水下盾构法隧道管片设计、制作与拼装

水下盾构法隧道管片设计制作与拼装张迪([e-mail])第八届管片年会交流汇报材料绪论开通及在建地铁的城市多达30多个，地铁区间隧道大部分都采用了盾构法施工。同时越来越多的城市核心区隧道及穿江越海隧道采用了盾构法隧道，随着21世纪地下空间开发时代的发展，盾构法隧道已得到越来越广泛的应用。目录一、水下盾构法隧道及其管片的特点二、水下盾构法隧道管片设计三、水下盾构法隧道管片制作四、管片拼装与缺陷修补五、结束语一、水下盾构法隧道及其管片的特点水下盾构法隧道相对地铁等陆上隧道来说，通常具有以下特点：1、埋深大2、水压高3、道路盾构法隧道断面大（建成的15m外径，在建的17m外径）4、河底对沉降的要求不高一、水下盾构法隧道及其管片的特点水下盾构法隧道管片对应具有以下特点：1、管片承载力要求强（用到C60砼）2、抗渗性要求高（0.65MPa或更高水压，抗渗性要求高P12）3、单块重量大（建成的15m外径，重达16T，在建的17m外径）4、一般不再设置二次注浆孔一、水下盾构法隧道及其管片的特点从材质来说：有铸铁的、钢的、钢筋混凝土的、钢纤维混凝土的，从结构形式来说：有箱型、平板型…从曲线拟合来说：有通用楔形、左右楔形、标准+左右楔形目前国内用得比较多的是平板型钢筋混凝土管片，特殊地段加钢纤维，大直径盾构隧道大多采用通用楔形环，联络通道局部会用到钢管片。目录一、水下盾构法隧道及其管片的特点二、水下盾构法隧道管片设计三、水下盾构法隧道管片制作四、水下盾构法隧道管片拼装五、管片缺陷修补与加强六、结束语二、水下盾构法隧道管片设计目前水下盾构法隧道，国内大多为单圆隧道，直径从3m至15m左右不等，香港屯门隧道外径达到了17m。管片厚度从25cm到70cm不等。二、水下盾构法隧道管片设计1、总体步骤：确定内净空衬砌厚度、环宽及楔形量分块方案连接方式接缝构造连接构造2、确定内净空（1）建筑限界：铁路、城际、地铁、道路隧道（2）内净空与限界之间的富裕量（软土径向一般预留15cm，硬土卵石层等可预留小些）1）施工误差2）隧道衬砌变形3）后期变形（沉降或隆起）通常直径6m以下称为小盾构，6m-10m为中盾构，10-14m为大盾构，14m以上则为超大直径盾构，目前建成的最大直径盾构为上海长江隧道与钱江隧道，外径15m，大陆在建最大的为武汉三阳路隧道，15.2m,公铁两用；世界最大为17m的香港屯门隧道。二、水下盾构法隧道管片设计3、衬砌型式及厚度（1）单层衬砌和双层衬砌的选择一般地铁隧道、过江隧道均为单层管片衬砌，但对于铁路通行货车的水底隧道（钱塘江越江隧道）、高地震烈度的水底隧道（如日本东京湾水底隧道）、对内表面光滑度要求或防水要求高的水底隧道（穿黄河输水隧道）则考虑为双层衬砌，内衬现浇钢筋混凝土。二、水下盾构法隧道管片设计3、衬砌型式及厚度（2）衬砌厚度选择1）衬砌管片厚度取值4～6%D，地铁区间隧道一般为4.5～5.6%D;大直径隧道相对厚度较小，一般为4～5%D。也有个别隧道达到7%D（青草沙水源地输水隧道，外径6.4m）2）二次衬砌厚度150mm～350mm。衬砌厚度的选择与地质条件、荷载条件密切相关，但更多情况下是经验取值，经计算确定。二、水下盾构法隧道管片设计二、水下盾构法隧道管片设计4、管片环宽及楔形量（1）管片环宽主要与隧道直径、最小曲线半径相关，对于直径6～10m的隧道，原来环宽取值多为1.0～1.6m,随着盾构技术的发展，环宽有增大趋势。目前直径6m隧道环宽1.2m、1.5m，直径10m及以上隧道环宽多为1.5～2.0m。（2）管片楔形量与隧道外径、环宽、最小曲线半径直接相关：Δ=BD/R最小半径R的确定需要考虑管片模具的再利用、掘进纠偏的需要。二、水下盾构法隧道管片设计5、管片分块分块太多——接缝多、防水材料消耗多、施工速度慢分块太少——管片制作、运输、拼装难度大，受力条件差一般做法：直径6-8m隧道，分块6～7块；直径9-13m隧道，分块8～9；直径14-15m隧道，分块10～11块封顶块：1/3封顶、1/2封顶、等分二、水下盾构法隧道管片设计采用错缝拼装的隧道，封顶块的选择还需要考虑如何实现错缝。1/2分块方案错缝拼装示意图等分方案错缝拼装示意图二、水下盾构法隧道管片设计6、连接方式及吊装方式单点吊装真空吸盘吊装二、水下盾构法隧道管片设计6、连接方式及吊装方式弯螺栓连接型式图直螺连接型式图斜螺栓连接型式图大直径盾构管片通常采用斜螺栓中小直径的为弯螺栓对抗震要求比较高的采用直螺栓二、水下盾构法隧道管片设计7、接缝构造接缝要考虑弹性密封垫止水带单道防水，或附加遇水膨胀止水条，内侧引排水和嵌缝，外侧挡水条。从受力角度，要考虑纵环缝根据地质条件及抗不均匀沉降的需要，是否设置榫槽，是全缝面设置、局部设置还是设置抗剪切件。同时接缝构造要考虑盾构千斤顶的位置及局部荷载的抗力要求。7、连接构造设计中注意手孔及螺栓孔细部尺寸及角度的设计——可脱模。二、水下盾构法隧道管片设计8、管片配筋管片配筋除根据环向受力计算配置钢筋外，还要考虑手孔、角部、端面、箍筋、分布筋的布置。个人最近从有些管片施工中的破损角度来看，对管片分布筋的布置偏弱，有待加强。需要指出的争议点是：对于直径10mm以下的箍筋，部分厂家采用焊接封闭成环是不符和焊接规范的，建议还是135°弯钩。二、水下盾构法隧道管片设计8、管片配筋对于荷载较大的钢筋混凝土管片，为控制裂缝发展宽度，必要是可采用钢筋钢纤维（聚丙烯纤维复合管片）。二、水下盾构法隧道管片设计9、管片防水及耐久性设计管片防水及耐久性设计应给出水压条件下的抗渗等级，地铁一般为C50P10，一般要求抗渗透能力不低于2倍的实际水压，地铁规范要求检漏水压是实际水压的3倍。据了解目前水下隧道管片等级最高C60P12。二、水下盾构法隧道管片设计10、管片计算鉴于水下隧道的重要性，采用修正惯用法为主，梁-弹簧模型为辅的计算，并将二者的内力进行包络后进行配筋，并核算结构变形。此外还要进行整体抗震设计。二、水下盾构法隧道管片设计OiM=K~O接缝回转弹簧K1切向剪切弹簧K3径向剪切弹簧K2C环B环(目标环)A环地基弹簧2eqqW2qW11qe荷载反力自重反力水压土压1pepW1水压压土2eeqq1gwW2qW1q2pgp0HDp目录一、水下盾构法隧道及其管片的特点二、水下盾构法隧道管片设计三、水下盾构法隧道管片制作四、管片拼装缺陷修补五、结束语1、建立工艺流程布置合理，高效制作的管片厂办公区外，要考虑：砂、石料堆放、钢筋堆放及加工区钢筋笼制作区混凝土拌合浇筑钢模堆放区（与蒸养区一起）水养池区成品堆放区三、水下盾构法隧道管片制作2、原材料的控制选用洁净符合要求的河沙，机制砂原则不用，更不能用海沙。氯离子的控制（按耐久性规范执行）碱含量控制（按耐久性规范执行）堆场的原材料要防止二次污染三、水下盾构法隧道管片制作3、高精度钢模精度符合要求（内外弧长、厚度、半径、螺栓孔误差等）要有足够的刚度，不宜变形操作方便（合拢、脱模）耐久性要好，能满足循环次数要求。三、水下盾构法隧道管片制作4、钢筋笼的制安精度符合要求（必须在钢筋胎模里制作）严格控制钢筋保护层厚度不足（厚50mm保护层)预埋件及预留孔洞定位准确如有预埋滑槽的定位三、水下盾构法隧道管片制作5、高强混凝土的配置与浇筑高强混凝土配合比设计：水、砂子、石骨料、粉煤灰、石粉、减水剂等。配合比设计中尤其关注原材料含水率的变化，同时过多的惰性材料加入，虽能满足混凝土强度、抗渗透性要求，但对混凝土收缩等控制不利，管片生产均是现场浇筑混凝土，建议混凝土塌落度在满足要求的条件下取低值。控制混凝土入模温度，冬季、夏季施工要有针对性措施。浇筑与振捣（欠与过均不合规，试验确定）。三、水下盾构法隧道管片制作6、高强混凝土的养护浇筑后的混凝土根据外部混凝土表面与外部温差的变化，选择覆膜、蒸汽养护，保证混凝土不出现裂缝。混凝土浇筑完成4-6h蒸汽升温养护，分静停、升温、恒温、降温阶段，升温时间2-3h，速度不大于15°C/H,，降温速度不大于10°C/H,恒温时间约1.5h温度不宜超过60°C，最高65°C。达到设计要求的脱模强度后按脱模顺序脱模、吊装。水养池进行后续养护，需注意的是管片与水温温差不超过20°C,保养中也应观测水温。三、水下盾构法隧道管片制作7、管片存放与运输管片做好标识后必须分层堆放，中间设置软木，水平堆放层数原则不超过五层，竖向堆放经核算原则不超过3层。管片的起吊与运输均应有专用器具，平稳轻缓，防止碰伤管片。三、水下盾构法隧道管片制作8、管片的检测试拼装整体检测：一般进行三环试拼装，对超重管片也可以二次二环拼装试验。渗水性检测：根据管片验收规范及设计要求进行。钢筋保护层厚度的检测单环抗弯能力检测三、水下盾构法隧道管片制作目录一、水下盾构法隧道及其管片的特点二、水下盾构法隧道管片设计三、水下盾构法隧道管片制作四、管片拼装与缺陷修补五、结束语四、管片拼装与缺陷修补1、管片拼装水下盾构尤其是大直径过江隧道大多选用泥水平衡盾构已策安全，对于地铁等中小直径在粘土地层中为主的隧道也采用土压平衡盾构机械。管片拼装机械多采用真空吸盘机。管片拼装要切实保证好盾构的拼装姿态、同步注浆浆液的比重、管片错台、螺栓对孔精度（尤其斜螺栓）等，避免造成管片破损。2、管片缺陷修补分情况进行修补、加强局部裂缝——针注环氧砂浆等；蜂窝麻面——抹高强水泥砂浆和环氧水泥砂浆；局部破碎——清除碎块，高强水泥砂浆和环氧水泥砂浆充填。整环变形大——内衬贴钢环。四、管片拼装与缺陷修补目录一、水下盾构法隧道及其管片的特点二、水下盾构法隧道管片设计三、水下盾构法隧道管片制作四、管片拼装与缺陷修补五、结束语1、展望盾构管片发展的未来，技术总是在进步，如管片预埋槽技术起自深圳地铁9号线，现在在兰州、上海等地铁已得到应用，还有长沙、徐州、青岛、杭州等城市拟应用。2、复合材料等材质管片钢筋混凝土纤维管片、纯纤维混凝土管片…3、多种形式的管片双圆盾构管片进一步发展，矩形盾构管片在宁波地铁已开始应用，六边形等其它形式4、盾构管片配件可适应管片误差的预埋套管、更好的止水带………五、结束语谢谢各位关注！THANKS！