地铁区间矿山法大断面隧道内轮廓参数确定方法

张明强 熊元潮 高云龙

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司,430056,武汉; 2.湖北省城建设计院有限公司,430056,武汉;3.中铁第四勘察设计院集团有限公司,430000,武汉//第一作者,工程师 )

地铁区间矿山法大断面隧道内轮廓参数确定方法

张明强1熊元潮2高云龙3

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司,430056,武汉; 2.湖北省城建设计院有限公司,430056,武汉;3.中铁第四勘察设计院集团有限公司,430000,武汉//第一作者,工程师 )

地铁区间线路往往设有联络线、停车线等线路。这些区间的线路变化复杂处的隧道可能出现矿山法大断面结构形式。从限界要求出发,介绍了确定矿山法隧道内轮廓的要点,采用勾股定理法确定内轮廓上部圆弧,并针对几种不同的内轮廓进行解析,计算分析其优劣,得到以下结论:仰拱半径越小,整体结构受力越有利,但开挖及回填面积都将增大,结构经济性指标降低;建议矿山法大断面隧道内净高与净跨之比约为0.7～0.75,仰拱半径与隧道净高之比约为1.35～1.45。

地铁区间隧道; 矿山法; 内轮廓;仰拱;结构受力

First-author′s address CCCC Second Highway Consultants Co.,Ltd.,430056,Wuhan,China

由于功能要求,地铁区间线路会带有联络线、停车线、渡线等线路。这些区间的线路变化复杂处需采用明挖法或者矿山法施工。若采用矿山法,则不可避免地会出现单洞双线甚至单洞三线等大断面结构形式。目前,对于矿山法标准断面,设计采用的结构形式大体相同,然而,对于非标准断面的内轮廓确定方法尚未统一,对其经济性与结构力学特性的综合比较研究尚浅。本文从限界要求出发,详细介绍了确定矿山法隧道内轮廓的要点,并针对几种不同的内轮廓进行解析,计算分析其优劣,为非标准断面制定提供了参考。

1 矿山法隧道限界简介

如图1所示,单线隧道建筑限界一般由3段圆弧或5段圆弧首尾连接而成;双线隧道建筑限界则根据线间距,将2个单线隧道限界进行简单的叠加。

2 矿山法隧道衬砌内轮廓

衬砌内轮廓应在满足建筑限界和设备限界基础上,考虑施工误差、测量误差、不均匀沉降、结构变形等的需要预留适当的变形量。在Ⅵ级围岩的条件下,地铁区间单线隧道的预留量一般为100 mm,双线隧道预留量一般为150 mm。

对于单线隧道内轮廓,目前各设计院已基本统一,双线及以上隧道内轮廓则需要设计者自己拟定。本文以4.8 m线间距双线隧道为例,具体介绍拟定方法。

2.1 确定上部圆弧圆心

拟定二衬内轮廓的难点在于确定上部圆弧圆心。由于相邻两个圆弧的位置关系为相切,且对于大断面隧道,顶部圆弧的圆心在相邻圆弧圆心(半径为R)下方,若重复试验不同的圆心半径,不仅效率低,且得到的半径大多为碎数。笔者采用一种简便方法,即通过勾股定理选择顶部圆弧圆心。图2及表1所示方案一和方案二中,若要保证圆弧半径为整数,只需线段OO11、OO12、O11O12(或OO21、OO22、O21O22)满足勾股定理即可。

图1 地铁区间矿山法隧道建筑限界示意图

表1 方案参数表 mm

采用勾股定理的方法确定隧道内轮廓上部圆弧存在图2中两种方案。本文针对两种方案,在不同工况下,采用ANSYS软件进行了数值模拟。

工况一:地层抗力为20 MPa/m,侧压力系数0.45。该种工况下,两种方案最大剪力相同,弯矩及轴力对比如图3所示。

图2 隧道内轮廓上部圆弧

图3 工况一弯矩图

工况二:地层抗力为30 MPa/m,侧压力系数0.4。该种工况下,两种方案最大剪力相同,弯矩及轴力对比如图4所示。

工况三:地层抗力为40 MPa/m,侧压力系数0.3。该种工况下,两种方案最大剪力相同,弯矩及轴力对比如图5所示。

上述两种方案在实际中均有应用,对比理论计算发现,方案二的拱顶和拱脚受力与方案一差别不大,但拱肩和拱底受力明显优于方案一。同时,方案二内净空稍大,这表明方案二的开挖面积稍大于方案一,由于对土层扰动情况无法定量描述,对此点本文不作讨论。经过以上讨论,笔者推荐方案二。

图4 工况二弯矩图

图5 工况三弯矩图

2.2 确定下部圆弧

地铁区间矿山法隧道下部由三段圆弧组成,如图6所示。

图6 隧道内轮廓下部圆弧

通常,圆弧一延续标准断面半径,即圆弧一的半径为6 350 mm。圆弧二为圆弧一与圆弧三的过渡段,最后确定。下部圆弧难点在于圆弧三(仰拱)的确定。首先,对半径分别为8.30 m、10.15 m、12.50 m的圆弧三(仰拱)半径,在其余条件相同的情况下,采用ANSYS软件进行数值模拟分析。模拟结果如图7所示。

由图7可知,仰拱半径越小,拱脚和拱底受力越有利;同时,半径越小,开挖及回填面积都将增大,结构经济性指标降低。因此,在实际中应当进行比选,使仰拱半径控制在合理范围内。表2为笔者选择的仰拱半径,仅供参考。从表2中可以看出,对于矿山法大断面隧道,隧道内净高与净跨之比约为0.7～0.75,仰拱半径与隧道净高之比约为1.35～1.45。

表2 仰拱半径表

图7 不同仰拱内力图

圆弧三(仰拱)确定之后,与圆弧一相交,再选择圆弧二的半径,即可画出圆弧二。当隧道内轮廓跨度大于9 m时,根据经验,圆弧二的半径可选择1 500～2 000 mm。

目前的隧道设计中,断面型式已基本统一,但在地铁工程中,由于停车线、渡线、联络线的影响,造成线间距变化较大,矿山法隧道断面变化较多,无法达成统一。本文将断面拟定的方法进行统一,所需调整的参数较少,有利于将原本变化多端的断面归纳整理,对各自受力进行分析,得出最有利的拟定断面参数,以达到规范统一的目的。同时,后续施工中,可以将格栅钢架规格、脚手架或模板台车规格、二衬混凝土浇筑模板规格等施工参数规范统一,对提高施工进度和精度都有较好的作用。

3 结论

本文结合工程实际,探讨了矿山法隧道内轮廓确定方法,并对内轮廓局部问题进行了计算分析,得出以下结论:

(1) 采用勾股定理法可方便快捷地确定内轮廓上部圆弧。

(2) 上部圆弧按照方案二的方式,理论分析中结构受力具有明显优势,但方案二内净空略大,开挖面积加大,对地层的扰动无法定量衡量。综合比较,推荐采用方案二。

(3) 仰拱半径越小,整体结构受力越有利,同时,半径越小,开挖及回填面积都将增大,结构经济性指标降低。建议矿山法大断面隧道内净高与净跨之比约为0.70～0.75,仰拱半径与隧道净高之比约为1.35～1.45。

(4) 目前矿山法隧道大断面尺寸变化较多,无法达成统一。本文对断面拟定的方法进行统一,所需调整的参数较少,有利于将原本变化多端的断面归纳整理,对各自受力进行分析,得出最有利的拟定断面参数,以达到规范统一的目的。

(5) 在今后的施工中,可将格栅钢架规格、脚手架或模板台车规格、二衬混凝土浇筑模板规格等施工参数规范统一,以提高施工进度和精度。

[1] 鲍闯.地下洞室施工力学特性及合理断面研究[D].重庆:重庆交通大学,2014:47-66.

[2] 董书明.隧道最优断面形状的有限元分析[D].西安:西北农林科技大学,2011:27-32.

[3] 周灿朗,雷金山,阳军生,等.地铁大跨度矿山法隧道断面优化设计研究[J].铁道建筑,2008(10):62-65.

[4] 宋明.复杂周边环境下矿山法大断面隧道设计[J].现代城市轨道交通,2011(s1):36-40.

[5] 陈绍章,陈越,刘智成.矿山法暗挖技术在广州地铁中的应用[J].岩石力学与工程学报,1999,18(增):967-972.

Method of Determing the Inner Outline of Metro Tunnels Built with Mining Method

ZHANG Mingqiang, XIONG Yuanchao, GAO Yunlong

There are often connecting lines and stabling lines lie in metro sections.Structure with large cross-section tunnel built with mining method may be applied to places of complex line arrangement.In this paper,the main points of determining inner outline of tunnels built with mining method are introduced based on gauge limitation requirements.The upper arch of tunnel inner outline can be conveniently determined by Pythagorean Theorem,several kinds of inner outlines are inducted through comparison.The results are as follows:the smaller invert radius,the better structural forces will be.In such condition,the excavation and backfill area will be increased,but the economic index reduced. Suggestions are given that the ratio of tunnel inner clear height to innerclear span shall be controlled in 0.7～0.75,and the ratio of invert radius to tunnel clear height in 1.35～1.45 for large cross-section tunnel.

metro section tunnel; mining method; inner outline; inverted arch; structural force

U452.2+6

10.16037/j.1007-869x.2017.04.018

2015-05-09)