第六章盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)

第六章盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)第1頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月盾構(gòu)襯砌結(jié)構(gòu)本章介紹盾構(gòu)構(gòu)造和分類，盾構(gòu)推進及襯砌拼裝;圓形襯砌構(gòu)造、內(nèi)力計算與管片結(jié)構(gòu)設(shè)計，要求了解盾構(gòu)隧道的功能和適用環(huán)境。掌握圓形襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和構(gòu)造要求。第2頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1概述盾構(gòu)（shield）是一種鋼制的活動防護裝置或活動支撐，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)推進主要依靠盾構(gòu)內(nèi)部設(shè)置的千斤頂。第3頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月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、潮汐、季節(jié)等條件的影響.

第4頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月盾構(gòu)隧道的歷史用盾構(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11.0m直徑的大盾構(gòu)；第5頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月隧道剖面圖1-進風(fēng)道；2-進風(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)向螺栓第6頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第7頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第8頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月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。第9頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2盾構(gòu)構(gòu)造和分類

6.2.1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、推進系統(tǒng)、拼裝系統(tǒng)、出土系統(tǒng)等四大部分組成。第10頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月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：掩護工人在其內(nèi)部安裝襯砌。第11頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2）推進系統(tǒng)由盾構(gòu)千斤頂和液壓設(shè)備組成，上下左右活塞桿伸出長度不同達到糾偏目的。盾構(gòu)千斤頂一般是沿支承環(huán)圓周均勻分布的；第12頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月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)、徑向運動，還能沿隧道中軸線作往復(fù)運動。完成這些運動的精度應(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。第13頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月4）出土系統(tǒng)出土方式一般有三種：（1）有軌運輸：皮帶運輸機－礦車－洞口－垂直起吊至地面。（2）無軌運輸：自卸卡車（3）管道運輸：混合泥漿，壓力輸出，出土連續(xù)化第14頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.2盾構(gòu)分類及其適用范圍1）人工開掘式、半機械式敞胸盾構(gòu)全部敞開，隨時觀察地層變化情況，并配備簡便的液壓、風(fēng)動挖掘，機具、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。第15頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月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。第16頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月3）機械式閉胸盾構(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)第17頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月表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）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、不進土淤泥半機械式敞胸反鏟式盾構(gòu)手掘式盾構(gòu)裝上反鏟挖土機土質(zhì)堅硬穩(wěn)定開挖面能自立輔助措施旋轉(zhuǎn)式盾構(gòu)同上，裝上軟巖掘進機軟巖機械式敞胸旋轉(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、淤泥混砂輔助措施第18頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.3盾構(gòu)幾何尺寸的選定及盾構(gòu)千斤頂推力計算主要指盾構(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xx=mα=mD=d+2(x+δ)δ=0.02+0.01（D-4）第19頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月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。第20頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月3）盾構(gòu)靈敏度L/D經(jīng)驗數(shù)值:小型盾構(gòu)D=2~3m，L/D=1.5中型盾構(gòu)D=3~6m,L/D=1.00大型盾構(gòu)D=6~9m,L/D=0.75特大型盾構(gòu)D＞12m,L/D=0.45~0.75第21頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月4）盾構(gòu)千斤頂推力計算阻力包括：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。第22頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月日本盾構(gòu)總推力經(jīng)驗公式第23頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月表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Queen-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10.206.630.65400408000中國上海延安東路隧道11.267.800.69480448800第24頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3盾構(gòu)推進及襯砌拼裝6.3.1盾構(gòu)推進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，人工井點降水及其它地層加固措施，盾構(gòu)開挖掘進時的幾種施工方法。第25頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月1）人工井點降水加手工掘式敞胸盾構(gòu)施工人工井點降水，經(jīng)濟，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，深度曾用到27m，使埋深為25m的隧道能順利開挖。第26頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月具體過程：（1）先借助盾構(gòu)千斤頂使盾構(gòu)推進，將切口環(huán)部分切入地層，然后在切口環(huán)保護下進行土體開挖與運輸，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)管片可分數(shù)次開挖和推進，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開挖面進行臨時支撐；（5）當(dāng)用網(wǎng)格式盾構(gòu)時，防止盾構(gòu)后退。第27頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月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開挖面，以防止涌水、開挖面崩坍，增強地層強度，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。實際上，僅為理論壓力的50%~60%，空氣量僅為理論空氣量的10%~50%。。第28頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月中小型盾構(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2/3D處的地下水壓力;頂部均超壓，需有足夠的覆蓋層第29頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月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，過小則覆蓋不足，往往容易發(fā)生噴發(fā)事故。K=1.5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。第30頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月采用經(jīng)驗公式計算耗氣量：—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。第31頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月（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)，要嚴格遵守氣壓作業(yè)的工作時間及進出氣閘的變壓時間，以防減壓病。第32頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月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。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。第33頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.2襯砌拼裝隧道襯砌是在盾構(gòu)尾部殼保護下的空間內(nèi)進行拼裝。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。第34頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月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，最后封頂成環(huán)。第35頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4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。第36頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月箱形管片第37頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月平板形管片第38頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月帶肋管片的材料長期以來多為鑄鐵（見圖6-6c）和鋼。

第39頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月環(huán)寬與厚度國內(nèi)外常用的環(huán)寬是750~1000m；曲線段推進時設(shè)有楔形管片，按隧道曲率半徑計算；管片厚度一般為250~600mm。第40頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月分塊大斷面隧道可分成6~8~10塊，小斷面可分為4~6塊。管片的最大弧長一般不超過4m，管片愈薄其長度應(yīng)越短。第41頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月拼裝型式一般有通縫、錯縫拼裝兩種。縱縫環(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，以便于進行結(jié)構(gòu)處理。縱縫互相錯開，對稱錯縫，其優(yōu)點在于能加強圓環(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，缺點是錯縫拼裝容易使管片頂碎。第42頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月環(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)3~4個螺栓。螺栓材料一般采用高強度合金鋼，直螺栓。第43頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月6.5內(nèi)力計算與管片結(jié)構(gòu)設(shè)計6.5.1設(shè)計原則隧道襯砌費用占40%~50%，安全可靠、經(jīng)濟合理。本節(jié)重點介紹裝配式鋼筋混凝土管片。第44頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月1.滿足結(jié)構(gòu)的強度和剛度：土層壓力、水壓力以及特殊荷載，按梁式模型計算埋在土中圓環(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算，同時按使用階段與特殊荷載階段組合情況下的管片強度驗算。覆土最淺處：斷面僅進行使用階段和特殊荷載階段組合情況下的管片強度驗算。第45頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月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。第46頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月6.5.2內(nèi)力計算法飽和含水地層中，因內(nèi)擦角φ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)生很大抗力。假定：結(jié)構(gòu)可以自由變形，不受地層約束，認為圓環(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.第47頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月剛度折減

采用錯縫拼裝和通縫拼裝，接縫處的剛度遠遠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，接頭剛度折減系數(shù)η，對鑄鐵管片η=0.9~1.0；鋼筋混凝土管片η=0.5~0.7。總體上，在飽和含水地層中按整體式自由變形勻質(zhì)圓環(huán)的計算方法誤差可以接受。第48頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月特殊情況下：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)進行內(nèi)力計算。常用的有日本的和蘇聯(lián)的假定抗力法等。第49頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月多鉸圓環(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)。第50頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月多鉸圓環(huán)計算圖式第51頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月6.5.3荷載計算基本荷載（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）襯砌自重第52頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月豎向土壓

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）拱背土壓第53頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月水平荷重：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

第54頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月水壓力的疊加第55頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月襯砌自重(104N/m)勻布底部豎向力平均后的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第56頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月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)推進所產(chǎn)生