第6章盾构法隧道结构.

第6章盾构法隧道结构衬砌形式和构造衬砌圆环内力计算盾构法隧道衬砌的结构设计隧道防水及其综合处理算例盾构机矩形盾构机盾构进洞盾构衬砌6.1衬砌形式和构造衬砌断面形式和构造盾构隧道横断面一般由圆形、矩形、半圆形、马蹄形等，衬砌最常用的断面形式为圆形与矩形。内部使用限界的确定a.车辆限界•车辆限界是指在平、直线路上运行中的车辆，可能达到的最大运动包迹线。•确定车辆限界的各个控制点，要考虑车辆外轮廓横断面的尺寸以及制造上的公差，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。b.建筑限界圆形隧道断面的优点与组成•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。•由车辆限界外增加适量安全间隙来求得，一般为150~200mm。•受力性能合理•易于盾构推进•便于管片的制作、拼装衬砌的类型按材料及形式分类a.装配式钢筋混凝土管片•箱型管片——用于较大直径的隧道。•平板形管片——用于较小直径的隧道b.铸铁管片国外在饱和含水不稳定地层中修建隧道时多采用铸铁管片。不宜用做承受冲击荷载的隧道衬砌结构。c.钢管片重量轻，强度高，但刚度小，耐锈蚀性差，需进行机械加工以满足防水要求，金属消耗量大，成本昂贵。d.复合管片外壳采用钢板制成，在钢壳内浇筑钢筋混凝土。重量轻；刚度大，金属消耗量小；耐蚀性差，加工复杂。装配式钢筋混凝土管片环宽•一般在300~2000mm之间，常用的是750~900mm。•环宽过小导致接缝数量的增加进而加大隧道防水的困难。•环宽过大会使盾尾长度增长而影响盾构的灵敏度。隧道外径（m）D外33D外6D外6锥度（mm）15~3020~4030~50隧道外径与管片环宽锥度的经验值厚度•直径为6.0m以下的隧道，管片厚度约为250~350mm•直径为6.0m以上的隧道，管片厚度约为350~600mm。装配式钢筋混凝土管片分块单线地下铁道衬砌一般分成6~8块，双线的分为8~10块，小断面分为4~6块。拼装形式•圆环的拼装形式：通缝、错缝。•错缝拼装，加强圆环接缝刚度，约束接缝变形。管片接头类型•从力学性质看可分为：柔性接头、刚性接头•管片间的接头分两类：纵向接头、环向接头利用螺栓将接头板紧固起来，将管片环组装起来的抗拉连接结构。弯螺栓连接形式直螺栓连接形式螺栓接头•直螺栓受力性能好、效果显著、加工简单、但扩大了螺栓手孔尺寸，影响了管片承受盾构千斤顶顶力的承载能力。•弯螺栓能较少的影响管片的纵向承受能力，但其对抵抗圆环横向内力的结构效能差，且加工麻烦。铰接头作为多铰环的环向接头，一般为转向接头结构。几乎不产生弯曲，轴向压力占主导地位，在良好地基条件下是一种合理的结构。销插入型接头接头也可做环向接头来使用，但主要作为纵向接头使用。在结构上的作用是加强了构件的链接，防止接头两边相对错动，承担接头上的剪力。楔形接头环向和纵向接头都可使用的结构，利用楔作用将管片拉合紧固的接头。榫接头主要作为纵向接头使用的结构。接头部分设有凹凸，通过凹凸部位的啮合作用进行的力传递。传送带轴向接头面.榫接部接头螺栓孔榫接部分配带分配带开挖面端塑料预埋栓接头螺栓周向接头面.塑料预埋栓接头螺栓隧道口端6.2衬砌圆环内力计算荷载计算•荷载的类型•荷载的计算结构内力计算•均匀圆环法计算•日本惯用修正法修正荷载的类型基本荷载1.地层压力2.水压力3.自重4.上覆荷载的影响5.地基抗力附加荷载1.内部荷载2.施工荷载3.地震的影响特殊荷载1.平行配置隧道的影响2.接近施工的影响3.其他•基本荷载是设计时必须考虑的荷载。•附加荷载是施工中或竣工后作用的荷载，根据隧道的使用目的，施工条件以及周围环境进行考虑的荷载。•特殊荷载是根据围岩条件、隧道的使用条件所必须特殊考虑的荷载。荷载分类基本使用阶段荷载简图1自重hg3/25mkNh一般采用：2拱背土压2243.0412HHRRGtanexptanexp1tan/0000BhqBhBcBp3竖向土压•软粘土中按计算较为合适。hniiihq11[cos(/4/2)sin(/4/2)tan(/4/2)tan(/4/2)]HBR•在砂土等抗剪强度较大的地层内，且隧道埋深超过隧道衬砌的外径时，按“松动高度”理论进行进算。5侧向均匀主动土压245tan2245tan1cqp4地面超载一般取2/20mkN6侧向三角形主动土压245tan222HRp8拱底反力压wHHRRRgqP22146.04421045.0242HHkREIRqppqy7侧向土壤抗力)/(2mkNykpk8.0~25.0一般取地层基床系数值土的种类k（kN/m³）土的种类k（kN/m³）固结密实黏性土极坚实砂质土30000~50000中等黏性土松散砂质土软弱黏性土非常软黏性土5000~100000~100000~50000密实砂质土硬黏性土10000~30000水土分算时不用考虑9水压力（1）水土分算2(1cos)wHpR1①按静水压力计算②按水平与垂直水压力计算9水压力（2）水土合算采用水土合算法，计算其他荷载时，地下水位以下的土体的重度应采用饱和重度，不再单独计算水压力。施工阶段1千斤顶推力盾构千斤顶施加在环缝面上，特别是千斤顶顶力存在偏心状态时，极易使管片开裂和顶碎。衬砌环受力KFP/2壁后注浆压力在向盾尾管片与围岩间隙注浆时，注浆压力在管片注浆孔周边将形成一个临时作用的偏心荷载，在此荷载作用下容易使管片发生变形甚至破坏。施工时的注浆压力一般为0.1～0.3MPa。施工阶段3管片拼装管片制作精度不高，环面接触不平，在拧紧螺栓时，使管片局部出现应力集中，导致管片开裂和存在局部内应力。4其他施工荷载后配套拖车自重的影响、整圆器等推进油缸荷载、刀盘旋转力的影响、盾构形式及开挖面的各种设备等，有时渣车及管片运输车的荷载也会对管片产生影响。衬砌内力计算方法按自由变形均质圆环计算内力荷载分布图按日本修正惯用法进行修正计算简图将圆环近似地认为是均质刚性圆环,为二次超静定结构。Pe2Pe1PkX1P=1gqe12XX21XfP11121210PXX12122220PXX力法方程：按自由变形均质圆环计算内力衬砌内力计算方法弯矩以衬砌环内侧受拉为正，外侧受拉为负；轴力以衬砌环受压为正，受拉为负。将各个荷载分别作用力法的基本结构上，求出，带入力法典型方程，求出。可以得到这种荷载作用下的在基本结构上的分布。11122212,,,,PP12,XX,MN将各个荷载的进行叠加，获得总的内力分布图。各个荷载的内力分布见下表。,MN荷重截面位置内力PM（α）N（α）自重G上荷重q底部反力PR水压均布荷载P1侧压P2cos5.0sinHgRcos106.0sin2HqRcos106.0sinHqR断面内力系数表cos106.0HRRPcos10.0sinsin2HRRPHRRHsin52.0cos25.012cos1HRP)cos25.0cos5.0063.0(cos22HRP~02~0~22~0~2~0~0~0agRHsincos5.01222sin5.0cos106.0193.0HqRsincos106.0693.02HqRcos106.0057.02HRPR)sin5.0cos106.0sin443.0(22HRPRsin52.0cos25.05.02HR221cos5.025.0HRP)125.0cos063.0cos083.0sin25.0(3222HRP内力MNQ40242)cos3536.02346.0(HKRPHKRPcos3536.0HKRPsin3536.0232)cos2357.0cos5.03487.0(HRPKHKRP)cossin707.0coscos707.0(22HKRP)cossin707.0cos(sin2PK引起的圆环内力表•将由PK引起的圆环内力和其他衬砌外荷引起的圆环内力叠加，得到最终的圆环内力。日本修正惯用法修正考虑接头的影响主要通过假定弯矩传递的比例来实现。错缝拼装弯矩传递及分配示意图将衬砌环按均质圆环计算，取圆环抗弯刚度为。EIMMj)1(接头处内力：NNj管片：MMs)1(NNs8.06.05.03.0若管片内无接头，0,1课堂练习题某地铁隧道埋深18.6m，隧道两侧土壤介质的容重γ=19kN/m2，内摩擦角φ=12.5°，粘聚力c=20kPa，有地下水影响，地下水位距地面4m。预采用盾构法进行设计施工。每环采用8块等长管片，管片厚350mm，宽900mm。隧道内径为10m。采用均匀圆环并结合惯用修正法计算衬砌内力6.3盾构法隧道衬砌的结构设计管片断面设计：A.配筋计算B.裂缝验算纵向接头设计A.接缝张开验算B.接头强度计算环向接头设计A.配筋计算从内力分析结果可知，盾构隧道衬砌管片一般为偏心受压构件，可以按照压弯构件进行截面配筋计算。设计过程如下：①根据不同阶段，进行最不利荷载组合；②根据内力计算结果，选出危险截面进行配筋计算；③针对每个管片，按照钢筋混凝土偏心受压构件的配筋计算方法及《混凝土结构设计规范》GB50010-2002进行管片的配筋计算。管片断面设计0ckpc00kkckMNWA严格要求不出现裂缝：一般要求不出现裂缝：允许出现裂缝：ckpctkfmaxlim盾构构件处于地下水的环境中，不允许出现裂缝，一般采用一或二级验算标准。为混凝土轴心受拉强度标准值，扣除全部预应力损失后抗裂验算边缘的混凝土的预压应力。tkfpcB.裂缝验算根据《混凝土结构设计规范》规定了三种级别的裂缝验算标准：纵向接缝中环向螺栓位置a的设置如图。在设有双排螺栓时，内外排螺栓孔的位置离管片内外侧部小于100mm，而当仅设有单排螺栓时，则螺栓孔位置大致为管片厚度的1/3处。纵向接缝计算纵向接缝计算在基本使用荷载阶段需分别进行接缝变形及接缝强度计算。在基本使用荷载和特殊荷载组合阶段需进行接缝强度计算。A.接缝张开破坏1cFNMFeAW接头的受力状态图10c管片外侧不会张开B.螺栓受拉破坏。螺栓先达到屈服，截面的受压区逐渐减少，导致受压区混凝土压坏，属大偏心受压破坏C.混凝土受压破坏。接头的破坏是由于受压区混凝土达到抗压强度，属小偏心受压破坏1.判断大小偏心，确定破坏形式纵向接缝强度计算简图0NM0()02wggxRbxehARewggbReRAehehx2200计算中和轴：其中：ahee2000.55,xh属于大偏心受压:0WRM00.55,xh属于小偏心受压:222000xhRAxheKNgge002220NexhNxhRAKgge0gAMNeRbhKa2055.00eKK或在基本使用荷载阶段要满足不小于1.55的要求。2.计算安全系数环向接头设计环向接头承受的主要荷载包括：①隧道的差异沉降②相邻环施加的剪应力③隧道轴线方向的不均匀伸长或压缩造成对接头的拉/压应力环由于荷载不易确定，计算复杂，环向接头采用与纵向接头连接螺栓同等性能的螺栓，有时取直径略小一些、强度等级低一点的螺栓6.4隧道防水及其综合处理需从管片生产工艺、衬砌结构设计、接缝防水材料等几个方面进行综合处理，