第6章 交通地下工程支护结构类型及参数设计

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第6章交通地下工程支护结构类型及参数设计 6.1地下工程围岩与支护结构的共同作用地下工程开挖时，由于临空面的形成，围岩开始向洞内产生位移，我们称之为收敛。地下工程应在开挖后适时地沿周边设置支护结构，对岩体的移动产生抗力（阻力），形成约束。收敛和约束的概念 6.1.1围岩支护需求曲线修正前:在理想条件下：①在形成塑性区后，无论加多大的支护阻力都不能使围岩的径向位移为零；②不论支护阻力如何小（甚至不设支护），围岩总是可以通过增大塑性区范围来取得自身的稳定而不致坍塌。 修正后:曲线形象地表达了支护结构与围岩之间的相互作用：在极限位移范围内，围岩允许的位移大了，所需的支护阻力就小；围岩允许的位移小了，所需的支护阻力就大。所以这条曲线可以称为“支护需求曲线”或“围岩特性曲线”。6.1.1围岩支护需求曲线 6.1.2支护结构的补给曲线（支护特性曲线）任何一种支护结构，如钢拱支撑，锚杆、喷射混凝土层、模板灌注混凝土衬砌等，只要有一定的刚度，并和围岩紧密接触，总能对围岩变形提供一定的约束力，即支护阻力。但由于每一种支护形式都有自己的结构特点，提供的支护阻力大小与分布，以及它随支护变形而增加的情况都有很大的不同。 6.1.2支护结构的补给曲线（支护特性曲线）以圆形隧道为研究对象，并假定围岩作用在支护结构的反力也是径向匀布的。相对于围岩的力学特性而言，混凝土或钢支护结构的力学特性可以认为是线弹性的，即Ks定义为支护结构的刚度，不同的支护结构型式将有不同的Ks值 1.混凝土或喷射混凝土的支护结构支护结构的刚度:支护结构提供的最大支护阻力Pamax为:Ec和Rc是混凝土或喷射混凝土的弹性模量和抗压强度。 2.灌浆锚杆是1的系数，表示灌浆后所增加的刚度，Es是钢筋的弹性模量，dB、Sa、Se，l是锚杆的直径、纵向和横向间距、长度。而锚杆最大的抗拔力只能参考以往类似的工程实例确定。 3.组合式支护结构如采用喷射混凝土和钢锚杆联合支护时，其组合的支护刚度即为：它能提供的最大支护阻力也是两者之和。 支护结构所能提供的支护阻力是随支护结构的刚度而增大，所以，这条曲线又称为“支护补给曲线”，或称为“支护特性曲线” 6.1.3围岩与支护结构的相互作用初期围岩所需的支护约束力很大，而一般支护结构所能供给的则很小。因此，围岩继续变形，在变形过程中支护结构的约束阻力进一步增长，如果支护结构有足够的强度和刚度，则围岩的支护需求曲线和支护结构的支护补给曲线会相交一点，而达到平衡。随着时间的推移，围岩性质恶化、锚杆锈蚀等，这个平衡状态还将调整。 （一）不同刚度的支护结构与围岩达成平衡时的支护和位移是不同的。（二）同样刚度的支护结构，架设的时间不同，最后达成平衡的状态也是不同的 6.2支护结构的设计原则6.2.1对支护结构的基本要求（1）必须能与围岩大面积地牢固接触。（2）要允许地下结构体系产生有限制的变形。（3）要能分期施工，并使早期支护和后期支护相互配合，“主动”控制围岩的变形。（4）支护结构要满足易于架设，构件可以互换，断面类型单一等施工技术上的要求。 6.2.2支护结构类型的选择和设计支护结构的类型：木支撑、钢支撑、锚杆和金属网支护、喷射混凝土和混凝土支护以及复合式支护结构。1、支护结构类型的选择 木支撑只是在塌方抢救时用来作为临时支撑。钢支撑基本上有两种形式，一种是用型钢做成的钢拱，另一种是用钢筋焊成的格栅拱。锚杆所提供的支护阻力比较小，尤其不能防止小块塌落，所以，它经常和金属网同时使用，如能与喷射混凝土联合使用效果更佳。喷射混凝土支护中有素喷混凝土和钢纤维喷混凝土两种。立模板灌注混凝土支护有人工灌注和混凝土泵灌注两种。 支护结构类型的选择根据客观需要和实际可能相结合的原则。客观需要是指围岩和地下水的状况；实际可能就是支护结构本身的能力、适应性、经济性以及施工的可能性。2、在设计支护结构时应注意：1)支护结构最好设计成封闭式的。2)对于抗拉性能较差的混凝土类支护结构，应尽量避免受弯矩作用。 6.3铁路隧道支护类型的选择和设计参数《铁路隧道设计规范》（TB10003～2005）规定:隧道应采用曲墙式衬砌，衬砌类型应优先采用复合式衬砌，地下水不发育的I、II级围岩的短隧道，可采用喷锚衬砌。衬砌结构的形式及尺寸，可根据围岩级别、水文地质条件、埋置深度、结构工作特点，结合施工条件等，通过工程类比和结构计算确定，必要时，还应经过试验论证。 （1）复合式衬砌设计应综合考虑各种因素，力求充分发挥围岩所具有的自承能力。（2）复合式衬砌的初期支护，宜采用喷锚支护；二次衬砌宜采用模筑混凝土；（3）各级围岩在确定开挖断面时，除应满足隧道建筑限界要求外，还应预留适当的围岩变形量。（4）复合式衬砌初期支护及二次衬砌的设计参数，可采用工程类比法确定，并通过理论分析进行验算。1.复合式衬砌设计规定 （1）喷锚衬砌内部轮廓应比整体式衬砌适当放大，除考虑施工误差和位移量外，应再预留10cm作为必要时补强用。（2）遇下列情况，不应采用喷锚衬砌：1）地下水发育或大面积淋水地段；2）能造成衬砌腐蚀或膨胀性围岩的地段；3）最冷月平均气温低于-5℃地区的冻害地段；4）有其他特殊要求的隧道。（3）喷锚衬砌的设计参数，参照规范规定。2.喷锚衬砌设计规定 （1）衬砌拱圈可设计为等截面或变截面形式。I～III级围岩地段，一般地区可采用直墙衬砌，IV～VI级围岩地段，应采用曲墙有仰拱的衬砌；III级围岩双线、多线隧道也应采用曲墙有仰拱的衬砌。VI级围岩的衬砌应采用钢筋混凝土结构。（2）因地形或地质构造等引起有明显偏压的地段，应采用偏压衬砌；IV、V、VI级围岩的偏压衬砌应采用钢筋混凝土结构。3.整体式衬砌设计规定 （3）单线隧道洞口段当围岩为I～III级，线路中线与地形等高线斜交时，可采用斜交衬砌。双线斜交衬砌的选用应慎重考虑。（4）最冷月平均气温低于-15℃的地区，应根据情况设置变形缝。（5）各级围岩地段的拱部衬砌背后，宜压注水泥砂浆。不良地质地段或偏压衬砌地段，衬砌背后应压注水泥砂浆或其他浆液。 应根据围岩的性质及状态、地下水情况、隧道断面尺寸及其埋置深度等条件（1）系统锚杆应沿隧道周边均匀布置，方向应接近于径向或垂直岩层，并应根据使用目的和围岩性质及状态等确定锚杆的类型、锚固方式、长度等。（2）自稳时间短、初期变形大的地层，或对地面下沉量有严格限制时，应采用钢架。根据围岩条件的不同，可选择开口式钢架或封闭式钢架。（3）松散、破碎或膨胀性围岩中宜采用钢筋网喷射混凝土作初期支护。4.初期支护的确定 大瑶山隧道支护实例大瑶山隧道为双线铁路隧道，全长14.3km，位于广东省境内坪石—乐昌之间。经方案比选，采用长隧道方案。该方案从线路角度看，较沿河方案缩短线路长度约11km，改善了运营条件；从地质角度看，避开了沿河水文条件恶劣及岩坡的坍塌、错落、滑坡等不良地质地段。 大瑶山隧道线路方案示意图 V围岩衬砌断面（单位：钢筋直径以mm计，余均以cm计） IV围岩衬砌断面（单位：cm） 6.4公路隧道支护类型的选择和设计参数公路隧道支护（衬砌）类型有喷锚支护（衬砌）、整体式衬砌和复合式衬砌。高速公路、一级公路、二级公路的隧道应采用复合式衬砌；三级及三级以下公路隧道，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩条件下，隧道洞口段应采用复合式衬砌或整体式衬砌，其它段可采用锚喷衬砌。6.4.1支护（衬砌）类型及其选择 6.4.2分离式独立双洞隧道复合式衬砌设计参数隧道衬砌参数，一般采用工程类比法进行设计，通过理论分析进行验算。根据《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004），复合式衬砌初期支护及二次衬砌的设计参数可参照表7-6、表7-7选用，但应通过施工过程对围岩和支护结构动态的监控量测及信息反馈对设计参数作必要的验证和调整。 6.4.3小净距及连拱隧道支护类型选择及设计参数由于公路选线条件的限制，往往不可避免地出现小净距隧道或连拱隧道。当隧道间的中间岩柱宽度小于表7-8的值时，应视为小净距隧道。围岩级别ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ最小净距（m）1.0×B1.5×B2.0×B2.5×B3.5×B4.0×B 6.4.3小净距及连拱隧道支护类型选择及设计参数小净距隧道支护设计要求：1、应优先选用复合式衬砌，支护参数应经工程类比、计算分析综合确定。2、设计应考虑相应的施工方法，并提出各类方法的具体要求。3、设计与施工应遵循“少扰动、快加固、勤量测、早封闭”的原则，并将中间岩柱的稳定与加固作为设计与施工的重点。 4、小净距隧道监控量测应根据不同围岩级别制定量测方案，将中间岩柱稳定、爆破振动对相邻洞室的影响作为监控量测的重点。5、在地震动峰值加速度大于0.15g的地区选用小净距隧道时，宜进行抗震强度和稳定性验算。 连拱隧道支护设计要求：1、隧道暗挖段应优先采用复合式衬砌，支护参数可采用工程类比或计算分析确定。2、中墙设计应在满足结构设计与施工安全的前提下，综合考虑洞外接线要求、防排水系统的可靠性等因素。3、连拱隧道按中墙结构形式不同分为整体式中墙和复合式中墙两种形式，在有条件加大中墙厚度的地段宜选用复合式中墙连拱隧道形式。6.4.3小净距及连拱隧道支护类型选择及设计参数 4、两车道连拱隧道设计为整体式中墙时，中墙厚度不宜小于1.4m；设计为复合式中墙时，中墙厚度不宜小于2.0m。三车道连拱隧道设计为整体式中墙时，中墙厚度不宜小于1.6m；设计为复合式中墙时，中墙厚度不宜小于2.2m。5、在地震动峰值加速度大于0.15g的地区，连拱隧道应进行抗震强度和稳定性验算。 6.5盾构隧道衬砌结构类型选择与设计参数6.5.1盾构隧道衬砌结构类型选择盾构法修建的区间隧道衬砌有预制装配式衬砌、预制装配式衬砌和模注钢筋混凝土整体式衬砌相结合的双层衬砌以及挤压混凝土整体式衬砌三大类 盾构法修建的隧道衬砌结构a．单层装配式衬砌b．双层衬砌c．挤压混凝土整体衬砌 1．预制装配式衬砌管片种类按材料可分为钢筋混凝土，钢、铸铁以及由几种材料组合而成的复合管片。钢筋混凝土管片的耐压性和耐久性好,刚度大，在用盾构法修建的各种隧道中都得到了广泛的应用。缺点是重量大，抗拉强度较低，在脱模、运输、拼装过程中，容易将其角部碰坏。钢管片的强度高，具有良好的焊接性，便于加工和维修，重量轻也便于施工。与混凝土管片相比，其刚度小、易变形，而且钢管片的抗锈性差，在不做二次衬砌时，必需有抗腐、抗锈措施。铸铁管片强度高，和钢管片相比，刚度亦较大,防水和防锈蚀性能好，易加工。 按管片螺栓手孔成型大小，可将管片分为箱型和平板型两类。箱型管片平板型管片 箱型管片箱型管片呈肋板型结构。手孔较大不仅方便了接头螺栓的穿入拧紧，而且也节省了材料，使单块管片重量减轻，便于运输和拼装。但因截面削弱较多，在盾构千斤顶推力作用下容易开裂。箱型管片的接缝：纵向接缝（径向接缝）和横向接缝（环向接缝）一般都是平面状的。 平板型管片平板型管片是呈曲板型结构的管片。由于管片截面削弱少或无削弱，故对盾构千斤顶推力具有较大的抵抗力，对通风的阻力也较小。无手孔的管片也称为砌块。现代的钢筋混凝土管片多采用平板型结构。 平板型管片的接缝除可采用平面状外，也有采用榫槽式接缝，当衬砌中内力较大时，管片的径向接缝还可以做成圆柱状的，使接缝不产生或少产生弯矩。榫槽式接缝圆柱状接缝 管片之间以及各衬砌环之间的连接方式刚性连接：通过增加连接螺栓的排数，力图在构造上使接缝处的刚度与管片本身相同。柔性连接：允许相邻管片间产生微小的转动和压缩，使衬砌环能按内力分布状态产生相应的变形，以改善衬砌环的受力状态。目前较为通用的是柔性连接，常用的有以下几种形式：（1）单排螺栓连接（2）销钉连接（3）无连接件 （1）单排螺栓连接按螺栓形状又可分为弯螺栓连接、直螺栓连接和斜螺栓连接三种。 弯螺栓连接多用于钢筋混凝土管片平面形接缝上，由于它所需螺栓手孔小，截面削弱少，原以为接缝刚度可以增加，能承受较大的正负弯矩，但实践表明，弯螺栓连接容易变形，且拼装麻烦，用料又多，近年来有被其它螺栓连接方式取代的倾向。 直螺栓连接是最常见的连接方式。设置单排直螺栓的位置，要考虑它与管片端肋的强度相匹配，即在端肋破坏前，螺栓应先屈服，同时又要考虑施工因素的影响。斜螺栓连接是近几年发展起来的用于钢筋混凝土管片上的一种连接方式，它所需的螺栓手孔最小，耗钢量最省。 （2）销钉连接。销钉的作用除为了临时稳定管片，保证防水密封垫的压力外，在安装管片时还起导向作用，将相邻衬砌环连在一起。和螺栓连接相比既省力、省时，价格又低廉，连接效果也相当好。销钉是埋在衬砌内的，不能回收，故通常都是用塑料制成 （3）无连接件。在稳定的不透水地层中，圆形衬砌的径向接缝也可不用任何连接件连接。因管片沿隧道径向呈一楔形体，外缘宽内缘窄，在外部压力作用下，管片将相互挤紧，而形成一个稳定的结构。 2．双层衬砌在装配式衬砌内部再做一层整体式混凝土或钢筋混凝土内衬。根据需要还可以在装配式衬砌与内层之间敷设防水隔离层。双层衬砌主要用在含有腐蚀性地下水的地层中。但近年来，由于混凝土耐腐蚀性和管片防水性能的提高，采用双层衬砌的必要性已大为减少，但仍有一些国家如日本等坚持使用双层衬砌。 6.5.2横截面内轮廓和结构尺寸拟定1．横截面内轮廓尺寸横截面的内轮廓尺寸全线是同一的。要根据建筑限界、施工误差、道床类型、预留变形等条件决定外，还要按线路的最小曲线半径进行验算，保证列车在最困难条件下也能安全通过。广州、上海地下铁道的圆形区间隧道内径为5.5m。 6.5.2横截面内轮廓和结构尺寸拟定2．管片厚度管片的厚度取决于围岩条件、覆盖层厚度、管片材料、隧道用途、施工工艺等条件。为了充分发挥围岩自身的承载能力，现代的隧道工程中都采用柔性衬砌，其厚度相对较薄。根据日本经验，单层的钢筋混凝土管片衬砌，管片厚度一般为衬砌环外径的5.5%左右。上海地下铁道管片厚度为350mm，广州、北京、深圳、南京地下铁道管片厚度为300mm，约为衬砌环外径的5%~6%。 6.5.2横截面内轮廓和结构尺寸拟定3．管片宽度管片宽度的选择对施工、造价的影响较大。单线区间隧道管片的宽度控制在700mm~1000mm之间，但随着铰接盾构的出现，管片宽度有进一步提高的趋势，目前，控制在1000mm~1500mm之间。上海地下铁道区间隧道的管片宽度为1000mm。 4．衬砌环的分块衬砌环的组成，一般有两种方式。一种是由若干标准管片（A）、二块相邻管片（B）和一块封顶管片（K）构成。另一种是由若干块A型管片、一块B型管片和一块K型构成 通常直径D≤6m的地下铁道区间隧道，衬砌环以分4~6块为宜，D>6m时，可分为6~8块。上海、广州地铁都是分6块。衬砌环的拼装形式有错缝和通缝两种 5．螺栓和注浆孔的配置组装管片用的螺栓分为纵向连接螺栓和环向连接螺栓两种。螺栓孔的设置不得降低管片强度，并方便螺栓紧固作业。为了均匀地向衬砌背后进行回填注浆，管片上还应设置一个以上的注浆孔，注浆孔直径一般由所用的注浆材料决定，通常其内径为50mm左右。螺栓直径（mm）273033螺栓孔直径（mm）32~3335~3838~41 6.5.3盾构法施工时特殊地段的衬砌曲线段的衬砌在竖曲线和水平曲线地段上，需要在标准衬砌环之间插入一些楔形衬砌环，以保证隧道向所需的方向逐渐转折 楔形衬砌环的楔入量Δ，即楔形衬砌环最大宽度与最小宽度之差，或楔入角θ，即楔入量与衬砌外径D外之比，除应根据曲线半径、衬砌外径、管片宽度和在曲线段使用楔形衬砌环所占的百分比确定外，还要按盾尾间隙量进行校核。衬砌环外径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′实践中采用的楔入量和楔入角如表7-11所示