第6章 盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)

1、第第6 6章章 盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)u襯砌形式和構(gòu)造u襯砌圓環(huán)內(nèi)力計(jì)算u盾構(gòu)法隧道襯砌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)u隧道防水及其綜合處理u算例盾構(gòu)機(jī)矩形盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)進(jìn)洞盾構(gòu)襯砌6.1 襯砌形式和構(gòu)造襯砌形式和構(gòu)造l襯砌斷面形式和構(gòu)造襯砌斷面形式和構(gòu)造盾構(gòu)隧道橫斷面一般由圓形、矩形、半圓形、馬蹄形等，襯砌最常用的斷面形式為圓形與矩形。p內(nèi)部使用限界的確定a.a. 車輛限界車輛限界車輛限界是指在平、直線路上運(yùn)行中的車輛，可能達(dá)到的最大運(yùn)動包跡線。確定車輛限界的各個(gè)控制點(diǎn)，要考慮車輛外輪廓橫斷面的尺寸以及制造上的公差，車輪和鋼軌之間及在支承中的機(jī)械間隙、車體橫向擺動和在彈簧上顫動傾斜等。b.b. 建筑限界建筑限

2、界p圓形隧道斷面的優(yōu)點(diǎn)與組成建筑限界是決定隧道內(nèi)輪廓尺寸的依據(jù)，是在車輛限界以外一個(gè)形狀類似的輪廓。由車輛限界外增加適量安全間隙來求得，一般為150200mm。受力性能合理易于盾構(gòu)推進(jìn)便于管片的制作、拼裝l襯砌的類型襯砌的類型p按材料及形式分類a. 裝配式鋼筋混凝土管片箱型管片箱型管片用于較大直徑的隧道。平板形管片平板形管片用于較小直徑的隧道b.b. 鑄鐵管片鑄鐵管片國外在飽和含水不穩(wěn)定地層中修建隧道時(shí)多采用鑄鐵管片。不宜用做承受沖擊荷載的隧道襯砌結(jié)構(gòu)。c.c. 鋼管片鋼管片重量輕，強(qiáng)度高，但剛度小，耐銹蝕性差，需進(jìn)行機(jī)械加工以滿足防水要求，金屬消耗量大，成本昂貴。d.d. 復(fù)合管片復(fù)合管片外

3、殼采用鋼板制成，在鋼殼內(nèi)澆筑鋼筋混凝土。重量輕；剛度大，金屬消耗量小；耐蝕性差，加工復(fù)雜。l裝配式鋼筋混凝土管片裝配式鋼筋混凝土管片p環(huán)寬一般在3002000mm之間，常用的是750900mm。環(huán)寬過小導(dǎo)致接縫數(shù)量的增加進(jìn)而加大隧道防水的困難。環(huán)寬過大會使盾尾長度增長而影響盾構(gòu)的靈敏度。隧道外徑（m）D外33D外6錐度（mm）153020403050隧道外徑與管片環(huán)寬錐度的經(jīng)驗(yàn)值p厚度直徑為6.0m以下的隧道，管片厚度約為250350mm直徑為6.0m以上的隧道，管片厚度約為350600mm。l裝配式鋼筋混凝土管片裝配式鋼筋混凝土管片p分塊單線地下鐵道襯砌一般分成68塊，雙線的分為810塊，小

4、斷面分為46塊。p拼裝形式圓環(huán)的拼裝形式：通縫、錯縫。錯縫拼裝，加強(qiáng)圓環(huán)接縫剛度，約束接縫變形。l管片接頭類型管片接頭類型從力學(xué)性質(zhì)看可分為：柔性接頭、剛性接頭管片間的接頭分兩類：縱向接頭、環(huán)向接頭利用螺栓將接頭板緊固起來，將管片環(huán)組裝起來的抗拉連接結(jié)構(gòu)。彎螺栓連接形式直螺栓連接形式p螺栓接頭直螺栓受力性能好、效果顯著、加工簡單、但擴(kuò)大了螺栓手孔尺寸，影響了管片承受盾構(gòu)千斤頂頂力的承載能力。彎螺栓能較少的影響管片的縱向承受能力，但其對抵抗圓環(huán)橫向內(nèi)力的結(jié)構(gòu)效能差，且加工麻煩。p鉸接頭作為多鉸環(huán)的環(huán)向接頭，一般為轉(zhuǎn)向接頭結(jié)構(gòu)。幾乎不產(chǎn)生彎曲，軸向壓力占主導(dǎo)地位，在良好地基條件下是一種合理的結(jié)構(gòu)。

5、p銷插入型接頭接頭也可做環(huán)向接頭來使用，但主要作為縱向接頭使用。在結(jié)構(gòu)上的作用是加強(qiáng)了構(gòu)件的鏈接，防止接頭兩邊相對錯動，承擔(dān)接頭上的剪力。p楔形接頭環(huán)向和縱向接頭都可使用的結(jié)構(gòu)，利用楔作用將管片拉合緊固的接頭。p榫接頭主要作為縱向接頭使用的結(jié)構(gòu)。接頭部分設(shè)有凹凸，通過凹凸部位的嚙合作用進(jìn)行的力傳遞。 傳送帶 軸向接頭面 .榫接部 接頭螺栓孔 榫接部 分配帶 分配帶 開挖面端 塑料預(yù)埋栓 接頭螺栓 周向接頭面 .塑料預(yù)埋栓 接頭螺栓 隧道口端 6.2 襯砌圓環(huán)內(nèi)力計(jì)算襯砌圓環(huán)內(nèi)力計(jì)算p荷載計(jì)算荷載的類型荷載的計(jì)算p結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算均勻圓環(huán)法計(jì)算日本慣用修正法修正l荷載的類型荷載的類型基本荷載1. 地

6、層壓力2. 水壓力3. 自重4. 上覆荷載的影響5. 地基抗力附加荷載1. 內(nèi)部荷載2. 施工荷載3. 地震的影響特殊荷載1. 平行配置隧道的影響2. 接近施工的影響3. 其他基本荷載是設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的荷載。附加荷載是施工中或竣工后作用的荷載，根據(jù)隧道的使用目的，施工條件以及周圍環(huán)境進(jìn)行考慮的荷載。特殊荷載是根據(jù)圍巖條件、隧道的使用條件所必須特殊考慮的荷載。荷載分類p基本使用階段荷載簡圖1 1 自重自重 hg3/25mkNh 一般采用：2 2 拱背土壓拱背土壓 2243. 0412HHRRG tanexptanexp1tan/0000BhqBhBcBp3 3 豎向土壓豎向土壓軟粘土中按 計(jì)算較

7、為合適。h niiihq1 1cos( /4/2)sin( /4/2)tan( /4/2)tan( /4/2)HBR 在砂土等抗剪強(qiáng)度較大的地層內(nèi)，且隧道埋深超過隧道襯砌的外徑時(shí)，按“松動高度”理論進(jìn)行進(jìn)算。5 5 側(cè)向均勻主動土壓側(cè)向均勻主動土壓245tan2245tan1 cqp4 4 地面超載地面超載一般取2/20mkN6 6 側(cè)向三角形主動土壓側(cè)向三角形主動土壓245tan222 HRp8 8 拱底反力壓拱底反力壓wHHRRRgqP 22146. 04421045. 0242HHkREIRqppqy7 7 側(cè)向土壤抗力側(cè)向土壤抗力)/(2mkNykpk8 . 025. 0 一般取地層基

8、床系數(shù)值土的種類k（kN/m）土的種類k（kN/m）固結(jié)密實(shí)黏性土極堅(jiān)實(shí)砂質(zhì)土3000050000中等黏性土松散砂質(zhì)土軟弱黏性土非常軟黏性土500010000010000050000密實(shí)砂質(zhì)土硬黏性土1000030000水土分算時(shí)不用考慮9 9 水壓力水壓力（1 1）水土分算）水土分算2(1 cos )wHpR1wwwpD按靜水壓力計(jì)算按靜水壓力計(jì)算按水平與垂直按水平與垂直 水壓力計(jì)算水壓力計(jì)算9 9 水壓力水壓力（2 2）水土合算）水土合算采用水土合算法，計(jì)算其他荷載時(shí)，地下水采用水土合算法，計(jì)算其他荷載時(shí)，地下水位以下的土體的重度應(yīng)采用位以下的土體的重度應(yīng)采用飽和重度飽和重度，不再不再單獨(dú)

9、計(jì)算水壓力。單獨(dú)計(jì)算水壓力。p施工階段1 1千斤頂推力千斤頂推力盾構(gòu)千斤頂施加在環(huán)縫面上，特別是千斤頂頂力存在偏心狀態(tài)時(shí)，極易使管片開裂和頂碎。襯砌環(huán)受力 KFP/ 2 2 壁后注漿壓力壁后注漿壓力在向盾尾管片與圍巖間隙注漿時(shí)，注漿壓力在管片注漿孔周邊將形成一個(gè)臨時(shí)作用的偏心荷載，在此荷載作用下容易使管片發(fā)生變形甚至破壞。施工時(shí)的注漿壓力一般為0.10.3MPa。p施工階段3 3 管片拼裝管片拼裝管片制作精度不高，環(huán)面接觸不平，在擰緊螺栓時(shí)，使管片局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致管片開裂和存在局部內(nèi)應(yīng)力。4 4 其他施工荷載其他施工荷載后配套拖車自重的影響、整圓器等推進(jìn)油缸荷載、刀盤旋轉(zhuǎn)力的影響、盾構(gòu)形

10、式及開挖面的各種設(shè)備等，有時(shí)渣車及管片運(yùn)輸車的荷載也會對管片產(chǎn)生影響。l襯砌內(nèi)力計(jì)算方法襯砌內(nèi)力計(jì)算方法p按自由變形均質(zhì)圓環(huán)計(jì)算內(nèi)力荷載分布圖p按日本修正慣用法進(jìn)行修正計(jì)算簡圖將圓環(huán)近似地認(rèn)為是均質(zhì)剛性圓環(huán),為二次超靜定結(jié)構(gòu)。Pe2Pe1PkX1P=1gqe12XX21XfP11121210PXX12122220PXX力法方程力法方程：p按自由變形均質(zhì)圓環(huán)計(jì)算內(nèi)力l襯砌內(nèi)力計(jì)算方法襯砌內(nèi)力計(jì)算方法 彎矩以襯砌環(huán)內(nèi)側(cè)受拉為正，外側(cè)受拉為負(fù)；軸力以襯砌環(huán)受壓為正，受拉為負(fù)。 將各個(gè)荷載分別作用力法的基本結(jié)構(gòu)上，求出 ，帶入力法典型方程，求出 ?？梢缘玫竭@種荷載作用下的 在基本結(jié)構(gòu)上的分布。1112

11、2212,PP12,XX,M N 將各個(gè)荷載的 進(jìn)行疊加，獲得總的內(nèi)力分布圖。各個(gè)荷載的內(nèi)力分布見下表。 ,M N荷重截面位置內(nèi)力PM（）N（）自重G上荷重q底部反力PR水壓均布荷載P1側(cè)壓P2 cos5 . 0sinHgR cos106. 0sin2HqR cos106. 0sinHqR斷面內(nèi)力系數(shù)表 cos106. 0HRRP cos10. 0sinsin2HRRPHRRH sin52. 0cos25. 012 cos1HRP)cos25. 0cos5 . 0063. 0(cos22 HRP 020 220 2 0 0 0agRHsincos5 . 012 22sin5 . 0cos106

12、. 0193. 0HqR sincos106. 0693. 02HqR cos106. 0057. 02HRPR)sin5 . 0cos106. 0sin443. 0(22 HRPR sin52. 0cos25. 05 . 02HR 221cos5 . 025. 0HRP)125. 0cos063. 0cos083. 0sin25. 0(3222 HRP內(nèi)力內(nèi)力MNQ40 24 2)cos3536. 02346. 0(HKRP HKRP cos3536. 0HKRP sin3536. 0232)cos2357. 0cos5 . 03487. 0(HRPK HKRP)cossin707. 0co

13、scos707. 0(22 HKRP)cossin707. 0cos(sin2 PK引起的圓環(huán)內(nèi)力表將由PK引起的圓環(huán)內(nèi)力和其他襯砌外荷引起的圓環(huán)內(nèi)力疊加，得到最終的圓環(huán)內(nèi)力。p日本修正慣用法修正考慮接頭的影響主要通過假定彎矩傳遞的比例來實(shí)現(xiàn)。錯縫拼裝彎矩傳遞及分配示意圖將襯砌環(huán)按均質(zhì)圓環(huán)計(jì)算，取圓環(huán)抗彎剛度為 。EI MMj)1( 接頭處內(nèi)力：NNj管片：MMs)1( NNs8 . 06 . 0 5 . 03 . 0 若管片內(nèi)無接頭，0, 1 課堂練習(xí)題某地鐵隧道埋深18.6m，隧道兩側(cè)土壤介質(zhì)的容重=19kN/m2，內(nèi)摩擦角=12.5，粘聚力c=20 kPa，有地下水影響，地下水位距地面4

14、m。預(yù)采用盾構(gòu)法進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。每環(huán)采用8塊等長管片，管片厚350mm，寬900mm。隧道內(nèi)徑為10m。 采用采用均勻圓環(huán)并均勻圓環(huán)并結(jié)合慣用修正法結(jié)合慣用修正法計(jì)算襯砌內(nèi)力計(jì)算襯砌內(nèi)力6.3盾構(gòu)法隧道襯砌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盾構(gòu)法隧道襯砌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)l管片斷面設(shè)計(jì)：A.配筋計(jì)算B.裂縫驗(yàn)算l縱向接頭設(shè)計(jì)A.接縫張開驗(yàn)算B.接頭強(qiáng)度計(jì)算l環(huán)向接頭設(shè)計(jì)A.配筋計(jì)算從內(nèi)力分析結(jié)果可知，盾構(gòu)隧道襯砌管片一般為偏心偏心受壓構(gòu)件受壓構(gòu)件，可以按照壓彎構(gòu)件進(jìn)行截面配筋計(jì)算。設(shè)計(jì)過程如下： 根據(jù)不同階段，進(jìn)行最不利荷載組合最不利荷載組合； 根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，選出危險(xiǎn)截面危險(xiǎn)截面進(jìn)行配筋計(jì)算； 針對每個(gè)管片，按照鋼筋混凝土

15、偏心受壓構(gòu)件的配筋計(jì)算方法及混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50010-2002進(jìn)行管片的配筋計(jì)算。l管片斷面設(shè)計(jì)管片斷面設(shè)計(jì)0ckpc00kkckMNWAp嚴(yán)格要求不出現(xiàn)裂縫：p一般要求不出現(xiàn)裂縫：p 允許出現(xiàn)裂縫：ckpctkfmaxlim盾構(gòu)構(gòu)件處于地下水的環(huán)境中，不允許出現(xiàn)裂縫，一般采用一或二級驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)。 為混凝土軸心受拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值， 扣除全部預(yù)應(yīng)力損失后抗裂驗(yàn)算邊緣的混凝土的預(yù)壓應(yīng)力。tkfpcB.裂縫驗(yàn)算根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定了三種級別的裂縫驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)：縱向接縫中環(huán)向螺栓位置a的設(shè)置如圖。在設(shè)有雙排螺栓時(shí)，內(nèi)外排螺栓孔的位置離管片內(nèi)外側(cè)部小于100mm，而當(dāng)僅設(shè)有單排螺栓時(shí)，則螺栓孔位置

16、大致為管片厚度的1/3處。l縱向接縫計(jì)算縱向接縫計(jì)算l縱向接縫計(jì)算縱向接縫計(jì)算在基本使用荷載階段需分別進(jìn)行接縫變形及接縫強(qiáng)度計(jì)算。在基本使用荷載和特殊荷載組合階段需進(jìn)行接縫強(qiáng)度計(jì)算。A.接縫張開破壞1cFNMFeAW接頭的受力狀態(tài)圖10c管片外側(cè)不會張開B. 螺栓螺栓受拉受拉破壞。螺栓破壞。螺栓先達(dá)到屈服先達(dá)到屈服，截面的受壓區(qū)逐漸減少截面的受壓區(qū)逐漸減少，導(dǎo)致受壓區(qū)混凝土壓壞導(dǎo)致受壓區(qū)混凝土壓壞，屬屬大偏心大偏心受壓受壓破壞破壞C. 混凝土混凝土受壓破壞受壓破壞。接頭的破壞是由于受壓區(qū)混凝土達(dá)到接頭的破壞是由于受壓區(qū)混凝土達(dá)到抗抗壓強(qiáng)度，壓強(qiáng)度，屬屬小偏心小偏心受壓受壓破壞破壞1. 判斷大小

17、偏心，確定破壞形式縱向接縫強(qiáng)度計(jì)算簡圖 0NM0()02wggxR bx ehA R ewggbReRAehehx2200計(jì)算中和軸：其中：ahee2000.55,xh屬于大偏心受壓: 0WRM00.55,xh屬于小偏心受壓:222000 xhRAxheKNgge002220NexhNxhRAKgge 0gAMNeRbhKa2055. 00eKK或或在基本使用荷載階段要滿足不小于1.55的要求。2.計(jì)算安全系數(shù)l環(huán)向接頭環(huán)向接頭設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)環(huán)向接頭承受的主要荷載包括：隧道隧道的差異的差異沉降沉降相鄰環(huán)施加相鄰環(huán)施加的剪應(yīng)力的剪應(yīng)力隧道軸線方向的不均勻伸長或壓縮造成對接頭的拉隧道軸線方向的不均勻伸長

18、或壓縮造成對接頭的拉/壓應(yīng)力壓應(yīng)力環(huán)由于荷載不易確定，計(jì)算復(fù)雜，環(huán)向接頭采用與縱向接頭連接螺栓同等性能的螺栓，有時(shí)取直徑略小一些、強(qiáng)度等級低一點(diǎn)的螺栓6.4 隧道防水隧道防水及其綜合處理及其綜合處理需從管片生產(chǎn)工藝、襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、接縫防水材料等幾個(gè)方面進(jìn)行綜合處理，其中以接縫防水材料的選擇為突出的關(guān)鍵技術(shù)。l襯砌的抗?jié)B襯砌的抗?jié)Bp 合理提出襯砌本身的抗?jié)B指標(biāo)p 控制水灰比，一般不大于0.4，另加塑化劑以增加混凝土的和易性p 襯砌構(gòu)件的最小混凝土厚度和鋼筋保護(hù)層p 管片生產(chǎn)工藝：振搗方式和養(yǎng)護(hù)條件的選擇p 嚴(yán)格的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)制度p 減少管片在堆放、運(yùn)輸和拼裝過程中的損壞率。l管片制作精度管片制作

19、精度管片制作精度不夠而引起隧道漏水，使得鋼筋混凝土管片在含水地層中應(yīng)用和發(fā)展受限。以合成橡膠為基材的齒槽形管片定型密封墊防水效果好。l接縫防水的基本技術(shù)要求接縫防水的基本技術(shù)要求p 保持永久的彈性狀態(tài)和具有足夠的承壓能力，使之適應(yīng)隧道長期處于“蠕動”狀態(tài)而產(chǎn)生的接縫張開和錯動。p 具有令人滿意的彈性期齡和工作效能。p 與混凝土構(gòu)件具有一定的粘結(jié)力。p 能適應(yīng)地下水的侵蝕。l二次襯砌二次襯砌l其他其他在外層裝配式襯砌已趨基本穩(wěn)定的情況下，進(jìn)行二次內(nèi)襯澆搗。內(nèi)襯混凝土層的厚度不得小于150mm，一般采用混凝土泵再加鋼模臺車配合分段進(jìn)行，每段大致810m。隧道外圍的壓漿以及地層注漿等附加措施也可采用

20、。算例算例設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一地鐵隧道，該隧道采用單層裝配式板形鋼筋混凝土管片，隧一地鐵隧道，該隧道采用單層裝配式板形鋼筋混凝土管片，隧道內(nèi)徑道內(nèi)徑5.4m，隧道外徑，隧道外徑6.0m ，管片厚度，管片厚度300mm，幅寬，幅寬1000mm,管片分為管片分為8塊。選用塊。選用HRB335鋼筋，混凝土為鋼筋，混凝土為C50，接縫采用型號為，接縫采用型號為M36的螺栓進(jìn)行連接。該斷面的頂板埋深為的螺栓進(jìn)行連接。該斷面的頂板埋深為18m，地下水位，地下水位5m。地層埋深示意圖A.A. 荷載計(jì)算荷載計(jì)算垂直荷載1cos(/ 4/ 2)sin(/ 4/ 2)tan(/ 4/ 2)tan(/ 4/ 2)6mHBR均

21、布側(cè)載221(tan(45)2 tan(45)33.48kN/ m22pqc三角形側(cè)載2222(tan(45)34.07kN/ m2HpR自重27.5kN/ mngr0101tan /tan /21100(/)(1)85.02kN/ mtanK HBK HBBc Bqeq eK 2min212 10120kN/ mHqqR因?yàn)?，取2120kN/ mq 拱底反力20.2146150kN/ mRHPqgR4123427.968 10 m240.045HHqppq RyEIkR側(cè)向土壤抗力279.68kN/ mkpk y水壓力21130kN/ mwwwpD按水平和豎向水壓力進(jìn)行計(jì)算按水平和豎向水壓

22、力進(jìn)行計(jì)算2212190kN/ mwwHwppR231130kN/ mwwpp2410(1 cos180)60kN/ mwHpR帶入計(jì)算表計(jì)算時(shí)，各水壓力分別帶入帶入計(jì)算表計(jì)算時(shí)，各水壓力分別帶入豎向荷載，拱底豎向荷載，拱底反力，均勻側(cè)向土壓力和三角形側(cè)向土壓力反力，均勻側(cè)向土壓力和三角形側(cè)向土壓力的公式進(jìn)行的公式進(jìn)行計(jì)算計(jì)算。B.B. 內(nèi)力計(jì)算內(nèi)力計(jì)算垂首先采用均勻圓環(huán)法進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，然后在用日本修正慣用法進(jìn)行修正。將內(nèi)力計(jì)算的結(jié)果帶入斷面內(nèi)力系數(shù)表。計(jì)算結(jié)果如下：M、N表表M、N表表B.B. 內(nèi)力計(jì)算內(nèi)力計(jì)算用日本日本慣用修正法修正取 。如圖，分別對0，22.5，45，67.5，90，11

23、2.5，135，157.5，180處的內(nèi)力進(jìn)行修正。0.3(1)(1 0.3) 116.2481.37kN mMM 429.45kNNN 設(shè)以此類推，對余下的角度進(jìn)行修正。結(jié)果見下表：在0處(1)(1 0.5) 65.5485.20kN mMM 480.68kNNN 在22.5處修正后的修正后的M、N表表修正后的修正后的M、N表表90.0019.11785.3495.0035.59802.24100.0042.31818.14105.0047.73832.60110.0044.17849.64112.5036.78864.03120.0022.48880.06125.0037.25880.08

24、130.0049.86879.38135.0041.48878.58140.0064.43878.28145.0041.48879.01150.0046.61885.22157.5020.85895.30160.00-5.24902.29165.00-48.51916.47170.00-87.67929.31175.00-135.84945.21180.00-129.60961.59從襯砌分塊圖中可以看出，所有襯砌管片都是統(tǒng)一尺寸，為簡化管片加工和拼裝過程，采用相同配筋。對內(nèi)力計(jì)算表中的所有荷載組合進(jìn)行配筋計(jì)算，選出最大配筋面積作為實(shí)際配筋面積。配筋計(jì)算方法見混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，計(jì)算結(jié)果如下：