重庆市轨道交通地下工程结构设计探讨

陈文艳,谢承栋

(上海市隧道工程轨道交通设计研究院)

摘　要:结合重庆市轨道交通地下结构工程设计实例,着重介绍了明挖法、暗挖法的设计和施工方法,对现行设计规范的部分规定提出了不同见解,并提出了在重庆地区实施盾构法施工可能性的设想。

关键词:轨道交通;跨座式;明挖法;暗挖法;衬砌;支护;新奥法

　　重庆是一座山城,主城区两江交汇、地势起伏、山峦碧翠、楼宇重叠;构成山城的岩层为恐龙时代的侏罗纪砂岩、砂质泥岩;主城区岩层少有褶曲,完整且接近水平状,为建(构)筑物提供了良好的基础。

1　近期轨道交通工程与规划

重庆市规划的近期轨道交通网络由六线一环构成,线网总长354k m。其中1号线为朝天门—壁山,长约47km;2号线为较场口—渔洞—新山村,长约39km;3号线为渔洞—江北机场,长约60km;4号线为七星港—渔嘴,长约39km;5号线为冉家坝—江津,长约62k m;6号线为长生—北碚,长约60k m;环线:四公里—沙坪坝—冉家坝—江北客站—弹子石—四公里,长约47k m。

目前已开通运行的2号线为跨座式单轨交通,一期工程自较场口站至新山村站,共设18座车站,线路长19.15k m,地下线长度2.44km,占线路全长的12.76%。

近期已开工建设的有1、3号线。1号线为钢轮钢轨制式,一期工程为朝天门站—沙坪坝站,设车站14座,正线长度16.5k m,仅朝天门站东端100m为高架,其余均为地下线;3号线为跨座式单轨交通,一期工程为二塘站—龙头寺站,设车站18座,其中,9座为地下站,其余为高架或地面站。正线长度20.20 k m,其中地下段长10.44k m,占线路长度的51.7%。

2　工程地质与水文地质

2.1　工程地质

地层由第四系全新统松散土盖层和侏罗系中统上、下沙溪庙组砂岩、砂质泥岩、泥质砂岩组成。地下隧道大部分在侏罗系中统上、下沙溪庙组基岩中通过。其中第四系盖层为全新统人工填土、残坡积黏性土、冲积卵石、砂;侏罗系中统上沙溪庙组中砂岩与砂质泥岩呈不等厚互层状,岩体裂隙不发育—较发育,呈整体块状结构,厚层状—巨厚层状构造;侏罗系中统下沙溪庙组中岩层顶部为杂色和黄绿色泥岩,其下为紫色—紫褐色泥岩夹灰色砂岩组成,底部为一层厚层灰黄色砂岩。

2.2　水文地质

第四系松散层含孔隙水,大气降雨补给;基岩中砂岩含孔隙裂隙水(主要为裂隙水),泥岩为相对隔水层,地下水量较小。地下水对混凝土无侵蚀性与溶蚀性。

3　工程结构形式

地下车站与区间隧道按埋设深度的不同而采用明挖法和暗挖法施工。

3.1　明挖法

当车站或区间埋深较浅时,施工阶段结构顶部的岩土高度形成不了卸载拱的条件,因此只能采用施工速度快、工序简单的明挖法施工。其结构形式有梁板体系框架或直墙拱形整体式衬砌等。

鉴于工程沿线水文地质条件良好,在周边条件有的岩层中,基坑开挖采用垂直光面切割喷锚支护。在周边条件许可时基坑采用放坡开挖,坡面为喷锚支护;当基坑上部为松散土盖层且场地周边受时,采用垂直坡面桩板式锚杆支挡,由于桩的下部均插入基岩,故大都采用价廉物美的人工挖孔桩,桩间采用喷浆或插板支护。

3.2　暗挖法

当车站与区间埋置较深或受周边条件时,只能采用暗挖法施工。采用复合式衬砌,围岩、初支、二衬均为围岩释放荷载的支护体。按照新奥法原理,信息化动态设计与施工的结构形式有曲墙、直墙拱形衬砌。

现行《铁路隧道设计规范》(T B10003-2005)(以下简称《铁规》)7.1.2条明确规定,隧道无论在何级围岩中应采用曲墙式衬砌。而3号线在位于III级和I V级围岩中的区间隧道,借鉴当地类似工程的成功经验,部分采用了直墙拱形衬砌。

4　暗挖法施工工序

在重庆的岩石地层中,暗挖地下结构一般采用复合式衬砌、钻爆法进行开挖。钻爆法的工序为:钻孔、装药、放炮、出渣、初期支护、二衬施工。隧道开挖一般有全断面法和分部开挖法。分部开挖法包括台阶法、导洞法、CD法、CRD法和双侧壁导坑法等。CD法是用钢支撑和喷混凝土的隔壁将围岩分开进行的开挖;CRD法是用隔壁和仰拱将断面上下、左右分割进行的开挖,是在地层条件要求分部开挖及时封闭的条件下采用的。它们都适用于较软弱的地层和断面较大的隧道。单洞单线区间隧道一般采用全断面法、台阶法、导洞法开挖。单洞双线区间隧道按不同的要求分别采用导洞法、CD法、CRD法开挖。车站隧道开挖断面毛洞宽度一般大于20m,若开挖断面面积>300m2,属于大断面隧道,则采用双侧壁导坑法开挖,其开挖工序如下:

①右侧上部导坑开挖,初期支护;

②左侧上部导坑开挖,初期支护;

③右侧下部导坑开挖,初期支护;

④左侧下部导坑开挖,初期支护;

⑤部顶部中隔壁开挖,初期支护;

⑥敷设拱墙防水层,浇筑隧道拱墙二次衬砌;

⑦部余下中隔壁开挖,拆除中隔壁初支;

⑧敷设仰拱防水层,浇筑仰拱混凝土。

5　复合式衬砌隧道的结构计算

目前,《铁规》对衬砌理论分析计算的方法没有明确规定,仅在7.2.1.4条中提出:“复合式衬砌初期支护及二次衬砌的设计参数可按工程类比确定,并通过理论分析进行验算;当无类比资料时,可参照表7.2.1-2与表7.2.1-3选用,并应根据现场围岩量测信息对支护参数作必要的调整。”设计时常用的衬砌分析计算方法有地层结构法和荷载结构法。地层结构法为岩体力学的范畴;荷载结构法为结构力学的范畴。

在复合式衬砌结构设计中采用工程类比法,常带有设计者的经验判断,根据现场围岩量测信息对支护参数作必要的调整。Ⅰ～Ⅴ级围岩中,初期支护主要按工程类比法设计。其中,Ⅳ、Ⅴ级围岩的支护参数须通过理论分析计算确定。

设计中,根据承载能力及正常使用极限状态的要求,分施工、使用等阶段对初期支护及二次衬砌进行计算和验算。

5.1　浅埋隧道与深埋隧道的界定

《铁规》规定,隧道洞顶以上复土(岩)厚度H,当Hq=γh(1)式中:h=0.45×2s-1ω;

q-垂直均布压力(kN/m2);

γ-围岩重度(kN/m3);

S—围岩级别;

ω—宽度影响系数,ω=1+i(B-5);

B—坑道宽度(m);

i—B每增加1m时的围岩压力增减率:当B<5 m时i=0.2;B>5m时i=0.1。

《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)(下称《公规》)规定,在矿山法施工的条件下,Ⅳ～Ⅴ级围岩H≤2.5h属浅埋隧道,H≥2.5h属深埋隧道;Ⅰ～Ⅲ级围岩H≤2.0h属浅埋隧道,H≥2.0h属深埋隧道。

5.2　初期支护的计算

隧道开挖毛洞后,立即对开挖面进行喷锚混凝土,给围岩以必要的约束,抑制了围岩的变形,避免围岩变形过度而引起坍塌。隧道开挖引起的应力重分布由围岩和支护结构体系共同承受,从而达到新的平衡。

岩体力学方法是支护结构与围岩相互作用,组成一个共同的承载体系,其中围岩为主要的承载结构,计算模式是地层结构模式。它的特点是反映出隧道开挖后的围岩应力状态。

在Ⅰ～Ⅲ级围岩中,初期支护已能使围岩保持稳定,二次衬砌只是作为安全储备。Ⅳ级围岩释放的荷载有60%～80%为围岩和初期支护承担。实际工程中,二次衬砌采用台车支模整体浇筑,其修建必然落后于初期支护相当长的时间。在此阶段中,围岩和初期支护实际承受的是全部围岩释放荷载和外荷载。因此,初期支护的量值既要确保施工阶段的工程安全,又要在合理的区间不要造成大的浪费。

其计算模式有以下两种:

(1)本构模型采用弹塑性,岩体弹塑性破坏准则是D ruker2Prager(D2P准则)。准则通过围岩的黏聚力C和内摩擦角θ建立的有限元模型,包括围岩(四边形单元)和二次衬砌(梁单元),不包括初期支护和系统锚杆。初期支护和系统锚杆的作用是通过释放荷载来体现的。程序通过增强锚杆周围围岩的凝聚力,从而使围岩不容易发生塑性破坏,近似反映锚杆对围岩的增强效果。计算按荷载情况、施工工序模拟开挖、回筑和使用阶段不同工况等得出结构内力,进行最不利组合,以此得出初期支护的设计参数。

(2)围岩材料的本构模型采用D ruker2Prager (D2P)模型。考虑围岩的非线性变形,模型围岩采用弹塑性各向同性材料模拟,锚杆采用全长粘结杆材料模拟,衬砌采用全长粘结式直梁材料模拟,计算锚杆轴力及初支屈服区域,以此得出初期支护的设计参数。

采用的计算软件:ANSYS有限元分析软件;M i2 das2GTS有限元分析软件;GefF BA同济曙光二维对象有限元分析软件。

5.3　二次衬砌的计算

5.3.1　岩体力学方法—地层结构模式

地层结构模式比较适合于深埋隧道。浅埋隧道在施工阶段可采用地层结构模式计算初期支护和系统锚杆的设计参数。复合式衬砌中,Ⅰ～Ⅲ级围岩中二次衬砌为安全储备,按构造要求设计;Ⅳ、Ⅴ级围岩中二次衬砌为承载结构,受力按围岩释放荷载的百分比计算。采用地层结构法计算时,通过设置释放系数控制初期支护的受力,以使初期支护和二次衬砌按较为合理的比例共同承受释放荷载。围岩释放荷载分毛洞开挖、初期支护和二次衬砌三个阶段,其百分比按围岩级别、施工工序而变化。《公规》中提出,Ⅳ级围岩二次衬砌分担的百分比为40%～20%,Ⅴ级围岩二次衬砌分担的百分比为80%～60%;顺理延伸,Ⅵ级围岩和明洞相似二次衬砌分担的百分比应接近100%。《铁规》对此没有提及。

5.3.2　结构力学方法—荷载结构模式

深埋隧道中的整体式衬砌、浅埋隧道中的整体式或复合式衬砌(包括二次衬砌)及明洞衬砌等采用荷载结构法计算。计算时须考虑围岩对衬砌的弹性抗力。荷载分别按深埋与浅埋计算,结构按平面杆系有限元程序计算。荷载结构法计算有两种计算模式。

(1)所计算的结构是超浅埋隧道,初期支护是临时性结构,不起永久支护作用;二次衬砌承受全部围岩的垂直压力和水平压力,但应按在周围围岩情况良好时适当考虑围岩的弹性抗力,以体现围岩对衬砌变形的约束作用。

(2)将初期支护与二次衬砌组成的隧道主体结构置于弹性地基上;初期支护在施工期间维护坑道的稳定,在使用阶段与二次衬砌结合在一起,起到永久支护的作用;初期支护壳体与二次衬砌之间采用压杆连接,复合衬砌承载后的变形受到围岩的约束,地层与结构产生共同作用,采用土弹簧模拟。弹性抗力的大小及分布采用局部变形理论:

σ=Κδ(2)式中:σ—弹性抗力强度;

Κ—围岩弹性抗力系数;

δ—衬砌朝向围岩的变形值。

弹性抗力只能是正值,通过计算得到二次衬砌的内力。

由于隧道衬砌的变形受到围岩的约束,初期支护参与二次衬砌的工作,改善了衬砌的工作状态。围岩的弹性抗力、粘结力均为对衬砌的约束力,计算中仅按弹性抗力计算。

6　防水设计

6.1　混凝土结构自防水

(1)钢筋混凝土结构以结构自防水为主。做好变形缝、施工缝、穿墙管等细部防水。

(2)选用低水化热、低含碱量的水泥品种,包括硅酸盐及普通硅酸盐水泥,掺加优质磨细粉煤灰和粒化高炉矿渣微粉等胶凝材料。

(3)为减少混凝土初期收缩开裂和温度收缩裂缝,应水泥用量,控制水胶比(水:水泥+掺合料)≤0.45;胶凝材料的最小用量为320kg/m3,最大用量为420kg/m3。

(4)在成熟经验的条件下,混凝土中可掺加高效减水剂(减水率12%的缓凝型),掺加具有补偿收缩功能的膨胀剂,设计说明对该混凝土养护的要求。

(5)部分工点:掺入8%水泥重量的G NA2P型膨胀剂,混凝土收缩率控制在2.5×10-4。

6.2　柔性防水层

(1)柔性防水层材料底板和侧墙部分采用可与

(下转第11页)普通管片拼装时间节约20%。

(4)在由盾构或顶管施工的有内压隧道中,普通管片需要加厚管壁,或是重新施作二次内衬才能满足力学性能和安全的要求,使得经济成本增加,施工效率较低。如果采用预应力管片,经过合理的设计,可以避免这些问题。这也体现了预应力管片经济性好的优势。

(5)虽然预应力管片在张拉过程中需要特定的锚具、专用的张拉千斤顶以及对相关人员进行专业培训,但其综合的经济优势还是很明显的。

(6)预应力管片不但可用于地铁盾构隧道,而且也适用于有内压的隧道,在满足衬砌使用要求的同时,能降低造价,简化施工工序,提高隧道整体的耐久性等,有着非常广阔的应用前景。

4　结语

(1)预应力管片有其特殊性,常规的计算模型已不适合进行模拟。通过两种不同接头模型计算的比较,得到接触单元模型与梁-接头模型之间的关系,明确了接触单元的参数选取值。

(2)通过计算,得出管片厚度对预应力度的影响,即管片不宜做得过厚,可以根据不同的结构尺寸及荷载条件,尽量减薄管片的厚度,并且应对管片耐久性进行考虑。

(3)随着锚索位置由衬砌内侧向外侧移动,相应预应力度将有所提高,但不是太明显。值得注意的是,锚索靠外侧,势必使孔道较大地偏离断面轴线,从而使得预应力锚固端的钢绞线提前引出,或者是使得预留的槽口加深,给锚束张拉带来不便。

(4)减少预应力锚索直线段可以提高预应力度,对于整个管片的预应力效果是有利的。

参考文献

[1]　陈惠玲.高效预应力结构“预应力度法”的应用实践15

年[J].工业建筑.1998,28(12).

[2]　亢景付,胡玉明.小浪底排沙洞预应力衬砌结构模型

对比试验研究[J].土木工程学报.2003,36(6).

(收稿日期:2008-11-17)

(上接第7页)

混凝土粘结的3mm厚自粘聚合物改性沥青聚脂胎基防水卷材;顶板部份可使用2mm厚单组份聚胺脂涂料;出入口及风道可分别采用用2mm厚、1.5 mm厚的ECB合成树脂防水板。

(2)具有自流排水条件的区间隧道可采用防排结合的半包防水以及1.5mm厚的EC B塑料防水板。

7　结语

7.1　值得探讨的几个问题

(1)深埋隧道按照新奥法原理设计,按地层结构模式计算,二次衬砌结构承载力按围岩释放荷载的百分比计算,计算所得的二次衬砌受力小,工程量也小;深埋隧道按荷载结构法平面杆系有限元程序计算,概念清晰,使用广泛且容易接受,但二次衬砌的受力大,工程量也大。

(2)深埋隧道Ⅰ～Ⅳ级围岩二次衬砌的计算以使用地层结构法较为合理,围岩压力按释放荷载计算;浅埋隧道在Ⅳ、Ⅴ级围岩中二次衬砌的计算以使用荷载结构法较为合理,计算中应将初支计入,初支应和二次衬砌结合在一起,共同起到永久支护的作用。

(3)计算深埋隧道衬砌时,《铁规》4.3.3式中围岩压力按松散压力考虑。新奥法施工初期支护的作用就是要保持围岩的完整。围岩是主要的承载结构,其压力计算应考虑岩体完整指数,在围岩完整的情况下将其按松散压力计算欠妥。

7.2　对硬质地层地区采用盾构施工的展望

盾构法是暗挖隧道另一种工法。盾构法施工进度快,无噪音,无振动,对地面交通及沿线建筑物、地下管线和居民生活等影响小。由于管片采用高精度预制构件,机械化拼装,因而质量易于控制。轨道交通工程建设经验表明,由于采用高精度管片及复合防水封垫,单层钢筋混凝土管片组成的隧道衬砌可取得良好的防水效果,不需要修筑内衬结构。

重庆地下隧道大部分在侏罗系中统上、下沙溪庙组基岩(砂岩、砂质泥岩、泥质砂岩)中通过。砂岩天然抗压强度34.6～61.6MPa(大部分在40～45 MPa左右),饱和抗压强度25.7～41.2MPa,岩体完整指数为0.63～0.83;砂质泥岩天然抗压强度8.8～23.6MPa,饱和抗压强度5.3～15.3MPa,岩体完整指数为0.66～0.77。

目前,适合类似重庆工程地质和水文地质条件的盾构法隧道工程的成功案例在国内外已经很多,因此,重庆地下隧道采用盾构施工是有可能的。但要在施工进度、造价、环保、安全等方面进行综合比较,要充分发挥盾构施工的隧道质量优、对城市环境影响小的优点,为重庆轨道交通的建设再增加一种新的工法。(收稿日期:2008-09-17)UND ERGROUND EN G I N EER I N G AND T UNN ELS

(Quarterly)No.4Dec.2008 Abstracts of M a i n Con ten ts

……………………………………………………………

(1)I nfluence of TB M Con structi on on Env i ronm en t W ang Zhenx i n 　　Acc i de n t i m p a iri ng envir o nm en t happ e n s a t ti m e s du ri ng T BM co n s truc ti o n.Exp e rts,no m a tte r i n C h i na o r o ve rsea s, have p r opo se d m a ny vi ewpo i n ts o n how t o reduce th is ki nd o f risks and e ve n t o e li m i na te the acc i de n ts.Com b i ne d w ith the e xp e ri e nce fr om m e tr o co n s truc ti o n i n S ha ngha i,it g i ve s the a na l ysis o n the exte n t a nd m e chan ism o f T BM co n struc ti o n i n2 fl uenc i ng o n envir o nm en t a nd b ri ng s f o r w a rd the re comm e nda ti o n o n how t o m i n i m i ze the i m p ac t o n e nvir o nm e n t.

………………………………

(5)Underground Structure D esi gn of Chongq i n g Ra il Tran sit Chen W enyan　X i e Chendong 　　Com b i ned w ith the p r o j ec t de s i gn ca se s o f unde rg r o und s truc tu re o f C ho ngq i ng R a il Tra n s it,cu t a nd co ve r m e tho d a nd m i ned m e tho d a re i n tr o duce d fr om de si gn and co n struc ti o n po i n ts o f vi ew.P r opo se d i ffe re n t op i n i o n o n the cu rren t u se d de s i gn co de and po s s i b ility o f u s i ng T BM t o co n s truc t the ra il tra n s it tunne l i n C ho ngq i ng.

(8)Two2d i m en si ona l FE M Nu m er i ca l S i m ul a ti on and Ana lysis on Prestressed Seg m en t of Sh i eld Tunnel

…………………………………………………………………………………………

　　　Y u N i n g　Ba i T i n ghu i　Zhu Hehua 　　Mo de l te s t is m a de f o r a new typ e li n i ng s truc tu re,i.e.p re s tre s sed se gm e n t o f sh i e l d tunne l.The w ho l e p r o ce s s o f FE M ca l cu l a ti o n is p re se n ted.T wo2d i m e n s i o na l FE M num e ri ca l s i m u l a ti o n w a s m ade fo r the fu ll ri ng te s t w ith rega rd t o d i f2 fe re n t j o i n t stre s s m o de l.Then,p r op e r p a ram e te rs w e re ach i eved f o r m o de ls ba se d o n the com p a riso n o f te s t re su lts, w h i ch ha s l a i d a so li d fo unda ti o n f o r the de s i gn a nd co n s truc ti o n o f p re s tre s se d se gm en t.

(12)W a terproof i n g Test of L i n i n g jo i n t and Cross Pa ss age of Shangha iYangtze R i ver Tunnel

　　　L u M i n g　L e i Zhenyu　Zhang Y ong,et a l …………………………………………………………………………………

　　Com b i ned w ith the w a te r p r oo fi ng re qu irem en ts f o r li n i ng j o i n t a nd c r o s s p a ssa ge o f Sha ngha i Yang tze R i ve r Tunne l,a se ri e s o f w a te r p r oo fi ng te sts w a s do ne.Th is a rti c l e i n tr o duce s the se te st co n ten ts and p r o ce s s and a na l yze s the te s t re2 su lts,w h i ch w ill be re fe rred f o r the s i m il a r l a rge p r o j e c ts.

(17)Character isti cs and Rules of Network i n g Pa ssenger Flow i n Shangha i Ra il Tran sit

…………………………………………………………………………………

　　　W ang Rulu　L i Suy i n g　Chen Guanghua 　　The re a li za ti o n o f ne t w o rki ng op e ra ti o n i n shangha i ra il tran sit ha s b r o ugh t new sce na ri o s o f p a s senge r fl o w.I tm ake a re sea rch o n ne t w o rk op e ra ti o n,li ke how t o m a s te r the op e ra ti o n l aw,de ve l o p p a s senge r fl o w po te n ti a l,a nd i m p r o ve p a s2 se nge r i n te n s ity a nd i nve s t m en t re tu rn.The re su lts w ill be be ne fi c i a l t o the o the r c iti e s w he re a re bu il d i ng ra il tran s it p r o2 j ec ts.

………………………………………

(21)Arch itectura l D esi gn Fea tures of St a ti on of Shangha i Ra il Tran sit L i n e5Yang Ha i 　　W ith rega rd s t o the envir o nm en t a l o ng S ha ngha i R a il Tra n s it L i ne5a nd cha rac te ris ti c s o f li gh t ra il tran s it sta ti o n,the a rch itec tu ra l de si gn fe a tu re s o f s ta ti o n o f the firs t e l eva te d li gh t ra il tran sit li ne i n C h i na a re i n tr o duce d.D iscu s s i o n is m ade o n the se ve ra l a sp ec ts i nc l ud i ng how t o i m p r o ve s ta ti o n func ti o n and co n tr o l eng i ne e ri ng sca l e,a dop t w ha t ki nd o f de si gn m e tho d a nd a rch itec tu re s tyl e,a nd ha r m o n i ze w ith envir o nm en t a nd co n tr o l i nve st m en t e tc.

(24)Stress and D efor ma ti on Ana lysis of D ushu Lake TunnelM a i n Structure

……………………………………………………………………………

　　　W ang T i n g　Zhou Zhengkang　Xu Y ugu i,et a l 　　Th is a rti c l e i n tr o duce s the s tre s s a nd de f o r m a ti o n regu l a ti o n o f the m a i n struc tu re o f D u shu Lake tunne l be a ri ng the w a te r2so il p re s su re l o a d and une ve n se ttl em en t.Th r o ugh com p a riso n o f the s ite da ta and re su lts fr om the theo ry ca l cu l a2 ti o n o f3D FE M ana l ys is,the po ss i b l e w e akne ss i n tunne l se ep age is fo und,w h i ch p r o vi de s a sc i en ti fi c ba sis f o r tunne l m a i n tenance.

(28)I n tegra ted Arch itecture Layout of Shangha i Ea st2W est Underpa ss Eng i n eer i n g and Ra il Tran sit L i n e14

…………………………………………………………………………………………………………………

　　　W ang Sh i zhong 　　Shangha i Ea s t2w e st U nde r p a s s Eng i ne e ri ng sha re s a co rri do r w ith R a il Tran sit L i ne14unde r Pudo ng Avenue,w he re the su rr o und i ng envir o nm en t is com p li ca ted.How t o p r op e rl y a rra nge the sp a ce is the key fo r th is e ng i nee ri ng.Acco rd i ng