盾构法隧道结构

第十章盾构法隧道结构21806年,工程师Brunel针对松散饱和软土层发明了最早的网格式盾构并提出专利。1818年,Brunel从蛆虫腐蛀船底成洞得到启发，提出了全封闭螺旋式盾构工法(土压平衡盾构的原型)。1825～1843年，Brunel设计的方形铸铁框盾构贯通了泰晤士河的第一条隧道。盾构工法1869年,Burlow和Great负责建造泰晤士河的第二条隧道，Great采用新开发的圆形盾构、扇形铸铁管片。1886年,Great在南伦敦铁路隧道施工中使用了盾构和压气组合工法，为现在的盾构工法奠定了基础。衬砌型式和构造衬砌圆环内力计算衬砌断面设计隧道防水及其综合处理盾构新型管片衬砌形式本章主要内容10.1.1衬砌断面的型式与选型衬砌结构在施工阶段保护开挖面以防止土体变形、坍塌及泥水渗入，并承受盾构推进时千斤顶顶力及其它施工荷载；在隧道竣工后作为永久性支撑结构，并防止泥水渗入，同时支承衬砌周围的水、土压力以及使用阶段某些特殊需要的荷载，以满足结构的预期使用要求。§1衬砌形式和构造依据隧道的使用目的、地层条件以及施工方法，合理选择衬砌的强度、结构、形式和种类等。盾构隧道横断面一般有圆形、矩形、半圆型、马蹄形、椭圆形等多种型式，最常用的为圆型与矩型。在饱和含水软土地层中修建隧道，由于顶压和侧压较为接近，较有利的结构型式是选用圆形结构。（一）内部使用限界的确定隧道内轮廓的净尺寸应根据建筑限界或工艺要求并考虑曲线影响及盾构施工偏差和不均匀沉降来决定隧道轮廓尺寸1.车辆限界车辆限界是指在平、直线路上运行中的车辆达到的最大运动包迹线。在确定车辆限界的各个控制点时，除考虑车辆外轮廓横断面的尺寸外，还需考虑到制造上的公差，车轮和钢轨之间及在支承中的机械间隙、车体横向摆动和在弹簧上颤动倾斜等。2.建筑限界建筑限界是决定隧道内轮廓尺寸的依据，是在车辆限界以外一个形状类似的轮廓。任何固定的结构、设备、管线等都不得侵入这个限界以内。建筑限界由车辆限界外增加适量安全间隙来求得，其值一般为150～200mm1.可等同地承受各方向外部压力。饱和含水软土地层中顶压、侧压较为接近，更显示出圆形隧道断面的优越性；2.施工中易于盾构推进；3.便于管片的制作、拼装；4.盾构即使发生转动，对断面的利用也毫无妨碍。（二）圆型隧道断面的优点圆型隧道断面结构用于圆形隧道的拼装式管片衬砌一般由若干块组成，分块的数量由隧道直径、受力要求、运输和拼装能力等因素确定。管片类型分为标准块、邻接块和封顶块三类。管片宽度一般为300mm～2000mm，厚度为隧道外径的5%～6%，块与块、环与环之间用螺栓连接。（三）单双层衬砌的选用隧道衬砌是直接支承地层，保持规定的隧道净空，防止渗漏，同时又能承受施工荷载的结构。由管片拼装的一次衬砌和必要时在其内面灌注混凝土的二次衬砌所组成。隧道衬砌结构一次衬砌为承重结构的主体，二次衬砌主要是为了一次衬砌的补强和防止漏水与浸蚀而修筑的。由于防水或截水材料质量的提高，可以考虑省略二次衬砌，采用单层的一次衬砌，既承重又防水。对于有压的输水隧道，为了承受较大的内水压力，需做二次衬砌。1．钢筋混凝土管片1)箱形管片一般用于较大直径的隧道。单块管片重量较轻，管片本身强度不如平板形管片，特别在盾构顶力作用下易开裂。箱形管片平板形管片2)平板形管片用于较小直径的隧道，单块管片重量较重，对盾构千斤顶顶力具有较大的抵抗能力，正常运营时对隧道通风阻力较小。(一)按材料及形式分类§1.2衬砌的分类及其比较2．铸铁管片国外在饱和含水不稳定地层中修建隧道时较多采用铸铁管片。管片较轻，耐蚀性好，机械加工后管片精度高，能有效地防渗抗漏。缺点是金属消耗量大，机械加工量也大，价格昂贵。由于铸铁管片具有脆性破坏的特性，不宜用作承受冲击荷重的隧道衬砌结构。铸铁管片3．钢管片优点是重量轻、强度高。缺点是刚度小，耐锈蚀性差，需进行机械加工以满足防水要求。成本昂贵，金属消耗量大，国外在使用钢管片的同时，再在其内浇注混凝土或钢筋混凝土内衬。钢管片复合管片4．复合管片外壳采用钢板制成，在钢壳内浇注钢筋混凝土，组成一复合结构，其重量比钢筋混凝土管片轻，刚度比钢管片大，金属消耗量比钢管片小。缺点是钢板耐蚀性差，加工复杂冗繁。(二)按结构型式分类根据不同的使用要求分成箱形管片、平板形管片等几种结构型式。钢筋混凝土管片四侧都设螺栓与相邻管片连接。平板形管片在特定条件下可不设螺栓，称为砌块，砌块四侧设有不同几何形状的接缝槽口，以便砌块间和环间相互衔接起来。1.管片适用于不稳定地层内各种直径的隧道，接缝间通过螺栓予以连接。由错缝拼装的可视为一匀质刚度圆环，接缝由于设置了一排或二排的螺栓可承受较大的正、负弯矩。环缝上设置纵向螺栓，具有抵抗隧道纵向变形的能力。管片拼装进度大为降低，增加工人劳动强度，也相应地增高了施工和衬砌费用。2．砌块一般适用于含水量较少的稳定地层内。由于隧道衬砌的分块要求，使由砌块拼成的圆环(超过三块以上)成为一个不稳定的多铰圆形结构。衬砌结构在通过变形后(变形量必须予以限制)地层介质对衬砌环的约束使圆环得以稳定。砌块间以及相邻环间接缝防水、防泥必须得到满意的解决，否则会引起圆环变形量的急剧增加而导致圆环丧失稳定，形成工程事故。砌块由于在接缝上不设置螺栓，施工拼装进度可加快，隧道的施工和衬砌费用也随之而降低。(三)按形成方式分类分为装配式衬砌和挤压混凝土衬砌。装配式衬砌圆环是由分块的预制管片在盾尾拼装而成的，按照管片所在位置及拼装顺序不同可将管片划分为标准块、邻接块和封顶块。有铸铁、钢、混凝土、钢筋混凝土管片和砌块之分装配式衬砌的特点在于：1.安装后能立即承受荷载；2.管片生产工厂化，质量易于保证，管片安装机械化，方便快捷；3.其接缝处防水需要采取特别有效的措施。盾尾后现浇混凝土的挤压式衬砌工艺，即高压作用下的盾尾处刚浇捣而未硬化的混凝土作为盾尾推进的后座，盾尾在推进的过程中，不产生建筑空隙，空隙由注入的混凝土填充。挤压混凝土衬砌施工方法特点：1.自动化程度高，施工速度快；2.整体式衬砌结构可以达到理想的受力、防水要求，建成的隧道有满意的使用效果；3.采用钢纤维混凝土能提高薄形衬砌的抗裂性能；4.在渗透性较大的砂砾层中要达到防水要求尚有困难。(四)按构造型式分类可分为单层及双层衬砌两种型式。修建在饱和含水软土地层内的隧道，由于接缝防水问题，多选择双层衬砌结构，外层是装配式衬砌结构，内层是混凝土或钢筋混凝土层。双层衬砌问题：开挖断面增大，增加了出土量；施工工序复杂，延长了施工期限，导致了隧道建设成本的增加。解决单层衬砌的防水技术和使用效果，以逐步取代双层衬砌结构。外层衬砌视作一施工临时支撑结构，简化了外层衬砌的要求。在内层现浇衬砌施工前，对外层衬砌进行清理、堵漏和必要的结构构造处理，然后再浇捣内衬层，并使内层衬砌与外层村砌连成一起视作一整体结构(或近似整体结构)以共同抵抗外荷载。环宽分块封顶块形式拼装方式§1.3装配式钢筋混凝土管片根据国内外实践经验，无论是钢筋混凝土管片或金属管片，环宽一般在300～2000mm之间。环宽过小会导致接缝数量的增加，加大隧道防水的难度；环宽过大虽对防水有利，但也会使盾尾长度增长而影响盾构的灵敏度；单块管片重量也增大。(一)环宽(二)分块单线地下铁道衬砌分为6～8块，双线分为8～10块。小断面隧道可分为4～6块。少数采用4等份管片，把管片接缝设置在内力较小处，使衬砌环具有较好的刚度和强度，接缝构造也可相应得到简化。管片的最大弧、弦长一般较少超过4m，管片越薄其长度应越短。(三)封顶管片形式考虑到施工方便以及受力的需要，趋向于采用小封顶形式。封顶块的拼装形式有两种：径向楔入和纵向插入。后者封顶块受力情况较好，在受荷后，封项块不易向内滑移，但缺点是需加长盾构千斤顶行程。(四)拼装方式圆环的拼装方式：通缝、错缝所有衬砌环的纵缝环环对齐的称为通缝；而环间纵缝相互错开，犹如砖砌体一样的称为错缝。通缝拼装时为十字型式，在接缝防水上丁字缝比十字缝较易处理。圆环衬砌采用错缝拼装较普遍，其优点在于能加强圆环接缝刚度，约束接缝变形，圆环近似地可按匀质刚度考虑。当管片制作精度不够好时，采用错缝拼装形式容易管片在盾构推进过程中顶碎；另外在错缝拼装条件下，环、纵缝相交处呈丁字型式；26通缝1.甲型：环向短直螺栓、纵向为头尾相接的长螺栓2.乙型：环向单头螺栓、纵向为弯螺栓3.丙型：环向、纵向为短直螺栓错缝：A-B-A,A-B-C管片间接头纵向连接螺栓错逢拼装形式管片间的接缝（头）（下称接头）有两类：沿纵向（接头面平行于纵轴）的称纵向接头，沿环向（接头面垂直于纵轴）的称环向接头。从其力学特性可分为柔性和刚性接头；前者要求相邻管片间允许产生微小的转动与压缩，后者则是通过增加螺栓数量等手段，力图在构造上使接头刚度与构件本身相同。基本的接头结构有螺栓接头、铰接头、销插入式接头、楔形接头、榫接头等等。§1.4管片接缝（头）构造暗梢暗销接头环向螺栓弹性密封垫ΔL斜直螺栓端肋直螺栓纵径向销接头管片接缝（头）构造弯螺栓29常规的螺栓或销钉管片安装成型后隧道滑动式销钉管片安装后隧道传统的螺栓或销钉管片内侧完全光滑型・单向接触组装的管片的构造（滑动式销钉管片）滑动式销钉（C型金属构件）滑动式销钉ー（T型金属构件）滑动式销钉管片快速接头（一）纵肋对钢管片和钢筋混凝土箱型管片，纵肋配置必须保证千斤顶推力均匀传递。钢制管片上，纵肋必须考虑等间隔配置，其数量至少要按2条纵肋支承1块压力垫的比例配置，否则不可能均匀传递千斤顶推力。对箱型管片，纵肋的配置方法应和钢制管片的一样，其数量一般和盾构千斤顶数量相同。§1.5其它构造（二）注浆孔为均匀注浆，通常每个管片上设置一个或一个以上注浆孔。由于注浆孔数量的增加会增加可能的渗漏水通道，且目前广泛采用盾尾同步壁后注浆方式，管片上的注浆孔往往用作二次注浆。因而，国内采用较多的是每个管片上仅设置一个注浆孔。注浆孔直径须依据使用的注浆材料确定，一般采用内径50mm左右。（三）起吊环必须考虑设置起吊环。混凝土平板型管片和球墨铸铁管片大多将壁后注浆孔同时兼作起吊环使用，而钢管片则需另设置起吊配件。隧道衬砌结构设计必须满足两个基本要求：满足施工及使用阶段结构强度、刚度的要求，承受诸如水、土压力及一些特殊使用要求的外荷载；满足使用功能要求的环境条件，保持隧道内部的干燥和洁净，特别是在饱和含水软土地层中采用装配式钢筋混凝土管片结构时对衬砌防水的措施。§2衬砌圆环内力计算按照强度、变形、裂缝限制等需要分别验算。确定衬砌结构的几个工作阶段——施工荷载阶段，基本使用荷载阶段和特殊荷载阶段，提出各个工作阶段的荷载和安全质量指标要求(衬砌裂缝宽度，接缝变形和直径变形的允许量，隧道抗渗防漏指标，结构安全度，衬砌内表面平整度要求等)，进行各个工作阶段和组合工作阶段的结构验算。§2.1钢筋混凝土管片的设计要求和方法荷载—结构法和地层—结构法：下面着重介绍荷载—结构法。荷载—结构法：三要素（荷载模式，结构模型，结构与地层共同作用）荷载模式：浅埋与深埋、水土合算和分算结构模型:(1)饱和含水地层中，常采用匀质(等刚度)圆环计算方法。(2)在不稳定地层中，多铰圆环结构(铰的数量大于8个)处于结构不稳定状态。(3)在稳定地层中，衬砌环按多铰圆环计算是十分经济合理的。对圆环变形量要有一定的限制，并对施工要求提出必要的技术措施。结构与地层共同作用：全周模式和局部模式§2.2结构计算方法的选择荷载分类基本荷载附加荷载特殊荷载1.地层压力2.水压力3.自重4.上覆荷载的影响5.地基抗力1.内部荷载2.施工荷载3.地震的影响1.平行配置隧道的影响2.接近施工的影响3.其他§3荷载的确定土压力土压力土压力水压力地基反力水压力水压力土压力水压力地基反力超载荷载分析图计算工况荷载种类荷载组合系数第一组合施工阶段第二组合运行阶段第三组合地震验算地