地鐵區間礦山法大斷面隧道內輪廓參數確定方法

張明強 熊元潮 高云龍

(1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司,430056,武漢; 2.湖北省城建設計院有限公司,430056,武漢;3.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,430000,武漢//第一作者,工程師 )

地鐵區間礦山法大斷面隧道內輪廓參數確定方法

張明強1熊元潮2高云龍3

(1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司,430056,武漢; 2.湖北省城建設計院有限公司,430056,武漢;3.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,430000,武漢//第一作者,工程師 )

地鐵區間線路往往設有聯絡線、停車線等線路。這些區間的線路變化復雜處的隧道可能出現礦山法大斷面結構形式。從限界要求出發,介紹了確定礦山法隧道內輪廓的要點,采用勾股定理法確定內輪廓上部圓弧,并針對幾種不同的內輪廓進行解析,計算分析其優劣,得到以下結論:仰拱半徑越小,整體結構受力越有利,但開挖及回填面積都將增大,結構經濟性指標降低;建議礦山法大斷面隧道內凈高與凈跨之比約為0.7～0.75,仰拱半徑與隧道凈高之比約為1.35～1.45。

地鐵區間隧道; 礦山法; 內輪廓;仰拱;結構受力

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

由于功能要求,地鐵區間線路會帶有聯絡線、停車線、渡線等線路。這些區間的線路變化復雜處需采用明挖法或者礦山法施工。若采用礦山法,則不可避免地會出現單洞雙線甚至單洞三線等大斷面結構形式。目前,對于礦山法標準斷面,設計采用的結構形式大體相同,然而,對于非標準斷面的內輪廓確定方法尚未統一,對其經濟性與結構力學特性的綜合比較研究尚淺。本文從限界要求出發,詳細介紹了確定礦山法隧道內輪廓的要點,并針對幾種不同的內輪廓進行解析,計算分析其優劣,為非標準斷面制定提供了參考。

1 礦山法隧道限界簡介

如圖1所示,單線隧道建筑限界一般由3段圓弧或5段圓弧首尾連接而成;雙線隧道建筑限界則根據線間距,將2個單線隧道限界進行簡單的疊加。

2 礦山法隧道襯砌內輪廓

襯砌內輪廓應在滿足建筑限界和設備限界基礎上,考慮施工誤差、測量誤差、不均勻沉降、結構變形等的需要預留適當的變形量。在Ⅵ級圍巖的條件下,地鐵區間單線隧道的預留量一般為100 mm,雙線隧道預留量一般為150 mm。

對于單線隧道內輪廓,目前各設計院已基本統一,雙線及以上隧道內輪廓則需要設計者自己擬定。本文以4.8 m線間距雙線隧道為例,具體介紹擬定方法。

2.1 確定上部圓弧圓心

擬定二襯內輪廓的難點在于確定上部圓弧圓心。由于相鄰兩個圓弧的位置關系為相切,且對于大斷面隧道,頂部圓弧的圓心在相鄰圓弧圓心(半徑為R)下方,若重復試驗不同的圓心半徑,不僅效率低,且得到的半徑大多為碎數。筆者采用一種簡便方法,即通過勾股定理選擇頂部圓弧圓心。圖2及表1所示方案一和方案二中,若要保證圓弧半徑為整數,只需線段OO11、OO12、O11O12(或OO21、OO22、O21O22)滿足勾股定理即可。

圖1 地鐵區間礦山法隧道建筑限界示意圖

表1 方案參數表 mm

采用勾股定理的方法確定隧道內輪廓上部圓弧存在圖2中兩種方案。本文針對兩種方案,在不同工況下,采用ANSYS軟件進行了數值模擬。

工況一:地層抗力為20 MPa/m,側壓力系數0.45。該種工況下,兩種方案最大剪力相同,彎矩及軸力對比如圖3所示。

圖2 隧道內輪廓上部圓弧

圖3 工況一彎矩圖

工況二:地層抗力為30 MPa/m,側壓力系數0.4。該種工況下,兩種方案最大剪力相同,彎矩及軸力對比如圖4所示。

工況三:地層抗力為40 MPa/m,側壓力系數0.3。該種工況下,兩種方案最大剪力相同,彎矩及軸力對比如圖5所示。

上述兩種方案在實際中均有應用,對比理論計算發現,方案二的拱頂和拱腳受力與方案一差別不大,但拱肩和拱底受力明顯優于方案一。同時,方案二內凈空稍大,這表明方案二的開挖面積稍大于方案一,由于對土層擾動情況無法定量描述,對此點本文不作討論。經過以上討論,筆者推薦方案二。

圖4 工況二彎矩圖

圖5 工況三彎矩圖

2.2 確定下部圓弧

地鐵區間礦山法隧道下部由三段圓弧組成,如圖6所示。

圖6 隧道內輪廓下部圓弧

通常,圓弧一延續標準斷面半徑,即圓弧一的半徑為6 350 mm。圓弧二為圓弧一與圓弧三的過渡段,最后確定。下部圓弧難點在于圓弧三(仰拱)的確定。首先,對半徑分別為8.30 m、10.15 m、12.50 m的圓弧三(仰拱)半徑,在其余條件相同的情況下,采用ANSYS軟件進行數值模擬分析。模擬結果如圖7所示。

由圖7可知,仰拱半徑越小,拱腳和拱底受力越有利;同時,半徑越小,開挖及回填面積都將增大,結構經濟性指標降低。因此,在實際中應當進行比選,使仰拱半徑控制在合理范圍內。表2為筆者選擇的仰拱半徑,僅供參考。從表2中可以看出,對于礦山法大斷面隧道,隧道內凈高與凈跨之比約為0.7～0.75,仰拱半徑與隧道凈高之比約為1.35～1.45。

表2 仰拱半徑表

圖7 不同仰拱內力圖

圓弧三(仰拱)確定之后,與圓弧一相交,再選擇圓弧二的半徑,即可畫出圓弧二。當隧道內輪廓跨度大于9 m時,根據經驗,圓弧二的半徑可選擇1 500～2 000 mm。

目前的隧道設計中,斷面型式已基本統一,但在地鐵工程中,由于停車線、渡線、聯絡線的影響,造成線間距變化較大,礦山法隧道斷面變化較多,無法達成統一。本文將斷面擬定的方法進行統一,所需調整的參數較少,有利于將原本變化多端的斷面歸納整理,對各自受力進行分析,得出最有利的擬定斷面參數,以達到規范統一的目的。同時,后續施工中,可以將格柵鋼架規格、腳手架或模板臺車規格、二襯混凝土澆筑模板規格等施工參數規范統一,對提高施工進度和精度都有較好的作用。

3 結論

本文結合工程實際,探討了礦山法隧道內輪廓確定方法,并對內輪廓局部問題進行了計算分析,得出以下結論:

(1) 采用勾股定理法可方便快捷地確定內輪廓上部圓弧。

(2) 上部圓弧按照方案二的方式,理論分析中結構受力具有明顯優勢,但方案二內凈空略大,開挖面積加大,對地層的擾動無法定量衡量。綜合比較,推薦采用方案二。

(3) 仰拱半徑越小,整體結構受力越有利,同時,半徑越小,開挖及回填面積都將增大,結構經濟性指標降低。建議礦山法大斷面隧道內凈高與凈跨之比約為0.70～0.75,仰拱半徑與隧道凈高之比約為1.35～1.45。

(4) 目前礦山法隧道大斷面尺寸變化較多,無法達成統一。本文對斷面擬定的方法進行統一,所需調整的參數較少,有利于將原本變化多端的斷面歸納整理,對各自受力進行分析,得出最有利的擬定斷面參數,以達到規范統一的目的。

(5) 在今后的施工中,可將格柵鋼架規格、腳手架或模板臺車規格、二襯混凝土澆筑模板規格等施工參數規范統一,以提高施工進度和精度。

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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)