1、编号：（ ）字 号本科生毕业设计设计题目：北京地铁苏州街站黄庄站区间隧道设计与施工专 题： 隧道施工中注浆压力设计研究姓 名： 张 邦 芾 学 号： 02070686班 级：土木工程地下 2007-2 班二一一年六月中 国 矿 业 大 学本 科 生 毕 业 设 计姓 名： 张邦芾 学 号： 02070686学 院： 力学与建筑工程学院专 业： 土木工程专业（地下工程方向）设计题目：北京地铁苏州街站黄庄站区间隧道设计与施工专 题： 隧道施工中注浆压力设计研究指导教师： 梁恒昌 职 称： 讲师二一一年六月 徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院 力学与建筑工程学院 专业年级 土木工程地下 2007 学
2、生姓名 张邦芾 任 务 下 达 日 期 ： 2011 年 1 月 10 日毕业设计日期： 2011 年 1 月 10 日至 2011 年 6 月 20 日毕业设计题目：北京地铁苏州街站黄庄站区间隧道设计与施工毕业设计专题题目：隧道施工中注浆压力设计研究毕业设计主要内容和要求：设计要求：根据提供的北京地铁苏州街站黄庄站区间隧道工程的工程资料，完成隧道衬砌结构设计和施工组织设计。结构设计内容包括隧道施工方案的比选、衬砌方案的选取及内力计算等，并编制设计计算书。施工组织设计内容应包括隧道施工准备、施工方法及辅助施工技术、施工总平面布置、施工进度计划和施工管理等内容。提交的图纸应包括：区间隧道平面图，
3、区间隧道纵断面与地质关系图，隧道施工总平面布置图，隧道横断面图。专题要求：根据隧道壁后注浆施工技术的现状，针对隧道注浆过程中理想的隧道管片受力状况进行计算，分析注浆所能施加的在管片上的最大压力。其它要求：翻译一篇与设计或专题内容相关的近 3 年外文文献，其中文字数不少于 3 千字，并且附英文原文。院长签字： 指导教师签字：中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字：年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅
4、教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握； 综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等 ）：成 绩： 评阅教师签字：年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握； 综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等 ）：成 绩： 评阅教师签字：年 月 日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况回 答 问 题提 出 问 题 正 确基 本正 确有
5、一般 性错 误有 原则 性错 误没 有回 答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要本毕业设计主要包括三个部分，第一部分是苏州街黄庄站区间隧道结构设计；第二部分是苏州街 黄庄站区间隧道施工组织设计；第三部分是专题部分，隧道施工中注浆压力设计研究。在第一部分区间隧道结构设计中，根据隧道穿越地层的工程地质、水文地质条件和周边环境情况，通过施工方案的比选，确定采用盾构法施工及平板型钢筋混泥土的衬砌结构，确定了计算断面及断面所受的载荷，并进行了断面管片内力计算和接缝张开量计算，然后对其进行相应的抗浮验算和裂缝宽度计算。第
6、二部分是区间隧道施工组织设计，根据隧道施工方法和隧道周边的环境情况，对施工前准备工作，施工场地布置，隧道开挖与衬砌结构施工等进行设计，并编制了工程进度计划，编写了相应的质量、安全、环境保护等措施。第三部分是专题部分，内容是隧道壁后注浆施工技术调研，隧道注浆施工存在问题分析及解决方案，并进行了壁后注浆对管片的受力计算。关键词：盾构； 结构计算； 施工组织； 地表沉降； 隧道壁后注浆ABSTRACTThe design mainly includes three parts. The first part is the tunnel design of the section from Suzho
7、u Street Station to Huangzhuang Station in Beijing; The second part is its construction arrangement design; The third part is the design of grouting pressure in tunnelling.In the design of the first part ,flat concrete lining and shield construction has been decided through the scheme comparison and
8、 selection,according to the engineering geology, hydrogeological conditions and environment conditions,and then determine the load section and the section suffered,calculate the internal force of the segment and splaying amount of joints. After that, the anti-floating checking and crack width checki
9、ng is made.The second part is the tunnel section construction arrangement design. According to the tunnel construction methods and the environment around, the preparation before the construction, construction site layout, tunnel excavation and lining construction is designed. The project schedule ,t
10、he quality ,the safety and the environment protection are made.The third part is the research of grouting pressure in the tunnel construction ,including the analysis of the problems and solutions during the backfilling grouting and the calculation of the segment due to the pressure of backfilling gr
11、outing. Keywords: shield tunnelling; structure calculation; construstion arrangement; surface subsidence; tunnel backfilling grouting目 录第一部分 北京地铁苏州街站黄庄站区间隧道结构设计1 工程概况 11.1 工程位置 .11.2 工程规模 .12 设计依据 12.1 自然条件 .12.2 现场条件 .43 隧道施工方案与衬砌选型设计 53.1 隧道施工方案 .53.2 衬砌选型 .73.3 管片初步设计 .74 隧道计算 84.1 计算原则及采用规范 .84.
12、2 断面的选择及内力计算 .84.3 断面设计 .144.4 千斤顶作用下局部承压计算 .184.5 抗浮验算 .194.6 裂缝宽度验算 .195 隧道主要技术经济指标 215.1 开挖土方量 .215.2 管片用量 .215.3 钢筋用量 .21第二部分 北京地铁苏州街站黄庄站 区间隧道施工组织设计1 工程概况 222 隧道施工准备 222.1 技术准备 .222.2 施工现场准备 .232.3 施工物资的准备 .232.4 劳动力准备 .243 施工现场总平面布置 253.1 施工总平面布置原则 .253.2 施工平面总体布置 .264 界定关键过程 274.1 施工测量控制要点 .27
13、4.2 管片拼装控制要点 .274.3 衬砌防水控制要点 .284.4 地表沉降控制要点 .284.5 关键过程控制人员落实 .285 施工方案及主要施工工序 285.1 施工方案的确定 .285.2 盾构掘进的施工准备 .305.3 出洞方案 .305.4 进洞方案 .315.5 掘进施工参数 .325.6 管片拼装 .335.7 同步注浆及壁后补压浆 .335.8 纠偏 .345.9 洞门施工 .345.10 隧道内运输 .356 施工主要技术措施 356.1 砂土、卵石层施工技术措施 .356.2 穿越地下管线的保护措施 .366.3 邻近施工和既有建筑物的保护措施 .376.4 减少地
14、面变形控制措施 .376.5 紧急预案措施 .387 施工进度计划 388 质量、安全和环境保护措施管理 398.1 质量管理 .398.2 施工质量控制 .408.3 安全生产施工控制 .418.4 文明施工措施 .428.5 消防安全措施 .42参考文献 43第三部分 隧道施工中注浆压力设计研究1 隧道壁后注浆现状 442 隧道施工注浆分析 452.1 一般隧道处理方法 .452.2 盾构隧道壁后注浆 .462.3 隧道施工注浆存在问题 .473. 隧道壁后注浆压力分析 .483.1 隧道注浆受力分析 .483.2 隧道所受地层荷载 .493.3 隧道注浆压力 .503.4 注浆材料消耗量
15、的估算 .594 壁后注浆设备 605 结论 61参考文献 63翻译部分 64致 谢 83第一部分北京地铁苏州街站黄庄站区间隧道结构设计中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 0 页 1 工程概况1.1 工程位置北京轨道交通十号线工程一期西起海淀区巴沟，沿元代土城径直向东，在芍药居和亮马桥之间转了 90 度的大弯，然后向南经东三环路直到劲松站。由西北至东南呈倒“L”形。本次隧道工程的设计范围是苏州街站黄庄站区间隧道，它属于北京轨道交通十号线的一部分。盾构从苏州街站下井，沿海淀南路推进，到达黄庄站，隧道总体位于海淀南路下方，见图 1-1。1.2 工程规模隧道设计为圆形隧道，隧道外径为 62
16、00mm，内径 5500mm。该区间圆形隧道共有上行右线，下行左线两条平行隧道。上、下行线相距 13.2m。隧道采用高站位低区间的驼峰状。苏州街站黄庄站区间隧道推进里程为：K1+471.05K2+231.55，单线长 760.5m。在K2+122.854（十号联络线设计终点 L10K0+632.752）设与四号线的联络线，正线长760.5m，十号联络线设计分界点为 L10K0+547.733，十号联络线设计区段长为 85.019m。工程最大坡度 21，隧道顶部覆土由西向东为 14.68.5m 。图 1-1 苏州街站黄庄站区间隧道平面图2 设计依据2.1 自然条件2.1.1 工程地质（1）地形、
17、地貌苏州街站黄庄站所处位置地形较平坦，该区间地面高程为 50.7251.65m 之间。（2）地基土的构成与特征苏州街站黄庄站区间沿线地层由上至下土层主要有：1人工填土层粉土填土层：褐色黄褐色，稍密中密，稍湿湿，含砖渣、灰渣、水泥块、树根中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 1 页 等，局部为粉质粘土填土。杂填土 1 层：杂色，稍密，稍湿湿，含砖块、石块，以生活垃圾为主，局部地段以建筑垃圾为主。该层总厚为 0.36.4m，层底标高为 39.5050.95m。2新近沉积层粉土层：黄褐色褐灰色，中密，稍湿湿，Es 为 9.319.8MPa ，属中压缩性低压缩性土，含云母、氧化铁、虫孔、姜石、
18、有机质，夹粘土透镜体。粉质粘土 1 层：黄褐色，硬塑，Es 为 8.89.7MPa ，属中压缩性土，含云母、氧化铁、螺壳、有机质、砂粒，夹粘土透镜体。粉细砂 3 层：黄褐色，中上密，湿，标准贯入击数 N=2147，属中低压缩性土，含云母、氧化铁、少量砾石，局部夹粘性土薄层和中粗砂透镜体。圆砾卵石 5 层：杂色，中密，湿，重型动力触探 N63.5=4653，属低压缩性土，最大粒径 70mm，一般粒径 1015mm，粒径大于 2mm 颗粒含量约为总质量 60，中粗砂充填，母岩成份为辉绿岩、凝灰岩、砂岩、砾岩和灰岩。该层仅分布在个别钻孔呈透镜体状分布。3第四纪全新世冲洪积层粉土层：褐黄色，中密密实，
19、湿很湿，Es 为 6.518.4MPa ，属高压缩性低压缩性土，含云母、氧化铁、姜石，局部夹粉质粘土、粉砂透镜体。粉质粘土 1 层：褐黄色，硬塑为主局部软塑，Es 为 4.012.9MPa ，属中高压缩性中低压缩性土，含云母、氧化铁、姜石、螺壳碎片，局部夹粉土透镜体。粘土 2 层：棕黄色，硬塑为主局部软塑，Es 为 5.010.0MPa ，属中高压缩性中压缩性土，含云母、氧化铁、姜石、螺壳碎片，局部夹粉土透镜体。粉细砂 3 层：褐黄色，中密密实，饱和，N=2047，属低压缩性土，含砾石，局部夹中粗砂透镜体。该层仅分布在里程 K3+200 以东的区段。最大层厚为 10.2m，层底标高为36.66
20、43.85m。粉质粘土层：黄褐色灰色，硬塑为主局部软塑，Es=5.411.8MPa，属中高压缩性中低压缩性土，含云母、氧化铁、有机质、姜石、螺壳。粘土 1 层：棕黄色，硬塑为主局部软塑，Es=8.119.0MPa，属中压缩性低压缩性土，含云母、氧化铁、有机质、姜石、螺壳。粉土 2 层：褐黄色，密实，很湿，Es=5.013.3MPa，属中高压缩性中低压缩性土，含云母、氧化铁、姜石，局部夹粉质粘土薄层或透镜体。粉细砂 3 层：褐黄色，密实，饱和，N=2557，属低压缩性土，含氧化铁、个别砾石，局部夹中粗砂薄层或透镜体。本层最大层厚为 9.9m，层底标高为 28.8041.97m。4第四纪晚更新世冲
21、洪积层圆砾卵石层：杂色，密实，饱和，重型动力触探 N63.5=3690，属低压缩性土，最大粒径 110mm，一般粒径 530mm，粒径大于 2mm 颗粒含量约为总质量 55，中粗砂充填，母岩成份为辉绿岩、砂岩和砾岩，该层自西向东逐渐由厚变薄，至里程 K5+300 左右尖中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 2 页 灭。局部夹砂类土透镜体。中粗砂 1 层：褐黄色，密实，湿饱和，N=50 90，属低压缩性土，含砾石，局部夹粉土透镜体。粉细砂 2 层：褐黄色，密实，湿饱和，N=30 69，属低压缩性土，含砾石，局部夹粉土透镜体。粉质粘土 4 层：褐黄色，硬塑为主局部软塑，Es 为 5.09.
22、7MPa ，属中高压缩性中压缩性土，含云母、氧化铁、螺壳、姜石，局部夹粉土薄层或透镜体。本层在 K5+300 以东段连续分布，在 K5+300 以西段则不连续分布，仅在个别钻孔揭露。最大层厚为 17.4m，层底标高为 27.8133.87m。粉质粘土层：褐黄色，硬塑为主局部软塑，Es 为 5.219.6MPa ，属中高压缩性低压缩性土，含云母、氧化铁、螺壳、姜石，局部夹粉土薄层或透镜体。粘土 1 层：棕黄色，硬塑为主局部软塑，Es 为 8.518.8MPa ，属中压缩性低压缩性土，含云母、氧化铁、螺壳。粉土 2 层：褐黄色，密实，很湿，Es 为 23.024.3MPa ，属低压缩性土，含云母、
23、氧化铁，局部夹粘性土薄层或透镜体。细中砂 3 层：褐黄色，密实，饱和，N=3145，属低压缩性土，含个别砾石，局部夹粉土薄层或透镜体。卵石圆砾层：杂色，密实，饱和，N63.5=35 90 ，属低压缩性土，亚圆形，最大粒径110mm，一般粒径 1540mm，粒径大于 20mm 颗粒含量约为总质量的 60。中粗砂充填，母岩成份为辉绿岩、砂岩和砾岩。中粗砂 1 层：褐黄色，密实，饱和，N=3490，属低压缩性土，含个别砾石，局部夹粉土薄层或透镜体。粉细砂 2 层：褐黄色，密实，饱和，N=3455，属低压缩性土，含个别砾石，局部夹粉土薄层或透镜体。粉土 3 层：褐黄色，密实，很湿，Es 为 818MP
24、a ，属中压缩性土低压缩性土，含云母、氧化铁、姜石。本层连续分布，部分钻孔未能穿透此层，本层总层厚为 6.513.6m ，层底标高为13.6222.70m。粉质粘土层：褐黄色，硬塑为主局部软塑，Es 为 5.217.6MPa ，属中高压缩性低压缩性土，含云母、氧化铁。粘土 1 层：棕黄色，硬塑为主局部软塑，Es 为 13.017.2MPa ，属中低压缩性低压缩性土，含云母、氧化铁。本层分布不连续，常以透镜体状分布，部分钻孔未能穿透此层。该层最大厚度 4.4m，层底标高为 10.0220.66m。卵石圆砾层：杂色，密实，饱和，N63.5=43 90 ，属低压缩性土，亚圆形，最大粒径110mm，一
25、般粒径 2035mm，中粗砂充填，卵石成份以辉绿岩、砂岩、砾岩为主。中粗砂 1 层：褐黄色，密实，饱和，属低压缩性土。粉细砂 2 层：褐黄色，密实，饱和，N=3660，属低压缩性土，含个别砾石，局部夹中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 3 页 粘性土薄层或透镜体。本层连续分布。该层最大厚度 13.3m，层底标高为 4.5314.16m 。粉质粘土层：褐黄色，硬塑，Es 为 16.533.3MPa ，属低压缩性土，含云母、氧化铁。本层主要以薄层或透镜体状分布。区间线路均在第四纪地层中穿过，隧道洞身主要通过地层为圆砾卵石层，局部夹有粉质粘土及中细砂层。（3）地基土物理力学性质根据地质勘查
26、，得土层的物理力学参数见表 2-1。表 2-1 土层物理力学参数表 土体编号土名 密度(kg/m3) 计算压缩模量 (kPa) 粘聚力（kPa）摩擦角() 杂填土 1.85 10 20 15 粉质粘土 1.95 20 30 24 粉细砂 1.98 25 0 30 中粗砂 2.05 30 0 30 砾石 2.15 40 0 40 粉质粘土 1.95 25 30 25 砾石 2.20 40 0 40（4）地下水施工场地地下水主要有浅部土层中的上层滞水、潜水和深部粉性土层中的承压水。据区域资料，承压水位，一般低于潜水位，浅部土层中的潜水位埋深，一般离地表面 38.2m ；第、 1、 2层承压水位埋深
27、为 18.828.8m。潜水位和承压水位随季节、气候等因素而有所变化。2.1.2 气象（1）气温北京气候属暖温带半湿润半干旱季风气候。年平均气温，平原地区为 1113，海拔800 米以下的山区为 911，高寒山区在 35。年极端最高气温一般在 3540之间。年极端最低气温一般在1420之间，1966 年曾低到27.4（大兴东黑垡） ；高山区低于30。7 月最热，月平均气温，平原地区为 26左右；拔海 800 米以下的山区为2125。1 月最冷，月平均气温，平原地区为45；拔海 800 米以下山区为610。气温年较差为 3032。（2）降水年降水量空间分布不均匀，东北部和西南部山前迎风坡地区为相
28、对降水中心，在600700mm 之间，西北部和北部深山区少于 500mm，平原及部分山区在 500600mm 之间。夏季降水量约占年降水量的 3/4。夏季降水空间分布与全年类似 :东北部和西南部山前迎风坡地区为相对降水中心，在 450500mm 之间，西北部和北部深山区少于 400mm，平原及部分山区在 400450mm 之间。2.2 现场条件中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 4 页 2.2.1 沿线建（构）筑物、地下管线及障碍物（1）沿线建（构）筑物苏州街站黄庄站区间（含联络线）沿线的建筑物主要有亿方大厦（13 层） 、海淀南路11 号住宅楼（17 层） 、海淀南路 15 号综合
29、楼（6 层） 、海淀南路 2 号住宅楼（12 层） ，为框架结构，高层建筑距地铁最近距离为 33m，受地铁影响甚微。（2）地下管线苏州街站黄庄站区间（含联络线）K2+144 166 地段采用明挖框架施工，需拆改的各类地下管线情况如下：500 天然气（管内顶 50.06）50m ，临时改移；300 上水（管内顶50.48）50m，临时改移；280 照明（管内顶 51.08）50m ，临时改移；1400 上水（管内顶50.19）50m，临时改移。其余地段由于隧道采用暗挖法施工，下穿热力管沟、电力管沟、污水管沟、雨水管，避开了所有地下管线。在施工中，须对重要的管线的沉降和位移进行监测，根据监控信息及
30、时调整施工组织，以严格控制地下管线的沉降和位移，确保地下管线的安全。需改移或改迁的管线见表 2-2。表 2-2 苏州街站黄庄站区间明挖井段结构涉及的管线 编号 名称及规格 位置 管内顶标 高 管内底埋深 （） 处置方式A 500 天然气管 K2+130+180 50.06 2.0 临时改移B 300 上水管 K2+130+180 50.48 1.4 临时改移C 280 电力管线 K2+130+180 51.08 0.7 临时改移D 1400 上水管 K2+130+180 50.19 2.8 临时改移2.2.2 交通状况苏州街站黄庄站区间（含联络线）隧道穿越地段地表主要为现状路面。3 隧道施工方
31、案与衬砌选型设计3.1 隧道施工方案隧道施工方法的选择主要依据工程地质和水文地质条件，并结合隧道断面尺寸、长度、衬砌类型、隧道的使用功能和施工技术水平等因素综合考虑研究确定。在现有的施工条件下，根据地下工程的施工方法，本工程可选用的施工方案有：明挖法、矿山法、顶管法、盾构法。以下对四种施工法进行优劣比较，并确定施工方案。3.1.1 明挖法明挖法是指挖开地面，由上向下开挖土石方至设计标高后，自基底由下向上顺作施工，完成隧道主体结构，最后回境基坑或恢复地面的施工方法。地下工程施工时，在埋深较浅的情况下，广泛采用明挖法，放坡开挖是明挖法的首选方案。明挖法的优点有：施工方法简单，技术成熟；工程进度快，
32、根据需要可以分段同时作业；浅埋时工程造价和运营费用均较低，且能耗较少。缺点有：外界气象条件对施工影响较大；中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 5 页 施工对城市地面交通和居民的正常生活有较大影响，且易造成噪音、粉尘及废弃泥浆等的污染；需要拆除工程影响范围内的建筑物和地下管线；在饱和的软土地层中，深基坑开挖引起的地面沉降较难控制，且境内边坡稳定常常会成为威胁工程安全的重大问题。3.1.2 矿山法矿山法是城市深部地下工程常用的暗挖施工方法，具有不影响地面正常交通与生产，地表下沉量小，适用于硬、软岩层中各类地下工程，特别是对于中硬岩中。矿山法优点是：对于各种地质和几何形状的适应性，尤其是在
33、交叉点、横通道、渡线和洞室等处；多掌子面可同时操作，设备和工艺简单，便于工人掌握；较低的造价。矿山法施工的缺点：开挖的隧道洞壁不平整，超挖、欠挖量大；超挖会增加混凝土的投入，因而增加投资；施工作业区有较大的危险，工作环境恶劣；施工对围岩的破坏扰动范围及程度较大，一方面增加了工作面的危险性，另一方面相应要加强支护；施工作业速度较慢；对周围环境影响大。3.1.3 顶管法顶管法是直接在松散土层或富水松软地层中敷设中、小型管道的一种施工方法。顶管法一般用于修建中小型地下市政管道。顶管法的优点有：可以在很深的地下铺设管道；开挖部分仅仅只有工作坑，而且安全，对交通影响小，不破坏地面建筑物；在管道顶进过程中
34、，只挖去管道断面部分的土，挖土量少；在城区内施工如果地下水不十分丰富，以及管理埋深较浅的情况下经济性更好。顶管法的缺点：曲率半径小而且多种曲线组合在一起时，施工就非常困难；在软土层及可液化砂层中容易发生偏差，而且纠正这种偏差又比较困难，管道容易产生不均匀下沉；推进过程中如果遇到障碍物时处理这些障碍物非常困难；在覆土浅的条件下显得不经济。3.1.4 盾构法盾构法盾构法是在地表以下土层或松软岩层中暗挖隧道的一种施工方法。盾构推进主要依靠盾构内部设置的千斤顶，如此不断开挖，不断拼装，并不断推进，借助盾构这种施工机械可用较快的速度完成隧道施工基本作业循环，直至隧道建成。盾构法施工隧道的优点表现在施工作
35、业可在盾构设备的掩护下，安全的进行地下开挖与衬砌支护工作；施工时振动和噪声小，对周围居民几乎没有干扰；施工时不影响地面交通；不受气候条件影响；施工机械化程度高，施工管理容易。在土质差、水位高、埋深大的隧道施工中、有较高的技术优越性。该施工技术目前存在的主要问题是当覆土较浅时，开挖面稳定较为困难；曲率半径小的曲线段施工比较困难；在饱和含水层中，防水技术要求高。3.1.5 方案确定明挖法施工对城市地面交通和居民的正常生活有较大影响，易造成噪音、粉尘及废弃泥浆等的污染，且工期较长。由于本工程位处地区附近有很多居民居住，地面交通复杂，故不适合选择明挖法施工。矿山法适用于硬、软岩层中各类地下工程，特别是
36、对于中硬岩中。本工程要求工期较短，且地下水丰富，矿山法堵水较为繁琐且占用较长工期；隧道穿过地层为砂土和砾石层，矿山法对围岩的破坏较严重。因此不选用矿山法施工。本工程设计隧道内径为 5.5m，内径较大，顶管法适宜中小尺寸管道，管道顶进困难，中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 6 页 考虑到场地以及经济效益的影响不选用顶管法施工。区间工程地质条件较为复杂，地下水丰富，工程的工期要求较紧，附近也有大量居民走动，地面交通复杂。采用盾构法施工可以很好的发挥它的优点，充分满足工程的要求，最终确定本隧道区间采用盾构法进行施工。3.2 衬砌选型盾构隧道衬砌用管片按材料可分为钢筋混凝土管片和铸铁管片、
37、钢管片，复合管片。钢筋混凝土管片有一定的强度，加工制作比较容易，耐腐蚀，造价低，是最为常用的管片形式，但是较为笨重，在运输、安装施工过程中易损坏。铸铁管片强度高，易铸成薄壁结构，管片质量轻，搬运安装方便，管片精度高，外形准确，防水性能好。但是管片金属消耗量大，机械加工量也大，价格昂贵。由于铸铁管片具有脆性破坏的特性，不宜用作承受冲击荷载的隧道衬砌结构。钢管片的优点是重量轻，强度高。缺点是刚度小，耐修饰性差，需要进行机械加工已满足防水要求。成本昂贵，金属消耗大。复合管片外壳采用钢板制成，在壳内设钢筋，浇注混凝土，组成一个复合结构，这样其重量比钢筋混凝土管片轻，刚度比钢管片大，金属消耗量比钢管片小
38、，缺点是钢板耐腐蚀性差，加工复杂冗繁。钢筋混凝土管片型式中，有箱型管片和平板型管片。箱型管片常用于大直径的隧道。在等量材料的条件下，与平板型管片相比，箱型管片能做到抗弯刚度大、管片之间便于连接等。因而，可有效地降低造价。当然，当管片的背板厚度较小、腔格偏大时，在盾构千斤项作用下混凝土将会发生剥落、压碎等情况。平板管片是目前最常用的管片型式，常用于中小直径的隧道，在相等厚度条件下，其抗弯刚度及强度均大于箱型管片。本次隧道穿过地层主要是中粗砂和砾石，地下水丰富，施工期间以及使用阶段对防水的要求比较高，铸铁管片、钢管片满足防水要求，但是价格昂贵，不宜选取；复合管片耐腐蚀性差，不适宜在地下水丰富的地层
39、使用；钢筋混凝土管片中，箱型管片由于背板厚度较小，在施工期间容易损坏，而相同厚度的平板管片抗弯刚度和强度均大于箱型管片。通过比较，本区间采用平板型钢筋混凝土管片。3.3 管片初步设计圆环的拼装形式有通缝、错缝两种。错缝拼装的优点在于能加强圆环接缝刚度，约束接缝变形，圆环近似地可按均质刚度考虑。但当管片制作精度不够好时，采用错缝拼装形式容易使管片在盾构推进过程中顶碎。通缝拼装的优点是管片拼装简单，施工速度快。由于此工程接缝刚度要求易满足，为使管片安装方便快捷，施工进度快，采用通缝拼装的形式。根据盾构隧道覆土深度，周围环境，工程地质条件，综合北京地铁工程成熟的设计、施工经验，本工程盾构隧道衬砌的选
40、择为：初步确定衬砌厚度为350mm，外径为6200mm，环宽1200mm。参考北京盾构法隧道的衬砌施工的实践经验，此隧道采用单层衬砌，衬砌采用预制平板型钢筋混凝土管片。混凝土强度为C55。隧道衬砌由六块预制钢筋混凝土管片拼装而成，成环形式为小封顶纵向全插入式。每环管片由一块封顶块，两块邻接块，两块标准块，一块封底块组成。接缝分别设置在内力较小的8、73、138处。中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 7 页 4 隧道计算4.1 计算原则及采用规范计算原则：（1）设计服务年限 100 年； （2）工程结构的安全等级按一级考虑； （3）取上覆土层厚度最大的横断面计算； （4）满足施工阶段，
41、正常运营阶段和特殊情况下强度计算要求；（5）接缝变形在接缝防水措施所能适应的范围内；（6）成型管片裂缝宽度不大于 0.2mm；（7）隧道最小埋深处需满足抗浮要求；采用规范：（1） 混凝土结构设计规范 （GB50010-2002） ；（2） 地下工程防水技术规范 （GB50108-2001） ；（3） 地下铁道工程施工及验收规范 （GB50299-1999 ） ；（4） 建筑工程施工质量验收统一标准 （GB50300-2001 ） ；（5） 地下铁道、轻轨交通工程测量规范 （GB50308-1999 ） ；（6） 盾构法隧道施工与验收规范 （GB50446-2008 ） ；（7） 混凝土结构工程
42、施工质量验收规范 （GB50204-2002 ） 。4.2 断面的选择及内力计算盾构隧道衬砌的结构计算采用自由变形的弹性均质圆环法。根据苏州街站黄庄站区间隧道剖面图，选取 3 个截面，计算隧道覆土深度及隧道拱顶竖向荷载，见表 4-1。表 4-1 隧道截面概况截面位置 覆土深度（m） 拱顶竖向荷载（kPa）K1+589.12 13.3 P=0.7 18.5+1.77 19.5+6.33 9.5+1.1 9.8+1.8 10.5+1.77511.5=157.69K1+764.475 13.2 P=2.47 18.5+0.03 8.5+7.4 9.5+1.9 9.8+1.4 11.5=150.97K
43、2+201.55 9.2 P=0.5 18.5+1.4 19.5+0.57 19.8+0.63 9.8+6.1 9.5=111.96工况里程为 K1+589.12，盾构隧道中心标高 31.85m、地面标高 50.72m。结构设计时，考虑了基本使用阶段+特殊荷载组合阶段可能出现的最不利荷载组合进行结构强度、刚度和裂缝张开量等验算。4.2.1 土层情况根据工程地质剖面图，可得工况的土层地质的分布情况，见图 4-1 工况隧道断面土层分布图。中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 8 页 4.2.2 荷载计算及组合区间隧道外径为6200mm，内径为5500mm 。衬砌采用预制钢筋混凝土管片。混凝
44、土强度为C55 。 荷载计算取b=1m的单位宽度进行计算，同时根据管片所处地层的特征及地基土的物理力学性质，在计算水土压力时用水土分算的方法。（一）基本使用阶段的荷载计算（1）衬砌自重：hg（4.1）式中 g衬砌自重，kPa；h钢筋混凝土容重 ，取为25kN/m 3管片厚度，m。将已知数值带入上式计算可 得：g =25 0.35=8.75kN/m 。3（2）衬砌拱顶竖向地层 压力：（4.2）式中 Pv1 衬砌拱顶竖向地层压力，kPa；图 4-1 隧道计算断面土层分布图n1iivhP中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 9 页 i 衬砌顶部以上各个土层的容重，在地下水位以下的土层容重取其
45、浮重度，kN/m ；3hi衬砌顶部以上各个土层的厚度， m。=0.7 18.5+1.77 19.5+6.33 9.5+1.1 9.8+1.8 10.5+1.775 11.5=157.69kPav2P（3）拱背土压：（4.3）Hv2/RQP式中 Pv2衬砌拱背竖向地层压力，kPa；Q拱背均布荷载，kN/m； 2)4/1(（4.4）衬砌拱背覆土的加权平均容重，kN/m ；3RH衬砌圆环计算半径，m。将已知数值带入式 4.3 及式 4.4 计算可得：= kN/m 09.125./).10725.( 3=(1-3.14/4) 2.925 11.09=6.974kPa。2vP（4）地面超载：由于本隧道埋
46、深不是很深，故须考虑到地面超载的影响，取地面超载为 20kPa，并将它叠加到竖向土压上去，故总的竖向土压力为 177.69kPa。（5）侧向水平均匀土压力：= tan (45- )-2 tan(45- ) 1hPv2/c2/（4.5）式中 Ph1侧向水平均匀土压力，kPa；衬砌环直径高度内各土层内摩擦角加权平均值， （） ；衬砌环直径高度内各土层内聚力加权平均值，kPa；c其中， = =34.53 )925.037.1/(925.04.3725.140 ）（=0kPa将已知数值带入上式计算可得：kPa。4.)/.(tan69.2h1 P（6）侧向三角形水平土压力：/45t00H2R（4.6）式
47、中 Ph2侧向三角形水平土压力，kPa；RH衬砌圆环计算半径，m；0衬砌环直径高度内各土层重度的加权平均值，kN/m ；3kN/m 95.102.75.1/)925.01.3572.1( ）（ 3将已知数值带入式 4.6 计算可得：=17.71kPa。h2P6（7）静水压力：水位高为 11.005m。（8）衬砌拱底反力：wH2v1R)/(RgP（4.7）中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 10 页 式中 PR衬砌拱底反力，kPa；Pv1衬砌拱顶竖向地层压力，kPa；Pv2衬砌拱背部荷载，kPa；g衬砌自重，kPa；w水的容重，取为10kN/m 。3将已知数值带入式 4.7 计算可得：kPa2.16095.21435.07814.9.6.17R （9）地层侧向弹性抗力衬砌结构由于外荷作用，在水平方向产生向外的横向变形的同时，衬砌外围土体也相应会对衬砌结构产生一抵抗压力，以阻止衬砌结构进一步变形。目前，在设计实用计算中应用较为普遍的是温克尔局部变形理论，土层抗力分布在水平直径上下各45范围内，在水平直径处：（4.8）)cos21(kyP式中 地层基床系数（kN/m ） ，取 =20000kN/mk33衬砌在水平直径方向最终变形值（m）y圆环水平直径处受荷后最终半径变形值为：（4.9）式中 圆环刚度有效系数， =0.250.8,取 。
