盾构隧道设计指导书

第三篇盾构隧道设计指导书第一章基本情况介绍我国在城市地下铁道的建设中，因埋深条件、周边环境条件等因素的限制不允许采用明挖法施工时，矿山法暗挖施工是目前应用较多的施工方法，但从已建地下铁道的工程实践上看，因其难于从根本上解决防渗漏水问题、施工工艺复杂、施工期间的安全性和工程进度难于控制等因素，在地下铁道的建设中已受到越来越多的局限。而盾构施工法以其良好的防渗漏水性、施工安全快速、对周围环境的影响极小等优点，在地下铁道的建设中已成为重要的可选施工方法之一，在许多场合已成为首选方法。尤其是随着近年国内外盾构设备技术水平的提高、盾构设备在工程成本中所占比重的下降，盾构法施工的综合工程造价已接进甚至低于矿山法暗挖施工，特别是在地层条件差、地质情况复杂、地下水位高等情况下盾构法已具明显技术经济优越性。随着我国新一轮城市基础设施大规模建设高潮的到来，地下铁道的建设呈高速增长之势，从长远来看，盾构隧道技术在包括城市地下铁道在内的基础设施建设中应用前景十分广阔。在世界各国的地下铁道等城市地下基础设施的建设中，与我国一致，即主要采用盾构法、矿山法及明挖法3大系列技术及各种辅助工法。根据日本1991年对东京、大阪等主要城市的统计，在总延长75224米的城市隧道工程中，矿山法的比例占6.1%、盾构法占60.9%、明挖法占33%。在建筑物密集和对周围环境影响限制严格的大城市中，盾构法具有明显的优势。第二章盾构断面及隧道线型设计2.1内空及断面形状自1869年Greathead发明圆形回转式盾构机以来，盾构隧道断面的主要形状为圆形。但随着技术的进步，盾构断面的形状出现了半圆形、矩形以及马蹄形等，但一般圆形断面使用得最广泛，成了盾构断面的标准形状。其主要理由如下：①一般条件下，对外压是坚固；②施工中，便于盾构机的推进和管片的制作和拼装；③即使盾构机产生偏转，也对断面利用影响不大。最近，除单圆断面外，又出现了双圆盾构隧道断面，如日本广岛54号国道系统盾构工程—世界首条双圆盾构工程、名古屋4号线隧道工程、千叶县干线管道建设工程。而我国在上海市轨道交通建设中，也修建了国内第一条杨浦线双圆盾构隧道工程。此外，随着内河及远洋航运事业的发展，在内河、海湾（海峡）通行轮船的吨位和密度越来越大，要求桥下通行的净空越来越高，跨度也越来越大，使修建桥梁的造价及难度大增。同时，受城市规划的限制，不管是修建隧道还是道路桥梁，两岸线路的衔接随着城市的发展更为困难。因此，修建水下大断面盾构隧道跨越江河及海湾（海峡）就成为主要的可选方案，在某些情况下甚至成为唯一选择。如我国目前正在规划建设中的武汉越江大断面盾构公路隧道，杭州万庆春路大断面盾构隧道、南京越江大断面盾构隧道等。这些都是随着盾构技术的进步，要求即能满足使用目的，又能保证结构安全，同时具备功能强、造价低的结果。2.2不同用途隧道的内空断面盾构隧道的内径一般取决于两个因素，即满足使用目的所必要的内空（包括维修管理上的裕度和施工误差）和施工上的安全性，而其外径则是内径加衬砌厚度（一次衬砌或一次加二次衬砌）决定的。2.2.1单线地铁尺寸的拟定地铁列车沿着固定轨道高速运行，需要在特定的空间中运行。根据车辆轮廓尺寸和性能、线路特性、设备安装及施工方法等因素竟技术经济综合比较确定的空间尺寸称为限界。为了确保运营的安全，各种建（构）筑物和设备均不能侵入限界。地铁限界包括车辆界限、设备界限、建筑界限、接触轨和接触网界限。标称隧道限界为5200mm。实际的隧道直径和轮廓，应使一个虚拟的标称直径为5200mm的以理论轴线为中心的圆盘，在任何一个垂直于业主图纸所定义的隧道理论轴线的平面内通过隧道而不碰触隧道的任何地方。以此为原则，目前国内拟定隧道管片的内径尺寸，主要有5400mm和5500mm两种单线地铁尺寸。内径5400内径5500图1单线地铁内空断面尺寸2.2.2双线地铁尺寸的拟定（1）双线单圆隧道断面尺寸①限界确定的原则车辆限界应根据车辆主要尺寸等有关参数，并考虑静态和动态情况下，所达到的横向和竖向偏移量及偏移角度，可按产生的最不利情况决定。接触轨受电的车辆主要尺寸应符合如下规定：车辆长度：车体长度19000mm，两车辆中心距离19520mm；车辆最大宽度为2800mm；车辆高度为3515mm；车辆定距为12600mm；固定轴距2300mm；地板面距轨顶的高度为1100mm；受流器安装尺寸：受流器端部距车体横向中心为1473mm；受流器中心距轨道顶部高度为140mm。②双线单圆隧道隧道限界区间直线地段各种类型隧道建筑限界，应满足各种设备安装的要求。采用盾构施工的圆形隧道，应按全线最小曲线半径计算加宽以确定隧道建筑界限。道岔的建筑限界。在直线段上应根据不同种类的道岔和车辆的有关尺寸，计算出加宽和安装设备所需的加高量，分别进行加宽和加高。竖曲线的建筑限界，在直线上应根据不同竖曲线半径及车辆有关尺寸计算的加高量进行加高。图2双线单圆隧道内空断面尺寸（2）双线地铁双圆断面尺寸①限界确定的原则车辆限界应根据车辆主要尺寸等有关参数，并考虑静态和动态情况下，所达到的横向和竖向偏移量及偏移角度，可按产生的最不利情况决定。接触轨受电的车辆主要尺寸应符合如下规定：车辆长度：车体长度19000mm，两车辆中心距离19520mm；车辆最大宽度为2800mm；车辆高度为3515mm；车辆定距为12600mm；固定轴距2300mm；地板面距轨顶的高度为1100mm；受流器安装尺寸：受流器端部距车体横向中心为1473mm；受流器中心距轨道顶部高度为140mm。②设备限界的确定设备限界应根据车辆限界、轨道状态不良引起车辆的偏移和倾斜，并计及适当的安全量等因素计算确定。具体限界尺寸见《地下铁道设计规范》（GB）。③建筑限界的确定建筑限界的确定应按下列要求确定：区间直线地段各种类型的隧道建筑限界与设备限界之间的间距，应能满足各种设备安装的要求。地段矩形和马蹄形隧道建筑限界，应按直线地段的建筑限界分别进行加宽和加高，其加宽和加高量应按下列公式计算：曲线内侧加宽：221444cossin8laEXYXR内曲线外侧加宽：22201888()cossin8LlaEXYXR外0L———车体长度（mm）1l———车辆定距（mm）a———车辆固定轴距（mm）R———圆曲线半径（mm）h———超高值（mm）s———内外轨中心距离（mm）（nX，nY）为计算加宽和加高的控制点坐标值采用盾构施工的圆形隧道，应按全线最小曲线半径确定隧道建筑限界。竖曲线地段的建筑限界，应在直线地段上根据不同竖曲线半径及车辆的有关尺寸计算的加高量进行加高，其加高量应按下列公式计算：凹形竖曲线：221118laHR凸形竖曲线：2220122()8LlaHR1R，2R分别为凹凸形竖曲线半径（mm）④隧道相关限界的确定《地下铁道设计规范》（GB）所规定的单圆隧道直线段的限界为5200m，考虑管片制造误差、施工误差以及隧道在运营阶段所产生的不均匀沉降的影响，将单圆隧道建筑限界直径定为5400或5500mm。根据《地下铁道设计规范》（GB）规定，双线地下铁道，当两线间无墙柱及其它设备时，两设备限界间应有不小于100mm的安全量。查阅规范可知最大车型设备限界宽度为1703mm，再考虑考虑管片制造误差、施工误差以及隧道在运营阶段所产生的不均匀沉降的影响，双线间的距离为：2*[1703+70（设备安装空间预计值）+50（双线最小间距）+150（管片厚度预计值）+200（考虑误差）]=4346mm，为方便施工，取为4400mm或其他。衬砌管片厚度为隧道内径的4～6%，即为216mm～324mm，为方便计算，先暂取为300mm，待以后计算完成后再最终确定。图3双线双圆隧道内空断面尺寸（3）公路双车道内空断面尺寸①隧道主体工程主要技术标准设计荷载：城—A级。隧道路面横坡：1-2%。地震烈度：7º设防。设计车速：隧道内60km/h。隧道建筑限界：按照《公路隧道设计规范》(JTJ026-90)和《城市道路设计规范》(CJJ37-90)确定，净空高5.2m。最大纵向坡度不得大于6％，而且隧道内纵坡的连续长度应满足相应规范的要求。隧道防水等级为3级。管片内径:5,400管片外径:6,000在隧道内右侧设宽2.6m、长9m的紧急停车带若干处。隧道内设横向联络通道若干处。②通行限界通行限界的确定依据《公路隧道设计规范》(JTJ026-90)和《城市道路设计规范》(CJJ37-90)进行。根据市区车型的组成情况，设两个小车道（行车道宽3.5m），或一个大车道（行车道宽3.75m）和一个小车道（行车道宽3.5m）等情况，行车道的两侧路缘带宽设为0.5m，余宽（安全带宽）设为0.25m。在行车道的右侧设一检修道,宽度设为0.5m，并加上余宽0.25m，共同组成检修道的宽度，来满足检修道的设计要求，同时在检修道内每隔100m设了0.5m宽1m长的安全通道入口。所以通行限界宽度为9m和9.25m。检修道净高2.5m，行车道净高为5.2m。如下图所示。两个小车道通行限界一个大车和一个小车道通行限界图4公路双车道通行限界（单位：cm）③设备限界盾构隧道的横断面设计除符合隧道通行限界的规定外，还要考虑通风、排水、照明、防火、监控、运营管理等附属设施所需要的空间。盾构隧道横断面顶部布置有射流风机、车道信号灯、照明灯具、火灾探测器、水喷淋器、监控摄像机、扬声器等；隧道横断面中部设有消防灭火器与紧急电话；在行车道板下设有排水沟和排水管、消防用水管、电缆槽、人行通道等。图5公路双车道内空断面尺寸（单位：cm）③建筑限界机内空断面尺寸盾构隧道的横断面设计除符合隧道通行限界、设备限界的规定外，还要满足建筑装修和调整施工误差所需要的空间。按照相应规范取建筑装修和调整施工误差确定所需要的空间尺寸。由此得出盾构隧道内空断面尺寸。如图5示，一个大车道和一个小车道情况下隧道内净空直径为10.000m。（4）公路三车道内空断面尺寸①隧道主体工程主要技术标准设计荷载：城—A级。隧道路面横坡：1-2%。地震烈度：7º设防。设计车速：隧道内100km/h。隧道建筑限界：按照《公路隧道设计规范》(JTJ026-90)和《城市道路设计规范》(CJJ37-90)确定，净空高5.2m。最大纵向坡度不得大于6％，而且隧道内纵坡的连续长度应满足相应规范的要求。隧道防水等级为3级。隧道内设横向联络通道若干处。②通行限界通行限界的确定依据《公路隧道设计规范》(JTJ026-90)和《城市道路设计规范》(CJJ37-90)进行。规范规定高速公路和一级公路隧道内应设置检修道。其它等级公路隧道，应根据隧道所在地区的行人密度、隧道长度、交通量及交通安全等因素确定人行道的设置。检修道或人行道宜双侧设置，检修道或人行道的宽度按规范规定选取；检修道或人行道的高度可按20～80cm取值，并综合考虑以下因素：检修人员步行时的安全；紧急情况时，驾乘人员拿取消防设备方便；满足其下放置电缆、给水管等的空间尺寸要求。1.5%图6公路三车道通行限界示意(单位:cm)建设规模为设计行车速度100km/h三车道隧道按以上限界的拟订原则，限界拟订如下：左侧检修道宽度取0.75m，左侧向宽度0.5m，行车道宽度3.75×3m，右侧向宽度1.0m，右侧检修道宽度取1.0m。通行限界宽度0.75+0.5+3.75+3.75+3.75+1.0+1.0=14.5m，检修道净高2.5m，通行限界净高为5.0m。如图6所示。③建筑限界机内空断面尺寸横断面设计中除通行限界和设备限界外，考虑盾构隧道施工时不可避免的建筑装修、施工误差、结构变形、隧道沉降以及测量误差等，预留10cm的富余量。拟定出如图7所示的公路三车道内空断面尺寸。管片内径为14.954m。1.5%图7公路三车道内空断面尺寸（单位：cm）2.3隧道平面、纵横断面设计根据设计目标的不同（地铁单线，地铁双线，公路双车道和三车道等情况），分别依据各自规范的主要技术标准，如地铁单线线路平面要求满足