本科生毕业设计（论文）
中文题目：北京地铁六号线盾构区间隧道结构设计
英文题目: The Tunnel Structure Design of Shield Interval of BeijingMetro
Line 6
姓 名： 学 号： 学 院： 专 业： 班 级： 指导教师： 职 称：
完成日期： 2010 年 1 月 10 日
1 工程概况
北京地铁十号线二期工程17标盾构井～终点段工程分别采用矿山及明挖施工，采用明挖施工（含人防防护单元），长29.6m；部分采用矿山法施工，长约110m，终点25m暗挖段初支已施做，后采用盾构法施工。
由于本区间与10号线一期起点相接，导致区间工法比较复杂。根据业主提供的资料，一期起点～巴沟站区间发生过变更，变更后的区间长度比原设计缩短了50m，在原设计中此50m范围内区间线路为直线段，双连拱结构，采用暗挖中洞法施工。二期火器营站～终点区间应与变更后的一期区间起点相接，经调查，根据一期起点～万柳站（巴沟站）区间的施工资料得知：此段区间变更缩短的50m中导洞、中隔墙施工完毕，两侧洞亦施工32.2m。若将10号线二期区间与一期起点相接，二期线路必须设计成半径R=300m的曲线，经限界专业核实，一期施工的部分结构已不满足二期曲线隧道限界要求，须将已施工的直线段结构断面扩大，而采用矿山法扩大既有结构断面，无论工程造价和施工风险都比较大，考虑到此段区间场地现状为大片空地，具备明挖条件，故将不满足限界的区段采用明挖施工，在基坑内凿除侵限结构后重新施做。
表1.1 工程概况明细表
工程 项目 明挖 基坑 暗挖 尺寸 29.6m×14.6m×16m （长×宽×深） 围护结构 1000的钻孔灌注桩，桩心距1800；三道φ630，t=12钢管支撑 5.1m×5.33m（宽×高） 拱部120°范围内，超前小导管φ25@300，L=1.9m（2.0m） 初支内外各一层钢筋网φ6.5 （马蹄形 左线46.172m（长） 断面） 右线44.448m（长） 2
轨道顶面埋置深度： 16.065~14.507 @150×150 初衬：间距0.5m（0.75m）格栅钢架，加C20湿喷混凝土(厚250mm) 二衬：模筑钢筋混凝土，C40 P8（厚300mm）。 12700×5690（宽×高） 左线41.042m（长） 暗挖 （双连拱 断面） 右线40.112m（长） 轨道顶面埋置深度： 14.507~14.306 拱部150°范围内，超前小导管φ25@300，L=1.9m 初支内外各一层φ6.5钢筋网@150×150； 初衬：间距0.5m格栅钢架，加C20湿喷混凝土(厚300mm)； 二衬：模筑钢筋混凝土，C40 P8（厚400mm）。
1.1 风险源分级
1.1.1 自身风险工程
序号 名称 里程 右K56+952.932～右K57+091.121 左K56+976.065～左K57+116.997 右K56+997.380～右2 大断面隧道暗挖施工 K57+037.492 左K57+022.237～左K57+063.279 基本状况描述 隧道穿越地层主要 为⑤、⑦卵石层。 总宽12.3～13.4m， 高6.81～7.09m。 二级 二级 安全 级别 盾构法区间 1 穿越砂卵石地层 3
右K56+997.380～右3 变断面隧道暗挖施工 K57+037.492 左K57+022.237～左K57+063.279 变断面： 总宽6.2～13.4m， 高6.5～7.09m。 二级 1.1.2 环境风险工程
安序号 名称 里程 基本状况描述 全级别 盾构法1 区间下穿3条电力隧道 明挖区2 间临近1座高压塔 右K56+985～右K57+025 左K56+940～左K57+050 高压塔南侧角点： 电力隧道内净尺寸2600×2500，区间位于电力隧道下方横穿管线，最近距离1.7m，最不利点位于区间单洞标准断面拱顶。 区间北侧临近高压塔，高压塔南侧一角进入明挖基坑一倍深度范围，二级 二级 左K57+090.4 距基坑围护结构8.2m。
1.2 工程地质与水文地质条件
1.2.1 地质概况
根据《北京地铁十号线二期工程火器营站～终点区间岩土工程详细勘察报告》，本场地除表层人工填土外，勘察深度范围内岩土以第四纪沉积物为主，根据钻探资料及室内土工试验结果，按地层沉积年代、成因类型，将本工程场地勘探范围内的上层划分为人工堆积层、新近沉积地层、第四纪全新世冲洪积层、第四纪晚更新世冲洪积层4个大层，按地层岩性及其
4
物理力学性质进步划分为7个岩上分层，各上层的岩土工程特征描述见表1.2。
表1.2 岩土性质参数表
天然 密度 （g/cm）1.6 1.6 2.02 2.10 2.03 1.92 2.08 2.15 3 直剪 内摩 擦角 （°） 孔隙率 粘聚力 （kpa） 0 10 0 0 26 16 0 0 0.5 0.5 0.38 0.3 0.4 0.46 0.34 0.3 n 压缩模量Es 50～100 (kPa) (20) (50) 5.8 5.4 (40) (75) 100～200 (kPa) (30) (60) 7.0 6.3 (50) (80) 土层 代号 土层 名称 地基承载力 （kPa） 200 350 220 220 400 600 ①1 ① ④3 ⑤ 6 ○71 ○7 ○杂填土 粉土填土 粉细砂 卵石 8 8 30 45 12 29 40 55 ⑤4 粉质粘土 粉质粘土 细中砂 卵石
1.2.2水文地质
根据《北京地铁十号线二期工程火器营站～终点区间岩土工程详细勘察报告》，本次勘察（2008年5月）根据本区间长期观测孔及相邻火器营车站地下水观测情况，本区间主要分布层间水，含水层为卵石⑦层，水位埋深为29.5 m，水位标高为2l.8m，观测时间为2008年5月10日，主要接受大气降水、主要以蒸发及越流补给下层地下水的方式排泄。考虑到线路沿线的管道漏水及绿化灌溉等因素，不排除局部存在上层滞水。
隧道埋置较深，底部位于⑥土层中，本次勘察在该隔水层上未发现地下水，但湿度较大，且在初步勘察阶段(2007年9月)火器营站以南卵石圆
5
砾⑤层底部是含水的，为潜水（二），水位标高30.26-31.94m，水量较小，考虑到本次勘察时为枯水期，季节降水会导致地下水位的动态变化，丰水期该隔水层上可能存在地下水。
按Ⅱ类环境类型、微冻地段考虑；本场地引水渠河水对混凝土结构无腐蚀性，在干湿交替环境及在长期浸水的环境下对钢筋混凝土中的钢筋均无腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性，综合评价为弱腐蚀性；潜水对混凝土结构无腐蚀性，在干湿交替环境下对钢筋混凝土中的钢筋弱腐蚀性，在长期浸水的环境下对钢筋混凝土中的钢筋无腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性，综合评价为弱腐蚀性。
2.盾构法施工
2.1.盾构法概况
盾构法是暗挖隧道的专用机械在地面以下建造隧道的一种施工方法。盾构是与隧道形状一致的盾构外壳内，装备着推进机构、挡土机构、出土运输机构、安装衬砌机构等部件的隧道开挖专用机械。采用此法建造隧道，其埋设深度可以很深而不受地面建筑物和交通的。近年来由于盾构法在施工技术上的不断改进，机械化程度越来越强，对地层的适应性也越来越好。城市市区建筑公用设施密集，交通繁忙，明挖隧道施工对城市生活干扰严重，特别在市中心，若隧道埋深较大，地质又复杂时，用明挖法建造隧道则很难实现。而盾构法施工城市地下铁道、上下水道、电力通讯、市政公用设施等各种隧道具有明显优点。此外，在建造水下公路和铁路隧道或水工隧道中，盾构法也往往以其经济合理而得到采用。
盾构法是一项综合性的施工技术。盾构法施工的概貌如下图所示。构成盾构法的主要内容是：先在隧道某段的一端建造竖井或基坑，以供盾构安装就位。盾构从竖井或基坑的墙壁预留孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的设计预留孔洞推进。盾构推进中所受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制衬砌，再传到竖井或基坑的后靠壁上。盾构是一个能支承地层压力，又能在地层中推进的圆形、矩形、马蹄形及其他特殊形状的钢筒结构，其直径稍大于隧道衬砌的直径，在钢筒的前面设置各种类型的支撑和开挖土体的装置，在钢筒中段周圈内
6
安装顶进所需的千斤顶，钢筒尾部是具有一定空间的壳体，在盾尾内可以安置数环拼成的隧道衬砌环。盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装一环衬砌，并及时向盾尾后面的衬砌环外周的空隙中压注浆体，以防止隧道及地面下沉，在盾构推进过程中不断从开挖面排出适量的土方。
盾构法施工概貌示意图
1——盾构； 2——盾构千斤顶； 3——盾构正面网格； 4一一出土转盘； 5－一出土皮带运输机； 6——管片拼装机； 7——管片； 8——压浆泵； 9－一压浆孔； 10——出土机； 11——由管片组成的隧道衬砌结构； 12——在盾尾空隙中的压浆； 13——后盾装置； 14——竖井
盾构是进行土方开挖正面支护和隧道衬砌结构安装的施工机具，它还需要其它施工技术密切配合才能顺利施工。主要有：地下水的降低；稳定地层、防止隧道及地面沉陷的土壤加固措施；隧道衬砌结构的制造；地层的开挖；隧道内的运输；衬砌与地层间的充填；衬砌的防水与堵漏；开挖土方的运输及处理方法；配合施工的测量、监测技术；合理的施工布置等。此外，采用气压法施工时，还涉及到医学上的一些问题和防护措施等。
7
2.2盾构机的种类及选型
2.2.1盾构种类
盾构机是盾构法施工的主要机械，按开挖面与作业室之间隔墙构造可分为全开敞式、半开敞式及密封式3种。
全开敞式。是指没有隔墙和大部分开挖面呈敞露状态的盾构机。根据开挖方式不同，又分成手掘式、半机械式及机械式3种。这种盾构机适用于开挖面自稳性好的围岩。在开挖面不能自稳的地层施工时，需要结合使用压气施工法等辅助施工法，以防止开挖面坍塌。
半开敞式。是指挤压式盾构机，这种盾构机的特点是在隔墙的某处设置可调节开口面积的排土口。
密封式。是指在机械开挖式盾构机内设置隔墙，将开挖土砂送入开挖面和隔墙间的刀盘腔内，由泥水压力和土压提供足以使开挖面保持稳定的压力。密封式盾构机又分成泥水式盾构机和土压式盾构机。 2.2.2盾构选型
盾构选型应考虑的三个重要参数稠度指标Ic、渗透系数k和容重r 敞开式适合于稳定地层，无地下水的地质条件且对地表沉降的要求不
高情况下(〈2m)
8
对于土压平衡盾构或泥水平衡盾构则需要考虑诸多因素的复合作用，
尤其是法剑地层条件下盾构机选型问题，需要特别值得重视 混合地层是提：土和砂砾石的混合，土岩石混合或者岩石强度差别很
大的隧道断面并伴有地下水存在情况 2.3.衬砌管片
隧道是由预制管片逐环连接形成的，管片是在盾壳保护下，并在其空间内进行拼装。管片的类型主要有球墨铸铁管片、钢管片、复合管片和钢筋混凝土管片，每环有数块组合而成。
2.3.1装配式衬砌（管片）的类型、特点
管片型式可从结构层数、成环形式、制作的材料、每环块数来分为各种不同的管片型式，
球墨铸铁管片
球墨铸铁管片强度高、易铸成薄壁结构、管片重量轻、搬运安装方便、管片精度高外形准确、防水性能好，但加工设备要求高、造价大。该管片需翻砂成型后用大型金属切削机械加工。
钢管片
主要用型钢或钢板焊接加工而成，其强度高，延性好，运输安装方便，精度稍低于球墨铸铁管片，但在施工应力作用下易变形，在地层内也易锈蚀。
钢筋混凝土管片
该种材料制作而成的管片有一定强度，加工制作比较容易，耐腐蚀，造价低，是最常用的管片形式，但较笨重、在运输、安装施工过程中易损坏。
9
挤压混凝土衬砌
这是一类新工艺，盾尾后部设有相连接的滑模台车，盾构推进时混凝土泵同时向盾
尾连续压注混凝土，形成衬砌，并兼作盾构推进的后座。这类衬砌的施工速度比拼装衬
砌快，防水效果更好，造价也低。
2.4盾构法施工隧道优点：
不受地面建筑物和交通的，设计隧道走向时有较大的自由度； 最适用在地下较深处建造隧道；
适应性强，通过选用合适的型式的盾构，可在不同地质及水文条件下建造隧道；
盾构法施工机械化程度高，涉及到的施工技术范围广。
3．盾构法隧道的力学原理 3.1荷载
根据国际隧道协会（ITA）在2000 年公布的《盾构法隧道衬砌设计指南》，将盾构隧道所受荷载共分为三类： 1. 主要荷载
必须经常考虑的荷载，包括竖向与水平土压力、水压力、自重（静载）、超载（地面荷载）、 地基反力。 2. 次要荷载
必要时考虑的荷载，包括内部荷载、施工期荷载、地震效应。对施工阶段
10
的荷载，《指南》
中详细规定有以下几种： 千斤顶推力：考虑到千斤顶压力的偏心作用 ，应计算由此产生的弯矩
和剪刀；
管片运输与安装时的荷载； 回填注浆压力； 管片装配荷载；
其它荷载，如车辆的荷载、千斤顶压力变化，刀盘扭
盾构受力简图 3. 特殊荷载
相邻隧道的影响、地基沉陷的影响和其他荷载。
衬砌的设计不仅应满足隧道投入使用后，而且必须满足施工过程中的安全性和功能的要求。
从这一点出发，上述三类荷载须进行最不利情况的组合。
3.1.1垂直与水平土压力
1. 土压力分布
作用在衬砌上的土压力分布是复杂的，对其进行正确的推断较为困难。通常情况，作用在
隧道顶部的垂直土压力假设为均布荷载；作用在隧道两侧的水平土压力假设为分布荷载，也可作为均布荷载或五边形分布荷载。
11
2. 水的影响
计算土压力时，对于水的影响应根据围岩条件，采用以下两种方法。一种是将土压与水压分开的计算方法（土水分算），另一种是将水压作为土压的一部分进行计算的方法（土水合算）。一般在砂性土地层中，认为土压和水压是分别作用于管片的，采用土水分离计算。而在粘性土地层中，土压和水压可认为是相互间成为一体作用于管片的，采用土水一体计算。 3. 垂直土压力计算
地层压力是地下结构所承受的主要荷载。在土质地层中，地层压力即为土压力。由于影响
地层压力分布、大小和性质的因素很多，要确定它是很困难的。国际上目前存在松动压力理论、形变压力理论等地层压力理论。松动压力理论包括土柱理论和压力拱理论。土柱理论比较适合于埋置较浅的隧道由于盾尾空隙或衬砌位移而引起隧道顶部上覆土柱的个沉，两侧地层对柱体产生与下沉反向的摩擦力，故上覆土层重量减去土柱两侧的摩擦力即为地层压力。在较差的地层中，该摩擦刀习惯上假定为零。压力拱理论适合于埋置较深的隧道。顶部土体失去稳定产生坍塌而形成不延向地表的局部破裂区，该区内的土体作自重即为作用在隧道衬砌上的荷载。破裂区上部边界线有抛物线、椭圆、半圆和三角形等不同的假定。由地层变形而引起的压力称形变压力。形变压力理论属于弹塑性理能的范畴。它认为地层中开挖圆孔后，边界上径向应力消失，而切向应力增大，此应力差值会引起土体剪切破坏，隧道周围出现塑性区，即低应力区。塑性圆环外面则仍属弹仕区，为高应力区的承载环。隧道衬砌和地层间的接触应力即为地层压力值。地层位移后会产生相应的剪力，而把重力传到更远的地层中去，这样会减小传给衬砌的垂直荷载。对于上述地层压力计算理论，由于地质组成和土体参数的不易准确确定，实际应用时仍会受到一定。总的来说，它们在考虑地层压力的影响因素时还不够全面。当采用松动理论考虑作用于隧道上的土压力时，如果覆土厚度小于两倍隧道外径，一般不考虑地基的拱效应。当覆土厚度大于两倍隧道外径时，地基产生拱效应的可能性比较可靠，应考虑使用松弛土压力。 4、水平土压力
水平土压力为作用在衬砌两侧，并沿其断面圆周的直径水平作用的荷载。其分布形式主要有三种方式，但实际应用中多采用梯形分布，它是作用在衬砌形心线上自拱顶至隧底的均匀变化荷载，大小根据垂直土压力与侧向土压力系数来计算。
侧向土压力系数直接影响到侧向土压力的大小，而侧向土压力的取值对内力结果的影响较大。侧向土压力系数应在静止土压力系数和主动土压力系数之间
12
3.1.2水压力
一般情况下，作用在衬砌上的水压力采用静水压力。有时为了简化计算，对于水的分步形式和大小按土压力那样确定。将竖向水压力作为匀布荷载，作用在拱顶的水压力等于作用在衬砌顶点的静水压力值，作用于底部的水压力等于作用在衬砌最低点上的静水压力。水平方向水压力为拱顶至隧底均匀变化的水平荷载，其值分别与拱顶和拱底处的静水压力相等。
水压力的计算只适用于水土分离计算的情况。一般来说，对于隧道开挖而
去掉的水的重量，偏于安全的设计是将垂直水压力的差作为浮力处理。在覆土厚度小、地下水位高以及地震时容易发生液化的地基中，当作用于衬砌顶部的垂直荷载（除调水压力）与衬砌自重的和小于浮力时，顶部地层会产生抗力，以抵抗浮力的作用，。如果上部地层难以产生与浮力相当的抗力时，隧道会上浮，此时可用二次衬砌或在地面加重处理。另外，采用较高的水位并不等于偏于安全的设计，相反，采用较低的水位往往会得到安全的设计。
3.1.3 自重
管片的自重g 是沿管片的计算半径分布的，其作用方向垂直向下，自重所产生的弯矩一般
约占总弯矩的20%。管片的自重根据下式计算：g=W/2πRc 其中：g——自重
W——衬砌管片纵向每延米重量 Rc——管片计算半径
3.1.4 地基抗力
对土层和结构的相互作用的考虑大致可以分为三类，即从最早的抗力法到后来的弹性地基
梁模型和连续介质模型。抗力法是最粗糙的方法，从真正意义上讲，它并没有真正考虑到土层与结构的相互作用，只是粗略地估算了土层给予结构的弹性抗力。弹性地基模型开始用链杆后来用弹簧来模拟土层和结构的相互作用，在当今的计算模型中尚有广泛的应用。而连续介质法是自动包括了这种相互作用。
13
3.2现场监测
初期支护结构拱顶沉降及净空收敛监测 初期支护结构净空收敛
每10到30m一个断面，每断面1~3根基线。对于浅埋暗挖车站每个导洞均布置断面；对于标准断面的单线区间隧道，可在隧道拱脚处（全断面开挖时）或拱腰处（半断面开挖时）布置水平收敛测线。初期支护结构收敛的监测断面间距，车站为10~20m，区间为15~30m并与地表和初期支护结构拱顶沉降监测断面相互对应。 监测断面尽量靠近开挖工作面，测点一般设置在距离开挖面2m的范围内，如遇核心土长度较大时，可在其端部设置，并在开挖后12小时内获取
初始读数。
测钢格栅受力 测单根钢筋受力
现场监测图片
14
参考文献
[1] 朱合华.地下建筑结构.北京：中国建筑工业出版社，2006 [2] 刘 波.地铁与轻轨课件 [3] 江玉生.隧道工程课件
[4] 张庆贺.地铁与轻轨. 北京：人民交通出版社，2006.8 [5] 王毅才. 隧道工程. 北京：人民交通出版社，2000.8 [6] 蔡美峰. 岩石力学与工程. 北京：科学出版社，2002
15
