矿山法地铁隧道结构耐久性分析及二次衬砌结构计算
矿山法地铁隧道二衬结构安全系数及可靠度计算方法研究
（． １北京交通大学 土木建筑工程学院 ， 北京 １ ０ ４ ； ． ０ ０ ４ ２ 北京市政建设集团有限责任公司 ， 北京 １０ ４ ） ０ ０ ５
摘
要： 以北京地 铁 四号线 某 大断面矿 山法隧道 为 背景 ， 别应 用 “ 分 初期 支护 与二 次衬砌 共 同承 受
Ｓ ｕ ｙ ｏ ｈ ａ ｃ ｌ ｔｏ ｅ ｈｏ ｆ ｔ ｅ ｔ ｎ ｌｉ ｅ ｉ ｉ ｇ ｔ ｄ ｎ ｔ ｅ ｃ ｌ ｕ ａ ｉ ｎ ｍ ｔ ｄ ｏ ｈ ｕ ｎｅ ｎｎ ｒ ｌｎ ｎ ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｓ ｆ ｔ ａ ｔ ｒ ａ ｄ ｒ ｌａ ｉｉｙ ｉ ｅ ｏ ｉ ｉ ｇ ｓ ｂ ｔ ｕ ｔ ｒ ａ ｅ ｙ ｆ ｃ ｏ ｎ ｅ ｉ ｂ ｌｔ ｎｄ ｘ ｆ ｒ ｍ ｎ ｎ ｕ ｗａ ｕ ｎ ｌ ｙ ｔ ｎ ｅ
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全部荷 载 的计算模 式” 不 考虑初 期 支护承 载 而 由二 次 衬砌 单 独承 受 全部 荷 载 的计 算 模 式” 行 与“ 进 隧道截 面安 全 系数 和 可靠度 指标 的计 算 ， 结果 表 明 ： 两种 承载模 式得 到 的结 构最 不利截 面安 全 系数 均 能满足要 求 ， “ 但 二衬 结构 单独 承栽模 式” 到 的最不 利截 面结 构可 靠度指 标偏低 ． 得 为确保根 据 不 同承 载模 式得到 的计 算结果 基本相 同 ， 应 用响应 面 法分析 隧道衬 砌 结构荷 载效 应的基 础 上 ， 用 在 采 了等效地 层 弹性抗 力 系数 来袁 征初 期 支护对 结构承 载 的 贡献 ， 解 决地 铁 隧道 结 构 设计 中 由于结 为
矿山法地铁隧道结构耐久性分析及二次衬砌结构计算
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地铁区间隧道计算方法(含矿山法)
h0
2.5h0
埋深
图2-1 铁路隧道围岩压力
b.日本的有关规定 (a) 如果覆土厚比隧道外径小 (H ＜ D) ，用全土柱 压力。 (b)在粘性土中全土柱作垂直压力 。 (c)在砂土和硬粘土中，若覆土厚度比外径大许多 倍(H>>D)，取“松弛土压”，按泰沙基公式计算 。
c.不论埋深情况均采用γH全土柱公式，则地层压
力明显偏大，必将带来不经济的设计；采用泰沙基 公式时，深埋结果是否会得出不安全的设计？此问 题值得重视。
通过对北京地铁四号线、五号线和十号线的结构 设计资料分析与整理，设计中大多遵循 2倍洞室跨 度为深浅埋分界，低于 2倍洞室跨度时采用全土柱 荷载，高于 2倍洞室跨度时采用泰沙基公式，这样 上述问题就不可避免。
1.合同规定的主要研究内容
(1) 北京地铁矿山法区间隧道不同条件下合 理设计模式研究； (2) 北京地铁矿山法区间隧道结构可靠度设 计研究； (3) 北京地铁矿山法区间隧道施工阶段设计 方法研究 。
2.区间隧道地层物理力学参数统计分析
(1)区间隧道地层资料工程名称 北京地铁四号线、五号线和十号线共有车站 71座、区间68座，收集到的地质资料车站37座，区 间工程36座，共73座，占总工程数的52.5％。结构 资料仅收集了部分矿山法区间隧道初步设计的纵横 断面图，共25座占区间总数的36.8％。
(5)地层竖向荷载计算表达式推导与建议 针对上述问题，地层竖向荷载计算方法似应作 些改进，主要思路是：极浅埋仍用全土柱，浅埋适 当提高地层压力，深浅埋分界不用突变锯齿方式， 而用平顺过渡 。 建议：在隧道埋深小于隧道跨度时采用全土柱， 隧道埋深大于隧道跨度时采用比尔鲍曼公式。关于 深浅埋分界建议不宜采用某个定值出现压力锯齿形 突变的方式，而认为当挟制作用随深度增加到使土 压力成为定值或最大时，此深度即为深浅埋的分界， 这样土压力是渐变增大的，不会出现突变 。
第三篇 隧道二次衬砌结构计算
第三章隧道二次衬砌结构计算3.1基本参数围岩级别：Ⅴ级围岩容重：γs =18.53/mkN围岩弹性抗力系数：K=1.5×1053/mkN衬砌材料为C25混凝土，弹性模量Eh =2.95×107kPa,容重γh=233/mkN.3.2荷载确定3.2.1围岩垂直均布压力按矿山法施工的隧道围岩荷载为：qs=0.45×21-sγω=0.45×21-sγ[1+i(B-5)]=0.45×24×18.5×[1+0.1×(13.24-5)]=242.96(2/mkN)考虑到初期支护承担大部分围岩压力，而对二次衬砌一般作为安全储备，故对围岩压力进行折减，对本隧道按30%折减，取为1702/mkN .3.2.2 围岩水平均布压力e=0.4q=0.4×170=68 2/mkN3.3计算位移3.3.1单位位移所有尺寸见下图1：半拱轴线长度s=11.4947(m)将半拱轴线长度等分为8段，则∆s=s/8=1.4368(m)∆s/ Eh =0.4871×107-（1-⋅kPam）计算衬砌的几何要素，详见下表3.1.单位位移计算表表3.1注：1.I —截面惯性矩，I=3bd /12,b 取单位长度。
2.不考虑轴力影响。
单位位移值用新普生法近似计算，计算如下： 11δ=⎰sh ds IE M 01≈∑∆I E s 1=0.4871×107-×864.0000=4.2085×105-12δ=21δ=⎰sh ds IE M M 021.≈∑I yE s ∆=0.4871×107-×2643.1776=1.2875×104-22δ=⎰sh ds I E M 022≈∑∆I y Es 2=0.4871×107-×14338.9160=6.9845×104-计算精度校核为：11δ+212δ+22δ=(0.42085+2×1.2875+6.9845) ×104-=9.9803×104-ss δ=∑+∆Iy E s2)1(=0.4871×107-×20489.2712=9.9803×104-闭合差∆=03.3.2载位移—主动荷载在基本结构中引起的位移 （1） 每一楔块上的作用力 竖向力：Q i =i qb 侧向力：E i =eh i 自重力：G i =h ii s d d γ⨯∆⨯+-21 算式中:b i 和h i 由图1中量得 d i 为接缝i 的衬砌截面厚度 作用在各楔块上的力均列入下表3.2：载位移计算表 表3.2（2） 外荷载在基本结构中产生的内力 内力按下算式计算弯矩：0ip M =0,1p i M --e g q i i i i Ea Ga Qa E y G Q x ---∆-+∆∑∑--11)(轴力：0ip N =sin iϕ∑∑-+iiiE G Q ϕcos )(0ip M ，0ip N 的计算结果见下表3.3.表3.4：载位移计算表p i M ,0表3.3载位移计算表ip N 0 表3.4（3）主动荷载位移 计算结果见表3.5：主动荷载位移计算表 表3.5则：p 1∆=⎰sh pds IE M M 01.≈∑∆IM E sp 0= -0.4871×710-×2300881.6426 = -0.1121 p 2∆=⎰sh pds IE M M 02.≈∑∆IyM E sp 0= -0.4871×710-×11795777.616 = -0.5746 计算精度校核：p 1∆+p 2∆= -0.1121-0.5746=-0.6867 sp∆=∑+∆I M y Esp 0)1(=-0.4871×710-×14096659.259=-0.6867闭合差：∆=03.3.3载位移—单位弹性抗力图及相应的摩擦力引起的位移 （1）各接缝处的弹性抗力强度抗力上零点假设在接缝3处，3ϕ=38.7715=b ϕ； 最大抗力值假定在接缝6处，6ϕ=77.5430=h ϕ； 最大抗力值以上各截面抗力强度按下式计算：i σ=h hb ib σϕϕϕϕ]cos cos cos cos [2222-- =h iσϕ]5430.77cos 7715.38cos cos 7715.38cos [2222--=h iσϕ]5614.0cos 6079.0[2- 算出: 3σ=0, 4σ=0.3985h σ, 5σ=0.7556h σ, 6σ=h σ; 最大抗力值以下各截面抗力强度按下式计算： i σ=h hi yy σ]1[2'2'-式中：'i y —所考察截面外缘点到h 点的垂直距离；'h y —墙脚外缘点到h 点的垂直距离。
地铁隧道二次衬砌施工
地铁隧道二次衬砌施工地铁隧道二次衬砌施工提要：隧道边墙基底为拱墙衬砌与基础的连接部位，每次灌注混凝土前须将基础凿毛，凿毛标准为露出粗骨料、无浮浆虚碴，凿毛处理凿槽不宜过深自地铁隧道二次衬砌施工区间隧道北侧标准段开挖贯通完毕，进行防水层和二衬施工，区间隧道标准断面结构形式为马蹄形，宽，高，衬砌厚度为，采用自行式液压衬砌台车全断面衬砌，二次衬砌采用c30S10防水钢筋混凝土。
据工期要求，临时竖井工区安排2台衬砌台车完成区间标准段衬砌。
人防段衬砌配置2套拼装式组合钢架P3015模板进行二次衬砌混凝土施工；采用拼装式组合钢拱墙架进行衬砌。
泵送预拌混凝土直接入模，机械捣固。
二次衬砌采用c30S8防水钢筋混凝土，总圬工量9890m3。
1)衬砌施工方法区间隧道采用新奥法施工，二次衬砌在初期支护变形基本稳定后施作。
若通过监控量测发现初期支护变形在一定时间后仍无减缓迹象，除采取地层加固措施外，可及时施作二次衬砌并封闭成环，以确保施工安全，其施工顺序见下图：标准段隧道二次衬砌分仰拱填充及墙拱两次浇注成型，采用全断面液压衬砌台车地段，每环有效衬砌长度。
衬砌全部采用泵送预拌混凝土，混凝土由竖井通过φ300钢管送入混凝土输送车，运送至衬砌地段，混凝土输送泵在洞内用φ150泵管直接泵送入模，插入式振捣器捣固，仰拱施工段采用轨道桥维持运输，解决运干输干扰。
2)二次衬砌施工顺序仰拱及隧底填充施工①钢筋加工绑扎钢筋在地面加工棚集中加工，使用时运入洞内人工绑扎。
仰拱钢筋在防水层铺设后进行，施工顺序为：先绑扎底层钢筋，底层钢筋下设混凝土垫块控制保护层厚度。
设架立钢筋绑扎顶层钢筋，预留边墙连接钢筋。
架立筋要疏密均匀，符合设计要求，架立筋底部垫混凝土垫块。
仰拱钢筋绑扎要牢固可靠，尽量避免电焊。
钢筋绑扎时要对防水层采取保护措施，轻拿轻放，精心施工，确保钢筋不破坏防水层。
②仰拱及隧底填充施工工艺流程。
③仰拱及隧底填充混凝土浇注仰拱浇注以整幅10m一环，一次浇注成型，保证结构整体性。
矿山法地铁隧道大拱脚设计二次衬砌计算方法比较
矿山法地铁隧道大拱脚设计探讨与二次衬砌计算方法的比较摘要：本文阐述了地铁矿山法隧道出现的病害和提出了硬岩地段边墙和底板开挖轮廓线的设计调整新思路，同时以实际工程为例，针对单洞单线矿山法隧道二次衬砌计算方法和计算结果进行了对比和分析。
关键词：矿山法隧道、边墙及底板、二衬计算方法、大拱脚设计、刚度折减、基床系数。
引言1、近几年来，随着城市轨道交通建设的不断提速，在建设过程中，也出现不少病害，如底板隆起、漏水、结构侵限等一系列问题，需亟待解决。
目前矿山法地铁隧道采用钻爆法和人工开挖，软土地层初支开挖轮廓线控制较好，基本能够按设计开挖线进行，但是硬岩（ⅱ~ⅳ级）地层，采用钻爆法开挖时，开挖线控制难度较大，尤为突出的是仰拱两侧的弧形边墙爆破开挖，结构底板经常是设计成弧形的，但现场实际施作成为水平的，再加之城市地铁隧道要求采取全包防水，平面性状的底板根本无法抵抗过大的水头压力，从而导致底板隆起而破坏。
以上问题已在国内多个城市出现，不完全是施工质量问题，也需要从设计角度寻求解决方法，值得我们进行深入探讨和研究。
2、目前，矿山法隧道二衬计算方法主要有以下三种：第一种是建立初期支护、二次衬砌共同受力结构体系模型,水压作用在二次衬砌上,土压、地面超载、人防荷载、地震力均作用在初期支护上；考虑到初期支护结构材料性能退化和向二次衬砌的转移，计算时需要对初支刚度进行折减，一般按50%折减考虑，初支与二衬之间近似的采用二力杆（仅压弹簧）模拟，设定弹簧系数，并允许其存在微小变形。
第二种是将初支和二衬假定为一体，考虑浅埋地铁隧道初支变形尚未完全收敛，二衬紧跟施作，只建立单独衬砌结构体系模型，所有外部荷载均作用在单独的结构上，经计算得到总轴力和总弯矩，再按照刚度分配原则，自动分配二衬的弯矩和轴力；另外，也可参照以往铁路隧道的经验类比方法，假定二衬分担70%的总弯矩和总轴力。
第三种是外部荷载全靠初期支护承载,二次衬砌只是安全储备或者装饰，二次衬砌构不配筋或造配筋，本方法主要考虑围岩在初期支护作用下自稳后再施作二次衬砌,这种方法只适合于围岩较好的情况，但对于浅埋地铁隧道，特别是超浅埋隧道，在工期紧、地质差的情况下是很难达到这种状态的，往往需提前施作二次衬砌。
隧道二次衬砌计算书
主体结构计算书赵东平2010-2-10目录1 参考规范............................................................................................................... - 1 -2 计算模型............................................................................................................... - 1 -3 计算参数............................................................................................................... - 2 -4 荷载计算............................................................................................................... - 3 - 4.1 结构自重............................................................................................................ - 3 -4.2 围岩压力............................................................................................................ - 3 -5 结构内力及安全系数........................................................................................... - 3 -6 衬砌配筋及裂缝验算........................................................................................... - 8 -7 结论....................................................................................................................... - 9 -隧道二次衬砌结构检算1 参考规范本次计算主要依据如下设计规范：（1）《公路隧道设计规范》(JTG D70—2004)（2）《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)（3）《城市桥梁荷载设计标准》(CJJ77—98)（4）《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)（5）《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T 50476—2008)（6）《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330－2002）2 计算模型衬砌结构计算采用荷载—结构法，荷载结构法原理认为，隧道开挖后地层的主要作用是对衬砌结构产生荷载，衬砌应能安全可靠地承受地层压力等荷载的作用。
漫谈矿山法隧道技术第五讲——衬砌(一)
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矿山法地铁隧道结构耐久性分析及二次衬砌结构计算摘要:通过对地铁矿山法隧道结构耐久性分析,提出不同于以往二次衬砌结构计算的新方法,即是建立在隧道初期支护与二次衬砌结构共同受力的基础上,并考虑初期支护本身耐久性等因素,释放隧道初支端弯矩进行二次衬砌结构计算的一种计算方法。
该方法简单方便,且更符合矿山法隧道二次衬砌结构的计算模型。
关键词:地铁隧道;矿山法;耐久性;石拱;二次衬砌;结构计算0 引言目前,国内大城市地铁建设空前迅速。
地铁建设是一项百年工程,因此其结构耐久性备受人们关注,这对结构设计人员也提出了更高的要求。
地铁矿山法是一种采用“新奥法”施工的施工方法,设计时采用复合式衬砌,一般选取马蹄形断面。
具体的施工形式有台阶法、CD法、CRD法、全断面法等。
施工步骤大致为:先预支护结构顶部,然后开挖土体,再初期支护(初期支护包括立格栅钢架,挂网喷射混凝土等),做防水层,最后做二次衬砌。
与其它地下工程施工过程的明显区别在于:矿山法隧道需要进行初期支护。
初期支护结构外面没有防水层,结构自防水要求也往往比较低,又加之是喷射钢筋混凝土结构,施工质量较难保证;在结构设计中,主要考虑承载力控制,对其裂缝没有加以严格控制。
当地下水对钢筋混凝土结构有腐蚀性时,初期支护结构耐腐蚀性能差在所难免。
一般初期支护结构的设计使用年限为100年,在这100年中,它对二次衬砌的内力到底有何影响?这对结构设计人员建立结构计算模型极为关键。
在考虑建立结构计算模型时,对于是否将初期支护结构的存在对二次衬砌的内力的影响计算在内或部分计算在内,各个设计院采用的矿山法隧道结构计算方法各不相同,即使同一个设计院,不同项目的计算方法也不同。
目前主要存在以下三种计算方法:第一种是建立初期支护、二次衬砌共同受力结构体系模型,水压作用在二次衬砌上,土压、地面超载、人防荷载、地震力均作用在初期支护上;考虑到初期支护结构材料的耐腐蚀性差,计算时需要对其刚度进行折减,一般按50%折减考虑。
第二种是只建立二次衬砌单独结构体系模型,认为初期支护虽然长期抗腐蚀性差,但毕竟是一层结构,可以人为地认为它能够承担30%的土压,其余70%的土压作用在二次衬砌上,涉及到其它类型荷载的计算与第一种计算方法相同。
第三种是外部荷载全靠初期支护承载,二次衬砌只是安全储备或者装饰,对二次衬砌很少予以计算。
1 钢筋混凝土结构耐久性分析主要从外部环境和混凝土自身2种影响因素,对钢筋混凝土结构耐久性进行分析。
1. 1 外部环境影响环境是影响混凝土结构耐久性的重要因素之一。
环境类别应根据其对混凝土结构耐久性的影响确定,混凝土结构的环境类别可参见《钢筋混凝土结构设计规范》[1]中的表3. 4. 1。
第一类环境类别为:室内正常环境。
第二a类环境类别为:室内潮湿环境;非严寒和非寒冷地区的露天环境、与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境。
在对基础、地下室、人防工程等在浸水情况下的耐久性进行分析时,就应主要考虑此种环境类别对结构的影响。
第二b类环境类别为:严寒和非寒冷地区的露天环境、与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境。
第三类环境类别为:使用除冰盐的环境;严寒和寒冷地区冬季水位变动的环境;滨海室外环境。
此类环境的空气中含有大量的氯离子,氯离子有很强的活性,如果钢筋混凝土结构长期处于这样的空气中,其钢筋表面的钝化膜极易遭到破坏,从而引起钢筋锈蚀;水位变动再加上严寒和寒冷地区土壤的反复冻融,往往也会对混凝土造成很大的损伤。
第四类环境类别为:海水环境。
如港口码头,灯塔、海岛高脚屋等。
港口的耐久性规定详见《港口工程混凝土结构设计规范》[2]。
第五类环境类别为:受人为或自然的侵蚀性物质影响的环境。
对于人为侵蚀性环境应根据《工业建筑防腐蚀设计规范》[3]的有关规定进行耐久性设计;对于受自然侵蚀性物质影响的环境应根据水文地质勘察报告,确定侵蚀性的强弱,采取相应的防护措施。
1. 2 混凝土自身的影响影响混凝土耐久性的另一个重要因素是混凝土本身的质量。
提高密实度并且减少混凝土的渗透性可以减缓侵蚀性物质侵入混凝土内部的速度,而这又与混凝土的强度等级、水灰比等因素有关。
由于氯离子可引起钢筋锈蚀,所以还应该根据不同的环境类别限制混凝土中氯离子的含量。
另外,当混凝土中含有碱活性骨料时,在露天和潮湿的环境中,碱和骨料内的活性颗粒产生碱-骨料反应造成混凝土表面产生裂缝,加速侵蚀性物质的破坏作用。
因此,规范[1]对一类、二类和三类环境中,设计使用年限为50年的结构混凝土的最大水灰比、最小水泥用量、最低混凝土强度等级、最大氯离子含量和最大碱含量都做出明确的规定。
对于在一类环境中设计使用年限为100年的结构混凝土的耐久性应有更严格和确切的要求,如:钢筋混凝土结构的最低混凝土强度等级为C30;混凝土中的最大氯离子含量为0. 06%;宜使用非碱活性骨料;当使用碱活性骨料时,混凝土中的最大碱含量为3. 0 kg/m3;混凝土保护层厚度按规范规定再增加40%;使用过程中,应定期维护。
规范[1]第3. 4. 4条规定,在二、三类环境中设计使用年限为100年的混凝土结构应采用专门有效措施,保证其耐久性。
规范[1]第3. 4. 5条和3.4. 6条主要针对混凝土的抗冻性能和抗渗性能作出了具体的规定。
混凝土的抗冻等级和抗渗等级的设计见《水工混凝土结构设计规范》[4]和《地下工程防水设计规范》[5]。
然而,不管是外部环境还是混凝土本身对钢筋混凝土结构耐久性的影响,都可以按照相关规范的具体要求进行结构设计,从而人为地对上述影响加以限制,让其满足结构耐久性要求。
但是,在设计年限内大部分钢筋混凝土结构是带裂缝工作的。
混凝土结构是以水泥为胶结材料,以天然砂、石为骨料加水拌合,经过搅拌浇筑成型、养护凝结硬化形成的固体材料。
由于物理、化学作用,施工、环境因素的影响,混凝土裂缝难以避免。
当混凝土结构裂缝较大时,侵蚀性物质会通过裂缝渗入混凝土内部到达钢筋表面引起锈蚀。
钢筋锈蚀氧化后体积膨胀,进而使混凝土保护层发生涨裂,这反过来又会加速钢筋锈蚀,最后导致保护层剥落。
钢筋锈蚀后,钢筋的有效面积减小,强度降低,导致结构承载力下降;另一方面锈蚀钢筋的抗滑移能力降低,有可能导致结构出现滑移破坏。
随着时间的推移,混凝土结构的承载力就会大打折扣,有时甚至会是脆性破坏。
这就是混凝土耐久性问题的根源。
因此,由于耐久性问题对结构抗力的影响,混凝土结构不仅应进行承载能力极限状态和正常使用极限状态的计算,而且还应保证其在相当长的时期内满足设计规定的功能要求。
2 结构计算模型分析从钢筋混凝土结构耐久性分析可以看出,降低混凝土耐久性的最主要根源就是裂缝,因此,在进行结构设计时,就应该重点考虑如何有效减少裂缝及限制裂缝的开展。
至于其它影响结构耐久性的因素,只要按照相关规范、指南等具体要求进行结构设计,就可以较容易地对其加以限制或消除。
运用矿山法施工的地铁隧道,对其初期支护钢筋混凝土结构进行设计,一般只是以承载能力极限状态为计算标准,在设计过程中,并没有涉及到正常使用极限状态下的结构耐久性问题,也就是没对裂缝加以严格控制。
初期支护在长期的使用过程中,外部荷载因其材料性能退化和刚度下降向二次衬砌转移。
第一种计算方法考虑将初期支护结构的材料刚度按经验折减50%具有一定道理,不管钢筋混凝土结构中钢筋、混凝土有无腐蚀,单混凝土长期使用的疲劳就会让钢筋混凝土结构刚度下降,导致内力重分布。
第二种结构计算模型似乎不合理。
因为它在建立计算模型时不符合实际情况。
虽然初期支护结构耐久性很难保证,但它仍是实实在在存在的一层结构。
即使按最不利的情况考虑,认为初期支护结构中一部分或全部钢筋被腐蚀,但只要初期支护混凝土存在,在二次衬砌约束下,初期支护结构至少还能充当受压构件,只是不能承担受弯或受弯性能很差,而混凝土的抗压能力较强,因此在建立结构计算模型的时候,考虑一起建立共同受力的结构计算模型更符合实际情况。
至于第三种计算方法,主要考虑围岩在初期支护作用下自稳后再施作二次衬砌,这种方法只适合于围岩较好的情况,在铁路隧道中经常使用。
但对于浅埋地铁隧道,特别是超浅埋隧道,在工期紧、地质差的情况下是很难达到这种状态的,往往需提前施作二次衬砌。
且地铁隧道结构采用全包防水,二次衬砌必须承受全部水压力,因此,二次衬砌只作安全储备或装饰还是不够的。
通过对钢筋混凝土结构的耐久性以及现有的三种计算方法的分析,提出另外一种新的计算方法,即初期支护结构设计时只考虑承载能力极限状态而不考虑裂缝控制(实际中,初期支护开裂常常发生)。
初期支护没有防水层,喷射混凝土施工质量也很难保证等诸多因素,使初期支护结构在100年使用过程中钢筋会逐渐被腐蚀,受力钢筋面积也会逐渐变小。
当减小到一定程度时,钢筋会出现屈服破坏,失去受力钢筋的作用,这样初期支护结构由可抗弯构件变为基本只能抗压的受压构件,有时甚至会被离散分碎为数块混凝土块结构(严重时会更多)。
混凝土的耐久性只要按照规范要求进行考虑和设计,是可以满足要求的。
因此,在实际结构计算模型中,可以把初期支护结构离散为几根或数根直杆,释放模型中杆件端弯矩,考虑其主要承受轴向压力。
这种建模理念来自于石拱受力原理。
石拱石块主要为轴向受力体,同时受剪力,但弯矩很小或基本可忽略。
初期支护在长期使用过程中存在与石拱相同的受力状态,也满足地铁设计规范中关于“初期支护在长期的使用过程中,外部荷载因初期支护材料性能退化和刚度下降(钢筋被腐蚀就意味结构刚度下降)向二次衬砌的转移”的规定。
3 几种结构计算模型计算结果比较为了更清楚地说明前文提到的第一、第二种计算方法与笔者自己提出的新的计算方法之间的区别和联系,现通过一个具体的工程案例分析比较。
某市地铁区间采用暗挖矿山法设计,结构顶埋深10.0~20. 5m,土层从上至下为素填土、粉砂、中砂、粉质黏土、砾质黏性土、全风化混合花岗岩、强风化混合花岗岩。
地下水对混凝土结构无腐蚀性,对钢筋混凝土结构中钢筋具有弱腐蚀性,对钢结构具有弱腐蚀性。
结构主要位于砾质黏性土及全风化混合花岗岩中,综合地质分析属Ⅵ级围岩。
结构采用净宽9. 4m的马蹄形断面。
初期支护参数为: 1)250mm厚C20喷射混凝土; 2)注浆小导管Φ42@ 300mm,长3. 0m,纵向间距为1. 5m; 3)格栅钢架由4根 Φ22钢筋焊接而成,每榀钢架间距为0. 5m; 4)钢筋网 Φ6@ 150mm×150mm,双侧布置; 5)钢架纵向接连筋 Φ22,环向间距0. 5m,单侧布置。
二次衬砌采用300mm厚的C30、P8的模筑混凝土。
初期支护与二期衬砌间设全包柔性防水卷材。
围岩及钢筋混凝土构件的物理力学参数见表1。
采用通用杆件有限元SAP84计算软件计算。
对初期支护及二次衬砌曲线断面均采用离散数根直杆单元模拟,中间设压杆连接,围岩采用径向弹簧模拟。