盾構(gòu)襯砌結(jié)構(gòu)

1、盾構(gòu)襯砌結(jié)構(gòu)盾構(gòu)構(gòu)造和分類，盾構(gòu)推進(jìn)及襯砌拼裝;圓形襯砌構(gòu)造、內(nèi)力計(jì)算與管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，了解盾構(gòu)隧道的功能和適用環(huán)境。圓形襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造要求。 1 概述盾構(gòu)（shield）是一種鋼制的活動防護(hù)裝置或活動支撐，是通過軟弱含水層，特別是河底、海底，以及城市居民區(qū)修建隧道的一種機(jī)械。頭部可以安全地開挖地層 ,尾部可以裝配預(yù)制管片或砌塊，迅速地拼裝成隧道永久襯砌。盾構(gòu)推進(jìn)主要依靠盾構(gòu)內(nèi)部設(shè)置的千斤頂。 適用條件在松軟含水地層中修建隧道、水底隧道及地下鐵道時采用各種不同形式的盾構(gòu)施工最有意義，特別是該施工方法屬地表以下暗挖施工，不受地面交通、河道、航運(yùn)、潮汐、季節(jié)等條件的影響， 盾構(gòu)隧道的歷史用盾

2、構(gòu)法修建隧道開始于1818年 ，法國工程師布魯諾爾；1825年在英國泰晤士河下首次用矩形盾構(gòu)建造隧道 ；近代，日本盾構(gòu)法得到了迅速發(fā)展，用途越來越廣，并研制了大量新型盾構(gòu)；我國于1957年北京下水道工程中首次出現(xiàn)2.6m小盾構(gòu) ； 上海市延安東路過江道路隧道使用11.0 m直徑的大盾構(gòu)； 隧道剖面圖1-進(jìn)風(fēng)道；2-進(jìn)風(fēng)口；3-排風(fēng)口；4-排風(fēng)道；5-路面（下拉桿）6-天棚（上拉桿）；7-吊桿；8-照明燈；9-滅火器；10-消防栓；11-電纜；12-排水管；13-給水管；14-縱向螺栓；15-環(huán)向螺栓按形狀分類 大致有圓形（又稱半盾構(gòu)）、矩形、馬蹄形等幾種。圓形因其抵抗水土壓力較理想，襯砌拼裝簡

3、便，構(gòu)件可以互換，較為通用，數(shù)量最多。圓形盾構(gòu)中，敞胸盾構(gòu)和閉胸盾構(gòu)兩大類。 2 盾構(gòu)構(gòu)造和分類2.1 盾構(gòu)的基本構(gòu)造1-1 (切口環(huán))；2-2 (支承環(huán))；3-3 (縱剖面)通常由盾構(gòu)殼體、推進(jìn)系統(tǒng)、拼裝系統(tǒng)、出土系統(tǒng)等四大部分組成。1）盾構(gòu)殼體盾構(gòu)殼體由切口環(huán)、支承環(huán)、盾尾與豎直隔板、水平隔板組成，并由外殼鋼板連成整體。切口環(huán) ：開挖 ；上下寬度可以等值、也可以不等值，甚至是活動的。 容納各種專門的挖土設(shè)備。 支承環(huán)：承受荷重的核心部分，剛性較好的圓環(huán)結(jié)構(gòu)。水平隔板和豎直隔板：增加盾構(gòu)剛度 ，水平承受拉力，豎直承受壓力。盾尾：掩護(hù)工人在其內(nèi)部安裝襯砌。2）推進(jìn)系統(tǒng)由盾構(gòu)千斤頂和液壓設(shè)備組成

4、 ，上下左右活塞桿伸出長度不同達(dá)到糾偏目的。盾構(gòu)千斤頂一般是沿支承環(huán)圓周均勻分布的 ；3）拼裝系統(tǒng)襯砌拼裝器又稱舉重臂，是拼裝系統(tǒng)的主要設(shè)備，以油壓系統(tǒng)為動力，一般舉重臂均安裝在支承環(huán)上。舉重臂能作旋轉(zhuǎn)、徑向運(yùn)動，還能沿隧道中軸線作往復(fù)運(yùn)動。完成這些運(yùn)動的精度應(yīng)該保證待裝配的管片上的螺栓孔能和已裝配好的螺栓孔對齊，以便螺栓固定。4）出土系統(tǒng)出土方式一般有三種 ：（1）有軌運(yùn)輸：皮帶運(yùn)輸機(jī)礦車洞口垂直起吊至地面。（2）無軌運(yùn)輸：自卸卡車（3）管道運(yùn)輸：混合泥漿，壓力輸出， 出土連續(xù)化 2.2 盾構(gòu)分類及其適用范圍表6-1。1）人工開掘式、半機(jī)械式敞胸盾構(gòu)全部敞開，隨時觀察地層變化情況，并配備簡便

5、的液壓、風(fēng)動挖掘，機(jī)具、人工挖掘，當(dāng)開挖面難以保持穩(wěn)定時可以采用氣壓等人工措施及正面支撐、支撐千斤頂?shù)入S挖隨撐 。2擠壓式閉胸盾構(gòu)在塑性粘土及淤泥中采用,盾構(gòu)正面用胸板密閉起來 。厚蘭隧道、林肯隧道和打浦路隧道都采用過半擠壓及全擠壓推進(jìn)的閉胸盾構(gòu)施工.襯砌結(jié)構(gòu)常發(fā)生橢圓率的現(xiàn)象，先襯砌水平直徑縮小，豎向直徑增大，繼之，盾構(gòu)離遠(yuǎn)時，豎向直徑減小，水平直徑增大。主要是隧道上方土壤結(jié)構(gòu)破壞、隆起，形成一個卸載拱，而水平壓力仍然保持著初始數(shù)值之故。3）機(jī)械式閉胸盾構(gòu)（1）局部氣壓盾構(gòu) （2）泥水加壓式盾構(gòu) (3)土壓平衡式盾構(gòu)表6-1挖掘方式構(gòu)造類型盾構(gòu)名稱開挖面穩(wěn)定措施適用地層附注人工開挖（手掘式）

6、敞胸普通盾構(gòu)臨時擋板、支撐千斤頂?shù)刭|(zhì)穩(wěn)定或松軟均可輔以氣壓、人工井點(diǎn)降水及其它地層加固措施棚式盾構(gòu)將開挖面分成幾層，利用砂的安息角和棚的磨擦砂性土網(wǎng)格式盾構(gòu)利用土和鋼制網(wǎng)狀硌柵的磨擦粘土淤泥閉胸半擠壓盾構(gòu)胸板局部開孔依賴盾構(gòu)千斤頂推力土砂自然流入軟可塑的粘性土全擠壓盾構(gòu)胸板無孔、不進(jìn)土淤泥半機(jī)械式敞胸反鏟式盾構(gòu)手掘式盾構(gòu)裝上反鏟挖土機(jī)土質(zhì)堅(jiān)硬穩(wěn)定開挖面能自立輔助措施旋轉(zhuǎn)式盾構(gòu)同上，裝上軟巖掘進(jìn)機(jī)軟巖機(jī)械式敞胸旋轉(zhuǎn)刀盤式盾構(gòu)單刀盤加面板多刀盤加面板軟巖輔助措施閉胸局中氣壓盾構(gòu)面板和隔板間加氣壓多水松軟地層不再另設(shè)輔助措施泥水加壓盾構(gòu)面板和隔板間加壓力泥水含水地層、沖積層、洪積層輔助措施土壓平衡盾

7、構(gòu)（加水式、加泥式）面板和隔板間充滿土砂容積產(chǎn)生的壓力與開挖面處的地層壓力保持平衡淤泥、淤泥混砂輔助措施2.3 盾構(gòu)幾何尺寸的選定及盾構(gòu)千斤頂推力計(jì)算主要指盾構(gòu)外徑D和盾構(gòu)長度L、盾構(gòu)靈敏度L/D。 最小建筑空隙值x x=m=mD=d+2(x+)=0.02+0.01（D-4）2）盾構(gòu)長度LL=L0+L1+L2+L3L0盾尾長度；L1支承環(huán)長度；L2切口環(huán)長度；L3前檐長度。 3）盾構(gòu)靈敏度L/D 經(jīng)驗(yàn)數(shù)值 :小型盾構(gòu)D=23m，L/D=1.5中型盾構(gòu)D=36m, L/D=1.00大型盾構(gòu)D=69m, L/D=0.75特大型盾構(gòu)D12m, L/D=0.450.754）盾構(gòu)千斤頂推力計(jì)算阻力包括：

8、盾構(gòu)外表面與四周地層的摩阻力；盾尾內(nèi)殼與襯砌結(jié)構(gòu)之間的摩阻力；盾構(gòu)切口部分刃口切入土層的阻力；盾構(gòu)切口環(huán)切入土層時的正面阻力；開挖面正面支撐阻力；以及盾構(gòu)自重引起的阻力，糾偏時的阻力，局部氣壓或泥水壓力，阻力板阻力等。 日本盾構(gòu)總推力經(jīng)驗(yàn)公式表6-2盾構(gòu)總推力隧道名稱直徑D(m)長度L(m)靈敏度L/D重量W(t)盾構(gòu)千斤頂（只數(shù)）(104N)盾殼厚度(mm)附注荷蘭Vehicular9.175.730.6340030600070美國林肯隧道9.634.710.4930428644063=12.7美Brooklyn-battery9.634.710.4931528644063=12.7美Que

9、en-Midtown9.655.700.59285600比Antwerpen9.505.500.57627532640070Rotherhite9.355.490.586406700原蘇聯(lián)莫斯科地鐵9.504.730.5340363500中國上海打浦路隧道10.20630.65400408000中國上海延安東路隧道11.267.800.694804488003 盾構(gòu)推進(jìn)及襯砌拼裝3.1 盾構(gòu)推進(jìn)已建隧道所采用過的大直徑盾構(gòu)，大部分都屬于手掘式敞胸盾構(gòu)或閉胸擠壓盾構(gòu)，或者是兩者兼有的盾構(gòu)。 技術(shù)先進(jìn)的泥水盾構(gòu)或土壓平衡盾構(gòu)很少采用 。本節(jié)將主要介紹在松軟含水地層中采用手掘式敞胸盾構(gòu)施工，輔以氣壓

10、，人工井點(diǎn)降水及其它地層加固措施，盾構(gòu)開挖掘進(jìn)時的幾種施工方法。 1）人工井點(diǎn)降水加手工掘式敞胸盾構(gòu)施工人工井點(diǎn)降水 ，經(jīng)濟(jì)，適用于漏氣量大的砂性土。地下水位降低、疏干地層，增加土體強(qiáng)度，以保證開挖面穩(wěn)定，盾構(gòu)在地下水位以上通過，施工場地較干燥。一般都采用噴射井點(diǎn)，深度曾用到27 m，使埋深為25 m的隧道能順利開挖。 具體過程 ：（1）先借助盾構(gòu)千斤頂使盾構(gòu)推進(jìn)，將切口環(huán)部分切入地層，然后在切口環(huán)保護(hù)下進(jìn)行土體開挖與運(yùn)輸，這樣對周圍地層擾動較小。（2）分層開挖，施工工具為普通手工工具或手持式風(fēng)動工具。（3）每環(huán)管片可分?jǐn)?shù)次開挖和推進(jìn)，盾構(gòu)糾偏時可以利用超挖解決。（4）可借助支撐千斤頂加撐板對

11、開挖面進(jìn)行臨時支撐 ；（5）當(dāng)用網(wǎng)格式盾構(gòu)時 ，防止盾構(gòu)后退。2）氣壓加手掘式敞胸盾構(gòu)施工盾構(gòu)施工在含水松軟不穩(wěn)定地層中采用氣壓來疏干和支護(hù)開挖面，以防止涌水、開挖面崩坍，增強(qiáng)地層強(qiáng)度，是一種極古老，且行之有效的施工方法。 （1）氣壓大小及耗氣量的確定理論上，每10m水頭必須用0.1Mpa的氣壓力來平衡。 實(shí)際上 ，僅為理論壓力的50%60%，空氣量僅為理論空氣量的10%50%。 。 中小型盾構(gòu)，壓力等于離盾構(gòu)上端約D/2處的地下水壓力;大直徑盾為2/3 D處的地下水壓力 ;頂部均超壓，需有足夠的覆蓋層施工時為了防止空氣泄出，盾構(gòu)頂部必須有足夠厚的覆蓋層t即t值過大則直接影響到隧道埋置深度 ，

12、過小則覆蓋不足，往往容易發(fā)生噴發(fā)事故。國外隧道規(guī)范規(guī)定；水底隧道的最小覆蓋層必須大于盾構(gòu)直徑（日本）或等于盾構(gòu)直徑，覆蓋層寬度應(yīng)大于或等于盾構(gòu)直徑的6倍。 采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算耗氣量： 土質(zhì)系數(shù)，當(dāng)壓力大于0.1MPa時，粘性土=3.65；砂性土=7.30。 （2）氣壓盾構(gòu)施工氣壓盾構(gòu)施工中閘墻和氣閘作用是將作業(yè)區(qū)與常壓作業(yè)區(qū)隔開 。閘墻必須有足夠的強(qiáng)度與氣密性.氣閘是鋼板鉚接或焊接而成的圓筒形結(jié)構(gòu)，分人行閘和外閘兩部分。人行閘的管理是氣壓施工的重要環(huán)節(jié)，要嚴(yán)格遵守氣壓作業(yè)的工作時間及進(jìn)出氣閘的變壓時間，以防減壓病。 3）泥水加壓盾構(gòu)施工用泥水加壓盾構(gòu)代替上述氣壓盾構(gòu)施工，克服了氣壓施工的弊病 。

13、地面沉降，減壓病，覆土深時，氣壓太高無法施工，覆土淺時，漏氣等 。泥水加壓盾構(gòu)是將壓力為 的泥水， （式中H取2m）,壓入盾構(gòu)前部密封艙內(nèi)，使其壓力始終高于地下水壓力 ，這樣就保持了開挖面穩(wěn)定的基本條件。3.2 襯砌拼裝隧道襯砌是在盾構(gòu)尾部殼保護(hù)下的空間內(nèi)進(jìn)行拼裝。 組成：鑄鐵、鋼、鋼筋混凝土或鋼與鋼筋混凝土的復(fù)合材料等制成的管片或砌塊。結(jié)構(gòu)受力及使用要求決定盾構(gòu)及襯砌結(jié)構(gòu)形式并決定其拼裝方法。拼裝方法重臂拼裝或拱托架拼裝 ；通縫拼裝（管片的縱縫環(huán)對齊）或錯縫拼裝 ；螺栓聯(lián)結(jié)的管片或無螺栓聯(lián)結(jié)的砌塊等。按其程序可分為“先縱后環(huán)”和“先環(huán)后縱”。采用舉重臂拼裝管片的原則應(yīng)是自下而上，左右交叉，最

14、后封頂成環(huán)。 4 裝配式圓形襯砌構(gòu)造“管片”是建成隧道后的永久性支撐結(jié)構(gòu)，應(yīng)滿足強(qiáng)度要求、使用要求；施工階段須裝配簡便、容易替換、承受盾構(gòu)千斤頂頂力及其它施工荷載。 箱形管片 平板形管片 帶肋管片的材料長期以來多為鑄鐵（見圖6-6c）和鋼。 環(huán)寬與厚度國內(nèi)外常用的環(huán)寬是7501000m；曲線段推進(jìn)時設(shè)有楔形管片，按隧道曲率半徑計(jì)算； 管片厚度一般為250600mm。 分塊 大斷面隧道可分成6810塊，小斷面可分為46塊。 管片的最大弧長一般不超過4 m，管片愈薄其長度應(yīng)越短。 拼裝型式一般有通縫、錯縫拼裝兩種?？v縫環(huán)環(huán)對齊的稱通縫，適用于需要拆除管片修建旁側(cè)通道或結(jié)構(gòu)需要比較柔的情況下，以便于

15、進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理。 縱縫互相錯開，對稱錯縫，其優(yōu)點(diǎn)在于能加強(qiáng)圓環(huán)接縫剛度，使圓形結(jié)構(gòu)可近似地按均質(zhì)圓環(huán)等剛度考慮，因此使用較普遍的，缺點(diǎn)是錯縫拼裝容易使管片頂碎。環(huán)、縱向螺栓環(huán)向螺栓根據(jù)接縫內(nèi)力情況可設(shè)置成單排或雙排。雙排：外排螺栓抵抗負(fù)彎矩，內(nèi)排螺栓抵抗正彎矩?？v向螺栓目的是使隧道襯砌結(jié)構(gòu)具有抵抗隧道縱向變形的能力 ，一塊管片設(shè)34個螺栓。螺栓材料一般采用高強(qiáng)度合金鋼，直螺栓 。本講要點(diǎn)掌握氣壓大小及耗氣量的計(jì)算；了解圓形襯砌構(gòu)造;5 內(nèi)力計(jì)算與管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5.1 設(shè)計(jì)原則隧道襯砌費(fèi)用占40%50%，安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理 。本節(jié)重點(diǎn)介紹裝配式鋼筋混凝土管片 。 1.滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度 ：土層壓力

16、、水壓力以及特殊荷載，按梁式模型計(jì)算埋在土中圓環(huán)的內(nèi)力和位移，以及管片（如鋼筋混凝土管片）的裂縫寬度限制等。覆土最深、頂壓與側(cè)壓相差最大處：按施工階段和使用階段荷載最不利組合情況下計(jì)算，同時按使用階段與特殊荷載階段組合情況下的管片強(qiáng)度驗(yàn)算 。 覆土最淺處：斷面僅進(jìn)行使用階段和特殊荷載階段組合情況下的管強(qiáng)度驗(yàn)算。不同點(diǎn)2.滿足所提出的安全質(zhì)量指標(biāo)要求：裂縫開展寬度，接縫變形和直徑變形的允許量，隧道抗?jié)B防漏指標(biāo)，結(jié)構(gòu)安全度，襯砌內(nèi)表面平整度要求 ，滿足使用要求的工作環(huán)境，保持隧道內(nèi)部的干燥和潔凈。 5.2 內(nèi)力計(jì)算法飽和含水地層中 ，因內(nèi)擦角值很小，主動與被動土壓力幾乎是相等，結(jié)構(gòu)變形不能產(chǎn)生很大

17、抗力 。假定：結(jié)構(gòu)可以自由變形，不受地層約束，認(rèn)為圓環(huán)只是處在外部荷載及與之平衡的底部地層反力作用下工作.剛度折減 采用錯縫拼裝和通縫拼裝，接縫處的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于斷面部分的剛度，與整體式等剛度圓形襯砌差異更大。日本資料，接頭剛度折減速系數(shù)，對鑄鐵管片=0.91.0；鋼筋混凝土管片=0.50.7?？傮w上，在飽和含水地層中按整體式自由變形勻質(zhì)圓環(huán)的計(jì)算方法誤差可以接受。 特殊情況下：當(dāng)土層較好，襯砌變形后能提供相應(yīng)的地層抗力，則可按有彈性抗力的整體式勻質(zhì)圓環(huán)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。常用的有日本的和蘇聯(lián)的假定抗力法等。 多鉸圓環(huán)方法 將接縫看作為一個“鉸”，整個圓環(huán)變成一個多鉸圓環(huán)?；冢哼B接方法由剛 性連接向

18、柔性連接過渡。雖屬不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，但因有外圍土層提供的附加約束和多鉸圓環(huán)的變形而提供了相應(yīng)的地層抗力，促使多鉸圓環(huán)仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。 多鉸圓環(huán)計(jì)算圖式5.3 荷載計(jì)算基本荷載（基本使用階段）、臨時荷載（施工階段）和特殊荷載。1）基本荷載：（1）土層壓力：垂直土壓力、水平土壓力、（2）水壓力：（3）襯砌自重豎向土壓 拱背土壓 (104N/m)地面超載 q3 =1(104N/m) （日本資料）（當(dāng)隧道埋深較淺時）拱背土壓水平荷重：即地層側(cè)向主動土壓，由均勻土壓p1和三角形土壓p2組成 :水壓力:頂部垂直向下水壓力底部垂直向上壓力側(cè)向水平水壓力 水壓力的疊加襯砌自重 (104N/m)勻布底部豎向力平均后的

19、拱被壓力抵消后的平均水壓力平均后的豎向土壓力平均后的自重壓力2）施工階段臨時荷載(1) 自重引起的臨時荷載臨時荷載隨盾構(gòu)推進(jìn)所產(chǎn)生，一般來自千斤頂頂力和壁后注漿壓力。 圓形隧道襯砌在到達(dá)基本使用階段前，它保留著裝配中由其自重作用所產(chǎn)生的受力狀態(tài)，它與基本階段所產(chǎn)生的內(nèi)力之和，不能超過容許值。 由下向上裝配的襯砌環(huán) ，拱頂截面產(chǎn)生內(nèi)力最大 ：支承弧面所對應(yīng)的中心角1米寬襯砌自重襯砌內(nèi)徑（2）管片拼裝及盾構(gòu)推進(jìn)引起的臨時集中荷載拼裝成環(huán)時，管片制作精度不高，端面不平，擰緊螺栓時往往使管片局部產(chǎn)生較大的應(yīng)力，導(dǎo)致管片開裂?；蛞蚱囱b管片誤差累計(jì)，當(dāng)盾構(gòu)千斤頂施加在環(huán)縫面上，特別是偏心作用時，也會使管片

20、頂裂、頂碎。鑄鐵管片，較薄的外殼厚度加肋逐步變到突緣處，承受約106N的盾構(gòu)千斤頂頂力。改善的方法是合理選擇管片型式，提高鋼模制作精度和管片混凝土強(qiáng)度。在拼裝管片時提高拼裝質(zhì)量。采用錯縫拼裝也是較好的辦法。管片壓漿因局部凝集在一個區(qū)域內(nèi)所造成的圓環(huán)變形和集中荷載 。荷載大小難以確定，只能通過采用附加安全系數(shù)，以保證襯砌結(jié)構(gòu)的安全度。3）特殊荷載階段特殊荷載是一種瞬時性的，作用時間短的動力荷載 ，往往是控制襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵， 在某些地區(qū)還要考慮地震力作用。結(jié)構(gòu)動力計(jì)算一般可用等靜載法，按彈性或彈塑性工作階段進(jìn)行，結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算方法與只承受靜載的結(jié)構(gòu)相同。并可適當(dāng)提高材料強(qiáng)度和降低強(qiáng)度安全系數(shù)。

21、本講要點(diǎn)理解盾構(gòu)計(jì)算的原則；掌握盾構(gòu)的荷載計(jì)算方法。5.4 襯砌內(nèi)力計(jì)算1）自由變形的勻質(zhì)圓環(huán)計(jì)算彈性中心法計(jì)算 由于結(jié)構(gòu)及荷載對稱，拱頂剪力等于零，屬二次超靜定結(jié)構(gòu)。力法方程為： 推導(dǎo)過程圓環(huán)中任意截面上的內(nèi)力可由下式得到：設(shè)計(jì)時可直接利用這些公式，也可詳見表6-3， 2）考慮土層產(chǎn)生側(cè)向彈性抗力的勻質(zhì)圓環(huán)計(jì)算當(dāng)外荷作用在隧道襯砌上，一部分襯砌向地層方向變形，使地層產(chǎn)生彈性抗力。彈性抗力的分布規(guī)律很難確定，采用假定彈性抗力分布規(guī)律法，如日本的三角形分布，原蘇聯(lián)OE、布加耶娃的月牙形分布（水工隧洞中常常采用），以及二次、三次拋物線分布等方法。（1）日本按三角形分布彈性抗力的方法按溫克列爾局部變形理論，假定土層側(cè)向