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1、中南大学本科生毕业论文第 3 章 第3章 区间隧道衬砌结构设计 3.1 地下铁道线路上部建筑 钢轨、联接零件、道 床、轨枕、防爬设备及道岔共同组成地下铁道线路上部 建筑。地铁的特点 有运量较大、快速迅捷、安全、 准时、不污染环境,同时地铁 可以修建在建筑物较多而且不便于发展地面交通的地方。 3.1.1 钢轨 选定钢轨类型的主要因素是年通过量、速度、选定的轴负载、延长检修周期、 检修工作量和振动噪声。 (1)钢轨类型 综合国内外地铁钢轨类型和南昌轨道交通的实际情况,宜选用60kg/m 的钢 轨。 (2)钢轨铺设 中山西路站至子固路站区间为直线段,在地下铁道内由于阳光不受影响,温 度变化相对较小,
2、铺设无缝线路。对于无缝线路,采用换铺法进行施工,对于长 轨条的焊接,采用基地焊接与工地焊接相结合的施工方式。基地焊选用接触焊, 工地焊可以选用铝热 焊或移动式气压焊。 3.1.2 扣件 地下铁道的钢轨扣件有 刚性扣件及弹性扣件两种, 考虑到中子区间地段线路 采用整体式道床, 因此扣件采用全弹性分开式扣件。因为全弹性分开式扣件 在垂 直和横向均具有良好地弹性,相比而言更加适合整体式道床。 3.1.3 道床 一般情况下有碎石道床 和整体道床两种道床。 整体道床的类型较多, 随着轨 枕方式的不同, 有短轨枕 式整体道床、长枕式整体道床、 纵向浮置板式整体道床 等。结合南昌铁路交通的实际情况,利用短轨
3、枕整体道床设计区间,道床稳定、 耐久性强、结构简单、造价低、施工简单。钢筋混凝土短轨枕的预制混凝土采用 C50 ,嵌入在混凝土道床,采用C30混凝土道床,布设中心沟,在单层钢筋网的 内,钢筋网作为一个杂散电流排水加固。 3.1.4 道岔 道岔有单开道岔和双开道岔等形式。 中山西路站至子固路站区间采用9 号单 开道岔。 中南大学本科生毕业论文第 3 章 3.2 地下铁道区间隧道限界与净空 本设计线路采用 2B 型接触网带电车辆通过这条线,每列车编排6 辆,最高 时速是 80 公里/ 小时。 。 2 B型车车辆长度为19m ,最大宽度为 28m ,车辆定距为 12.6m,车辆限界及设备 限界详细参
4、数参照 地铁设计规范附录。由于区间是 一个圆形盾构隧道施工, 无论是在直线或曲线段, 只能使用相同直径的盾构, 要 在直线上 或不同曲线半径地 段采用不同半径的 盾构来施工是不可能的。所以, 按平面曲线最小曲线半径来选用盾构进行施工,才能够使得圆形隧道建筑限界 满足要求。 (一)由于车厢纵轴线与线路中线的偏移而引起 的加宽与加高 a. 曲线内侧 加宽 曲内 d R8 al dd 22 内曲内 (3-1) 式中 l-车辆定距 a-车辆固定轴距 R-圆曲线半径 b.曲线外 侧加宽 曲外 d R d 8 al-L d- R8 L 2222 )( 曲内曲外 (3-2) (二)由于超高使车厢倾斜而引起的
5、加宽与加高 根据规范可知, “圆形或马蹄形隧道 在曲线超高地段,应采用隧道中心 向线路基准线内侧偏移 的方法解决轨道超高 造成的内外侧不 均匀位移量”。所以 从减小衬砌直径、 保证受力和降低工程量方面考虑, 只需将隧道中心向线路基准 线内侧偏移即可,盾构衬砌一般不进行该项加宽。本设计不予计算。 c.顶部加高 a h )cos1(sin 2 1 aa H L h(3-3) 式中 1 L-车厢顶 部的宽度 (三)总加宽与加高 中南大学本科生毕业论文第 3 章 隧道加宽设计考虑 区段最小平曲线半 径 R=350m. 所以盾构隧道加宽 加高如 下: mmm R 4.580584.0 3508 2.26
6、.12 8 al dd 2222 内曲内 mm5.70 3508 2 .26 .1219 8 al-L d- R8 L 2222222 )()( 曲内曲外 R d mm R v E90.13 350 80 76.076.0 22 rad G E 00968.0 1435 90.13 mmH L h aa 8)cos1(818.3sin 2 7.1 )cos1(sin 2 1 曲线总加宽:mmddd9.1285.704.58 曲外曲内总 曲线总加高:mmhh a 8 高 (四)限界与净空 具体设计见设计图,图号02。 3.3 衬砌结构类型与设计 3.3.1 管片类型比选 盾构法隧道的 衬砌有单层
7、和双层, 单层衬砌由装配式中 衬砌构成,也可以采 用挤压混凝土 衬砌,当前,地铁盾构隧道 一般采用的是装配式衬砌。 钢筋混凝土 管片具有制作方 便、刚度较大、耐久性和 耐压性好、造价低等一系列特点,因此 被广泛采用。 结合南昌市轨道交通特点, 本设计采用 钢筋混凝土土管片。 钢筋混 凝土管片又有两种类型: (一)箱型管片 箱型管片一般用于大直径隧道。管片有大手孔和空腔。 因为空腔较大, 因此 可采用制螺 栓连接。该管片的优点是: 方便螺栓的 连接操作;能够减少混凝土材 料的使用;材料量相同时候,箱型比板型管片的抗弯刚度更大。缺点是:因为空 腔背部的衬砌厚度有一定限度, 在盾构千斤顶的 压力作用
8、下,可能会使管片混凝 土剥落,甚至被 压碎;因为存在空腔,应该将管片设计较厚,所以会导致开挖断 面加大,不利于节省造价。 (二)板型管片 板型管片呈弯曲的 形状,它的手孔较小。该种管片的优点是: 因为空腔较小, 大多是实心的,因此能承受千斤顶的较大压力;其内表面比箱型管片平整光滑、 中南大学本科生毕业论文第 3 章 通风阻力 小、对运营通风有利; 当厚度相等时, 板型管片的 抗弯刚度及强度都比 箱型管片大;对各种直径的隧道,都比较适用。缺点是:一定要使用螺栓,不方 便施工操作。 根据上述各 类型管片的特点和 地铁设计规范 规定,隧道的衬砌类型选为 钢筋混凝土预制 单层板型管片衬砌。 考虑防水及
9、一次衬砌到位, 衬砌结构混凝土 采用 C50防水等级 S10 的混凝土。 3.3.2 管片厚度及宽度的设计 因为单层衬砌具有施工方法简单、工程进度短、 投资较省的优点, 所以盾构 隧道采用单层装配式衬砌, 管片选用平板型钢筋混凝土管片。综合考虑, 管片的 厚度为 40cm ,采用 C50混凝土。 使用环宽 1.5m 的管片 有以下优点:一方面是减少了20% 的环向接缝数量, 降低了 接缝漏水的几率, 提高隧道防水质量; 另一方面是减少了连接螺栓的使用 量;此外还减少了20% 的拼装时间,加快了施工速度。综合考虑南昌实际情况, 环宽为 1.5m。 3.3.3 分块 在当前情况下,地 铁隧道为中等
10、直径的时候,衬砌环的分块数一般采用3 个标准块 +2个邻接 块+1个封顶块,特点是方便运输,容易拼装。本区间将采用 这种分块方式。中山西路站至子固路站区间盾构管片的标准块为67.5,邻接 块为 67.5 ,封顶块为 22.5 。 3.3.4 连接形式 管片采用弯螺栓连接,环向采用12 个M 30 螺栓,每接缝之间采用2 个 M30 螺栓连接。纵向环与环之间采用10个 M30螺栓连接,按照 36等角 布置。在距 离隧道 内侧 1/3 衬砌厚度处设置纵环向螺栓孔。 3.3.5 管片的拼装方式 错缝方式和通缝方式是圆形管片衬砌拼装的两种方式。通缝拼装方式可使装 配方便,容易定位。错缝拼装方式的优点:
11、 衬砌 整体性较强,结构受力形态较优; 由于错缝呈丁字形, 有利于防水; 当管片环面不光滑时, 容易引起较大的拼装施 工应力,使得纵向螺栓的连接不太容易,但环向螺栓容易穿。因此,本设计采用 错缝拼装方式。 3.3.6 封顶块的插入方式与插入角 径向和 纵向两种插入方式是封顶块的不同插入方式。随着盾构隧道的埋深越 来越大,承受高水土压力的拱顶管片的抗剪强度成了问题,因此,多数采用纵向 插入式。考虑到南昌轨道交通的实际情况,本设计采用8的插入角。 中南大学本科生毕业论文第 3 章 3.3.7 接缝的构造 凹凸榫的设置虽然会提高接缝刚度,减少不均匀沉降, 但是却会增加管片制 作、拼装的难度, 是拼装
12、和后期沉降过程中管片开裂的因素之一, 客观上又削弱 了管片防水性能。 而且当地层较硬时, 如果接缝处开裂, 这种开裂发生在管片背 后会是看不见且无法修补的。因此,管片环、纵缝均不设榫槽。 3.3.8 注浆孔和吊装孔 由于需要均匀地向衬砌背后进行回填注浆,每块管片上还需要设置一个注浆 孔,内径取 60mm 。不另外设置吊装孔,螺栓孔和注浆孔兼作管片吊装孔。 3.3.9 防水考虑 为了防止管片漏水,设置防水条槽。此外,采用密封垫圈来使螺栓孔防水, 背后注浆防水采用了 包括密封垫圈的注浆孔防水盒防水环对注浆管万册的防水。 管片背面防水采用 环氧树脂全面涂刷。 3.4 区间隧道结构内力计算及结果分析
13、本设计利用 flac程序计算圆形管片结构使用阶段的结构内力。 由埋深方案比选图, 地铁线路中山西路站至子固路站区间最不利工况位置处 于线路里程 CK13+240.99 、CK13+416.25和 CK13+21.28,其中 CK13+21.28里程 处为地质条件最为复杂处,CK13+240.99里程处为埋深最大处, CK13+416.25里 程处穿过抚河。需要经过flac计算,才能确定最不利截面。 由地铁区间纵断面地质资料图及设计勘察资料,可以得出上述三处的地质分 布,分别如表 3-1, 、3-2 和 3-3. 表 3-1 CK13+21.28 处地质表 地层厚度 (m ) 杂填土2.7 粉质
14、黏土1.5 淤泥3.1 细砂5.4 圆砾3.8 砾砂2.3 强风化1.3 中分化12.1 表 3-2 CK13+240.99处地质表 中南大学本科生毕业论文第 3 章 地层厚度 (m ) 杂填土4.6 粉质黏土3.4 细砂9.0 强风化0.8 中分化10.2 微风化4.2 表 3-3 CK13+416.25处地质表 地层厚度 (m ) 水7.8 粉质黏土6.2 强风化1.0 中分化9.8 微风化15.0 盾构隧道主要穿过中风化层,该层地质稳定,隧道受影响较小。管片衬砌采 用 C50防水钢筋混凝土,其容重取26KN/m3,弹性模量为 35.5GPa ,但是考虑到 管片拼装的衬砌圆环,其刚度比整体
15、浇筑的圆环要小些,管片的刚度折减率取 0.6,因此实际输入文件中管片的弹性模量为21.3GPa 。 通过 flac 程序得到了三处的内力大小以及位移,分别如下所示。 图 3-1 CK13+21.28 处弯矩图 中南大学本科生毕业论文第 3 章 图 3-2 CK13+21.28 处剪力图 图 3-3 CK13+21.28 处轴力图 中南大学本科生毕业论文第 3 章 图 3-4 CK13+21.28 处结构 X方向位移图 图 3-5 CK13+21.28 处结构 Y方向位移图 中南大学本科生毕业论文第 3 章 图 3-6 CK13+240.99 处弯矩图 图 3-7 CK13+240.99 处剪力
16、图 中南大学本科生毕业论文第 3 章 图 3-8 CK13+240.99 处轴力图 图 3-9 CK13+240.99处结构 X方向位移图 中南大学本科生毕业论文第 3 章 图 3-10 CK13+240.99 处结构 Y方向位移图 图 3-11 CK13+416.25 处弯矩图 中南大学本科生毕业论文第 3 章 图 3-12 CK13+416.25 处剪力图 图 3-13 CK13+416.25 处轴力图 中南大学本科生毕业论文第 3 章 图 3-14 CK13+416.25 处结构 X方向位移图 图 3-15 CK13+416.25 处结构 Y方向位移图 由上图可知,管片衬砌在CK13+2
17、1.28处最大弯矩为 52.2mKN, 最大剪力 为 31.46KN,最大轴力为 1397KN,管片衬砌在 CK13+240.99处最大弯矩为 44.5mKN, 最大剪力为 25.36KN,最大轴力为 1269KN,管片衬砌在 CK13+416.25处最大弯矩为 26.71mKN, 最大剪力为 19.14KN,最大轴力为 620KN。所以工况 CK13+21.28处结构所受荷载较大,结构内力较大,则此处断 面为最不利断面。以上三处管片内力计算输入文件和结果见附录。 3.5 本章小结 (1)根据区间线路 的特点,结合南昌轨道交通的实际情况,进行了线路上部 建筑的设计。 中南大学本科生毕业论文第 3 章 (2)盾构管片采用 3 个标准块 +2个邻接 块+1 个封顶块,并进行了管片类型、 参数、防水和 连接方式等方面的设计。 (3) 根据中子区间线路的纵断面线型和地质条件选定不利的断面, 采用 flac 程序计算选定断面的衬砌内力,从而确定最不利断面以及内力。
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