地下结构设计--地铁盾构隧道设计-(1)

二.盾构机选型一.盾构简介三.地铁盾构结构设计四.附属结构设计五.盾构隧道防水设计六.地铁盾构设计重难点一.盾构简介•盾构法施工的概念–使用盾构机，一边保持开挖面及围岩稳定，一边进行隧道掘进、出渣，并在盾尾内拼装管片形成衬砌，及时实施注浆，尽可能不扰动围岩条件下修建隧道的方法。•第一条盾构隧道–1818年，法国的布鲁诺尔(M.I.Brune1)，最早提出了用盾构法建设隧道的设想，并在英国取得了专利。–1825年，他第一次在伦敦泰晤河下开始用一个断面高6.8m、宽11.4m的矩形盾构修建隧道。–1843年，经过18年施工，完成了全长458m的第一条盾构法隧道。•盾构经过四代发展一.盾构简介1818～1880年敞口式手掘盾构一.盾构简介1880～1960年机械式盾构、气压式盾构一.盾构简介1960～1980年闭胸式盾构一.盾构简介1980～至今大断面，大深度，长距离，高速化；断面的多样化；一.盾构简介一.盾构简介——盾构优点•盾构施工优点–地面作业少，隐蔽性好，因噪音、振动引起的环境影响小。–自动化程度高、劳动强度低、施工速度快；–因隧道衬砌属工厂预制，质量有保证；–穿越地面建筑群和地下管线密集的区域时，周围受施工影响小；–对于地质复杂、含水量大、围岩软弱的地层可确保施工安全；–在费用和技术难度上不受覆土深度影响。一.盾构简介——盾构缺点•盾构施工缺点–一次性投入大，施工设备费用较高；–覆土较浅时，地表沉降较难控制；–用于施作小曲率半径（R＜20D）隧道时掘进较困难。一.盾构简介——盾构组成刀盘盾体后配套设备前盾中盾尾盾配套台车、管片运输设备、出土设备、注浆系统、监控系统等。二.盾构机选型•盾构机的选型及设计–工程在前期准备时最重要的工作•盾构机选型考虑因素–地层土质条件–断面大小–线路周边环境–排土方式•地铁盾构常用的机型–泥水平衡盾构–土压平衡盾构二.盾构机选型泥水平衡式盾构土压平衡式盾构二.盾构机选型——泥水平衡式盾构二.盾构机选型——土压平衡式盾构二.盾构机选型泥水平衡式盾构土压平衡式盾构比较项目二.盾构机选型——土层地质粉细砂卵石层粗砂砾层中细砂砾层粉细砾层粗砂泥砂粘土地层渗透性与盾构选型-10泥水盾构土压平衡盾构透水系数(m/s)-1-10-1-10-2-10-3-10-4-10-5-10-6-10-7-10-8-10-9-10-10三.地铁盾构结构设计主要设计原则抗震设防烈度：６度，结构设计按7度采取构造处理措施结构设计使用年限：100年结构的安全等级：一级消防要求：联络通道设置间距，沿隧道纵向方向不大于600m抗浮安全系数：不考虑侧摩阻力时，大于等于1.1三.地铁盾构结构设计——设计原则•单管大洞方案–内径10米，外径11米；•双管小洞方案–内径5.4米，外径6.0米；三.地铁盾构结构设计——断面方案•管片类型–钢管片–钢筋混凝土管片三.地铁盾构结构设计——管片结构•衬砌环形式–普通环•左转弯环+直线环+右转弯环–通用环•一种楔形环管片的不同角度的旋转拟合线路三.地铁盾构结构设计——管片结构•管片拼装形式–通缝拼装•拼装难度小，衬砌空间刚度稍差。–错缝拼装•接缝刚度分布均匀，整体性较好，管片精度要求高，拼装难度较大。三.地铁盾构结构设计——管片结构•管片接缝连接–弯螺栓连接–斜螺栓连接–直螺栓连接三.地铁盾构结构设计——管片结构管片环宽１.5m；外径6.0m管片楔形量45mm；C50通用环管片；管片厚度300mm；管片分6块，5+1模式，小封顶三.地铁盾构结构设计——管片结构•武汉地铁管片三.地铁盾构结构设计——衬砌内力分析•地层－结构法（有限元法）–二维平面分析–三维空间分析•荷载－结构法–弹性均质圆环法–弹性铰接圆环法–日本修正惯用法侧向水土压力基底竖向反力侧向水土压力自重垂直水土压力地面超载侧向水土压力基底竖向反力侧向水土压力自重垂直水土压力地面超载弹性铰二维平面分析三维空间分析弹性均质圆环法弹性铰接圆环法三.地铁盾构结构设计——衬砌内力分析•日本修正惯用法–考虑管片接头影响，进行刚度折减后按均质圆环进行计算；–地层抗力按三角形抗力考虑；–计算结果考虑管片环间错缝拼装影响进行内力调整。管片内力Mg：计算的弯矩为（1+ξ）M，轴力为N；接头内力Mf：计算的弯矩为（1-ξ）M，轴力为N；ξ：弯距调整系数，一般取0.3～0.5。三.地铁盾构结构设计——衬砌内力分析•计算结果示意1010/tan0/tan011)1(tan)/(BHKBHKvepeKBcB)22/4/cot(01RB三.地铁盾构结构设计——衬砌内力分析•土压力计算–土柱理论（H2D）–压力拱理论（太沙基，普氏）（H=2D）三.地铁盾构结构设计——变形分析•地面变形阶段–分五个阶段三.地铁盾构结构设计——变形分析•地面变形机理阶段沉降类型主要原因一初始沉降地下水位降低,二开挖面前方隆陷隆起:盾构机推力过大沉降:盾构机推力过小出碴过量三盾构通过时地沉降施工震动扰动,剪切错动四盾尾沉降土体失去盾构支撑,管片壁后注浆不及时五固结沉降土体后续时效变形三.地铁盾构结构设计——变形分析•地面变形计算–Peck公式–数值计算•有限元法、有限差分法进行隧道开挖施工过程模拟分析•应用于盾构施工对周边构筑物影响分析。三.地铁盾构结构设计——变形分析•施工对周边构筑物影响–桥梁、民建桩基础•桩顶位移小于6mm–铁路•任意10m范围内的最大沉降差≤5mm。•铁路两条钢轨间的横向高差≤4mm–地下车行、人行通道•变形控制：-20~+10mm–敏感构筑物•相关规范的允许范围–地下管线•相关规范的允许范围地铁8号线穿越竹叶山高架立交桥桩地铁8号线下穿友谊大道通道地铁8号线下穿徐东平价人行通道三.地铁盾构结构设计——变形分析•变形控制–盾构施工控制•严格控制开挖面的出土量•提高施工的速度和连续性•及时同步注浆,缩短衬砌脱出盾尾的暴露时间–地层改良•高压旋喷桩、搅拌桩、灌浆•隔离桩四.隧道附属结构设计四.附属结构设计——工作井•工作井–盾构始发–盾构接受–盾构调头–盾构过站•站内过站、站外过站四.附属结构设计——工作井•洞门密封–洞圈与盾构外径有一定的间隙–防止盾构出洞时及施工期间土体及浆液从该间隙中流失–在洞圈周围安装由橡胶帘布、扇形压板等组成的密封装置。四.附属结构设计•端头加固–目的•控制地下水压力•防止盾构掘进时由超挖而引起的土砂流入。–方式•高压旋喷桩、搅拌桩、灌浆——工作井四.附属结构设计——联络通道•联络通道设置–距离•间距不大于600m–方式•独立联络通道•联络通道与泵房合建四.附属结构设计——联络通道•特殊衬砌环–特殊钢管片•局部拆除–钢筋混凝土管片•局部切割•采用特殊的配筋设计四.附属结构设计——联络通道•施工方法–矿山法施工–地基加固•冻结法•高压旋喷•地面注浆五.盾构隧道防水设计五.盾构隧道防水设计——设计原则标准•设计原则–以防为主，刚柔结合，多道设防，因地制宜，综合治理。–以结构自防水为主，关键处理好环纵缝的防水。•设计标准–结构防水等级为二级五.盾构隧道防水设计——防水设计•管片自防水–混凝土等级为C50，抗渗等级≥P10。•接缝防水–海绵橡胶–弹性密封垫–嵌缝（聚硫密封胶）•螺栓孔的防水–采用遇水膨胀橡胶密封圈海绵橡胶嵌缝弹性密封垫六.地铁盾构设计重难点六.地铁盾构设计重难点•注重与线路专业协调沟通–平面设计避绕构筑物–纵面设计地质选线最低点控制•盾构始发、接收–工作井洞门破除端头加固–临时防水掌子面稳定•联络通道–与盾构隧道连接节点–加固方案•施工配合–增强现场分析解决问题的能力