第6章-盾构法隧道结构

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2013-11-08,#,第,6,章,盾构法隧道结构,衬砌形式和构造,衬砌,圆环内力计算,盾构法隧道衬砌的结构设计,隧道防水及其综合处理,算例,盾构机,矩形盾构机,盾构进洞,盾构衬砌,6.1,衬砌形式和构造,衬砌断面形式和构造,盾构隧道横断面一般由圆形、矩形、半圆形、马蹄形等，衬砌最常用的断面形式为圆形与矩形。,内部使用限界的确定,车辆限界,车辆限界是指在平、直线路上运行中的车辆，可能达到的最大运动,包迹线,。,确定车辆限界的各个控制点，要考虑车辆外轮廓横断面的尺寸以及制造上的公差，车轮和钢轨之间及在支承中的机械间隙、车体横向摆动和在弹簧上颤动倾斜等。,建筑限界,圆形隧道断面的优点与组成,建筑限界是决定隧道内轮廓尺寸的依据，是在车辆限界以外一个形状类似的轮廓。,由车辆限界外增加适量安全间隙来求得，一般为,150200mm,。,受力性能合理,易于盾构推进,便于管片的制作、拼装,衬砌的类型,按材料及形式分类,装配式钢筋混凝土管片,箱型管片,用于较大直径的隧道。,平板形管片,用于较小直径的隧道,铸铁管片,国外在饱和含水不稳定地层中修建隧道时多采用铸铁管片。,不宜用做承受冲击荷载的隧道衬砌结构。,钢管片,重量轻，强度高，但刚度小，耐锈蚀性差，需进行机械加工以满足防水要求，金属消耗量大，成本昂贵。,复合管片,外壳采用钢板制成，在钢壳内浇筑钢筋混凝土。重量轻；刚度大，金属消耗量小；耐蚀性差，加工复杂。,装配式钢筋混凝土管片,环宽,一般在,3002000mm,之间，常用的是,750900mm,。,环宽过小导致接缝数量的增加进而加大隧道防水的困难。,环宽过大会使盾尾长度增长而影响盾构的灵敏度。,隧道外径（,m,）,D,外,3,3D,外,6,锥度（,mm,）,1530,2040,3050,隧道外径与管片环宽锥度的经验值,厚度,直径为,6.0m,以下的隧道，管片厚度约为,250350mm,直径为,6.0m,以上的隧道，管片厚度约为,350600mm,。,装配式钢筋混凝土管片,分块,单线地下铁道衬砌一,般分成,68,块，双线的,分为,810,块，小断面,分为,46,块。,拼装形式,圆环的拼装形式：,通缝、错缝,。,错缝拼装,，加强圆环接缝刚度，约束接缝变形。,管片接头类型,从,力学性质看可分为：柔性接头、刚性接头,管片间的接头分两类：纵向接头、环向,接头,利用螺栓将接头板紧固起来，将管片环组装起来的抗拉连接结构。,弯螺栓连接形式,直螺栓连接形式,螺栓接头,直螺栓,受力性能好,、效果显著、加工简单、但扩大了螺栓手孔尺寸，影响了管片承受盾构千斤顶顶力的承载能力。,弯螺栓能较少的影响管片的纵向承受能力，但其对抵抗圆环横向内力的结构效能差，且加工麻烦。,铰接头,作为多铰环的环向接头，一般为转向接头结构。几乎不产生弯曲，轴向压力占主导地位，在良好地基条件下是一种合理的结构。,销插入型接头接头,也可做环向接头来使用，但主要作为纵向接头使用。,在结构上的作用是加强了构件的链接，防止接头两边相对错动，承担接头上的剪力。,楔形接头,环向和纵向接头都可使用的结构，利用楔作用将管片拉合紧固的接头。,榫接头,主要作为纵向接头使用的结构。接头部分设有凹凸，通过凹凸部位的啮合作用进行的力传递。,6,.2,衬砌圆环内力计算,荷载计算,荷载的类型,荷载的计算,结构内力计算,均匀圆环法计算,日本惯用修正法修正,荷载的类型,基本荷载,地层压力,水压力,自重,上覆荷载的影响,地基抗力,附加荷载,内部荷载,施工荷载,地震的影响,特殊荷载,平行配置隧道的影响,接近施工的影响,其他,基本荷载,是设计时必须考虑的荷载。,附加荷载,是施工中或竣工后作用的荷载，根据隧道的使用目的，施工条件以及周围环境进行考虑的荷载。,特殊荷载,是根据围岩条件、隧道的使用条件所必须特殊考虑的荷载。,荷载分类,基本使用阶段,荷载简图,1,自重,一般采用：,2,拱背土压,3,竖向土压,软粘土中按 计算较为合适。,在,砂土等抗剪强度较大的地层,内，且,隧道埋深超过隧道衬砌的外径时，按“,松动高度,”理论进行进算。,5,侧向均匀主动土压,4,地面超载,一般取,6,侧向三角形主动土压,8,拱底反力压,7,侧向土壤抗力,一般取,地层基床系数值,土的种类,k,（,kN/m,）,土的种类,k,（,kN/m,）,固结密实黏性土,极坚实砂质土,3000050000,中等黏性土,松散砂质土,软弱黏性土,非常软黏性土,500010000,010000,05000,0,密实砂质土,硬黏性土,1000030000,水土分算时不用考虑,9,水压力,（,1,）水土分算,按静水压力计算,按水平与垂直,水压力计算,9,水压力,（,2,）水土合算,采用水土合算法，计算其他荷载时，地下水位以下的土体的重度应采用,饱和重度,，,不再单独计算水压力。,施工阶段,1,千斤顶推力,盾构千斤顶施加在环缝面上，特别是千斤顶顶力存在偏心状态时，极易使管片开裂和顶碎。,衬砌环受力,2,壁后注浆压力,在向盾尾管片与围岩间隙注浆时，注浆压力在管片注浆孔周边将形成一个临时作用的偏心荷载，在此荷载作用下容易使管片发生变形甚至破坏。,施工时的注浆压力一般为,0.1,0.3MPa,。,施工阶段,3,管片拼装,管片制作精度不高，环面接触不平，在拧紧螺栓时，使管片局部出现应力集中，导致管片开裂和存在局部内应力。,4,其他施工荷载,后配套拖车自重的影响、整圆器等推进油缸荷载、刀盘旋转力的影响、盾构形式及开挖面的各种设备等，有时渣车及管片运输车的荷载也会对管片产生影响。,衬砌内力计算方法,按自由变形均质圆环计算内力,荷载分布图,按日本修正惯用法进行修正,计算简图,将圆环近似地认为是均质刚性,圆环,为,二次超静定结构,。,力法方程,：,按自由变形均质圆环计算内力,衬砌内力计算方法,弯矩以衬砌环内侧受拉为正，外侧受拉为负；轴力以衬砌环受压为正，受拉为负。,将各个荷载分别作用力法的基本结构上，求出 ，带入力法典型方程，求出 。可以得到这种荷载作用下,的 在基本结构上的分布。,将各个荷载的 进行,叠加,，获得总的内力分布图。各个荷载的内力分布见下表。,荷重,截面位置,内力,P,M,（,）,N,（,）,自重,G,上荷重,q,底部反力,P,R,水压,均布荷载,P,1,侧压,P,2,断面内力系数表,内力,M,N,Q,P,K,引起的圆环内力表,将由,P,K,引起的圆环内力和其他衬砌外荷引起的圆环,内力叠加,，得到最终的圆环内力。,日本修正惯用法修正,考虑接头的影响主要通过假定弯矩传递的比例来实现。,错缝拼装弯矩传递及分配示意图,将衬砌环按均质圆环计算，取圆环抗弯刚度为 。,接头处内力：,管片：,若管片内无接头，,课堂练习题,某地铁隧道埋深,18.6m,，隧道两侧土壤介质的容重,=19kN/m,2,，内摩擦角,=,12.5,，,粘聚力,c=20 kPa,，,有地下水影响，地下水位距地面,4m,。,预采用盾构法进行设计施工。每环采用,8,块等长管片，管片厚,350mm,，宽,900mm,。隧道内径为,10m,。,采用,均匀圆环并,结合惯用修正法,计算衬砌内力,6.3,盾构法隧道衬砌的结构设计,管片断面设计：,配筋计算,裂缝验算,纵向接头设计,接缝张开验算,接头强度计算,环向接头设计,配筋计算,从内力分析结果可知，盾构隧道衬砌管片一般为,偏心受压构件,，可以按照压弯构件进行截面配筋计算。设计过程如下：,根据不同阶段，进行,最不利荷载组合,；,根据内力计算结果，选出,危险截面,进行配筋计算；,针对每个管片，按照钢筋混凝土偏心受压构件的配筋计算方法及,混凝土结构设计规范,GB 50010-2002,进行管片的配筋计算。,管片断面设计,严格要求,不出现,裂缝：,一般要求不出现,裂缝：,允许,出现,裂缝,：,盾构构件处于地下水的环境中，不允许出现裂缝，一般采用一,或,二级验,算标准,。 为混凝土轴心受拉强度标准值,， 扣除,全部预应力损失后抗裂验算边缘的混凝土的预压,应力。,裂缝验算,根据,混凝土结构设计规范,规定了三种级别的裂缝验算标准：,纵向接缝中环向螺栓位置,a,的设置如图。,在设有双排螺栓时，内外排螺栓孔的位置离管片内外侧部小于,100mm,，而当仅设有单排螺栓时，则螺栓孔位置大致为管片厚度的,1/3,处。,纵向接缝计算,纵向接缝计算,在基本使用荷载阶段需分别进行接缝变形及接缝强度计算。在基本使用荷载和特殊荷载组合阶段需进行接缝强度计算。,接缝,张开破坏,接头的受力,状态图,管片外侧不会张开,螺栓,受拉,破坏。螺栓,先达到屈服,，,截面的受压区逐渐减少,，,导致受压区混凝土压坏,，,属,大偏心,受压,破坏,混凝土,受压破坏,。,接头的破坏是由于受压区混凝土达到,抗压强度，,属,小偏心,受压,破坏,判断大小偏心，确定破坏形式,纵向接缝强度计算简图,计算中和轴：,其中：,在基本使用荷载阶段要满足不小于,1.55,的要求,。,2.,计算安全系数,环向接头,设计,环,向接头承受的主要荷载包括：,隧道,的差异,沉降,相邻环施加,的剪应力,隧道轴线方向的不均匀伸长或压缩造成对接头的拉,/,压应力,环,由于荷载不易确定，计算复杂，环向接头采用与纵向接头连接螺栓同等性能的螺栓，有时取直径略小一些、强度等级低一点的,螺栓,6.4,隧道防水,及其综合处理,需从管片生产工艺、衬砌结构设计、接缝防水材料等几个方面进行综合处理，其中以接缝防水材料的选择为突出的关键技术。,衬砌的抗渗,合理提出衬砌本身的抗渗指标,控制水灰比，一般不大于,0.4,，另加塑化剂以增加混凝土的和易性,衬砌构件的最小混凝土厚度和钢筋保护层,管片生产工艺：振捣方式和养护条件的选择,严格的产品质量检验制度,减少管片在堆放、运输和拼装过程中的损坏率。,管片制作精度,管片制作精度不够而引起隧道漏水，使得钢筋混凝土管片在含水地层中应用和发展受限。,以合成橡胶为基材的齿槽形管片定型密封垫防水效果好。,接缝防水的基本技术要求,保持永久的弹性状态和具有足够的承压能力，使之适应隧道长期处于“蠕动”状态而产生的接缝张开和错动。,具有令人满意的弹性期龄和工作效能。,与混凝土构件具有一定的粘结力。,能适应地下水的侵蚀。,二次衬砌,其他,在外层装配式衬砌已趋基本稳定的情况下，进行二次内衬浇捣。内衬混凝土层的厚度不得小于,150mm,，一般采用混凝土泵再加钢模台车配合分段进行，每段大致,810m,。,隧道外围的压浆以及地层注浆等附加措施也可采用。,算例,设计,一地铁隧道，该隧道采用单层装配式板形钢筋混凝土管片，隧道内径,5.4m,，隧道外径,6.0m,，管片厚度,300mm,，幅宽,1000mm,管片分为,8,块。选用,HRB335,钢筋，混凝土为,C50,，接缝采用型号为,M36,的螺栓进行连接。该断面的顶板埋深为,18m,，地下水位,5m,。,地层,埋深示意图,荷载计算,垂直荷载,均布侧载,三角形侧载,自重,因为 ，取,拱,底反力,侧向,土壤抗力,水压力,按水平和竖向水压力进行计算,带入计算表计算时，各水压力分别带入,竖向荷载，拱底反力，均匀侧向土压力和三角形侧向土压力,的公式进行计算,。,内力计算,垂首先采用均匀圆环法进行内力计算，然后在用日本修正惯用法进行修正,。,将内力计算的结果带入,断面内力系,数表。计算结果如下：,M,、,N,表,M,、,N,表,内力计算,用日本,日本惯用修正法修正,取,。,如图，分别对,0,，,22.5,，,45,，,67.5,，,90,，,112.5,，,135,，,157.5,，,180,处的内力进行修正。,设,以此类推，对余下的角度进行修正。结果,见,下,表,：,在,0,处,在,22.5,处,修正后的,M,、,N,表,修正后的,M,、,N,表,90.00,19.11,785.34,95.00,35.59,802.24,100.00,42.31,818.14,105.00,47.73,832.60,110.00,44.17,849.64,112.50,36.78,864.03,120.00,22.48,880.06,125.00,37.25,880.08,130.00,49.86,879.38,135.00,41.48,878.58,140.00,64.43,878.28,145.00,41.48,879.01,150.00,46.61,885.22,157.50,20.85,895.30,160.00,-5.24,902.29,165.00,-48.51,916.47,170.00,-87.67,929.31,175.00,-135.84,945.21,180.00,-129.60,961.59,从衬砌分块图中可以看出，所有衬砌管片都是统一尺寸，为简化管片加工和拼装过程，采用相同配筋。对,内力计算表中的所有荷载组合进行配筋计算,，,选出最大配筋面积,作为实际配筋面积。配筋计算方法见,混凝土结构设计规范,，计算结果如下：,配筋计算,从上表中可以看出算得的配筋面积都不满足最小配筋要求，,按构造要求,，受压侧和受拉侧都选用,814,，钢筋配置见下图。,配筋计算,由配筋计算结果可知，,130,处,受拉钢筋面积最大,，故取,130,截面,进行验算。未采用,预应力钢筋，,故,为,截面,面积，,C50,混凝土抗拉强度,满足,规范要求,。,裂缝验算,纵向,接缝验算,接缝张开度验算,螺栓在管片内侧，,外侧,接缝更易张开。整个衬砌环的轴力都为,压力,，,如果压力大于弯矩在受拉翼缘处产生的力，全截面受压，接缝不会张开。,外侧受拉时弯矩为,负,。根据内力计算结果可知，只有,45,和,180,处的弯矩为,负,为危险接缝。分别对其进行验算。,接缝不会张开。,45,处,纵向,接缝验算,接缝张开度验算,接缝不会张开。,180,处,接缝强度,验算,接缝采用型号为,M36,的螺栓进行连接，配置如下图。,纵向,接缝验算,在上面的接缝张开度验算中，,45,和,180,处,全截面受压,，再对,0,，,90,和,135,处接缝进行验算。,全截面受压。,0,处,全截面受压。,90,处,全截面受压。,135,处,由以上计算结果可知，,所有,接缝处都为,全截面受压,，螺栓不会受到,拉力,。故可按,构造配置螺栓。,