-04

浅埋暗挖法是在距离地表较近的地下进行洞室 施工的一种方法。由于造价低、拆迁少、灵活多变、 不干扰地面交通等特点，浅埋暗挖法在全国各种地 下工程中得到广泛应用。浅埋及超浅埋地铁隧道为 满足“支护及时、受力合理”的要求，在断面设计时通 常采用仰拱设计。若超大跨断面处采用无仰拱衬砌 类型，结构受力很不利，但当满足某些特定条件时可 采用无仰拱设计[1]。

鉴于大跨无仰拱隧道结构的特殊性，在设计时 对隧道所处地质条件进行研判分析，并对初期支护 参数、二次衬砌参数进行分析研究，以保证隧道施 工及运营的安全[1]。下面以青岛地铁2号线某区间 隧道为例，对浅埋暗挖大跨无仰拱隧道在上软下硬 地层中初支及二衬受力变形进行简析，为类似条件 下地铁暗挖隧道结构设计提供参考。

程度一般。

2 地质分析及隧道设计

该隧道长度约70. 1 m，上覆土自地表下依次为 杂填土、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗 岩。拱顶大部分位于微风化岩层中，局部为中风化 岩层，基底全部位于微风化岩层中。

常规的设置仰拱的马蹄形隧道，在隧道开挖后， 拱肩、拱脚位置是应力和位移集中区，二衬变形相对 于隧道断面而言，通常是以垂直变形为主、水平变形 为辅。由于微风化花岗岩具备良好的地基承载特 性，拱脚处及隧道底部受力由基岩承载，保证拱脚处 的稳定性，继而保证隧道结构的稳定性，拟考虑隧道 进行无仰拱设计，采用双侧壁导坑法施工[2]。隧道

断面如图1所示。设计参数为:初期支护，长度L = 3. 5 m,042 mm、Z： = 3. 5 mm超前小导管，间距@ 400 mmX 1 500 mm,拱部 120°布置;长度 L = 3 m， 025 mmX 5 mm 中空铺杆，@750 mmX 1 000 mm， 边墙设置；08 mm@200 mmX 200 mm单层钢筋 网，350 mm厚C25喷射混凝土，格栅间距@ 0. 75

m。二次衬砌，700 mm厚C45钢筋混凝土衬砲。

1 工程概况

青岛地铁2号线某区间设置停车线2处、渡线 2处，受线间距及限界制约，区间隧道采用单拱大跨 的结构形式。区间隧道位于城市主干道下方，最大

开挖跨度需达到22. 83 m，隧道拱顶埋深14. 11 m。 地貌类型主要为剥蚀残丘，地面标高46. 14〜48. 63

m，地形较平缓，整体向南缓倾。第四系填土层广泛

分布，厚度1. 80〜7. 30 m，局部下伏粉质粘土，下伏 基岩为中生代燕山晚期花岗岩，岩脉较发育，主要为 煌斑岩岩脉，受构造影响碎裂岩发育。地下水富水

收稿日期：2018-02-05

作者简介：郭瑶（1985—），男，工程师，主要从事隧道设计工

作。113182855@qq. com

图1 隧道横断面图（单位：mm)

国防交通工程与技术

26

2018 年 5 月 16,（03)

研究与设计地铁区间渡线段大跨无仰拱隧道设计研究郭瑶

关闭来模拟初支的激活和隧道开挖的过程，同时考 虑地应力的释放效应*[3]， 初期支护施作前应力释放 30%，施作初期支护时应力释放50%。

3 施工力学行为分析

为分析大跨无仰拱隧道施工过程中的结构受力 及变形情况，采用有限元分析软件，运用地层结构法 进行了实际施工工况的开挖模拟。分析模型宽度选

择为4. 5倍隧道宽度，高度选择为2. 5倍隧道高度， 即为102. 8 mX56. 5 m，以保证模型边界约束不影 响隧道的开挖计算。

模型下部边界施加法向约束，左右边界施加水 平约束，地表为自由边界。计算模型如图2所示。

3.2 支护参数

钢架在计算模拟时根据抗弯刚度等效原理来提 高初期支护的弹性模量，计算公式[4]如下：£ = +

S, X Eg

式中：£为折算后喷射混凝土弹性模量;

£。为原混凝土弹性模量为钢拱架截面积;为

图2

整体计算模型

钢材弹性模量；&为喷射混凝土截面积。

围岩及支护的物理力学参数根据地质资料及现 行《铁路隧道设计规范》确定，其物理力学指标如表 1所示。

泊松比

0.40. 240. 230.20. 2

3.1计算步骤

模拟实际工况，采用双侧壁导坑法施工，隧道断 面分6块开挖，施工步序如图3所示。利用单元开

表1

材料类型杂填土强风化花岗岩中风化花岗岩微风化花岗岩初期支护

重度AkN . m-3)

2023. 524.524. 525

地层和支护的物理力学性能指标弹性模量/GPa

0. 051163526

粘聚力/kPa

5852 0008 000

—

内摩擦角/°

15354055

—

3.3 施工力学行为研究

T

_ 2 0111124

3. 3.1竖向位移研究

为统计不同开挖步工况下拱顶及地表的竖向位 移情况，分别选取隧道初支跨中监测点及地表监测 点，得到不同开挖步工况下的拱顶沉降曲线图及地 表横向沉降曲线图，如图4、图5所示。

①〜④#导洞开挖时，主要影响各导洞正上方

„ 1

〇 1 I

-I

与隧道中线距离/m

6-39-28-18-10-3 2 5 14 25 32 43

叢

6

^-----’ .卷 __①#导洞开挖

………②#导洞开挖

导洞开_

-•-®#导洞开搭⑤ #导洞开挖 —⑥-1#导洞开挖;⑥ -2#导洞开挖

不同开挖步工况下地表横向沉降图/mm

-18

1- 10-1 2-11- 41 16 181

2 3

I I

开挖步

I

I

4 5 6 7

I

I

2.000 图5

| -4.000

^ -

6.000

的地表沉降，隧道跨中上方及隧道拱顶的沉降影响 程度不大。当开挖⑤#导洞即中导洞时，地表沉降 及拱顶沉降突增，其中地表沉降突增变幅达到

39%，拱顶沉降突增变幅达到65%。完成中洞支护 后，拱顶及地表沉降趋势平缓。

通过分析，隧道整体开挖完毕并施作初期支护

国防交通工程与技术

^ -8.000

§ --

10.000

12.000

-14.000

图4

不同开挖步工况下的拱顶沉降曲线图/mm

27

2018 年 5 月 16,（03)

•研究与设计•地铁区间渡线段大跨无仰拱隧道设计研究郭瑶

有良好地基承载特性的基岩时，可考虑采用无仰拱 设计。

3.4

二衬受力分析

后，累计沉降值小于17 mm，满足规范中提出的[一 30mm，+ 10mm]的限值要求。证明在较好的围岩 条件下大跨无仰拱隧道运用双侧壁导坑法是合理可 行的；但在实际施工中，还应加强施工组织，落实施 工方案，各工序衔接紧密，进而保证隧道稳定及地表 沉降的严格控制。

3.3.2 应力分析

由计算可知，①〜④并导洞开挖时，各导洞拱顶 及拱脚发生一定的应力集中现象，并未形成较大的应 力值，最大主应力主要位于临时仰拱中部位置。同时 各导洞的拱脚部位出现一定范围的塑性区。当开挖 ⑤并导洞时，最大主应力达到最大值〇. 62 MPa(如图 6所示），在拱顶上方出现塑性区(如图7所示）。

采用荷载一结构法对隧道结构的二次衬砌进行 计算，对比分析隧道断面设置与不设置大拱脚两种

工况下的二衬受力情况，提取内力结果如图8、图9 所示。

(a)准永久组合弯矩图 （b)准永久组合轴力图

图8 设置大拱脚内力

(b)准永久组合轴力图

图9不设置大拱脚内力

依据《铁路隧道设计规范》及《公路隧道设计规 范》的相关要求，计算二衬结构安全系数如表2所示。

表2

工况

位置拱顶

二次衬砌结构安全系数

轴力/

kN

弯矩/

(KN • m)216.4495. 0

偏心距

/m大/小

偏心小偏心小偏心大偏心大偏心小偏心小偏心大偏心大偏心

安全系数

4. 6984. 7112. 6242. 5194. 3874. 5521. 5952. 323

5 881. 20. 0374 992. 00. 099

图7 ⑤#导洞开挖塑性区分布云图

综上说明拱脚部位是导洞支护的薄弱环节，各 导洞的临时仰拱应及时封闭且导洞拱脚部位施工时 亦应加强锁脚锚管的施作；⑤#导洞即中导洞开挖 时最大主应力增至最大，且在隧道拱顶上方出现塑 性区，该导洞开挖时建议预留核心土，同时加强监控 量测，尤其是拱顶沉降的监测，依据监测结果必要时 可在该导洞中部增加一道临时竖撑，保证导洞整体 的稳定，进而保证隧道整体稳定性及施工安全。

隧道整体开挖完毕后，在拱顶及拱肩部位仍存 在一定范围的塑性区域，施工时应注意加强初支背 后注浆，保证支护的刚度要求，临时支护应隔段拆 除，同时做好施工组织设计，依照监测数据的反馈合 理安排二衬的施作时机。

在较好的围岩中，大跨度隧道不设置仰拱，整体 断面的拱墙脚部位并未形成较大的应力值，说明基 岩的承载力起到了积极的作用。当隧道底部位于具

国防交通工程与技术

拱肩

拱脚

拱墙

(工况一)

拱脚拱肩

大拱脚

拱墙

(工况二)

拱脚不设置

拱顶

设置大

1 377. 45 053. 50. 2731 371.5440. 5578. 4

4 906. 70. 3355 681. 50. 0784 8. 70. 118

1 9. 55 048. 10. 3941 528. 24 972. 60. 307

由于大跨无仰拱隧道具有扁平性[「6]，隧道断面 最大弯矩均发生在拱墙处。对于拱墙处的弯矩，工 况二为工况一的1. 44倍；对于拱顶处弯矩，工况二 为工况一的2倍。另考虑力矩分布，工况一中，拱墙 处弯矩与拱脚处弯矩基本相当；工况二中，拱墙处弯 矩为拱脚处弯矩的1.3倍。

上述说明不设置大拱脚的隧道断面结构受力不太 合理，设置大拱脚后，力矩重新分布，向拱脚部位传递 并由承载力良好的围岩承担，结构受力改善很多。并 且由表2可知，设置大拱脚的隧道断面二衬结构安全

28

2018 年 5 月 16,（03)

•研究与设计•地铁区间渡线段大跨无仰拱隧道设计研究郭瑶

计，不仅可加快施工进度，同时节省造价，可以用作类似地层条件隧道设计的参考。建议大跨无仰拱隧道拱脚处应设置一定厚度的墙脚结构，并加强配筋;同时隧底施作构造底板，保证隧道运营期间的稳定及安全。

参考文献

[1] 袁镜文，李宇祥.大跨无仰拱隧道二次衬砲墙脚结构受力

系数明显高于不设置大拱脚的隧道断面，因此大拱脚 的设置对于扁平的大跨无仰拱隧道意义重大。

4 结束语

目前该隧道已施工完毕，通过第三方监测数据显 示，隧道结构变形及地表沉降变形均在变形控制标准 范围内，隧道结构整体稳定。成型隧道如图10所示。

分析[J].交通科技与经济，2012,74(06) :83-86

[2] 王暖堂.城市地铁复杂洞群浅埋暗挖法的有限元模拟

[J]•岩土力学，2001，22(04) :504-508

[3] 张传庆，冯夏庭，周辉，等.应力释放法在隧洞开挖模拟

中若干问题的研究[J]•岩土力学，2008,29(05):52-54

[4] 高峰，孙常新.隧道开挖模拟的支撑荷载法研究[J].中

国公路学报，2010(04) :70-77

[5] 金鑫.复杂条件下大断面隧道双侧壁导坑法施工稳定

性分析[J].重庆科技学院学报（自然科学版），2011，13

图10大跨无仰拱隧道实景图

(02)： 104-107

[6] 晋学辉.大断面扩建隧道施工初期支护受力分析[j].重

从本隧道设计施工情况来看，当隧道底部位于 具有良好地基承载特性的基岩时，可采用无仰拱设

庆交通大学学报，2011,30(00:751-754

On the Design and Construction of a Large-Span Non-In verted-Arch

Metro Tunnel of a Junction Line

GUO Yao

(Zhengzhou Design Institution of the Engineering Design and Consultative Group Co. Ltd. of China Railway,Zhengzhou 450000»China)

Abstract： With the construction of an under-cut tunnel of a junction line of a certain section of Line 2 of Qingdao Metro as the

background» an under-cut large-span metro tunnel with no inverted arch provided is studied and designed in the paper. Accord­ing to the results of our calculations and the feedback of the construction practice, the stress and the deformation of the initial support and the secondary lining of the large-span metro tunnel without no inverted arch are both within the designed range. The paper may serve as a useful reference for the structural design of other undercut subway tunnels in similar conditions in the future.

Key words： subway tunnel;large span； with no inverted arch provided

(下接第33页）

A Study of the Micro Structural Properties of Rubber Asphalt

Mixtures of Different Gradations

HUANG Xin

(The 4th Engineering Branch of the 3rd Highway Engineering Bureau Co. Ltd. of the Transport Ministry of China,Chongqing 401147,China)

Abstract： To study the gap properties of asphalt mixtures of different gradations so as to determine the suitable structure of the

mixture for rubber asphalt mixtures? selected in the present paper are the rubber asphalt mixtures of four common gradations AC-13C、SMA-13、SAC-13 and AR-AC-13S，the parameters of the values of the internally structural gap distribution of which are obtained by the X-ray CT technology and the image processing technology, with the micro properties of the mixtures of four gradations analyzed. The result shows that the distribution of voids in the mixtures of each gradation has its own properties» with the internal voids in the continuously graded mixtures being fewer than those in the continually graded mixtures. The in­ternal density of the mixtures of continuous gradation is better, and therefore，applicable to the rubber asphalt mixtures.

Key words： rubber asphalt；mixture gradation；X-ray CT；micro properties

国防交通工程与技术

29

2018 年 5 月 16,（03)