畢業(yè)設(shè)計(jì) 盾構(gòu)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文題目：北京地鐵六號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)英文題目: The Tunnel Structure Design of Shield Interval of BeijingMetro Line 6 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 院： 專 業(yè)： 班 級： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 完成日期： 2010 年 1 月 10 日1 工程概況北京地鐵十號(hào)線二期工程17標(biāo)盾構(gòu)井終點(diǎn)段工程分別采用礦山及明挖施工，采用明挖施工（含人防防護(hù)單元），長29.6m；部分采用礦山法施工，長約110m，終點(diǎn)25m暗挖段初支已施做，后采用盾構(gòu)法施工。由于本區(qū)間與10號(hào)線一期起點(diǎn)相接，導(dǎo)致區(qū)間工法比較復(fù)雜。根據(jù)

2、業(yè)主提供的資料，一期起點(diǎn)巴溝站區(qū)間發(fā)生過變更，變更后的區(qū)間長度比原設(shè)計(jì)縮短了50m，在原設(shè)計(jì)中此50m范圍內(nèi)區(qū)間線路為直線段，雙連拱結(jié)構(gòu)，采用暗挖中洞法施工。二期火器營站終點(diǎn)區(qū)間應(yīng)與變更后的一期區(qū)間起點(diǎn)相接，經(jīng)調(diào)查，根據(jù)一期起點(diǎn)萬柳站（巴溝站）區(qū)間的施工資料得知：此段區(qū)間變更縮短的50m中導(dǎo)洞、中隔墻施工完畢，兩側(cè)洞亦施工32.2m。若將10號(hào)線二期區(qū)間與一期起點(diǎn)相接，二期線路必須設(shè)計(jì)成半徑R=300m的曲線，經(jīng)限界專業(yè)核實(shí)，一期施工的部分結(jié)構(gòu)已不滿足二期曲線隧道限界要求，須將已施工的直線段結(jié)構(gòu)斷面擴(kuò)大，而采用礦山法擴(kuò)大既有結(jié)構(gòu)斷面，無論工程造價(jià)和施工風(fēng)險(xiǎn)都比較大，考慮到此段區(qū)間場地現(xiàn)狀為大片

3、空地，具備明挖條件，故將不滿足限界的區(qū)段采用明挖施工，在基坑內(nèi)鑿除侵限結(jié)構(gòu)后重新施做。表1.1 工程概況明細(xì)表工程項(xiàng)目尺寸圍護(hù)結(jié)構(gòu)明挖基坑29.6m×14.6m×16m（長×寬×深）1000的鉆孔灌注樁，樁心距1800；三道630，t=12鋼管支撐暗挖（馬蹄形斷面）5.1m×5.33m（寬×高）左線46.172m（長）右線44.448m（長）軌道頂面埋置深度：16.06514.507拱部120°范圍內(nèi)，超前小導(dǎo)管25300，L=1.9m（2.0m）初支內(nèi)外各一層鋼筋網(wǎng)6.5 150×150初襯：間距0.5m（0.7

4、5m）格柵鋼架，加C20濕噴混凝土(厚250mm)二襯：模筑鋼筋混凝土，C40 P8（厚300mm）。暗挖（雙連拱斷面）12700×5690（寬×高）左線41.042m（長）右線40.112m（長）軌道頂面埋置深度：14.50714.306拱部150°范圍內(nèi)，超前小導(dǎo)管25300，L=1.9m初支內(nèi)外各一層6.5鋼筋網(wǎng)150×150；初襯：間距0.5m格柵鋼架，加C20濕噴混凝土(厚300mm)；二襯：模筑鋼筋混凝土，C40 P8（厚400mm）。1.1 風(fēng)險(xiǎn)源分級1.1.1 自身風(fēng)險(xiǎn)工程序號(hào)名稱里程基本狀況描述安全級別1盾構(gòu)法區(qū)間穿越砂卵石地層右K56

5、+952.932右K57+091.121左K56+976.065左K57+116.997隧道穿越地層主要為、卵石層。二級2大斷面隧道暗挖施工右K56+997.380右K57+037.492左K57+022.237左K57+063.279總寬12.313.4m，高6.817.09m。二級3變斷面隧道暗挖施工右K56+997.380右K57+037.492左K57+022.237左K57+063.279變斷面：總寬6.213.4m，高6.57.09m。二級1.1.2 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)工程序號(hào)名稱里程基本狀況描述安全級別1盾構(gòu)法區(qū)間下穿3條電力隧道右K56+985右K57+025左K56+940左K57+0

6、50電力隧道內(nèi)凈尺寸2600×2500，區(qū)間位于電力隧道下方橫穿管線，最近距離1.7m，最不利點(diǎn)位于區(qū)間單洞標(biāo)準(zhǔn)斷面拱頂。二級2明挖區(qū)間臨近1座高壓塔高壓塔南側(cè)角點(diǎn)：左K57+090.4區(qū)間北側(cè)臨近高壓塔，高壓塔南側(cè)一角進(jìn)入明挖基坑一倍深度范圍，距基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)8.2m。二級1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件1.2.1 地質(zhì)概況根據(jù)北京地鐵十號(hào)線二期工程火器營站終點(diǎn)區(qū)間巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告，本場地除表層人工填土外，勘察深度范圍內(nèi)巖土以第四紀(jì)沉積物為主，根據(jù)鉆探資料及室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，按地層沉積年代、成因類型，將本工程場地勘探范圍內(nèi)的上層劃分為人工堆積層、新近沉積地層、第四紀(jì)全新世沖洪積層、

7、第四紀(jì)晚更新世沖洪積層4個(gè)大層，按地層巖性及其物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)步劃分為7個(gè)巖上分層，各上層的巖土工程特征描述見表1.2。表1.2 巖土性質(zhì)參數(shù)表土層代號(hào)土層名稱天然密度（g/cm3）直剪孔隙率n壓縮模量地基承載力（kPa）內(nèi)摩擦角（°）粘聚力（kpa）50100(kPa)100200(kPa)1雜填土1.6800.5粉土填土1.68100.53粉細(xì)砂2.023000.38(20)(30)200卵石2.104500.3(50)(60)3504粉質(zhì)粘土2.0312260.45.87.0220粉質(zhì)粘土1.9229160.465.46.32201細(xì)中砂2.084000.34(40)(50)40

8、0卵石2.155500.3(75)(80)6001.2.2水文地質(zhì)根據(jù)北京地鐵十號(hào)線二期工程火器營站終點(diǎn)區(qū)間巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告，本次勘察（2008年5月）根據(jù)本區(qū)間長期觀測孔及相鄰火器營車站地下水觀測情況，本區(qū)間主要分布層間水，含水層為卵石層，水位埋深為29.5 m，水位標(biāo)高為2l.8m，觀測時(shí)間為2008年5月10日，主要接受大氣降水、主要以蒸發(fā)及越流補(bǔ)給下層地下水的方式排泄?？紤]到線路沿線的管道漏水及綠化灌溉等因素，不排除局部存在上層滯水。隧道埋置較深，底部位于土層中，本次勘察在該隔水層上未發(fā)現(xiàn)地下水，但濕度較大，且在初步勘察階段(2007年9月)火器營站以南卵石圓礫層底部是含水的，為潛

9、水（二），水位標(biāo)高30.26-31.94m，水量較小，考慮到本次勘察時(shí)為枯水期，季節(jié)降水會(huì)導(dǎo)致地下水位的動(dòng)態(tài)變化，豐水期該隔水層上可能存在地下水。按類環(huán)境類型、微凍地段考慮；本場地引水渠河水對混凝土結(jié)構(gòu)無腐蝕性，在干濕交替環(huán)境及在長期浸水的環(huán)境下對鋼筋混凝土中的鋼筋均無腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性，綜合評價(jià)為弱腐蝕性；潛水對混凝土結(jié)構(gòu)無腐蝕性，在干濕交替環(huán)境下對鋼筋混凝土中的鋼筋弱腐蝕性，在長期浸水的環(huán)境下對鋼筋混凝土中的鋼筋無腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性，綜合評價(jià)為弱腐蝕性。2.盾構(gòu)法施工2.1.盾構(gòu)法概況盾構(gòu)法是暗挖隧道的專用機(jī)械在地面以下建造隧道的一種施工方法。盾構(gòu)是與隧道形狀一致的盾構(gòu)外殼

10、內(nèi)，裝備著推進(jìn)機(jī)構(gòu)、擋土機(jī)構(gòu)、出土運(yùn)輸機(jī)構(gòu)、安裝襯砌機(jī)構(gòu)等部件的隧道開挖專用機(jī)械。采用此法建造隧道，其埋設(shè)深度可以很深而不受地面建筑物和交通的限制。近年來由于盾構(gòu)法在施工技術(shù)上的不斷改進(jìn)，機(jī)械化程度越來越強(qiáng)，對地層的適應(yīng)性也越來越好。城市市區(qū)建筑公用設(shè)施密集，交通繁忙，明挖隧道施工對城市生活干擾嚴(yán)重，特別在市中心，若隧道埋深較大，地質(zhì)又復(fù)雜時(shí)，用明挖法建造隧道則很難實(shí)現(xiàn)。而盾構(gòu)法施工城市地下鐵道、上下水道、電力通訊、市政公用設(shè)施等各種隧道具有明顯優(yōu)點(diǎn)。此外，在建造水下公路和鐵路隧道或水工隧道中，盾構(gòu)法也往往以其經(jīng)濟(jì)合理而得到采用。盾構(gòu)法是一項(xiàng)綜合性的施工技術(shù)。盾構(gòu)法施工的概貌如下圖所示。構(gòu)成盾

11、構(gòu)法的主要內(nèi)容是：先在隧道某段的一端建造豎井或基坑，以供盾構(gòu)安裝就位。盾構(gòu)從豎井或基坑的墻壁預(yù)留孔處出發(fā)，在地層中沿著設(shè)計(jì)軸線，向另一豎井或基坑的設(shè)計(jì)預(yù)留孔洞推進(jìn)。盾構(gòu)推進(jìn)中所受到的地層阻力，通過盾構(gòu)千斤頂傳至盾構(gòu)尾部已拼裝的預(yù)制襯砌，再傳到豎井或基坑的后靠壁上。盾構(gòu)是一個(gè)能支承地層壓力，又能在地層中推進(jìn)的圓形、矩形、馬蹄形及其他特殊形狀的鋼筒結(jié)構(gòu)，其直徑稍大于隧道襯砌的直徑，在鋼筒的前面設(shè)置各種類型的支撐和開挖土體的裝置，在鋼筒中段周圈內(nèi)安裝頂進(jìn)所需的千斤頂，鋼筒尾部是具有一定空間的殼體，在盾尾內(nèi)可以安置數(shù)環(huán)拼成的隧道襯砌環(huán)。盾構(gòu)每推進(jìn)一環(huán)距離，就在盾尾支護(hù)下拼裝一環(huán)襯砌，并及時(shí)向盾尾后面的

12、襯砌環(huán)外周的空隙中壓注漿體，以防止隧道及地面下沉，在盾構(gòu)推進(jìn)過程中不斷從開挖面排出適量的土方。盾構(gòu)法施工概貌示意圖1盾構(gòu)； 2盾構(gòu)千斤頂； 3盾構(gòu)正面網(wǎng)格； 4一一出土轉(zhuǎn)盤； 5一出土皮帶運(yùn)輸機(jī)； 6管片拼裝機(jī)； 7管片； 8壓漿泵； 9一壓漿孔； 10出土機(jī)； 11由管片組成的隧道襯砌結(jié)構(gòu)； 12在盾尾空隙中的壓漿； 13后盾裝置； 14豎井盾構(gòu)是進(jìn)行土方開挖正面支護(hù)和隧道襯砌結(jié)構(gòu)安裝的施工機(jī)具，它還需要其它施工技術(shù)密切配合才能順利施工。主要有：地下水的降低；穩(wěn)定地層、防止隧道及地面沉陷的土壤加固措施；隧道襯砌結(jié)構(gòu)的制造；地層的開挖；隧道內(nèi)的運(yùn)輸；襯砌與地層間的充填；襯砌的防水與堵漏；開挖土

13、方的運(yùn)輸及處理方法；配合施工的測量、監(jiān)測技術(shù)；合理的施工布置等。此外，采用氣壓法施工時(shí)，還涉及到醫(yī)學(xué)上的一些問題和防護(hù)措施等。2.2盾構(gòu)機(jī)的種類及選型2.2.1盾構(gòu)種類盾構(gòu)機(jī)是盾構(gòu)法施工的主要機(jī)械，按開挖面與作業(yè)室之間隔墻構(gòu)造可分為全開敞式、半開敞式及密封式3種。 全開敞式。是指沒有隔墻和大部分開挖面呈敞露狀態(tài)的盾構(gòu)機(jī)。根據(jù)開挖方式不同，又分成手掘式、半機(jī)械式及機(jī)械式3種。這種盾構(gòu)機(jī)適用于開挖面自穩(wěn)性好的圍巖。在開挖面不能自穩(wěn)的地層施工時(shí)，需要結(jié)合使用壓氣施工法等輔助施工法，以防止開挖面坍塌。半開敞式。是指擠壓式盾構(gòu)機(jī)，這種盾構(gòu)機(jī)的特點(diǎn)是在隔墻的某處設(shè)置可調(diào)節(jié)開口面積的排土口。密封式。是指在機(jī)

14、械開挖式盾構(gòu)機(jī)內(nèi)設(shè)置隔墻，將開挖土砂送入開挖面和隔墻間的刀盤腔內(nèi)，由泥水壓力和土壓提供足以使開挖面保持穩(wěn)定的壓力。密封式盾構(gòu)機(jī)又分成泥水式盾構(gòu)機(jī)和土壓式盾構(gòu)機(jī)。2.2.2盾構(gòu)選型l 盾構(gòu)選型應(yīng)考慮的三個(gè)重要參數(shù)稠度指標(biāo)Ic、滲透系數(shù)k和容重rl 敞開式適合于穩(wěn)定地層，無地下水的地質(zhì)條件且對地表沉降的要求不高情況下(2m)l 對于土壓平衡盾構(gòu)或泥水平衡盾構(gòu)則需要考慮諸多因素的復(fù)合作用，尤其是法劍地層條件下盾構(gòu)機(jī)選型問題，需要特別值得重視l 混合地層是提：土和砂礫石的混合，土巖石混合或者巖石強(qiáng)度差別很大的隧道斷面并伴有地下水存在情況2.3.襯砌管片隧道是由預(yù)制管片逐環(huán)連接形成的，管片是在盾殼保護(hù)下

15、，并在其空間內(nèi)進(jìn)行拼裝。管片的類型主要有球墨鑄鐵管片、鋼管片、復(fù)合管片和鋼筋混凝土管片，每環(huán)有數(shù)塊組合而成。2.3.1裝配式襯砌（管片）的類型、特點(diǎn)管片型式可從結(jié)構(gòu)層數(shù)、成環(huán)形式、制作的材料、每環(huán)塊數(shù)來分為各種不同的管片型式，n 球墨鑄鐵管片球墨鑄鐵管片強(qiáng)度高、易鑄成薄壁結(jié)構(gòu)、管片重量輕、搬運(yùn)安裝方便、管片精度高外形準(zhǔn)確、防水性能好，但加工設(shè)備要求高、造價(jià)大。該管片需翻砂成型后用大型金屬切削機(jī)械加工。n 鋼管片主要用型鋼或鋼板焊接加工而成，其強(qiáng)度高，延性好，運(yùn)輸安裝方便，精度稍低于球墨鑄鐵管片，但在施工應(yīng)力作用下易變形，在地層內(nèi)也易銹蝕。n 鋼筋混凝土管片該種材料制作而成的管片有一定強(qiáng)度，加工

16、制作比較容易，耐腐蝕，造價(jià)低，是最常用的管片形式，但較笨重、在運(yùn)輸、安裝施工過程中易損壞。n 擠壓混凝土襯砌這是一類新工藝，盾尾后部設(shè)有相連接的滑模臺(tái)車，盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)混凝土泵同時(shí)向盾尾連續(xù)壓注混凝土，形成襯砌，并兼作盾構(gòu)推進(jìn)的后座。這類襯砌的施工速度比拼裝襯砌快，防水效果更好，造價(jià)也低。2.4盾構(gòu)法施工隧道優(yōu)點(diǎn)：l 不受地面建筑物和交通的限制，設(shè)計(jì)隧道走向時(shí)有較大的自由度；l 最適用在地下較深處建造隧道；l 適應(yīng)性強(qiáng)，通過選用合適的型式的盾構(gòu)，可在不同地質(zhì)及水文條件下建造隧道；l 盾構(gòu)法施工機(jī)械化程度高，涉及到的施工技術(shù)范圍廣。3盾構(gòu)法隧道的力學(xué)原理3.1荷載根據(jù)國際隧道協(xié)會(huì)（ITA）在2000

17、 年公布的盾構(gòu)法隧道襯砌設(shè)計(jì)指南，將盾構(gòu)隧道所受荷載共分為三類：1. 主要荷載必須經(jīng)?？紤]的荷載，包括豎向與水平土壓力、水壓力、自重（靜載）、超載（地面荷載）、地基反力。2. 次要荷載必要時(shí)考慮的荷載，包括內(nèi)部荷載、施工期荷載、地震效應(yīng)。對施工階段的荷載，指南中詳細(xì)規(guī)定有以下幾種：l 千斤頂推力：考慮到千斤頂壓力的偏心作用 ，應(yīng)計(jì)算由此產(chǎn)生的彎矩和剪刀；l 管片運(yùn)輸與安裝時(shí)的荷載；l 回填注漿壓力；l 管片裝配荷載；l 其它荷載，如車輛的荷載、千斤頂壓力變化，刀盤扭 盾構(gòu)受力簡圖3. 特殊荷載相鄰隧道的影響、地基沉陷的影響和其他荷載。襯砌的設(shè)計(jì)不僅應(yīng)滿足隧道投入使用后，而且必須滿足施工過程中的

18、安全性和功能的要求。從這一點(diǎn)出發(fā)，上述三類荷載須進(jìn)行最不利情況的組合。3.1.1垂直與水平土壓力1. 土壓力分布作用在襯砌上的土壓力分布是復(fù)雜的，對其進(jìn)行正確的推斷較為困難。通常情況，作用在隧道頂部的垂直土壓力假設(shè)為均布荷載；作用在隧道兩側(cè)的水平土壓力假設(shè)為分布荷載，也可作為均布荷載或五邊形分布荷載。2. 水的影響計(jì)算土壓力時(shí)，對于水的影響應(yīng)根據(jù)圍巖條件，采用以下兩種方法。一種是將土壓與水壓分開的計(jì)算方法（土水分算），另一種是將水壓作為土壓的一部分進(jìn)行計(jì)算的方法（土水合算）。一般在砂性土地層中，認(rèn)為土壓和水壓是分別作用于管片的，采用土水分離計(jì)算。而在粘性土地層中，土壓和水壓可認(rèn)為是相互間成為一

19、體作用于管片的，采用土水一體計(jì)算。3. 垂直土壓力計(jì)算地層壓力是地下結(jié)構(gòu)所承受的主要荷載。在土質(zhì)地層中，地層壓力即為土壓力。由于影響地層壓力分布、大小和性質(zhì)的因素很多，要確定它是很困難的。國際上目前存在松動(dòng)壓力理論、形變壓力理論等地層壓力理論。松動(dòng)壓力理論包括土柱理論和壓力拱理論。土柱理論比較適合于埋置較淺的隧道由于盾尾空隙或襯砌位移而引起隧道頂部上覆土柱的個(gè)沉，兩側(cè)地層對柱體產(chǎn)生與下沉反向的摩擦力，故上覆土層重量減去土柱兩側(cè)的摩擦力即為地層壓力。在較差的地層中，該摩擦刀習(xí)慣上假定為零。壓力拱理論適合于埋置較深的隧道。頂部土體失去穩(wěn)定產(chǎn)生坍塌而形成不延向地表的局部破裂區(qū)，該區(qū)內(nèi)的土體作自重即為

20、作用在隧道襯砌上的荷載。破裂區(qū)上部邊界線有拋物線、橢圓、半圓和三角形等不同的假定。由地層變形而引起的壓力稱形變壓力。形變壓力理論屬于彈塑性理能的范疇。它認(rèn)為地層中開挖圓孔后，邊界上徑向應(yīng)力消失，而切向應(yīng)力增大，此應(yīng)力差值會(huì)引起土體剪切破壞，隧道周圍出現(xiàn)塑性區(qū)，即低應(yīng)力區(qū)。塑性圓環(huán)外面則仍屬彈仕區(qū)，為高應(yīng)力區(qū)的承載環(huán)。隧道襯砌和地層間的接觸應(yīng)力即為地層壓力值。地層位移后會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的剪力，而把重力傳到更遠(yuǎn)的地層中去，這樣會(huì)減小傳給襯砌的垂直荷載。對于上述地層壓力計(jì)算理論，由于地質(zhì)組成和土體參數(shù)的不易準(zhǔn)確確定，實(shí)際應(yīng)用時(shí)仍會(huì)受到一定限制?？偟膩碚f，它們在考慮地層壓力的影響因素時(shí)還不夠全面。當(dāng)采用松動(dòng)

21、理論考慮作用于隧道上的土壓力時(shí)，如果覆土厚度小于兩倍隧道外徑，一般不考慮地基的拱效應(yīng)。當(dāng)覆土厚度大于兩倍隧道外徑時(shí)，地基產(chǎn)生拱效應(yīng)的可能性比較可靠，應(yīng)考慮使用松弛土壓力。4、水平土壓力水平土壓力為作用在襯砌兩側(cè)，并沿其斷面圓周的直徑水平作用的荷載。其分布形式主要有三種方式，但實(shí)際應(yīng)用中多采用梯形分布，它是作用在襯砌形心線上自拱頂至隧底的均勻變化荷載，大小根據(jù)垂直土壓力與側(cè)向土壓力系數(shù)來計(jì)算。側(cè)向土壓力系數(shù)直接影響到側(cè)向土壓力的大小，而側(cè)向土壓力的取值對內(nèi)力結(jié)果的影響較大。側(cè)向土壓力系數(shù)應(yīng)在靜止土壓力系數(shù)和主動(dòng)土壓力系數(shù)之間3.1.2水壓力一般情況下，作用在襯砌上的水壓力采用靜水壓力。有時(shí)為了簡

22、化計(jì)算，對于水的分步形式和大小按土壓力那樣確定。將豎向水壓力作為勻布荷載，作用在拱頂?shù)乃畨毫Φ扔谧饔迷谝r砌頂點(diǎn)的靜水壓力值，作用于底部的水壓力等于作用在襯砌最低點(diǎn)上的靜水壓力。水平方向水壓力為拱頂至隧底均勻變化的水平荷載，其值分別與拱頂和拱底處的靜水壓力相等。水壓力的計(jì)算只適用于水土分離計(jì)算的情況。一般來說，對于隧道開挖而去掉的水的重量，偏于安全的設(shè)計(jì)是將垂直水壓力的差作為浮力處理。在覆土厚度小、地下水位高以及地震時(shí)容易發(fā)生液化的地基中，當(dāng)作用于襯砌頂部的垂直荷載（除調(diào)水壓力）與襯砌自重的和小于浮力時(shí)，頂部地層會(huì)產(chǎn)生抗力，以抵抗浮力的作用，。如果上部地層難以產(chǎn)生與浮力相當(dāng)?shù)目沽r(shí)，隧道會(huì)上浮，此時(shí)可用二次襯砌或在地面加重處理。另外，采用較高的水位并不等于