地鐵運行對環(huán)境的影響及地鐵減振技術ppt課件

1、第六章 盾構襯砌構造上海理工大學土木工程系陳有亮目錄6.1 概述6.2 盾構構造和分類6.3 盾構推進及襯砌拼裝6.4 裝配式圓形襯砌構造6.5 內力計算與管片構造設計6.1 概述6.1.1 定義6.1.2 盾構法的開展歷史6.1.3 盾構法的優(yōu)缺陷6.1.4 盾構機的類型6.1.1 定義盾構是一種鋼制的活動防護安裝或活動支撐,是經過脆弱含水層,特別是河底、海底以及城市居民區(qū)建筑隧道時運用的一種施工機械。在盾構的防護下，頭部可以平安地開挖地層，一次掘進相當于裝配式襯砌一環(huán)的寬度。尾部可以裝配預制管片或砌塊，迅速地拼裝成隧道永久襯砌，并將襯砌與土層之間的空隙用水泥壓漿填實，防止周圍地層的繼續(xù)變形

2、和圍巖壓力的增長。6.1.1 定義盾構推進主要是依托盾構內部設置的千斤頂，用千斤頂頂在拼裝成的襯砌環(huán)上，使它推進到已挖好的空間內，然后縮回活塞桿，為下一環(huán)襯砌拼裝發(fā)明條件。反復上述過程，不斷開挖不斷拼裝，并不斷推進，借助盾構這種施工機械可以較快的速度完成隧道施工根本作業(yè)循環(huán)，直至隧道建成。6.1.2 盾構法的開展歷史1818年法國工程師布魯諾爾獲得了隧道盾構的發(fā)明專利；1825年在英國泰晤士河下初次用矩形盾構建造隧道，實踐上它是一個活動的施工防護安裝；1869年英國工程師J.H.Greathead勝利地運用了P.W.Barlow式盾構建筑了英國泰晤士河下水底隧道，自此，盾構得到了普遍成認。6.

3、1.2 盾構法的開展歷史1874年在英國倫敦城南線建筑隧道時，J. H. Greathead發(fā)明了比較完好的用緊縮空氣來防水的氣壓盾構施工工藝，使海底隧道施工工藝有了長足的開展，并為現(xiàn)代化盾構奠定了根底；之后，盾構技術在美國、德國、前蘇聯(lián)、日本等國都得到了迅速開展。6.1.2 盾構法的開展歷史我國在1957年北京下水道工程中初次運用了2.6m小盾構當時稱盾甲法。從1963年起先后設計制造了外徑為3.6m、4.2m、 5.8m、10.2m等不同直徑的盾構機械。近年還設計制造了11.0m直徑的大盾構，供上海市延安東路過江隧道運用。6.1.3 盾構法的優(yōu)缺陷優(yōu)點：該施工方法屬地表以下暗挖施工，不受地

4、面交通、河道、航運、潮汐、季節(jié)等條件的影響，能比較經濟合理地保證隧道平安施工，在松軟含水地層中建筑隧道、水底隧道及地下鐵道時采用各種不同方式的盾構施工最有意義。缺陷：盾構的制造、運送、拼裝、裝配等費用比較昂貴，設備比較復雜；它是一項綜合性的施工技術，除運用盾構本身進展土方開挖和襯砌拼裝外，還需求有氣壓供應，人工井點降水，襯砌管片的預制，襯砌防水堵漏，隧道內的運輸、丈量、施工場地布置等施工技術的親密配合；用氣壓法施工時，能夠會遇到緊縮空氣泄出的危險，要采用醫(yī)學防護措施，防止減壓病等；盾構法的運用遭到一定條件的限制，假設條件不具備，只需采用其它施工方法。6.1.4 盾構機的類型按外形:圓形半盾構、

5、矩形、馬蹄形等。圓形因其抵抗水土壓力較理想，襯砌拼裝簡便，構件可以互換，較為通用，數(shù)量最多。矩形因周圍力的分布不均，支配不便，用的不多。在圓形盾構中，根據(jù)盾構開挖面的施工方式不同，可分為敞胸盾構和閉胸盾構兩大類。按排除地下水穩(wěn)定開挖面的方式可分為人工井點降水、泥水加壓、土壓平衡式的無氣壓盾構，部分氣壓盾構，氣壓盾構等6.2 盾構構造和分類6.2.1 盾構的根本構造6.2.2 盾構分類及其適用范圍6.2.3 盾構幾何尺寸的選定及盾構千斤 頂推力計算6.2.1 盾構的根本構造如圖6-2所示，盾構通常由盾構殼體、推進系統(tǒng)、拼裝系統(tǒng)、出土系統(tǒng)等四大部分組成。盾構殼體：由切口環(huán)、支承環(huán)、盾尾與豎直隔板、

6、程度隔板組成，并由外殼鋼板連成整體。推進系統(tǒng)：盾構的推進系統(tǒng)主要由盾構千斤頂和液壓設備組成，并利用千斤頂上下左右活塞桿伸出長度不同到達糾偏目的。千斤頂普通是沿支承環(huán)周圍均勻分布的。6.2.1 盾構的根本構造盾構是由電能帶動液壓設備而任務的。液壓設備由啟動輸油泵、啟動高壓油泵、啟動控制油泵等組成。拼裝系統(tǒng)：襯砌拼裝器又稱舉重臂，是拼裝系統(tǒng)的主要設備，也以油壓系統(tǒng)為動力。普通舉重臂均安裝在支撐環(huán)上，中小型盾構因受空間限制有的安裝在后部車架上或平板車上。出土系統(tǒng)：大直徑盾構施工要運出大量土方，出土方式恰當與否直接影響到盾構推進的速度和施工場地安排能否合理。出土方式普通有三種：6.2.1 盾構的根本構

7、造有軌運輸；無軌運輸；管道運輸。6.2.2 盾構分類及其適用范圍詳細分類見表6-1。按發(fā)掘方式，盾構可分為人工開掘、半機械式開掘和機械式開掘；按構造類型可分為敞胸和閉胸兩種方式。6.2.2 盾構分類及其適用范圍人工開掘式、半機械式敞胸盾構:此類盾構可根據(jù)地質條件全部敞開,隨時察看地層變化情況,并配備簡便的液壓、機械發(fā)掘、人工發(fā)掘，當開挖面難以堅持穩(wěn)定時，可以采用氣壓等人工措施，如正面支撐、支撐千斤頂?shù)入S挖隨撐。這種盾構是最老式、最普通的一種，絕大多數(shù)水底道路隧道都采用這種盾構。它的優(yōu)點是構造簡單，配套設備少，造價低。缺陷是盾構正面敞開，任務面易發(fā)生塌方事故，危及人身及工程平安，道路隧道直徑大，

8、勞動強度大，進度慢。6.2.2 盾構分類及其適用范圍擠壓式閉胸盾構:美國紐約厚蘭隧道、林肯隧道和上海打浦路隧道都采用過半擠壓及全擠壓推進的閉胸盾構施工，在塑性黏土及淤泥中即使采用氣壓也不能自立，需將盾構正面用胸板密閉起來。它是將盾構壓入土層，土體從孔中擠入盾構，裝車外運，不需求人工開挖與支撐開挖面，施工效率成倍提高。缺陷是適用范圍小，只適用于上述這種地層，且全擠壓會呵斥地表隆起，故又只適用于空闊地段，或河底、海灘等處。用閉胸式盾構施工時襯砌構造會發(fā)生一種橢圓率的景象，先是襯砌程度直徑減少，豎向直徑增大，繼之，盾構離遠時，豎向直徑減小，程度直徑增大。這主要是由于隧道上方土壤破壞隆起，構成一個卸載

9、拱，而程度壓力依然堅持初始數(shù)值。6.2.2 盾構分類及其適用范圍機械式閉胸盾構:部分氣壓盾構、泥水加壓式盾構、土壓平衡式盾構優(yōu)點缺點局部氣壓盾構可取代在隧道內加壓的全氣壓施工，使施工人員不在氣艙內工作，大大改善了勞動條件。存在一些技術難點，目前尚未很好解決。泥水加壓式盾構既能均勻抵抗水壓，又無局部氣壓盾構那樣漏氣及連續(xù)出土困難等問題，適用于含水地層、沖擊層、洪積層盾尾漏水問題沒有很好解決；開挖面狀態(tài)不明；要配備許多設備，如自動控制、泥水輸送系統(tǒng)、泥水處理系統(tǒng)和泥水處理場地等，后者造價很高。土壓平衡式盾構用刀盤切削下來的土，如同用壓力泥水一樣充滿整個密封艙，并保持有一定壓力，使切削下來的土與開挖

10、面的土體壓力平衡，開挖面土、砂不會從刀盤面處崩潰坍塌。該盾構是在上述兩種機械化盾構的基礎上發(fā)展起來的，既避免了漏氣缺點，也省略了投資大的泥水輸送設備和處理設備，是最新型盾構。失敗和成功例子差別很大，有待完善。6.2.3 盾構幾何尺寸的選定及盾構千斤頂推力計算盾構外徑盾構長度盾構靈敏度盾構千斤頂推力計算6.2.3 盾構幾何尺寸的選定及盾構千斤頂推力計算盾構設計、盾構幾何尺寸的選定應與隧道斷面方式、建筑界限、襯砌厚度與襯砌拼裝方式等相順應。大型盾構，絕大多數(shù)工程都是專門定制的，很少幾個工程通用一個盾構。盾構幾何尺寸的選定主要是指盾構外徑、盾構長度、盾構靈敏度的選取。盾構外徑D的選取D=d+2(x+

11、)d為隧道襯砌外徑;為盾尾鋼板厚度;x的物理意義請參考圖6-3，實踐工程中x取0.01-0.008d。盾構長度L的選取L=L0+L1+L2+L3L0為盾尾長度; L1為支撐環(huán)長度; L2為切口環(huán)長度; L3為前檐長度。L0、L1、L2、L3的物理意義見圖6-4。L3可取300-500mm,視盾構直徑大小而定；L2對手掘式盾構要思索人工開挖操作方便，其最大值L2=Dtan或小于2.0m,機械化盾構要思索包容開挖機具；L1主要取決于盾構千斤頂長度，它與預制襯砌環(huán)的寬度b有關，L1=b+(200-300)mm(留富余量，便于維修千斤頂用)；盾構長度L的選取 盾尾長度 L0 =m+m1+m2 m、m1

12、、m2的物理意義見圖6-4。 m-盾尾遮蓋襯砌長度，與需求改換的襯砌環(huán)數(shù)和盾尾密封安裝等要素有關，取1.5-2.5b; m1取0.08-0.20b，選取時應思索穿縱向螺旋及環(huán)面清理任務的方便; m2-千斤頂頂塊厚度。 盾構靈敏度L/D的選取在盾構長度L和盾構外徑D確定之后，盾構靈敏度L/D自然可以獲得。以下閱歷值可以作為確定普通盾構靈敏度的參考：小型盾構：D=2-3m，L/D=1.5;中型盾構：D=3-6m，L/D=1.00;大型盾構：D =6-9m，L/D=0.75;特大型盾構：D =9-12m，L/D=0.45-0.75。盾構千斤頂推力計算盾構千斤頂應有足夠推力抑制盾構推進時所遇阻力。阻力

13、包括：盾構外外表與周圍地層的摩阻力F1、盾尾內殼與襯砌構造之間的摩阻力F2、盾構切口部分韌口切入土層的阻力F3、盾構切口環(huán)切入土層時的正面阻力F4、開挖面正面支撐阻力F5以及盾構自重引起的阻力、糾偏時的阻力、部分氣壓或泥水壓力、阻力板阻力等。將各項阻力累加起來，并思索一定的富余量，即為總推力。由于計算是近似的，平安系數(shù)應采用1.5-2.0。盾構千斤頂推力計算對手掘式盾構，盾構推進總阻力計算公式為：F= F1 + F2 + F3 + F4 + F5 + 6.3 盾構推進及襯砌拼裝6.3.1 盾構推進6.3.2 襯砌拼裝6.3.1 盾構推進采用盾構施工,首要問題是盾構選型。盾構是一種施工機具，隨地

14、層性質的改動而改動。在進展盾構施工時，要根據(jù)地層地質條件，慎重選擇盾構類型?？v觀以往水底道路隧道所采用過的大直徑盾構，大部分采用手掘式敞胸盾構或閉胸擠壓盾構或者是兩者兼有的盾構。很少采用技術先進的泥水盾構或土壓平衡盾構。6.3.1 盾構推進人工井點降水加手掘式敞胸盾構施工氣壓加手掘式敞胸盾構施工泥水加壓盾構施工人工井點降水加手掘式敞胸盾構施工的任務原理在經過盾構的兩側土層中先打入井點管，經過井點汲水濾管把地下水抽出，使井點附近構成一個降水漏斗，地下水位降低，疏干地層，添加土體強度，以保證開挖面穩(wěn)定，由于盾構是在地下水位以上經過，施工人員能在較枯燥的任務條件下進展操作。人工井點降水加手掘式敞胸盾

15、構施工的優(yōu)缺陷優(yōu)點：不用氣壓施工，經濟適用；缺陷：在江河的中段難于運用，只能用在兩岸的岸邊段，且埋置深度不能太深，太深假設降水效果不好有時能夠會引起盾構忽然下沉。另外，兩岸建筑物也不能太密集，否那么因降水不均而引起建筑物不均勻沉降。地層疏干后手掘式敞胸盾構施工的詳細過程先借助盾構千斤頂使盾構推進，將切口環(huán)部分切入地層，然后在切口環(huán)維護下進展土體開挖和運輸，這樣對周圍地層擾動較小。開挖從上而下，分層開挖，施工工具為普通手工工具或手持式電開工具。根據(jù)襯砌管片寬度，盾構切口長度，每環(huán)管片可分數(shù)次開挖和推進，盾構糾偏時可以利用超挖處理。地層疏干后手掘式敞胸盾構施工的詳細過程4. 假設土質較差，可借助支

16、撐千斤頂加撐板對開挖面進展暫時支撐。5. 當用網(wǎng)格式盾構時，根據(jù)地層正面自動土壓力與土和網(wǎng)格周邊的摩阻力相等，土就不會坍入盾構內部的原理，可以取代上述支撐，保證開挖面的穩(wěn)定，當盾構推進時，利用網(wǎng)格頭部的刃口，將土從每一個網(wǎng)格孔眼里呈條狀入盾構，這樣邊推進，邊擠入，再用轉盤經刮板運輸機將土運出。網(wǎng)格大小可視土質情況調整并隨時可以裝拆。網(wǎng)格式盾構地層疏干后手掘式敞胸盾構施工的詳細過程6. 網(wǎng)格式開挖普通不能超前開挖，全靠調整千斤頂編組進展糾偏，另外，要防止盾構千斤頂縮回時因土的彈性變形促使盾構后退，導致地表沉降。氣壓加手掘式敞胸盾構施工在含水松軟不穩(wěn)定地層中采用氣壓來疏干和支護開挖面,以防止涌水、

17、開挖面崩坍,加強地層強度，是一種極古老且行之有效的盾構施工方法。日本盾構采用氣壓盾構施工的約占75%，上海打浦路隧道也是采用氣壓施工。在粉砂及砂礫層中，由于漏氣量太大，用氣壓盾構法施工效果較差，覆蓋層較小還有噴出的危險。此外，壓氣量應盡量小，宜與井點、注漿、凍結法等結合運用，使隧道埋深不致太大。氣壓加手掘式敞胸盾構施工下面主要講二個內容：氣壓大小及耗氣量確實定氣壓盾構施工氣壓大小及耗氣量確實定實際上，每10m水頭必需用0.1MPa大氣壓來平衡。但實踐上，平衡壓力的大小還與周圍地層的性質、開挖面土層的干濕程度有關。上海軟土層的透氣系數(shù)很小，一部分水頭壓力耗費在土體孔隙的阻力上，實踐施工所需的空氣

18、壓力僅為實際值的50-60%，所需空氣量僅為實際值的10-50%。氣壓大小及耗氣量確實定對于中小型盾構，氣壓等于離盾構頂端D/2處的地下水壓力，大直徑盾構要為2D/3處的地下水壓力，如圖6-5所示。中小型盾構, P=(H+D/2)*w大直徑盾構,P=(H+2D/3)*w氣壓大小及耗氣量確實定用上述方法確定的緊縮空氣壓力值，在盾構頂部仍有(1/2-1/3)D的超壓p，施工時為防止空氣泄出，盾構頂部必需有足夠厚的覆蓋層，計算式為 t= Kp/ 土 土為土的重度； K為平安系數(shù)，在砂質土層中不小于1.5。氣壓大小及耗氣量確實定耗氣量可采用如下閱歷公式 Q=D2 D-盾構外徑 氣壓大于0.1MPa時,

19、黏土取3.65，砂土取7.30。氣壓盾構施工氣壓盾構施工中閘墻和氣閘既能將作業(yè)區(qū)和常壓作業(yè)區(qū)隔開,又能使資料、設備及任務人員順利進出作業(yè)區(qū)。閘墻必需有足夠的強度和致密性，保證在0.35MPa氣壓作用下不漏氣。大斷面隧道均用鋼閘墻，氣閘是鋼板鉚接或焊接而成的圓筒形構造。人行閘又分為內閘和外閘兩部分，內閘能包容每班施工人員數(shù)，人行閘的管理是氣壓施工的重要環(huán)節(jié)，要嚴厲遵守氣壓作業(yè)的任務時間及進出氣閘的變壓時間，以防減壓病。泥水加壓盾構施工近年來用泥水加壓盾構替代氣壓盾構施工，抑制了氣壓盾構施工的弊病，如地下水挪動引起的地面沉降；覆土深時，氣壓太高，無法施工；覆土淺時，要漏氣。泥水加壓出土可以全部實現(xiàn)

20、機械化，用管道水力保送方式送往地面處置，改善了施工條件，加快了施工速度。泥水加壓盾構是將一定壓力的泥水，壓入盾構前部密封艙內，使其壓力一直高于地下水壓力，這樣就保證了開挖面的穩(wěn)定。6.3.2 襯砌拼裝隧道襯砌是在盾構尾部殼維護下的空間內進展拼裝的。襯砌資料以鑄鐵、鋼、鋼筋混凝土或鋼與鋼筋混凝土的復合資料等為主，管片或襯砌種類繁多。襯砌的拼裝方法有重臂拼裝和拱拖架拼裝；通縫拼裝和錯縫拼裝；螺栓銜接管片和無螺栓銜接砌塊。在拼裝管片或砌塊的過程中，主要應處理管片或砌塊的運送、就位、成環(huán)以及襯砌的防水等任務。為此，首先必需充分做好預備任務，如舉重臂的平安檢查、拼裝車架的配合、盾構底部的清洗、防止盾構的

21、后退、有關拼裝資料的預備等，管片或砌塊應按預定位置放好，以提高拼裝速度。6.3.2 襯砌拼裝拼裝方法按其程序可分為先縱后環(huán)和先環(huán)后縱兩種。先環(huán)后縱是拼裝前將一切盾構千斤頂縮回，管片先拼成圓環(huán)，然后拼裝好的圓環(huán)沿縱向靠攏構成襯砌，擰緊縱向螺栓。這種方法的優(yōu)點是環(huán)面平整，縱縫拼裝質量好，缺陷是在易產生后退的地段，不宜采用。先縱后環(huán)的方法是可以有效地防止盾構后退，拼一塊縮回這部分的千斤頂，其它千斤頂仍在支撐著盾構。這樣逐塊輪番，直至拼裝成環(huán)，即先縱后環(huán)。采用舉重臂拼裝管片的原那么應是自下而上，左右交叉，最后封頂成環(huán)。假設采用縱向插入的封頂管片，那么舉重臂沿隧道軸向挪動的間隔要加長，盾構頂部幾支盾構千

22、斤頂?shù)臎_程也要加長，普通均設計成二級千斤頂。待管片全部拼裝好，再分頭對稱擰緊全部環(huán)向、縱向螺栓，到達設計要求后，才算一環(huán)管片拼裝終了。隨著盾構不斷 地推進，拼裝任務也不斷反復上述步驟，直至隧道建成。6.3.2 襯砌拼裝在拼裝過程中要特別強調留意保證質量。一是保證環(huán)面接縫平整，縱向通縫防水涂料壓密，以防止管片呈喇叭狀，構成漏水、漏泥的通道；二是留意襯砌的準圓度，圓度控制不好，會使襯砌出現(xiàn)外張或內張角，導致襯砌漏水。管片運輸盾構皮帶機出渣 6.4 裝配式圓形襯砌構造裝配圓形襯砌普通都是由稱為管片的多塊弧形預制構件拼裝而成,是建成隧道后的永久性支撐構造。襯砌應滿足強度要求和運用要求，并阻止泥水滲入；

23、在施工階段需裝配簡便、容易交換、接受盾構千斤頂頂力及其他施工荷載。由于這種襯砌是在工廠預制的，質量較易保證，有利于加快隧道施工。襯砌管片從構外型式上分，有帶肋箱形管片和帶肋平板形管片。從銜接方式上看，管片都設有螺栓與相鄰管片銜接起來。平板形管片假設去除銜接螺栓，即成為砌塊。砌塊四側設有幾種不同外形的接縫槽口，以便相互咬合起來，添加襯砌構造剛度。普通帶肋管片的資料多為鑄鐵和鋼，二十世紀七十年代，上海打浦路隧道第一次采用鋼筋混凝土箱形管片。6.4 裝配式圓形襯砌構造球墨鑄鐵管片的耐蝕性好，強度高，易于制成薄壁構造，分量輕，搬運安裝方便。運用機械加工的管片尺寸精度高、外形準確、安裝速度快、防水性能好

24、，普通不做二次襯砌。缺陷是造價高，特別是具有脆性破壞的特性，不能接受沖擊荷載，故僅在土質惡劣的情況下運用。全鋼管片強度高、延性好、分量輕，缺陷是剛度小、耐蝕性差，造價和制造精度稍低于鑄鐵管片，內部須做二次襯砌。鋼筋混凝土管片有一定強度，加工制造比較容易，采用鋼模制造時，能保證管片的精度，具有耐蝕、造價低等優(yōu)點，運用范圍越來越廣。缺陷是比較笨重最重可達5噸多，運輸安裝過程中邊緣容易碰損，特別象箱形管片在盾構千斤頂作用下容易頂裂。6.4 裝配式圓形襯砌管片的構造尺寸1)環(huán)寬與厚度國外常用的環(huán)寬是750-1000m。需與盾構設計相互配合，勿使盾尾太長影響盾構靈敏度。管片厚度普通為250-600mm。

25、2)分塊普通大斷面隧道可分成6-10塊，小斷面可分成4-6塊。管片的最大弧長普通不超越4m，管片越薄，其長度越短。3)拼裝型式普通有通縫拼裝和錯縫拼裝兩種。縱縫環(huán)環(huán)對齊的稱通縫，適用于需求撤除管片建筑旁側通道或構造需求比較柔的情況下，以便于進展構造處置?？v縫相互錯開猶如砌磚一樣的對稱錯縫，其優(yōu)點在于能加強圓環(huán)接縫剛度，約束接縫變形，使圓形構造近似按均質圓環(huán)等剛度思索，因此，運用比較普遍，缺陷是管片制造精度不夠好時尤其是鋼筋混凝土管片錯縫拼裝容易使管片頂碎。6.4 裝配式圓形襯砌管片的構造尺寸4)環(huán)向、縱向螺栓環(huán)向螺栓根據(jù)接縫內力情況可設置成單排或雙排。普通在直徑大，管片厚度也較大時采用雙排，外

26、排螺栓抵抗負彎矩，內排螺栓抵抗正彎矩。每一排配有2-3個螺栓。單排螺栓孔普通設置在間隔隧道內側h/3處h為襯砌厚度。縱向螺栓是按管片分塊、拼裝型式、構造受力等要求配置的，目的是使隧道襯砌構造具有抵抗隧道縱向變形的才干。普通一塊管片設3-4個螺栓，螺孔位置設在離隧道內側1/3-1/4h處。環(huán)向、縱向螺栓孔普通比螺栓直徑大3-6mm。螺栓資料普通采用高強度合金鋼。通常用直螺栓，加工簡單，受力性能好。彎螺栓的最大缺陷是施工拼裝時插入困難，影響拼裝速度。6.5 內力計算與管片構造設計6.5.1 設計原那么6.5.2 內力計算法6.5.3 荷載計算6.5.4 襯砌內力計算6.5.5 管片截面設計6.5.1 設計原那么隧道建立費用中隧道襯砌費用往往占整個隧道工程造價的40-