南京地铁三号线隧道衬砌结构断面优化研究

第２８卷第２期　２Ｏ１４年４月　Ｖ＿０１．２８　ＮＯ．２　Ａｐｔ．２０１４　南京地铁　南　地饫　三号线隧道衬砌结构断面优化研究　张亮亮　（中国铁建第四勘察设计院集团有限公司城地院地下工程所，武汉４３００６３）　摘要：以南京地铁三号线滨江路站～五塘村站矿山法区间为例，采用有限元结构分析软件，取最不利荷载组合，　分析了隧道复合式衬砌结构的受力特征。结果表明，通过对隧道仰拱结构断面尺寸进行优化，即隧道边墙到仰拱　顺接过度部分宜采用较小半径圆弧设计，可满足最不利水头下结构受力要求，以避免仰拱二衬受高水头作用而隆　起的风险，且增加费用不大。　关键词：南京地铁；矿山法隧道；复合式衬砌；断面优化；数值计算　中图分类号：Ｕ４５２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００４—３１５２（２０１４）０２—００４３—０４　楼。区间位于长江漫滩地貌单元，填土较厚，不同程　１　引言　地下轨道交通中马蹄形断面矿山法隧道的衬砌　，　度上发育有粉土、砂土，该区段长江平均水位标高在　７．０　ｍ左右，年最高水位多年平均值在１０．２２　ｍ左　右。孑Ｌ隙微承压水主要分布于残积土中，均与上覆　断面设计大多采用新奥法，在满足建筑限界、通风条　件、受力要求的衬砌轮廓线基础上，根据工程类比法　拟定衬砌截面厚度和配筋。但如忽略具体地质和水　文条件，其支护参数选择具有随意性、盲目性、冒险　的砂性土层贯通。下部灰岩裂隙发育，部分地段岩　石破碎，溶蚀现象较明显，存在岩溶裂隙水。　本区间的不利工程条件有如下几点：该区段隧　道距长江较近，最近处约５００　ＩＩ１左右，地下水与长　江水有一定的水力联系，隧道埋深均在长江水位以　下；隧道距两侧幕府山和老虎山较近，基岩破碎、裂　隙发育，隧道附近基岩裂隙水与两侧山体基岩裂隙　水有一定的水力联系；隧道纵坡较大为２８‰，中央　性Ｌｌ　］。众所周知，在隧道拱顶设计参数基本一致时，　衬砌仰拱半径不宜过大，增加仰拱曲率，可以有效减　小衬砌结构拱底、拱脚处弯矩。衬砌结构在地应力和　均布（或似均布）外水压力作用下，衬砌是不稳定的，　衬砌中最薄弱的仰拱部位首先发生隆起破坏Ｌ３］。南　京地铁二号线某矿山法区间在２０１１年暴雨季出现２Ｏ　北路路面北高南低；考虑到隧道外防水隔离层的作　用，地下水头可能沿隧道纵向连通。　多米道床突然拱起，对地铁运营造成一定的影响。为　避免类似事故出现，有必要针对马蹄形断面矿山法隧　道的仰拱结构在高水头压力下内力计算和断面优化。　以南京地铁三号线滨江路站～五塘村站区间在　３．１初步方案　３结构设计简介　建隧道为例，采用ＳＡＰ８４结构分析软件，取最不利　荷载组合，分析隧道衬砌的受力特征，对隧道仰拱结　构断面进行优化分析。　初步设计中，“单洞单线”隧道结构断面尺寸设　计沿用南京地铁一、二号线隧道设计，采用马蹄形结　构断面。为满足限界专业要求，隧道净空尺寸取宽　５３８０　ｍｍ，高５４００　ｍｍ。隧道支护结构采用初期支　护、二次衬砌复合式衬砌，初期支护与二次衬砌间设　置全包防水隔离层。初期支护采用锚喷支护，由喷射　２　工程概况　南京地铁三号线滨江路站～五塘村站在建区间　包含单洞双线隧道、双连拱隧道、单洞单线隧道三种　混凝土、格栅钢架、钢筋网、锚杆（管）等组成，结合地　质情况设置小导管、大管棚超前支护，必要的时候进　行注浆加固等辅助工法。此处，Ｖ、ｖＩ级围岩隧道初　期支护厚３００　ｍｍ，二次衬砌厚为３５０　ｍｍ，隧道仰拱　断面型式。隧道沿中央北路布置，中央北路交通繁　忙，道路下方管线密集，道路两侧分步有多栋住宅　收稿１３期：２０１３　０２—２０　作者简介：张亮亮（１９８０一），男，高级工程师，研究方向为结构工程、岩土工程的科研和设计。　４４　半径为８７２６　ｍｍ。初步设计中衬砌断面尺寸见图１。　Ｏ、　图１　原初步设计隧道结构横断面图　图２优化后隧道结构横断面图　３．２优化方案　根据矿山法隧道结构断面的受力特点，并结合　国内其他城市的工程经验，拟将隧道断面进行优化，　即：将原设计仰拱半径８７２６　ｍｍ调整为３５００　ｍｍ，　初支与二衬厚度不变，采用与原设计上节相同，优化　后断面如图２所示。优化设计后二衬配置拟配筋　为：通长主筋　２０＠２００，在仰拱与拱脚处增加局部　钢筋　ｌ８＠２００，全周梅花型布置拉筋中８＠３００　ｍｍ　（环）×４００　ｍｍ（纵）。　４　结构计算　据文献［４］，复合式衬砌中的二次衬砌，在Ｉ～　Ⅲ级围岩中作为安全储备，按构造要求设计；在Ⅳ、　Ｖ级围岩中为承载结构，采用地层构造法计算内力　和变形。本计算为安全起见，二次衬砌按承受全部　围岩压力和水压力进行计算与设计。　衬砌结构的设计与防排水措施、衬砌断面形式、　注浆堵水圈的渗透系数大小等息息相关［　。由于地　下水压力直接作用在衬砌的外表面，衬砌上水压力　采用该处的静水压力（静水头），隧道支护结构一般　应考虑按照荷载结构模型进行水一土分算　。计　算采用荷载一结构模型和平而杆系有限单元法对二　衬进行内力分析，利用ＳＡＰ８４有限元分析软件。计　算基本假定有：假定衬砌为小变形弹性梁，衬砌为离　散足够多个等厚度直杆梁单元；用布置于各节点上　的弹簧单元来模拟围岩与支护结构、衬砌的相互约　束；假定弹簧不承受拉力，即不计围岩与衬砌间的粘　结力；弹簧受压时的反力即为围岩对衬砌的弹性抗　力；正常使用期间，围岩压力仅考虑松弛压力，不计　形变压力。所建全周弹簧计算模型见图３。　～仨一一一　ｌ　ｉ　ｉ　ｉ　ｉ　ｉ　ｉ　ｆ　水乐＝２４０　ｋＰａ　图３全周弹簧计算模型　考虑到隧道外水头连隧道纵向连通，则最不利　情况出现在五塘村站附近的单洞单线起点处，其隧　道顶标高约一１．２　ｍ，地面标高约３２　１＂１３．；隧道附近老　虎山标高约２４　ｍ～３５一　Ｔ１　一　　ｍ，幕府山标高约１７　ｍ～３３　ｉｎ；　综合考虑最不利水头验算高度取至３５　１ｒｒＴ１　ＴＩ，并分别就水　头高度为１８　ｍ、２５　１７１１、３０　ｍ、３５　ＩＴＩ　４种Ｔ况分析隧道二　衬受力。因内力包络图相似，仅数值有区别，故仅列出　衬砌结构在３５　ｍ水头与土压作用下工况的计算结果，　图４～６分别为衬砌断面优化前后的弯矩图、轴力图、　剪力图，其中左侧为初步设计的衬砌结构内力，右侧为　优化后衬砌结构内力。初步设计极值统计如表ｌ所　示，优化后计算结果见表２，其中，弯矩外侧受拉为正；　剪力在指定部位最大弯矩附近读值；轴力受拉为正。　图４弯矩图　第２期　张亮亮：南京地铁三号线隧道衬砌结构断面优化研究　４５　图５轴力图　图６剪力图　表１初步设计衬砌结构内力计算统计表　由图４～６可以看出，各工况计算内力包络图的　分布特征大致相同：各工况衬砌正弯矩极值出现在　两侧边墙与仰拱的连接处，而仰拱中间部位则有较　大负弯矩值，拱顶部位弯矩较小。各工况衬砌轴力　况作用下的受力要求。但若水压继续加大，则拱脚　处难以满足更高水头作用下的抗剪要求，安全储备　空间不大。优化后断面较为圆顺，消除了在仰拱和　拱脚附近的应力集中，结构受力更为合理。优化后　断面与原设计施工图拟采用的二衬厚度与配筋一致　的情况下，能满足“１８　ｍ水头＋全覆土压”和仅考虑　均为正压力值，其极值均集中在两侧边墙与仰拱的　连接处，拱部中间位置出现较大的剪力值。为此，选　取曲边墙与仰拱连接部位作为结构配筋设计的控制　截面是较为安全的。　１８　ｍ水头荷载的作用。在水头增加后隧道结构弯　对比表１～２可以看出：根据正截面和斜截面受　矩和剪力值增加不大，拟采取的配筋能满足“３５　ｉＴＩ　水头＋全覆土压”和仅考虑３５　ｍ水压力作用下受　力要求。　弯承载力计算，原方案的截面尺寸与配筋已能满足　“１８　ｍ水头＋全覆土压”和仅承受１８　ｍ水头两种工　４６　土　工　基　础　弧线的半径不宜太小；隧道边墙到仰拱顺接过度部　５工程造价估算　此次优化前后工程造价对比结果见下表３。　表３工程数量及投资估算表（每延米）　分宜增大截面加厚或配筋率处理。　（２）修建马蹄形断面矿山法区间隧道时，应合理　选择水头，并重视衬砌外水压力对衬砌仰拱部位受　力的不利影响，为此，建议在非主城区修筑复合型衬　砌隧道时采用“防排结合”型防水。　（３）在不改变仰拱的矢跨比、衬砌厚度的情况　下，优化仰拱外轮廓隅角半径、仰拱与边墙顺接半径　以及仰拱厚度，可以有效改善隧道衬砌结构受力条　件，且工程造价合理可行。　参　考　文　献　［１］　苏丽娟．高速铁路隧道围岩支护参数优化设汁［Ｄ］．北京交通　大学，２０１１．　由表３可知，优化断面方案后，增加工程估算约　７７７元／ｍ，双联拱隧道和单洞单线隧道共计约５８９　ｍ　双线延长米，共增加投资约９１．５万元，业主与审计部　门较为认可和接受。　［２３高新强．高水压山岭隧道衬砌水压力分布规律研究［Ｄ］．西南　交通大学，２００５．９．　［３３周乐凡，梅志荣，陈礼伟．考虑水荷载作用的铁路隧道衬砌结构　设计ＥＪ］．中国铁道科学，２００５，２６（６）：９８　１Ｏ１．。　［４］铁道第二勘察设计院．铁路隧道设计规范（ＴＢ１０００３—２００５）　６　结论　（１）马蹄形断面矿山法隧道衬砌断面选取可遵　Ｅｓ］．北京：中国铁道出版社，２００５．　［５］傅钢，曹延平，张林，等．地下水环境平衡的理念在高水压隧道　设计中的应用［Ｊ］．岩土力学，２００７．２８（增）：４７４—４７８．　［６］梁巍．海底隧道衬砌结构设计［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００７，　２６（２）：３８３５—３８４０．　循以下原则：避免仰拱扁平的断面设计；衬砌墙角处　Ｃｒｏｓｓ　Ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｌｉｎｉｎｇ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｎａｎｊ　ｉｎｇ　Ｎｏ．３　Ｍｅｔｒｏ　Ｌｉｎｅ　ＺＨＡＮＧ　Ｌｉａｎｇｌｉａｎｇ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　ＳｉＹｕａｎ　Ｓｕｒｖｅｙ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．，Ｉ　ｔｄ，Ｗｕｈａｎ　４３００６３）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｓｔｕｄｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ　ｌｉｎｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｕｎｄｅｒ　ｈｉｇｈ　ｗａｔｅｒ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｉｓ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｔＯ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａ　ｃａｓｅ　ｈｉｓｔｏｒｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｓｔｕｄｙ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｓｔａｔｉｏｎｓ　Ｂｉｎｇｊｉａｎｇ　Ｒｏａｄ　ａｎｄ　Ｗｕｔａｎｇ　Ｖｉｌｌａｇｅ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｎｏ．３　Ｍｅｔｒｏ　Ｌｉｎｅ．Ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｌｉｎｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｈａｓ　ｎｕｍｅｒｉ—　ｃａｌｌｙ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｕｎｆａｖｏｒａｂｌｅ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ＣＲＯＳＳ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｉｎｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｓｉｄｅ　ｗａｌ１　ｔＯ　ｔｈｅ　ｔｏｐ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｒｃｈ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｃｉｒｃｕｌａｒ　ａｒｃｈ　ｗｉｔｈ　ｓｍａｌ１　ｒａｄｉｕｓ　ＳＯ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ　ｃａｎ　ｂｅ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｍａｌｌ　ｒａｄｉｕｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｌｓｏ　ａｖｏｉｄｓ　ｔｈｅ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｈｅａｖｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｌｉｎｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｗａｔｅｒ　ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔａｎｔ　ｃｏｓｔ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｍｅｔｒｏ；Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｌｉｎｉｎｇ；Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｌｉｎｉｎｇ；Ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ