第26卷第3期
2004年6月文章编号:100128360(2004)0320088205
铁 道 学 报
JOURNALOFTHECHINARAILWAYSOCIETYVol.26 No.3June2004地下铁道明挖区间隧道结构预制技术的研究
王明年, 李志业, 关宝树
(西南交通大学地下工程系,四川成都 610031)
摘 要:隧道预制技术能够提高隧道施工质量,增加隧道修建速度,降低隧道建设成本。本文对地下铁道明挖区间隧道结构预制技术进行了深入研究,讨论了部分预制技术所应解决的问题。关键词:地下铁道;预制技术;接头防水中图分类号:U451.2;U455.71 文献标识码:A
StudyonPrefabConcreteLiningTechnology
forOpenTrenchSubwayTunnels
WANGMing2nian, LIZhi2ye, GUANBao2shu
(Dept.ofUndergroundEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)
Abstract:Theprefabtechnologycanimprovequalityoftunnels,increasetunnelconstructionspeed,andreducetunnelcosts.Inthispaper,theauthorsstudytheprefabconcretesliningtechnologyforopentrenchsubwaytunnels,anddiscusstheissuesregardingthesegmentprefabtechnology.Keywords:subway;prefabtechnology;tie2inwaterproof
目前,隧道预制技术的发展从两个方面开展,即部
分预制和全部预制。
所谓部分预制技术[1,2]就是隧道结构有一部分是预制的,另外一部分采用现浇混凝土的方法。如秦岭特长铁路隧道,仰拱采用预制构件,而拱和墙则采用现场浇筑。日本在修建公路隧道时,曾采用预制板加模筑混凝土的方法修筑仰拱,因为该种方法不需要设置和拆除模板,比现场灌注混凝土降低成本10%～15%,而且隧道开挖后能够立即施工仰拱,因此能够有效地控制隧道底部的变形。在山岭隧道的二次衬砌施工中,也开发出类似的预制板兼模板的技术,预制板是钢筋混凝土板,主筋从板背面伸出,现场灌注混凝土时与之成为一体。此法较采用模板灌注混凝土的方法能够降低成本20%～30%,并缩短工期。在运营隧道中,也曾采用预制内衬进行既有隧道衬砌的加固。另外,在双联拱隧道采用明挖施工时,曾经采用过拱部预制而下部采用就地灌注混凝土的施工方法。
所谓全部预制技术[2,3]就是整个隧道结构都是工
收稿日期:2003212223;修回日期:2003212219
),男,安徽舒城人,教授,博士。作者简介:王明年(1965—
E2mail:19910622@163.com
厂预制的,然后在现场组合拼装而成。如日本仙台市地下铁道工程中,曾采用预制矩形结构(双跨),整个结构分成顶板、底板、侧墙及中柱等5个预制构件。另外,日本和法国曾联合开发大型涵洞的预制技术,在公路的扩建工程中采用了这种结构,其最大跨度达12m。这两个实例不但缩短工期,而且成本也降低20%左右。日本曾在双车道公路隧道中,进行过单跨矩形装配式结构的试验研究。前苏联的铁路隧道也曾采用过装配式衬砌,在地下铁道的明挖段大量采用“装配式钢筋混凝土衬砌”和“成段衬砌”。近年来,荷兰在鹿特丹地下铁道的明挖段使用所谓“壳式隧道”也是隧道预制结构的一种。
由上可以看出,预制技术有以下特点:(1)缩短工期;
(2)构件在工厂预制,提高了结构的质量;(3)为地下工程施工的标准化、模式化提供了条件;
(4)与现场模筑混凝土结构相比,价格有所降低。
本文将以地下铁道区间明挖结构为重点,讨论部分预制技术在这方面的应用所应解决的问题。
第3期地下铁道明挖区间隧道结构预制技术的研究
1 不同结构形式的预制构件划分
对于地下铁道明挖区间隧道结构,可以采用底部现浇,边墙、中墙和顶板采用预制构件的部分预制技术进行施工,由于边墙、中墙和顶板采用预制构件施工,从而减少了施工模板的反复拆装,加快了工程进度;隧道底部采用现浇混凝土,减少了全部预制技术中设置纵坡的麻烦,方便了施工。1.1 结构形式
双线地铁区间隧道结构可以采用3种结构形式,即矩形结构、直墙拱形结构和曲墙拱形结构。1.2 预制构件的划分
在划分预制构件时,主要考虑两个因素,即结构受力和构件质量。
从受力角度考虑,接头是结构受力的薄弱环节,一般来说,能够承受轴力和剪力的接头比较容易设置,而能够承受大量弯矩的接头设置较为困难,代价也较大。因此从受力角度来说,接头宜设在弯矩较小处。为了从合理受力的角度进行预制构件划分,首先进行整体结构的受力分析,然后根据弯矩分布图进行构件的横向划分,最后考虑起吊质量,进行构件的纵向划分。1.2.1 整体结构受力在整体结构受力分析时,主要考虑了正常使用荷载情况。
隧道埋深取6m,地层组成主要考虑坡积土和可塑或稍密残积土。
地表车辆荷载取20kN/m2。水压按历史最高水位计算,考虑到地表,采用水土合算,按静止土压力考虑。
矩形结构单洞最大净跨度为4.775m、净高度为5.25m。直墙拱形结构单洞最大净跨度为4.775m、净高度为5.25m。曲墙拱形结构单洞最大净跨度为5.025m、净高度为5.625m。
表1 构件纵向每延米质量表
结构形式
中墙
矩形
3块2块
1.67
构件每延米质量/103kg
边墙
3.34
a-b
b-c
矩形结构顶板、边墙厚度取40cm,中墙厚度取20cm,底板厚度取45cm。直墙拱形结构和曲墙拱形结构的拱部、边墙厚度都取30cm,底板厚度取45cm。
按荷载2结构模型进行计算,不考虑围护结构作用,此时,3种结构的弯矩图如图1所示。1.2.2 构件横向划分
根据正常使用荷载情况下的弯矩图,进行构件横向划分如图1所示。在图1所示的构件横向划分情况下(图中的a、b、c、d位置为构件划分位置),每个构件的纵向每延米质量如表1所列。
顶板
13.1
c-d
中墙
直墙拱形
2.25
2.1
a-c
1.53.129
c-d
中墙
2.25
3.6
a-c
3.129
c-d
曲墙拱形
2.25
3.053
3.976
中墙
1.2.3 构件纵向划分
90
铁 道 学 报第26卷
在构件纵向划分时,当然是接头数越少越好,即构
件纵向长度越长越好,但是,由于受到起重设备的,构件纵向长度一般不宜太长,考虑到起重设备的投资,构件质量一般控制在10×103kg～15×103kg左右为宜,因此,各构件的纵向长度如表2所列。
表2 构件纵向长度
结构形式矩形
3块2块
2 接头对预制结构受力的影响
接头对预制结构受力的影响主要包括两方面,即
不同接头位置对结构受力的影响和不同的接头刚度对结构受力的影响。2.1 接头位置对结构受力的影响
3种结构形式的典型接头位置对结构受力的影响列于表3和表4。
由表3和表4对比可以看出:
(1)对于矩形结构,当接头位置设在最小弯矩处,接头对最大弯矩的绝对值几乎没有影响。当接头设于较大弯矩(角隅)处,会减小角隅处的最大负弯矩,而增加跨中的正弯矩,但最大和最小弯矩的绝对值之和呈减小趋势。
纵向长度/m
中墙
4
边墙
4
a-b
b-c
顶板
1
c-d
中墙
直墙拱形
4
4
a-c
44
c-d
中墙
4
4
a-c
4
c-d
曲墙拱形
3
3
3
中墙
表3 各种结构形式整体情况的最大最小弯矩
结构型式
max
min-462.4-22.42-5max+258.1+450.0+362.1min-496.9-193.1-67.17
顶板或拱部弯矩/(kN・m)边墙弯矩/(kN・m)
中墙弯矩/
(kN・m)000
底板弯矩/(kN・m)
max+192.3+450.0+362.1
min-496.9-225.7-250
矩形直墙拱曲墙拱
+209.4+145.5+68.18
注:表中“+”表示最大正弯矩“,-”表示最大负弯矩(下同)。
表4 各种结构形式典型接头位置对弯矩的影响
结构形式接头位置
max
min-4.2-393.3-24-22-22
max+257.9+345.3+446+447+362
min-495.5-460.3-196-194-67
max+3.125+5.220+29+28+30
+27+27+26min
max+192.9+198.1+446+447+362
min-495.5-460.3-223-223-250
顶板或拱部弯矩/(kN・m)边墙弯矩/(kN・m)中墙弯矩/(kN・m)底板弯矩/(kN・m)
矩形较小处角隅处
+208.7+286.8+144+145+68
直墙拱形分2块分3块
曲墙拱形分2块
(2)对于拱形结构,无论是直墙拱形或者是曲墙
拱形,只要接头位置设在最小弯矩处,接头对最大弯矩的绝对值几乎没有影响。
(3)接头位置对结构的轴力和剪力影响不大。
顶板或拱部弯矩
接头位置
接头刚度
max
/(kN・m)
min-462.4-4.2-462.4-393.3
2.2 不同的接头刚度对结构受力的影响
不同的接头刚度对结构受力的影响列于表5、表
6、表7。
表5 矩形结构接头刚度对弯矩的影响
边墙弯矩
/(kN・m)max+258.1+257.9+258.1+345.3
min-496.9-495.5-496.9-360.3
+3.802+3.125+3.802+5.220
中墙弯矩
/(kN・m)
max
底板弯矩
/(kN・m)
min-496.9-495.5-496.9-460.3
弯矩较小处I+209.4+208.7+209.4+286.8
+192.3+192.9+192.3+198.1
0.25I
角隅处I
0.25I
注:表中I为接头抗弯刚度(下同)。
第3期地下铁道明挖区间隧道结构预制技术的研究表6 直墙拱形结构接头刚度对弯矩的影响
91
接头位置接头刚度
max
2块3块2块3块
+144
I
顶板或拱部弯矩/(kN・m)
min-24-22-25-24
边墙弯矩/(kN・m)
max+446+447+442+444
min-196-194-195-192
中墙弯矩/(kN・m)
max+29+28+28+28
min+27+27+26+27
底板弯矩/(kN・m)
max+446+447+442+444
min-223-223-225-224
+145+142+143
0.25I
表7 曲墙拱形结构接头刚度对弯矩的影响
接头位置接头刚度
max
2块
I
顶板或拱部弯矩/(kN・m)
min-22-23
边墙弯矩/(kN・m)
max+362+360
min-67-68
中墙弯矩/(kN・m)
max+30+30
min+26+25
底板弯矩/(kN・m)
max+362+362
min-250-251
+68+66
0.25I
由表5、表6、表7和表3对比可以看出:
(1)无论是矩形结构或是拱形(直墙拱形、曲墙拱形)结构,当接头设于弯矩较小处,接头刚度对结构内力的影响均很小,最多不超过3%。
(2)对于矩形结构,当接头设于弯矩较大的角隅处,此时接头刚度减弱,构件的最大跨中正弯矩约增加37.0%,最大的角隅负弯矩约减少14.9%,弯矩绝对值结构的底板,由于采用现浇钢筋混凝土结构,需在底板下的基础垫层上做好外包防水层,外包防水层的做法应符合《地下铁道工程施工及验收规范》中对明挖法外包防水层的要求。4 结论通过以上研究,可以得出以下结论:
(1)构件划分:在提升设备能力为10×103kg～15×103kg的限定条件下,可以认为矩形结构的顶板纵向只能以1m分段,侧墙、中墙可以4m分段,需要的提升质量为6×103kg～13×103kg。对于直墙拱形结构分块质量的主要差别在于分2块或是3块,在分2块的情况下,每块的质量比较均匀,其纵向分块长度可以达到4m,需要的提升质量为9×103kg～15×103kg。对于曲墙拱形结构在分2块的情况下,纵向分块长度可以达到3m,需要的提升质量为7×103kg～12×103kg。
(2)接头位置对结构内力的影响:无论哪种结构,当接头位置设在最小弯矩处,接头对最大弯矩的绝对值几乎没有影响。对于矩形结构,当接头设于较大弯矩(角隅)处,会减小角隅处的最大负弯矩,而增加跨中的正弯矩,但最大和最小弯矩的绝对值之和呈减小趋势。接头位置对结构的轴力和剪力影响不大。
(3)接头刚度对结构内力的影响:无论是矩形结构或是拱形(直墙拱形、曲墙拱形)结构,当接头设于弯矩较小处,接头刚度对结构内力的影响均很小,最多不超过3%。对于矩形结构,当接头设于弯矩较大的角隅处,此时接头刚度减弱,构件的最大跨中正弯矩约增加37.0%,最大的角隅负弯矩约减少14.9%,弯矩绝对值最大值呈减小的趋势。
的最大值呈减小的趋势。3 结构防水
地下铁道明挖区间隧道结构预制技术中,防水是其关键[4],主要包括构件的自身防水、接头防水、外包防水。3.1 构件自身防水
采用防水混凝土制作构件。混凝土采用C40防水混凝土,抗渗强度≥0.8MPa。对于钢筋混凝土构件来说,制作质量、工艺和外加剂的使用对提高构件本体的抗渗性效果明显。构件制作的尺寸误差应满足设计要求。混凝土应选择经过抗渗试验的合适配合比,水泥用量。不掺入含氯化物的防水外加剂。构件在制作、吊运、堆放时应采取保护措施,防止构件碰撞损伤。所有的施工过程均应符合《地下铁道工程施工及验收规范》中对防水混凝土的要求。3.2 构件接头防水
构件接头防水可以采用构件间的弹性密封垫防水、内侧相邻构件间的嵌缝防水、构件外涂层防水等技术,必要时向接头内压注砂浆或药液防水,其中构件间的弹性密封垫防水是第一道防水线,是接头防水的重点。3.3 外包防水层
92
铁 道 学 报
Technology,1995,10(3):353—365.
第26卷
(4)结构防水:主要包括构件的自身防水、接头防
水和外包防水,在目前的技术条件下,结构防水能够达
到设计要求。
由上分析可以看出,地下铁道明挖区间隧道结构预制技术是完全可以实现的。
参考文献:
[1]YurkevichP.DevelopmentsinSegmentalConcreteLiningsfor
SubwayTunnelsinBelarus[J].TunnellingandUndergroundSpace
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南交通大学,2003.1—7.
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[5]GB5029921999,地下铁道工程施工及验收规范[S].
(责任编辑 张武美)
《高速电气化铁路接触网》简介
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(本刊编辑部)
