盾構隧道管片襯砌結構——荷載結構模型課件

1、 保持圍巖穩(wěn)定，可以長期承受作用于盾保持圍巖穩(wěn)定，可以長期承受作用于盾構隧道上的全部荷載；構隧道上的全部荷載； 可以承受施工過程中的千斤頂推力及注可以承受施工過程中的千斤頂推力及注漿壓力等施工荷載；漿壓力等施工荷載； 滿足防滲要求；滿足防滲要求； 滿足環(huán)境保護要求。滿足環(huán)境保護要求?；疽螅?、盾構管片結構設計流程l隧道的使用功能；l結構運營壽命；l運營空間要求，如凈空、線路、施工精度等；l預埋件結構，如起吊件、連接預埋件等；l防水要求；l規(guī)范規(guī)定的要求等。影響管片設計的因素包括：設計條件的設定荷載的計算截面內(nèi)力的計算彎矩及軸力的單位應力的計算；剪應力的計算單位應力的校核構件的設計計算構造詳

2、圖的設計對于特殊荷載的設計繪圖管片的制作設計條件隧道的線性必要的內(nèi)空斷面土質(zhì)條件管片種類管片分塊主要荷載的計算土質(zhì)的分類（水土合算、分算）垂直土壓力的計算（采用松動土壓力否？）側(cè)向土壓力系數(shù)地基反力系數(shù)自重荷載及結構模型的選定慣用計算法修正慣用法梁-彈簧模型計算方法部分地基彈簧模型，全周地基彈簧模型管片主斷面的假定接頭的模型化對于主要荷載的主斷面的單位應力的校核容許應力與單位應力的校核對主要荷載及附加荷載作用下的構件設計計算接頭的計算（螺栓、接頭板、錨筋等）縱肋的計算底面板及橫襯板的計算注漿孔吊具接頭角度錐形襯環(huán)地震的影響地基沉降的影響鄰接施工的影響對相鄰建（構）筑物的影響并設隧道的影響急彎施

3、工的影響附加荷載的計算內(nèi)部荷載施工荷載NONOOKOK管片設計流程2、設計條件擬定（1）隧道內(nèi)空斷面形狀和尺寸我國盾構技術概況我國盾構技術概況隧隧道道內(nèi)內(nèi)徑徑工程名稱車輛限界/mm隧道內(nèi)徑/mm備注上海地鐵52005500軟土南京地鐵1號線52005500軟土南京地鐵2號線52005500軟土北京地鐵5號線52005400廣州地鐵3號線客-大區(qū)間52005400圍巖級工程名稱管片形式管片厚度/mm備注上海地鐵鋼筋混凝土350軟土南京地鐵1號線鋼筋混凝土350軟土南京地鐵2號線鋼筋混凝土350軟土北京地鐵5號線鋼筋混凝土300廣州地鐵3號線客-大區(qū)間平板型鋼筋混凝土300圍巖級管片管片的形的形式

4、與式與厚度厚度我國盾構技術概況我國盾構技術概況管管片片幅幅寬寬工程名稱分塊管片寬度/m最小曲率半徑/m南京地鐵1號線K(21.5)+2L(68)3B(67.5)1.2400南京地鐵2號線K(21.5)+2L(68)3B(67.5)1.2400北京地鐵5號線K(22.5)+2L(67.5)3B(67.5)1.2300廣州地鐵3號線客-大區(qū)間K+2L3B1.51500管管片片分分塊塊 地鐵隧道管片常用分塊數(shù)為六塊和七塊兩種在地鐵隧道管片常用分塊數(shù)為六塊和七塊兩種在國內(nèi)上海地鐵一號線、廣州地鐵一、二、三號線南京國內(nèi)上海地鐵一號線、廣州地鐵一、二、三號線南京地鐵一、二號線、成都地鐵一號線盾構區(qū)間隧道都

5、采地鐵一、二號線、成都地鐵一號線盾構區(qū)間隧道都采用用六六塊方案。塊方案。（2）管片類型l鋼筋混凝土管片l鋼管片l鑄鐵管片l復合管片（3）管片的厚度與幅寬管片厚度越大，其截面抗彎能力越強，可以節(jié)約鋼筋用量，但同時也增加了混凝土用量。管片厚度的選取應視管片接頭部位和混凝土截面的受力情況而定，根據(jù)經(jīng)驗，管片厚度一般為襯砌環(huán)外徑的4%左右，但對于大斷面隧道，尤其是當采用鋼筋混凝土管片時，約為5.5%左右。為了便于搬運和組裝以及有利與隧道曲線段的施工，希望管片寬度小一些為好；從降低每延米隧道襯砌的制造成本、減少接頭個數(shù)和提高施工速度方面考慮，則又希望幅寬大一些好。參照國內(nèi)外大斷面隧道的建設情況，幅寬多數(shù)

6、為2m。（4）管片襯砌環(huán)的分塊方式管片分塊方法總體上講有等分模式及不等分模式，等分模式下由于沒有小封頂塊，采用錯縫拼裝時管片整體剛度較為均勻，是一種理想的受力分塊方式；不等分模式一環(huán)管片一般是由幾塊A型管片（標準塊）、兩塊B型管片（鄰接塊）和一塊K型管片（封頂塊）組成。封頂塊鄰接塊（5）管片的接頭角與插入角由于K型管片插入方式分兩種，沿半徑方向插入的角度稱為接頭角（r），沿軸方向插入的角度稱為插入角（1）。如果是半徑方向插入型管片，對于其中的K型管片的接頭角度(r)依下式計算。rk/2+，上式中的是為便于K型管片的插入所需要的富裕角度，一般采用25。如果是軸方向插入型管片，其中的K型管片一般不

7、需要接頭角度(r)。但是，考慮到包括盾構機長度在內(nèi)的施工條件和管片接頭與管片環(huán)之間的干擾，還是需要設定管片的插入角度(1)。管片的插入角度多取決于施工條件，但是取1724的實例居多。(6)管片環(huán)楔形量盾構在曲線段施工和蛇行修正時，需要使用一種幅寬不等的管片環(huán),稱為楔形管片環(huán).楔形管片環(huán)中最大寬度與最小寬度之差，稱為楔形量。蛇行修正用楔形管片環(huán)的數(shù)量，會因工程區(qū)域內(nèi)所包含的緩曲線和急曲線區(qū)段的比例、有無S形曲線等的隧道線路、影響盾構操作穩(wěn)定性的周圍圍巖的情況而不同。（a）普通環(huán)；（b）單側(cè)楔形環(huán)；（c）兩側(cè)楔形環(huán)(7)管片的拼裝盾構隧道管片的拼裝方式有兩種，通縫拼裝和錯縫拼裝。通縫拼裝時，管片襯

8、砌結構的整體剛度較小，導致變形較大、內(nèi)力較小。采用錯縫拼裝時，管片襯砌結構的整體剛度較大，導致變形較小、內(nèi)力較大。對于管片的分塊設計要求比通縫拼裝條件下較高。錯縫拼裝的拼轉(zhuǎn)角度根據(jù)縱向螺栓的布置而定，可以兩環(huán)一組錯縫拼裝，也可以三環(huán)一組錯縫拼裝。 (1) (1) 在相同地層條件下，錯縫式拼裝與通縫式拼裝管片結構中的在相同地層條件下，錯縫式拼裝與通縫式拼裝管片結構中的受拉受受拉受壓區(qū)域基本相同壓區(qū)域基本相同，錯縫式拼裝盾構隧道中接頭及其周圍處的彎矩與相同條，錯縫式拼裝盾構隧道中接頭及其周圍處的彎矩與相同條件下通縫式拼裝管片相比有較大幅度的改變。錯縫式拼裝的最大彎矩較大，件下通縫式拼裝管片相比有較

9、大幅度的改變。錯縫式拼裝的最大彎矩較大，而相應的軸力卻較小，不同的拼裝方式附加內(nèi)力的大小和分布規(guī)律也有較而相應的軸力卻較小，不同的拼裝方式附加內(nèi)力的大小和分布規(guī)律也有較大的區(qū)別。這就給配筋提出了更高的要求。大的區(qū)別。這就給配筋提出了更高的要求。(2) (2) 錯縫拼裝管片彎矩絕對值的最大值較通縫拼裝管片彎矩絕對值的最錯縫拼裝管片彎矩絕對值的最大值較通縫拼裝管片彎矩絕對值的最大值大，而在此位置錯縫拼裝的軸力較通縫拼裝的軸力小，錯縫拼裝彎矩大值大，而在此位置錯縫拼裝的軸力較通縫拼裝的軸力小，錯縫拼裝彎矩絕對值最大值比通縫拼裝彎矩絕對值最大值大絕對值最大值比通縫拼裝彎矩絕對值最大值大5050左右，軸

10、力小左右，軸力小2020左右，左右，并且不同的拼裝方式又有所不同。并且不同的拼裝方式又有所不同。(3) (3) 在相同埋深、相同地質(zhì)條件下，通縫式拼裝結構的位移值要比錯縫在相同埋深、相同地質(zhì)條件下，通縫式拼裝結構的位移值要比錯縫式拼裝結構的位移值大式拼裝結構的位移值大2020左右；不同的錯縫式拼裝方案下，結構的位移左右；不同的錯縫式拼裝方案下，結構的位移值相差不大，在值相差不大，在1010以內(nèi)。以內(nèi)。方法方法特點特點標準襯砌環(huán)、左轉(zhuǎn)標準襯砌環(huán)、左轉(zhuǎn)彎襯砌環(huán)和右轉(zhuǎn)彎彎襯砌環(huán)和右轉(zhuǎn)彎襯砌環(huán)組合襯砌環(huán)組合直線地段除施工糾偏外，采用標準襯砌環(huán)；曲線地段直線地段除施工糾偏外，采用標準襯砌環(huán)；曲線地段可通

11、過標準襯砌環(huán)與左、右轉(zhuǎn)彎襯砌環(huán)組合使用，以可通過標準襯砌環(huán)與左、右轉(zhuǎn)彎襯砌環(huán)組合使用，以模擬曲線。此方法施工方便，操作簡單。模擬曲線。此方法施工方便，操作簡單。左轉(zhuǎn)彎襯砌環(huán)和右左轉(zhuǎn)彎襯砌環(huán)和右轉(zhuǎn)彎襯砌環(huán)組合轉(zhuǎn)彎襯砌環(huán)組合通過左轉(zhuǎn)彎環(huán)、右轉(zhuǎn)彎環(huán)組合來擬合線路，由于每環(huán)通過左轉(zhuǎn)彎環(huán)、右轉(zhuǎn)彎環(huán)組合來擬合線路，由于每環(huán)均為楔形，拼裝時施工操作相對麻煩一些，歐洲常采均為楔形，拼裝時施工操作相對麻煩一些，歐洲常采用，國內(nèi)暫未看到報道采用。用，國內(nèi)暫未看到報道采用。通用管片環(huán)通用管片環(huán)通過一種楔形環(huán)管片模擬線路、曲線及施工糾偏，管通過一種楔形環(huán)管片模擬線路、曲線及施工糾偏，管片拼裝時，襯砌環(huán)需扭轉(zhuǎn)多種角度，

12、封頂塊有時會位片拼裝時，襯砌環(huán)需扭轉(zhuǎn)多種角度，封頂塊有時會位于隧道下半部，工藝相對復雜，大大降小模具數(shù)量，于隧道下半部，工藝相對復雜，大大降小模具數(shù)量，降低造價。降低造價。管片環(huán)組合方法管片環(huán)組合方法dd內(nèi)外封頂塊/2/2曲線段直線段平面視圖通用管片環(huán)我國盾構技術概況我國盾構技術概況楔形襯砌環(huán)與直線襯砌環(huán)的組合楔形襯砌環(huán)與直線襯砌環(huán)的組合襯襯砌砌環(huán)環(huán)形形式式楔形襯砌環(huán)之間相互組合楔形襯砌環(huán)之間相互組合通用型管片環(huán)通用型管片環(huán)國內(nèi)目前只有在南京國內(nèi)目前只有在南京地鐵施工中使用地鐵施工中使用深圳地鐵首次采用深圳地鐵首次采用應用工程管片厚度（mm）盾構外徑（m）管片拼裝上海地鐵3506.34通縫南京

13、地鐵1號線3506.34錯縫南京地鐵2號線3506.34錯縫北京地鐵5號線3006.20錯縫廣州地鐵3號線客-大區(qū)間3006.30錯縫深圳地鐵300錯縫管片管片拼裝拼裝形式形式(8)接頭構造管片的連接處一般稱為接頭，包括接縫、螺栓及其附近（包括螺栓孔）的部位。柔性接頭由于允許在相鄰管片間產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)動和壓縮，使得整個襯砌環(huán)能隨內(nèi)力而產(chǎn)生一定變形；剛性接頭則主要通過增加螺栓數(shù)量等手段力圖在構造上使接頭剛度與構件本身相同。目前的趨勢：減薄襯砌厚度、減弱接頭剛度和增加接頭數(shù)量等措施以達到增加襯砌柔性的目的。管片接頭管片接頭環(huán)間接頭環(huán)間接頭特征特征對接方法對接方法緊固方法緊固方法對接方法對接方法緊固方法

14、緊固方法平板螺栓接平板螺栓接頭頭全面對接全面對接直螺栓直螺栓全面對接全面對接直螺栓直螺栓有榫管片有榫管片部分對接部分對接斜螺栓斜螺栓鍵式鍵式斜螺栓斜螺栓環(huán)剛度??；環(huán)剛度小；不需緊固；不需緊固；斜螺栓施工斜螺栓施工用；用；高剛性構件高剛性構件與帶銷螺栓與帶銷螺栓并用并用全面對接全面對接高剛性構件高剛性構件全面對接全面對接并用帶銷螺并用帶銷螺栓栓環(huán)剛度大；環(huán)剛度大；拼裝作業(yè)快拼裝作業(yè)快速；速；開尾銷與快開尾銷與快速接頭速接頭全面對接全面對接開尾銷開尾銷全面對接全面對接快速接頭快速接頭環(huán)剛度大；環(huán)剛度大；拼裝機械化拼裝機械化快速化快速化KL管片管片鍵式鍵式彎螺栓彎螺栓鍵式鍵式彎螺栓彎螺栓環(huán)剛度小環(huán)剛

15、度小凸凹型與銷凸凹型與銷榫榫凹形接頭凹形接頭銷子銷子鍵式鍵式銷榫銷榫環(huán)剛度小；環(huán)剛度小；拼裝快拼裝快長螺栓長螺栓全面對接全面對接長螺栓長螺栓全面對接全面對接長螺栓長螺栓環(huán)剛度大環(huán)剛度大內(nèi)表面光滑內(nèi)表面光滑管片管片全面對接；全面對接；部分對接；部分對接；鍵式鍵式水平開尾銷水平開尾銷鍵式鍵式銷榫銷榫可調(diào)環(huán)剛度；可調(diào)環(huán)剛度；拼裝機械化拼裝機械化快速化快速化國內(nèi)外管片結構設計方法國內(nèi)外管片結構設計方法國 家管片結構設計模型設計土水壓（v和h分別為垂直和水平土水壓力）入江健二（1993）ITA（1978）澳大利亞全周彈簧模型不詳v=全上覆土重h=v +靜水壓力奧地利全周彈簧模型彈性地基圓環(huán)法淺埋隧道：v

16、=全上覆土重h=v深埋隧道按泰沙基土壓力公式西 德局部彈簧模型（覆土深2d）全周彈簧模型（覆土深2d）v=全上覆土重h=v（=0.5）法 國全周彈簧模型或有限元法v=全上覆土重或泰沙基土壓力h=v（取經(jīng)驗值）中 國均質(zhì)圓環(huán)法或彈性鉸模型v=全上覆土重h=v（取經(jīng)驗值）日 本慣用設計法、梁-彈簧模型慣用設計法v=全上覆土重h=v西班牙考慮地層與結構相互作用的Buqera法不詳不計粘著力的泰沙基土壓力英 國全周彈簧模型法或Muir Wood法v=全上覆土重（+水壓）h=（1+）v/2（+水壓）美 國彈性地基圓環(huán)法v=全上覆土重h=v（=0.40.5）（+水壓） 根據(jù)對管片接頭的不同力學模型假設，可

17、將管片結構設根據(jù)對管片接頭的不同力學模型假設，可將管片結構設計方法主要分為計方法主要分為（修正）慣用法（修正）慣用法、多鉸圓環(huán)法多鉸圓環(huán)法和和梁彈簧模梁彈簧模型法型法。不同設計方法的區(qū)別主要在于對管片接頭抗彎剛度的。不同設計方法的區(qū)別主要在于對管片接頭抗彎剛度的取值差異。取值差異。 忽略接頭剛度影響，假定接頭部位具有與管片結構相同的剛度（慣用法模型）部分考慮接頭剛度影響，假定接頭部位具有與管片結構相同的剛度（修正慣用法模型）假定管片接頭抗彎剛度為零（多鉸圓環(huán)法模型）假定接頭部位具有抗彎剛度k（彈性鉸模型）考慮內(nèi)外襯砌間的相互作用（層間壓縮及剪切模型）考慮接頭剛度影響，接頭抗彎剛度k、切向抗剪剛

18、度kt和徑向抗剪剛度kn（梁-彈簧法模型）接頭演變過程接頭演變過程( (修正修正) )慣用法慣用法 梁梁- -彈簧模型法彈簧模型法 多鉸圓環(huán)法多鉸圓環(huán)法 垂直土壓力垂直土壓力水壓力水壓力結構自重結構自重上覆荷載上覆荷載地基抗力地基抗力襯砌襯砌設計設計荷載荷載分類分類主要主要荷載荷載次要次要荷載荷載特殊特殊荷載荷載內(nèi)部荷載內(nèi)部荷載施工荷載施工荷載地震的影響地震的影響平行配置隧道的影響平行配置隧道的影響鄰近施工的影響鄰近施工的影響其它其它荷載計算模式圖荷載計算模式圖K0K0K00.5(1-K0)襯砌上應力分布原位應力撓曲形狀原來形狀剛性襯砌剛性襯砌柔性襯砌柔性襯砌 襯砌結構襯砌結構力學模型力學模型

19、襯砌本襯砌本體模型體模型接頭接頭(接縫接縫)模型模型接頭接頭剛度剛度環(huán)向接頭剛度環(huán)向接頭剛度縱向接頭剛度縱向接頭剛度管片接頭抗彎剛度管片接頭抗彎剛度定 義：影響因素：結構內(nèi)力：彎矩、軸力、螺栓預緊力等結構尺寸：幅長、幅寬、厚度、接縫寬度等材料參數(shù)：管片混凝土、連接螺栓、襯墊相對位置：螺栓位置、襯墊厚度研究意義：控制著襯砌結構設計安全性和經(jīng)濟性優(yōu)化結構設計盾構隧道管片接頭產(chǎn)生單位轉(zhuǎn)角所需彎矩定義為管片接頭抗彎剛度k，綜合反映了管片接頭力學性能及承載能力盾構隧道縱向結構性能盾構隧道縱向結構性能迫 切 性 ：理論模式：研究意義：起步晚，研究理論和計算模型不完善等效彈性地基梁三維骨架模型等效剛度模型完

20、善現(xiàn)有結構計算模式優(yōu)化縱向結構設計3、荷載計算統(tǒng)計法普氏理論該理論認為：所有的巖體都不同程度的被節(jié)理、裂隙所切割，因此可以視為有粘聚力的散粒體。普氏還提出了基于概念的計算理論，從而確定。認為在具有一定粘聚力的松散介質(zhì)中開挖坑道后，其上方會形成一個拋物線形的拱形洞頂，作用在支護結構上的圍巖壓力就是自然平衡拱以內(nèi)的松動巖體的重力。Terzaghi理論該理論認為：當隧道的埋深增加到某個限值后，圍巖豎向松動壓力隨埋深的變化的幅度就趨近于零。在深埋分析中主要采用Terzaghi理論，在淺埋分析中按全部或部分地層壓力計算土層壓力的方法，并保證最小土壓等效高度不小于1.5-2倍隧道外徑。（2）荷載的分類與組

21、合將垂直土壓力看做作用于襯砌頂部的均布荷載，其大小根據(jù)隧道的覆土厚度、斷面形狀、外徑和圍巖條件決定。當覆土厚度小于隧道外徑，一般不考慮地基的拱效應。當覆土厚度大于隧道外徑時，地基產(chǎn)生拱效應的可能性比較可靠，可以考慮在設計計算時采用松弛土壓力。在砂性土中，當覆土厚度大于12D（D為管片環(huán)外徑）時多采用松弛土壓力。在粘性土中，如果由硬質(zhì)粘土（N8）構成的良好地基，當覆土厚度大于12D時多采用松弛土壓力。對于中等固結的粘土（4N8）或軟粘土（2N4），將隧道的全覆土作為土壓力考慮的實例比較常見。一般來說，當垂直土壓力采用松弛土壓力時，考慮施工時的荷載以及隧道竣工后荷載的變化，往往設定一個土壓力的下限

22、值。在排水、電力及通信隧道中一般將其作為相當于隧道外徑2倍覆土厚度的土壓力，鐵路隧道則采用隧道外徑的1.01.5倍的覆土厚度的土壓力值或采用200kN/m2。計算水平壓力有兩種方法：對于粘性土，水壓力作為土壓力的一部分考慮；對于砂性土和自立性好的硬質(zhì)粘土及固結粉土，水壓力與土壓力分開考慮；對于中間土和巖質(zhì)地層，可以將滲透系數(shù)10-410-3cm/s作為分界值。在水壓、土壓合算時，地下水位以上用天然容重，地下水位以下用飽和容重；在水壓、土壓分算時，地下水位以上用天然容重，地下水位以下用浮容重。側(cè)壓力系數(shù)的選定對設計截面力有很大影響，要充分考慮地基條件和荷載條件，同時參照類似工程進行慎重研究。外水

23、壓力主要分析處理方法：外水壓力為作用于襯砌外緣的面力（常采用）；外水壓力當作滲透體積力（較符合外水壓實際情況）。對于土質(zhì)隧道，作用在地下結構上的水壓力，按靜水壓力計算或把水作為土的一部分計入土壓力。水土分算法中，作用于襯砌結構上水壓力有徑向水壓和均布水壓兩種K地層抗力地層抗力為隧道結構產(chǎn)生變形向土體擠壓時產(chǎn)生的被動抗力，其值根據(jù)Winkler假定計算。式中，K-地層彈性抗力系數(shù)，參照日本規(guī)范，可按表1.3-89進行分類取值；-相應點的位移影響盾構隧道側(cè)向抗力的最主要因素有：土層的軟硬程度、含水量等和盾構隧道的埋置深度；土層的先期固結狀態(tài)；盾尾間隙填充物的填充質(zhì)量；盾構推進時對地層的剪切、擠壓、

24、糾偏等引起的土體的擾動；土體擾動以后，土層的主固結和次固結；土體的流變效應。全周彈簧模型的地層反力按照管片徑向及切向的變形量來評價，根據(jù)Winkler假定計算。地基彈簧模型有只受壓的部分地基彈簧模型和受拉的全周彈簧模型有兩種計算模型傳統(tǒng)常用的模型有：均使用梁結構模擬管片的殼體結構主要差別是對接頭作用的考慮。均質(zhì)圓環(huán)模型是將管片襯砌圓環(huán)視作彈性勻質(zhì)圓環(huán)進行分析，慣用法和修正慣用法均采用這種模型。不考慮接頭對整體剛度的折減和對局部彎矩的分配作用（即=1，=0）基于Winkler理論，假設地層反作用在水平方向45范圍內(nèi)在軟弱地層中計算截面內(nèi)力偏??；反之則大采用小于1的剛度有效系數(shù)來考慮環(huán)向接頭對整環(huán)剛度的影響當采用錯縫拼裝方式時，出現(xiàn)彎矩傳遞現(xiàn)象，混凝土管片產(chǎn)生附加彎矩，則管片設計的彎矩為（1+）M（M計算彎矩值），接頭設計的彎矩為（1-）M，而設計的軸力值仍為計算軸力值N；當采用通縫拼裝方式時，=0對于抗力，修正的慣用法采用局部彈簧抗力取代假設三角形分布的地層抗力。如果該模型過低評價值，則計算的襯砌環(huán)變形偏大，截面內(nèi)力偏小，應充分研