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1
2构造设计 2
2
2
3
3构造计算ﻩ3
3
围岩压力的计算 6
衬砌内力计算ﻩ7
衬砌强度检算及配筋 9
9
11
配筋成果ﻩ13
区间隧道复合式衬砌设计参数ﻩ13
4 小结 14
1工程概况
场地的地层上而下划分为6层,各层特性及描述如表1-1,强度参数如表1-2。
地下水重要赋存于卵石层中,属兰州断陷盆地松散岩类孔隙性潜水,是兰州市的重要水源地。,水位具有由北西向南东缓慢减少的趋势,-。
表1-1地层特性表
层号
土层名称
岩性描述
第四系
全新统
(Q4)
1-1杂填土
杂色,广泛分布于本场地地表和道路表面、建筑场地表面、垃圾填埋场,成分复杂,以粉土、中粗砂、卵石、圆砾为主,含砖块、水泥块、煤渣、生活垃圾等,一般稍密,路基基本经压实解决,达密实状态。。
2-1黄土状土
灰黄色、深灰色,硬塑,大空隙、针状空隙及虫孔发育,有铁锰质及钙质条纹,含植物根系、蜗牛壳、云母片等,具水平层理。,室内定名为粉质粘土,,。液性指数IL=,压缩系数a1-2=-1,为中压缩性土。地下水位低于该层。广泛分布于二级阶地上部。该层土层从上至下,灰黄色部分,粉粒含量较高;深灰色部分,粘粒含量较高;该层底部局部存在20cm—40cm厚的粉细砂层。
2-5细砂
灰黄色,湿,-2mm为主,含量不小于50%,矿物成分重要为石英、长石、云母等。局部地段加有中砂,含少量圆砾、砾砂。含量5%-15%。具水平层理,稍密。该层分布不持续,以薄层状或透镜体状分布于卵石层顶面,。
2-10卵石
杂色、灰白色,局部夹有薄层或透镜状砂层,广泛分布于地黄土状土之下。据颗分资料及现场调查,该层漂石、卵石含量占50%~60%,一般粒径20mm~60mm,漂石含量较少,最大粒径为500mm。粒径2mm~20mm的圆砾含量占17%~28%,中粗砂填充。卵石、圆砾母岩成分重要为砂岩、花岗岩、石英岩、硅质岩、钙钙质泥岩、燧石等。级配不良,磨圆度较好、分选性较差。水下部分饱和,=,密实。该层分布稳定,,。
第四系下更新统(Q1)
3-7中砂
青灰色,饱和,-2mm为主,含量不小于50%,矿物成分重要为石英、长石、云母等。局部地段加有细砂或粗砂,含少量圆砾、砾砂,含量5%-15%。具水平层理,密实。该层分布不持续,以薄层状或透镜体状分布于3-11卵石层中,-。
3-11卵石
黄绿色、青灰色,饱和,局部夹有薄层或透镜状砂层,广泛分布于二级阶地上部。据颗分资料及现场勘查,该层漂石和卵石含量占50%-60%,一般粒径20mm-50mm,漂石含量较少,最大粒径可达450mm;粒径2mm-20mm的圆砾含量占20%~30%;中粗砂填充。卵石、圆砾母岩成分重要为砂岩、花岗岩、石英岩、硅质岩、钙质泥岩、燧石等。级配不良、磨圆度较好,分选性较差。泥质微胶结,局部成钙质弱胶结,钻孔局部可形成柱状岩心。=,密实。该层分布稳定,-
层号
土层名称
岩性描述
,厚度大。本次勘探最大深度40m未揭穿该层。据区域资料该层厚度可达200m-300m。
表1-2 岩土抗剪强度指标建议值表
岩土
编号
岩土名称
直接剪切实验
备注
快剪
粘聚力c
(kPa)
内摩擦角φ
(°)
1-1
杂填土
0
12
2-10
卵石
0
40
3-11
卵石
20
43
微胶结
2构造设计
根据设计任务书规定,本次设计都市轨道交通地下工程的构造类型选用地下区间隧道。
在隧道施工中,开挖措施是影响围岩稳定的重要因素。因此,在选择开挖措施时,应对隧道断面大小及形状、围岩的工程地质条件、支护条件、工期规定、机械配备能力、经济性等有关因素进行综合分析,在保证围岩稳定或减少对围岩扰动的前提下,采用恰当的开挖措施。
在本地下区间隧道的施工措施选用过程中,按照“安全、可靠、经济、合用”的原则,根据本工程的实际地质状况拟定使用暗挖法施工。由于地层中重要是黄土,细砂、中砂、卵石,并且地下水较发育,岩体松散,透水,工程地质条件较差,拟定该工程所处地质条件为V级围岩,故开挖时架立临时支撑,设立临时仰拱,采用暗挖法中较为安全的交叉中隔壁法(CRD法)。
交叉中隔壁法(CRD法)水平方向分两部,上下分三部开挖。先开挖中隔壁左侧的3部,及时支护并封闭临时仰拱,再开挖右侧分部及支护,形成左右两侧开挖及支护互相交叉的情形。同一层左右两部开挖工作面相距
12m,,且待喷射混凝土强度达到设计强度的70%后开挖相邻部位。根据监控量测成果,中隔壁及临时仰拱在仰拱浇筑前逐段拆除,每段拆除长度12m。仰拱的浇筑距开挖面18m,每次浇筑长度6m。为避免仰拱浇筑对开挖工作的影响,需架设临时仰拱栈桥。滞后仰拱12m进行拱墙二次衬砌的整体浇筑。CRD的爆破应缩短循环进尺,采用少装药、弱爆破,以减小爆破对中隔壁及临时仰拱的影响。开挖步序见图2-1。
图2-1CRD法施工步序图(单位:m)
I—超前支护;1—左侧上部开挖;II—左侧上部初期支护;
2—左侧中部开挖;III—左侧中部初期支护;3—左侧下部开挖;
IV—左侧下部初期支护;4—右侧上部开挖;V—右侧上部初期支护;
5—右侧中部开挖;VI—右侧中部初期支护成环;6—右侧下部开挖;
VII—右侧下部初期支护;VIII—仰拱及混凝土填充;IX—二次衬砌
隧道断面设计
该区间隧道采用单洞双线隧道,根据《铁路隧道设计规范》和《铁路工程建设通用参照图》,隧道断面采用的复合式衬砌的形式,该隧道处在V级围岩段,隧道预留变形量为12cm,因此隧道的开挖净高和净宽初步拟定见表2-1所示。除去预留变形量,,。隧道断面图见附图。
表2-1隧道开挖净高和净宽
围岩级别
开挖净高(m)
开挖净宽(m)
Ⅴ
3构造计算
隧道构造的设计计算涉及对初期支护和二次衬砌的设计计算,本设计只对二次衬砌的设计检算,初期支护由工程类比法拟定,不对其进行计算。二次衬砌的设计计算采用荷载—构造模型,将所有荷载施加到衬砌构造上,根据求得的衬砌内力对已拟定配筋的衬砌进行检算,并对检算未通过的衬砌调节截面配筋,直到检算通过为止。整个设计检算过程如下:
(1)拟定隧道的围岩级别及相应埋深;
(2)根据围岩级别和衬砌内轮廓尺寸,由工程类比法初步拟定隧道的支护和衬砌参数,绘制复合式衬砌断面图;
(3)由《铁路隧道设计规范》,计算围岩压力并拟定典型计算断面;
(4)采用荷载—构造模型,运用ANSYS建模进行衬砌内力的计算;
(5)由计算求得的弯矩、轴力进行衬砌构造配筋的检算。
荷载计算措施
(1)隧道深浅埋的鉴定原则
深、浅埋隧道分界深度至少应不小于坍方的平均高度且有一定余量。根据经验,这个深度一般为2~,即:
(3-1)
式中,――深浅埋隧道分界的深度(m);
――等效荷载高度值(m);
系数2~,在较坚硬围岩中取低限。
当隧道覆盖层厚度时为超浅埋,时为浅埋,时为深埋。
(2)当隧道埋深h不不小于或等于等效荷载高度hq()时,为超浅埋隧道,围岩压力按隧道顶部全土柱重量计算。
围岩垂直均布松动压力为:
(3-2)
式中,――围岩容重(kN/m3),见表3-1;
――隧道埋置深度(m);
围岩水平压力e按朗金公式计算:
隧道顶部水平压力: (3-3a)
隧道底部水平压力: (3-3b)
表3-1 围岩压力有关计算参数取值
围岩级别
容重(kN/m3)
弹性反力系数
K(MPa/m)
岩体两侧摩擦系角
(°)
计算摩擦角
(°)
IV
350
55
V
150
45
(3)当隧道埋深h不小于等效荷载高度hq且不不小于深浅埋分界深度()时,为一般浅埋隧道,围岩压力按谢家烋公式计算:
围岩垂直均布松动压力为:
(3-4)
(3-5)
(3-6)
式中,――坑道跨度(m);
――围岩的容度(kN/m3);
――洞顶覆土厚度(m);
――岩体两侧摩擦角(°),见表2-2;
――侧压力系数;
――围岩计算摩擦角(°),见表2-2;
――产生最大推力时的破裂角(°);
――隧道开挖高度(m)。
围岩水平压力按梯形分布,由下式拟定:
隧道顶部水平压力: (3-7a)
隧道底部水平压力: (3-7b)
(4)当隧道埋深h不小于或等于深浅埋分界深度Hp()时,为深埋隧道,围岩压力按自然拱内岩体重量计算:
单线、双线及多线铁路隧道按破坏阶段设计,垂直均布压力为:
(3-8)
式中,――等效荷载高度值(m);
――围岩级别,如III级围岩;
――围岩的容重(kN/m3);
――宽度影响系数,其值为:
(3-9)
式中,――坑道宽度(m);
――每增长1m时,围岩压力的增减率(以m为基准),当<5m时,取,>5m时,取。
围岩的水平均布松动压力按表3-2计算求得。
表3-2围岩水平均布压力
围岩级别
IV
V
水平均布压力
(1)隧道深浅埋鉴定
隧道开挖最大轮廓尺寸:B=,=
等效荷载高度:
深浅埋分界深度:
由于围岩为Ⅴ级,岩体软弱破碎、节理发育、强-弱风化且含地下水,故取。
根据本区间隧道所处地质条件,设立隧道埋深约为13m,且故为一般浅埋隧道。
(2)V级围岩压力的计算
一般浅埋隧道围岩压力按谢家烋公式计算:
对于Ⅴ级围岩,计算摩擦角,,则,
垂直均布松动压力:
水平松动压力:
隧道顶部:
隧道底部:
衬砌内力的计算采用荷载—构造模型,运用有限元软件ANSYS进行计算。ANSYS加载求解过程如下:
(1)设立分析类型:隧道采用构造分析模型;
(2)前解决:设立单元类型、实常数、材料属性,建模并划分单元;
(3)求解:施加边界条件、荷载并求解;
(4)后解决:显示并保存变形图、弯矩图、轴力图和单元成果表。
隧道的ANSYS构造计算模型如图3-1,在该构造计算模型中,衬砌构造是承载主体,承受围岩的竖向、水平松动压力和构造自重,围岩对衬砌变形的约束作用通过弹簧单元来模拟。
图3-1构造计算模型图
ANSYS建模时,多种材料参数取值如表3-3。
表3-3衬砌及围岩计算参数
衬砌及围岩
容重(kN/m3)
弹性模量
(GPa)
弹性抗力系K(MPa/m)
泊松比
C35混凝土
25
—
Ⅴ级围岩
—
150
—
运用ANSYS建模求得的成果如下图3-2、图3-3分别是隧道弯矩图和轴力图。
图3-2区间隧道衬砌弯矩图(单位:N·m)