地鐵盾構(gòu)隧道畢設(shè)論文

1、石家莊地鐵一號(hào)線北宋站談固站區(qū)間隧道土層的物理力學(xué)參數(shù)表1 土層的物理力學(xué)參數(shù)地層編號(hào)巖土名稱厚度重度(kN/m3)粘聚力c（kPa)內(nèi)摩擦角雜填土1.819.119221粉質(zhì)粘土2.719.218231粉土2.419.427261黏土3.019.423302粉砂加細(xì)砂4.119.60312中粗砂5.819.9035計(jì)算原則：（1）設(shè)計(jì)服務(wù)年限100年； （2）工程結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)按一級(jí)考慮； （3）取上覆土層厚度最大的橫斷面計(jì)算； （4）滿足施工階段，正常運(yùn)營(yíng)階段和特殊情況下強(qiáng)度計(jì)算要求；（5）接縫變形在接縫防水措施所能適應(yīng)的范圍內(nèi)；（6）成型管片裂縫寬度不大于0.2mm；（7）隧道最小埋深處

2、需滿足抗浮要求；采用規(guī)范：（1）混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2002）；（2）地下工程防水技術(shù)規(guī)范（GB50108-2001）；（3）地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范（GB50299-1999）；（4）建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（GB50300-2001）；（5）地下鐵道、輕軌交通工程測(cè)量規(guī)范（GB50308-1999）；（6）盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范（GB50446-2008）；（7）混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范（GB50204-2002）。方案確定明挖法施工對(duì)城市地面交通和居民的正常生活有較大影響，易造成噪音、粉塵及廢棄泥漿等的污染，且工期較長(zhǎng)。由于本工程位處地區(qū)附近有很多居民居住，

3、地面交通復(fù)雜，故不適合選擇明挖法施工。礦山法適用于硬、軟巖層中各類地下工程，特別是對(duì)于中硬巖中。本工程要求工期較短，且地下水豐富，礦山法堵水較為繁瑣且占用較長(zhǎng)工期；隧道穿過(guò)地層為砂土和礫石層，礦山法對(duì)圍巖的破壞較嚴(yán)重。因此不選用礦山法施工。本工程設(shè)計(jì)隧道內(nèi)徑為5.5m，內(nèi)徑較大，頂管法適宜中小尺寸管道，管道頂進(jìn)困難，考慮到場(chǎng)地以及經(jīng)濟(jì)效益的影響不選用頂管法施工。區(qū)間工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜，地下水豐富，工程的工期要求較緊，附近也有大量居民走動(dòng)，地面交通復(fù)雜。采用盾構(gòu)法施工可以很好的發(fā)揮它的優(yōu)點(diǎn)，充分滿足工程的要求，最終確定本隧道區(qū)間采用盾構(gòu)法進(jìn)行施工。襯砌選型盾構(gòu)隧道襯砌用管片按材料可分為鋼筋混凝

4、土管片和鑄鐵管片、鋼管片，復(fù)合管片。鋼筋混凝土管片有一定的強(qiáng)度，加工制作比較容易，耐腐蝕，造價(jià)低，是最為常用的管片形式，但是較為笨重，在運(yùn)輸、安裝施工過(guò)程中易損壞。鑄鐵管片強(qiáng)度高，易鑄成薄壁結(jié)構(gòu)，管片質(zhì)量輕，搬運(yùn)安裝方便，管片精度高，外形準(zhǔn)確，防水性能好。但是管片金屬消耗量大，機(jī)械加工量也大，價(jià)格昂貴。由于鑄鐵管片具有脆性破壞的特性，不宜用作承受沖擊荷載的隧道襯砌結(jié)構(gòu)。鋼管片的優(yōu)點(diǎn)是重量輕，強(qiáng)度高。缺點(diǎn)是剛度小，耐修飾性差，需要進(jìn)行機(jī)械加工已滿足防水要求。成本昂貴，金屬消耗大。復(fù)合管片外殼采用鋼板制成，在殼內(nèi)設(shè)鋼筋，澆注混凝土，組成一個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)，這樣其重量比鋼筋混凝土管片輕，剛度比鋼管片大，金

5、屬消耗量比鋼管片小，缺點(diǎn)是鋼板耐腐蝕性差，加工復(fù)雜冗繁。鋼筋混凝土管片型式中，有箱型管片和平板型管片。箱型管片常用于大直徑的隧道。在等量材料的條件下，與平板型管片相比，箱型管片能做到抗彎剛度大、管片之間便于連接等。因而，可有效地降低造價(jià)。當(dāng)然，當(dāng)管片的背板厚度較小、腔格偏大時(shí)，在盾構(gòu)千斤項(xiàng)作用下混凝土將會(huì)發(fā)生剝落、壓碎等情況。平板管片是目前最常用的管片型式，常用于中小直徑的隧道，在相等厚度條件下，其抗彎剛度及強(qiáng)度均大于箱型管片。本次隧道穿過(guò)地層主要是中粗砂和礫石，地下水豐富，施工期間以及使用階段對(duì)防水的要求比較高，鑄鐵管片、鋼管片滿足防水要求，但是價(jià)格昂貴，不宜選?。粡?fù)合管片耐腐蝕性差，不適宜

6、在地下水豐富的地層使用；鋼筋混凝土管片中，箱型管片由于背板厚度較小，在施工期間容易損壞，而相同厚度的平板管片抗彎剛度和強(qiáng)度均大于箱型管片。通過(guò)比較，本區(qū)間采用平板型鋼筋混凝土管片。管片初步設(shè)計(jì)圓環(huán)的拼裝形式有通縫、錯(cuò)縫兩種。錯(cuò)縫拼裝的優(yōu)點(diǎn)在于能加強(qiáng)圓環(huán)接縫剛度，約束接縫變形，圓環(huán)近似地可按均質(zhì)剛度考慮。但當(dāng)管片制作精度不夠好時(shí)，采用錯(cuò)縫拼裝形式容易使管片在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中頂碎。通縫拼裝的優(yōu)點(diǎn)是管片拼裝簡(jiǎn)單，施工速度快。由于此工程接縫剛度要求易滿足，為使管片安裝方便快捷，施工進(jìn)度快，采用通縫拼裝的形式。根據(jù)盾構(gòu)隧道覆土深度，周圍環(huán)境，工程地質(zhì)條件，綜合北京地鐵工程成熟的設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)，本工程盾構(gòu)隧

7、道襯砌的選擇為：初步確定襯砌厚度為350mm，外徑為6200mm，環(huán)寬1200mm。參考北京盾構(gòu)法隧道的襯砌施工的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，此隧道采用單層襯砌，襯砌采用預(yù)制平板型鋼筋混凝土管片。混凝土強(qiáng)度為C55。隧道襯砌由六塊預(yù)制鋼筋混凝土管片拼裝而成，成環(huán)形式為小封頂縱向全插入式。每環(huán)管片由一塊封頂塊，兩塊鄰接塊，兩塊標(biāo)準(zhǔn)塊，一塊封底塊組成。接縫分別設(shè)置在內(nèi)力較小的8°、73°、138°處。土層情況根據(jù)工程地質(zhì)剖面圖，可得工況的土層地質(zhì)的分布情況，見(jiàn)圖1工況隧道斷面土層分布圖。圖 1隧道計(jì)算斷面土層分布圖荷載計(jì)算及組合圖 2隧道計(jì)算斷面荷載計(jì)算分布圖區(qū)間隧道外徑為6200mm

8、，內(nèi)徑為5500mm。襯砌采用預(yù)制鋼筋混凝土管片?；炷翉?qiáng)度為C55。荷載計(jì)算取b=1m的單位寬度進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)根據(jù)管片所處地層的特征及地基土的物理力學(xué)性質(zhì)，在計(jì)算水土壓力時(shí)用水土分算的方法。（一）基本使用階段的荷載計(jì)算（1）襯砌自重： （1）式中 g襯砌自重，kPa；h鋼筋混凝土容重，取為25kN/m 管片厚度，m。將已知數(shù)值帶入上式計(jì)算可得：g =250.35=8.75kN/m。（2）襯砌拱頂豎向地層壓力： （2） 式中 Pv1 襯砌拱頂豎向地層壓力，kPa；i 襯砌頂部以上各個(gè)土層的容重，在地下水位以下的土層容重取其浮重度，kN/m； hi襯砌頂部以上各個(gè)土層的厚度，m。=1.819.1

9、+2.719.2+2.419.4+3.019.4+4.119.6+（4.1-3.1）19.6=290.94kPa（3）拱背土壓： （3）式中 Pv2襯砌拱背豎向地層壓力，kPa；Q拱背均布荷載，kN/m； （4）襯砌拱背覆土的加權(quán)平均容重，kN/m； RH襯砌圓環(huán)計(jì)算半徑，m。將已知數(shù)值帶入式3及式4計(jì)算可得： =kN/m =(1-3.14/4)2.92511.09=6.974kPa。（4）地面超載：由于本隧道埋深不是很深，故須考慮到地面超載的影響，取地面超載為20kPa，并將它疊加到豎向土壓上去，故總的豎向土壓力為310.94kPa。（5）側(cè)向水平均勻土壓力： =tan(45°-)

10、-2tan(45°-) （5）式中 Ph1側(cè)向水平均勻土壓力，kPa；襯砌環(huán)直徑高度內(nèi)各土層內(nèi)摩擦角加權(quán)平均值，（º）；襯砌環(huán)直徑高度內(nèi)各土層內(nèi)聚力加權(quán)平均值，kPa；其中，=34.53º =0kPa將已知數(shù)值帶入上式計(jì)算可得： kPa。（6）側(cè)向三角形水平土壓力： （6）式中 Ph2側(cè)向三角形水平土壓力，kPa；RH襯砌圓環(huán)計(jì)算半徑，m；0襯砌環(huán)直徑高度內(nèi)各土層重度的加權(quán)平均值，kN/m； kN/m將已知數(shù)值帶入式4.6計(jì)算可得： =17.71kPa。（7）襯砌拱底反力： （7）式中 PR襯砌拱底反力，kPa；Pv1襯砌拱頂豎向地層壓力，kPa； Pv2襯砌拱背

11、部荷載，kPa；g襯砌自重，kPa；w水的容重，取為10kN/m。將已知數(shù)值帶入式4.7計(jì)算可得： kP （8）地層側(cè)向彈性抗力 襯砌結(jié)構(gòu)由于外荷作用，在水平方向產(chǎn)生向外的橫向變形的同時(shí)，襯砌外圍土體也相應(yīng)會(huì)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一抵抗壓力，以阻止襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)一步變形。目前，在設(shè)計(jì)實(shí)用計(jì)算中應(yīng)用較為普遍的是溫克爾局部變形理論，土層抗力分布在水平直徑上下各45°范圍內(nèi)，在水平直徑處： （8）式中 地層基床系數(shù)（kN/m），取=20000kN/m 襯砌在水平直徑方向最終變形值（m）圓環(huán)水平直徑處受荷后最終半徑變形值為： （9）式中 圓環(huán)剛度有效系數(shù)，=0.250.8,取。 EJ襯砌截面抗彎剛度，

12、其中 E=3.55107kPa J=55.23則 =2.63m在90º位置處Pk的值為： Pk=ky(1-cos)=200002.6310-6(1-cos90º)=0.053kPa由于土體側(cè)向抗力在90º的位置處為最值，對(duì)襯砌內(nèi)力影響很小，不考慮其對(duì)襯砌變形的影響。（二）考慮特殊荷載作用采用地下建筑結(jié)構(gòu)和隧道工程中的計(jì)算工法，對(duì)基本使用階段和特殊荷載階段兩種情況下可能出現(xiàn)的最不利荷載進(jìn)行組合。取左半襯砌圓環(huán)進(jìn)行分析，將其均分為11個(gè)部分，各部分方位角分別為0º、15º、22.5º、45º、67.5º、75º

13、;、90º、112.5º、135º、157.5º、180º，其中0º表示襯砌圓環(huán)垂直直徑處，22.5º為0º處向左量取22.5º處。計(jì)算中彎矩用M（i）表示，軸力用N（i）表示，終值由結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下得到的內(nèi)力經(jīng)過(guò)疊加得到。各斷面內(nèi)力系數(shù)表如下表1。表1 斷面內(nèi)力系數(shù)表荷載截面位置截面內(nèi)力M（kN·m）N（kN）自重0上部荷載0/2/2底部反力0/2/2水壓0均布測(cè)壓0測(cè)壓0根據(jù)表1中內(nèi)力計(jì)算公式，并運(yùn)用Excel表格進(jìn)行匯總計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2：表2 管片內(nèi)力計(jì)算一覽表截面內(nèi)力自重上層荷重

14、水壓均布側(cè)壓側(cè)壓底部反力拱背荷重0°M（kN.m）N(kN)37.43-12.78454.55-55.09-6.2638.61-105.11143.73-15.9116.21-69.6851.5415.87-6.5115°MN33.63-10.63398.14-18.40-5.6238.39-91.02134.11-14.2915.65-64.5549.7814.75-5.8122.5°MN29.03-7.98330.9725.22-4.8538.13-74.32122.69-12.2914.91-58.2147.6114-5.4345°MN6.835.

15、1627.29220.92-1.1436.86071.88-2.3010.68-25.5336.445.79-2.1167.5°MN-20.9222.95-293.73422.553.4935.2774.3221.0510.444.3223.3719.72-10.6423.1775°MN-29.4629.04-374.09470.674.9234.7991.029.6314.152.3642.0513.34-14.9423.4290°MN-42.7040.19-466.72519.747.1334.03105.11018.94081.060-23.5231.921

16、12.5°MN-46.5951.32-412.66501.267.7833.8174.3221.0516.343.27134.63-15.59-23.931.98135°MN-23.3751.68-135.39406.473.9035.13071.872.3015.22126.65-66.319.9-27.19157.5°MN30.7138.74322.88249.80-5.1438.22-74.32122.69-14.4929.31-50.64-69.9416.24-18.26180°MN112.2912.80892.3955.09-18.7742.8

17、8-105.11143.73-21.9735.59-479.2548.6250.66.51本設(shè)計(jì)需考慮特殊荷載，包括人防、地震荷載等。在設(shè)計(jì)中豎向特殊荷載取基本荷載的10。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。表3 管片基本使用階段及特載引起內(nèi)力一覽表截面位置基本使用階段特殊荷載階段M（kN·m）N（kN）M（kN·m）N（kN）0°310.90175.6928.0913.9615°271.05203.0924.3616.5022.5°224.32235.1419.9319.5145°10.93379.810.1832.9467.5°-213.6

18、7549.03-19.7646.4075°-266.35583.24-24.2049.4490°-320.71625.89-28.1852.07112.5°-250.08627.10-20.4850.76135°-16.01486.87-0.9141.26157.5°225.24390.5519.8830.27180°430.18345.2331.0524.71由于本工程所采用的管片設(shè)計(jì)寬度為b=1.2m，而荷載計(jì)算是按管片寬度b=1m計(jì)算所得，所以最終荷載應(yīng)在b=1m計(jì)算基礎(chǔ)上乘以1.2的系數(shù)。將內(nèi)力組合匯總?cè)缦卤?：表4 管片內(nèi)力組合一覽表截面位置內(nèi)力組合1.2m管片內(nèi)力組合M（kN·m）N（kN）M（kN·m）N（kN）0°339.00189.65406.79227.7915°295.41219.59354.49263.5022.5°244.26254.66293.11305.5945°11.12412.7513.34495.3067.5°-233.35595.43-280.01714.5175°-290.55632.68-348.66759.2290°-348.88677.95-418.66813