地下結構工程-盾構襯砌結構ppt課件

1、東南大學遠程教育地地 下下 結結 構構 工工 程程主講教師主講教師 ： 穆保崗穆保崗第06章6 盾構襯砌構造盾構襯砌構造n 本章引見盾構構造和分類，盾構推進及襯砌拼裝;n圓形襯砌構造、內(nèi)力計算與管片構造設計，要求了解盾構隧道的功能和適用環(huán)境。n掌握圓形襯砌構造設計方法和構造要求。 6.1 概述概述n盾構shield是一種鋼制的活動防護安裝或活動支撐，是經(jīng)過脆弱含水層，特別是河底、海底，以及城市居民區(qū)建筑隧道的一種機械。n頭部可以平安地開挖地層 ,尾部可以裝配預制管片或砌塊，迅速地拼裝成隧道永久襯砌。n盾構推進主要依托盾構內(nèi)部設置的千斤頂。 適用條件n在松軟含水地層中建筑隧道、水底隧道及地下鐵道

2、時采用各種不同方式的盾構施工最有意義，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， 盾構隧道的歷史n用盾構法建筑隧道開場于1818年 ，法國工程師布魯諾爾；n1825年在英國泰晤士河下初次用矩形盾構建造隧道 ；n近代，日本盾構法得到了迅速開展，用途越來越廣，并研制了大量新型盾構；n我國于1957年北京下水道工程中初次出現(xiàn)2.6m小盾構 ； n上海市延安東路過江道路隧道運用11.0 m直徑的大盾構； 隧道剖面圖1-進風道；2-進風口；3-排風口；4-排風道；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

3、水管；13-給水管；14-縱向螺栓；15-環(huán)向螺栓按外形分類 n大致有圓形又稱半盾構、矩形、馬蹄形等幾種。n圓形因其抵抗水土壓力較理想，襯砌拼裝簡便，構件可以互換，較為通用，數(shù)量最多。n圓形盾構中，敞胸盾構和閉胸盾構兩大類。 6.2 盾構構造和分類盾構構造和分類6.2.1 盾構的根本構造盾構的根本構造1-1 (切口環(huán))；2-2 (支承環(huán))；3-3 (縱剖面)通常由盾構殼體、推進系統(tǒng)、拼裝系統(tǒng)、出土系統(tǒng)等四大部分組成。1盾構殼體n盾構殼體由切口環(huán)、支承環(huán)、盾尾與豎直隔板、程度隔板組成，并由外殼鋼板連成整體。n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。 n包容各種專門的挖土設

4、備。 n支承環(huán)：接受荷重的中心部分，剛性較好的圓環(huán)構造。n程度隔板和豎直隔板：添加盾構剛度 ，程度接受拉力，豎直接受壓力。n盾尾：掩護工人在其內(nèi)部安裝襯砌。2推進系統(tǒng)n由盾構千斤頂和液壓設備組成 ，上下左右活塞桿伸出長度不同到達糾偏目的。n盾構千斤頂普通是沿支承環(huán)圓周均勻分布的 ；3拼裝系統(tǒng)n襯砌拼裝器又稱舉重臂，是拼裝系統(tǒng)的主要設備，以油壓系統(tǒng)為動力，普通舉重臂均安裝在支承環(huán)上。n舉重臂能作旋轉(zhuǎn)、徑向運動，還能沿隧道中軸線作往復運動。n完成這些運動的精度應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。4出土系統(tǒng)n出土方式普通有三種 ：n1有軌運輸：皮帶運輸機礦車洞口垂直

5、起吊至地面。n2無軌運輸：自卸卡車n3管道運輸：混合泥漿，壓力輸出， 出土延續(xù)化 6.2.2 盾構分類及其適用范圍盾構分類及其適用范圍n表6-1。n1人工開掘式、半機械式敞胸盾構n全部敞開，隨時察看地層變化情況，并配備簡便的液壓、風動發(fā)掘，機具、人工發(fā)掘，當開挖面難以堅持穩(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 。2擠壓式閉胸盾構n在塑性粘土及淤泥中采用,盾構正面用胸板密閉起來 。n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施工.n襯砌構造常發(fā)生橢圓率的景象，先襯砌程度直徑減少，豎向直徑增大，繼之，盾構離遠時，豎向直徑減小，程度直徑增大。n主要是隧道

6、上方土壤構造破壞、隆起，構成一個卸載拱，而程度壓力依然堅持著初始數(shù)值之故。3機械式閉胸盾構n1部分氣壓盾構 n2泥水加壓式盾構n (3)土壓平衡式盾構表6-1挖掘方式構造類型盾構名稱開挖面穩(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胸板局部開孔依賴盾構千斤頂推力土砂自然流入軟可塑的粘性土全擠壓盾構胸板無孔、不進土淤泥半機械式敞胸反鏟式盾構手掘式盾構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

7、盾構同上，裝上軟巖掘進機軟巖機械式敞胸旋轉(zhuǎn)刀盤式盾構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面板和隔板間加氣壓多水松軟地層不再另設輔助措施泥水加壓盾構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（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6.2.3 盾構幾何尺寸的選定及盾構幾何尺寸的選定及盾構千斤頂推力計算盾構千斤頂推力計算n主要指盾構外徑D和盾構長度L、盾構靈敏度L/D。 n最小建筑空隙值x nx=m=mnD=d+2(x+)n=0.02+0.01D-4dl2盾構長度LnL=L0+L1+L2+L3nL0

8、盾尾長度；nL1支承環(huán)長度；nL2切口環(huán)長度；nL3前檐長度。 3盾構靈敏度L/D n閱歷數(shù)值 :n小型盾構D=23m，L/D=1.5n中型盾構D=36m, L/D=1.00n大型盾構D=69m, L/D=0.75n特大型盾構D12m, L/D=0.450.754盾構千斤頂推力計算n阻力包括：n盾構外外表與周圍地層的摩阻力；n盾尾內(nèi)殼與襯砌構造之間的摩阻力；n盾構切口部分刃口切入土層的阻力；n盾構切口環(huán)切入土層時的正面阻力；n開挖面正面支撐阻力；n以及盾構自重引起的阻力，糾偏時的阻力，部分氣壓或泥水壓力，阻力板阻力等。 日本盾構總推力閱歷公式2(70100)()4PDN表6-2盾構總推力隧道名

9、稱直徑D(m)長度L(m)靈敏度L/D重量W(t)盾構千斤頂（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10.20

10、6.630.65400408000中國上海延安東路隧道11.267.800.69480448800本講要點n盾構的組成；n盾構的分類；n盾構外形尺寸確實定和推力確實定。6.3 盾構推進及襯砌拼裝盾構推進及襯砌拼裝n6.3.1 盾構推進盾構推進n已建隧道所采用過的大直徑盾構，大部分都屬于已建隧道所采用過的大直徑盾構，大部分都屬于手掘式敞胸盾構或閉胸擠壓盾構，或者是兩者兼手掘式敞胸盾構或閉胸擠壓盾構，或者是兩者兼有的盾構。有的盾構。 n技術先進的泥水盾構或土壓平衡盾構很少采用技術先進的泥水盾構或土壓平衡盾構很少采用 。n本節(jié)將主要引見在松軟含水地層中采用手掘式敞本節(jié)將主要引見在松軟含水地層中采用手

11、掘式敞胸盾構施工，輔以氣壓，人工井點降水及其它地胸盾構施工，輔以氣壓，人工井點降水及其它地層加固措施，盾構開發(fā)掘進時的幾種施工方法。層加固措施，盾構開發(fā)掘進時的幾種施工方法。 1人工井點降水加手工掘式敞胸盾構施工n人工井點降水 ，經(jīng)濟，適用于漏氣量大的砂性土。n地下水位降低、疏干地層，添加土體強度，以保證開挖面穩(wěn)定，盾構在地下水位以上經(jīng)過，施工場地較枯燥。n普通都采用放射井點，深度曾用到27 m，使埋深為25 m的隧道能順利開挖。 詳細過程 ：n1先借助盾構千斤頂使盾構推進，將切口環(huán)部分切入地層，然后在切口環(huán)維護下進展土體開挖與運輸，這樣對周圍地層擾動較小。n2分層開挖，施工工具為普通手工工具

12、或手持式風開工具。n3每環(huán)管片可分數(shù)次開挖和推進，盾構糾偏時可以利用超挖處理。n4可借助支撐千斤頂加撐板對開挖面進展暫時支撐 ；n5當用網(wǎng)格式盾構時 ，防止盾構后退。2氣壓加手掘式敞胸盾構施工n盾構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，加強地層強度，是一種極古老，且行之有效的施工方法。 n1氣壓大小及耗氣量確實定n實際上，每10m水頭必需用0.1Mpa的氣壓力來平衡。 n實踐上 ，僅為實際壓力的50%60%，空氣量僅為實際空氣量的10%50%。 。 n中小型盾構，壓力等于離盾構上端約D/2處的地下水壓力;n大直徑盾為2/3 D處的地下水壓力 ;n頂部均超

13、壓，需有足夠的覆蓋層n施工時為了防止空氣泄出，盾構頂部必需有足夠厚的覆蓋層t即nt值過大那么直接影響到隧道埋置深度 ，過小那么覆蓋缺乏，往往容易發(fā)生噴發(fā)事故。n國外隧道規(guī)范規(guī)定；水底隧道的最小覆蓋層必需大于盾構直徑日本或等于盾構直徑，覆蓋層寬度應大于或等于盾構直徑的6倍。 ptK土n采用閱歷公式計算耗氣量：n 土質(zhì)系數(shù)，當壓力大于0.1MPa時，粘性土=3.65；砂性土=7.30。 2QD2氣壓盾構施工n氣壓盾構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 。n閘墻必需有足夠的強度與氣密性.n氣閘是鋼板鉚接或焊接而成的圓筒形構造，分人行閘和外閘兩部分。n人行閘的管理是氣壓施工的重要環(huán)節(jié)，要嚴

14、厲遵守氣壓作業(yè)的任務時間及進出氣閘的變壓時間，以防減壓病。 3泥水加壓盾構施工n用泥水加壓盾構替代上述氣壓盾構施工，抑制了氣壓施工的弊病 。n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 。n泥水加壓盾構是將壓力為 的泥水， 式中H取2m,壓入盾構前部密封艙內(nèi)，使其壓力一直高于地下水壓力 ，這樣就堅持了開挖面穩(wěn)定的根本條件。()yH 泥H水6.3.2 襯砌拼裝襯砌拼裝n隧道襯砌是在盾構尾部殼維護下的空間內(nèi)進展拼裝。 n組成：鑄鐵、鋼、鋼筋混凝土或鋼與鋼筋混凝土的復合資料等制成的管片或砌塊。n構造受力及運用要求決議盾構及襯砌構造方式并決議其拼裝方法。拼裝方法n重臂拼裝或拱托架拼

15、裝 ；n通縫拼裝管片的縱縫環(huán)對齊或錯縫拼裝 ；n螺栓結合的管片或無螺栓結合的砌塊等。n按其程序可分為“先縱后環(huán)和“先環(huán)后縱。n采用舉重臂拼裝管片的原那么應是自下而上，左右交叉，最后封頂成環(huán)。 6.4 裝配式圓形襯砌構造裝配式圓形襯砌構造n“管片是建成隧道后的永久性支撐構造，應滿足強度要求、運用要求；n施工階段須裝配簡便、容易交換、接受盾構千斤頂頂力及其它施工荷載。 箱形管片 平板形管片 n帶肋管片的資料長期以來多為鑄鐵見圖6-6c和鋼。 環(huán)寬與厚度n國內(nèi)外常用的環(huán)寬是7501000m；n曲線段推進時設有楔形管片，按隧道曲率半徑計算； n管片厚度普通為250600mm。 分塊 n大斷面隧道可分成

16、6810塊，小斷面可分為46塊。 n管片的最大弧長普通不超越4 m，管片愈薄其長度應越短。 拼裝型式n普通有通縫、錯縫拼裝兩種。n縱縫環(huán)環(huán)對齊的稱通縫，適用于需求撤除管片建筑旁側(cè)通道或構造需求比較柔的情況下，以便于進展構造處置。 n縱縫相互錯開，對稱錯縫，其優(yōu)點在于能加強圓環(huán)接縫剛度，使圓形構造可近似地按均質(zhì)圓環(huán)等剛度思索，因此運用較普遍的，缺陷是錯縫拼裝容易使管片頂碎。環(huán)、縱向螺栓n環(huán)向螺栓根據(jù)接縫內(nèi)力情況可設置成單排或雙排。n雙排：外排螺栓抵抗負彎矩，內(nèi)排螺栓抵抗正彎矩。n縱向螺栓目的是使隧道襯砌構造具有抵抗隧道縱向變形的才干 ，一塊管片設34個螺栓。n螺栓資料普通采用高強度合金鋼，直螺栓

17、 。本講要點n掌握氣壓大小及耗氣量的計算；n了解圓形襯砌構造;6.5 內(nèi)力計算與管片構造設計內(nèi)力計算與管片構造設計n6.5.1 設計原那么設計原那么n隧道襯砌費用占隧道襯砌費用占40%50%，平安可靠、，平安可靠、經(jīng)濟合理經(jīng)濟合理 。n本節(jié)重點引見裝配式鋼筋混凝土管片本節(jié)重點引見裝配式鋼筋混凝土管片 。 n1.滿足構造的強度和剛度 ：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痕寬度限制等。n覆土最深、頂壓與側(cè)壓相差最大處：按施工階段和運用階段荷載最不利組合情況下計算，同時按運用階段與特殊荷載階段組合情況下的管片強度驗算 。 n覆土最淺處：

18、斷面僅進展運用階段和特殊荷載階段組合情況下的管強度驗算。不同點n2.滿足所提出的平安質(zhì)量目的要求：裂痕開展寬度，接縫變形和直徑變形的允許量，隧道抗?jié)B防漏目的，構造平安度，襯砌內(nèi)外表平整度要求 ，滿足運用要求的任務環(huán)境，堅持隧道內(nèi)部的枯燥和干凈。 6.5.2 內(nèi)力計算法內(nèi)力計算法n飽和含水地層中 ，因內(nèi)擦角值很小，自動與被動土壓力幾乎是相等，構造變形不能產(chǎn)生很大抗力 。n假定：構造可以自在變形，不受地層約束，以為圓環(huán)只是處在外部荷載及與之平衡的底部地層反力作用下任務.剛度折減 n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別更大。n日本資料，接頭剛度折減速

19、系數(shù)，對鑄鐵管片=0.91.0；鋼筋混凝土管片=0.50.7。n總體上，在飽和含水地層中按整體式自在變形勻質(zhì)圓環(huán)的計算方法誤差可以接受。 特殊情況下：n當土層較好，襯砌變形后能提供相應的地層抗力，那么可按有彈性抗力的整體式勻質(zhì)圓環(huán)進展內(nèi)力計算。n常用的有日本的和蘇聯(lián)的假定抗力法等。 多鉸圓環(huán)方法 n將接縫看作為一個“鉸，整個圓環(huán)變成一個多鉸圓環(huán)。n基于：n銜接方法由剛 性銜接向柔性銜接過渡。n雖屬不穩(wěn)定構造，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的地層抗力，促使多鉸圓環(huán)仍處于穩(wěn)定形狀。 多鉸圓環(huán)計算圖式6.5.3 荷載計算荷載計算n根本荷載根本運用階段、暫時荷載施工階段和特殊

20、荷載。n1根本荷載：n1土層壓力：n垂直土壓力、程度土壓力、n2水壓力：n3襯砌自重11uiiiqh豎向土壓 拱背土壓 (104N/m)2222222()2(1)0.4344HHHhRqRRR地面超載 q3 =1(104N/m) 日本資料當隧道埋深較淺時n拱背土壓4(1cos )(10)wwHqHRN程度荷重：即地層側(cè)向自動土壓，由均勻土壓p1和三角形土壓p2組成 :211242(45)2(45)222(45)(10)2HPq tgctgPR tgN水壓力:頂部垂直向下水壓力底部垂直向上壓力側(cè)向程度水壓力 4(10)wwqHHN4(2)2(10)wwHHqHRHRN水壓力的疊加襯砌自重 n (

21、104N/m)40.2146(10/)2kHHpqgRRN mRcg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2施工階段暫時荷載n(1) 自重引起的暫時荷載n暫時荷載隨盾構推進所產(chǎn)生，普通來自千斤頂頂力和壁后注漿壓力。 n圓形隧道襯砌在到達根本運用階段前，它保管著裝配中由其自重作用所產(chǎn)生的受力形狀，它與根本階段所產(chǎn)生的內(nèi)力之和，不能超越允許值。 n由下向上裝配的襯砌環(huán) ，拱頂截面產(chǎn)生內(nèi)力最大 ：(1cos )1.5sin2 sinHWRM0.5sincos2 sinWN支承弧面所對應的中心角1米寬襯砌自重襯砌內(nèi)徑2管片拼裝及盾構推進引起的暫時集中荷載n拼

22、裝成環(huán)時，管片制造精度不高，端面不平，擰緊螺栓時往往使管片部分產(chǎn)生較大的應力，導致管片開裂。n或因拼裝管片誤差累計，當盾構千斤頂施加在環(huán)縫面上，特別是偏心作用時，也會使管片頂裂、頂碎。n鑄鐵管片，較薄的外殼厚度加肋逐漸變到突緣處，接受約106N的盾構千斤頂頂力。n改善的方法是合理選擇管片型式，提高鋼模制造精度和管片混凝土強度。在拼裝管片時提高拼裝質(zhì)量。采用錯縫拼裝也是較好的方法。n管片壓漿因部分凝集在一個區(qū)域內(nèi)所呵斥的圓環(huán)變形和集中荷載 。n荷載大小難以確定，只能經(jīng)過采用附加平安系數(shù)，以保證襯砌構造的平安度。3特殊荷載階段n特殊荷載是一種瞬時性的，作用時間短的動力荷載 ，往往是控制襯砌構造設計

23、的關鍵， 在某些地域還要思索地震力作用。n構造動力計算普通可用等靜載法，按彈性或彈塑性任務階段進展，構造內(nèi)力計算方法與只接受靜載的構造一樣。n并可適當提高資料強度和降低強度平安系數(shù)。 本講要點n了解盾構計算的原那么；n掌握盾構的荷載計算方法。6.5.4 襯砌內(nèi)力計算襯砌內(nèi)力計算n1自在變形的勻質(zhì)圓環(huán)計算n彈性中心法計算 由于構造及荷載對稱，拱頂剪力等于零，屬二次超靜定構造。n力法方程為： 11 1122220 x + =0ppx推導過程2111003222220011(cos )ssrM dsrdEJEIrM dsrrdEIEI102201pPpPM rdEIrM rdEI0102022302

24、21cos2cos2PPPpPM dEIxM drEIrMdEIxMdrrrEI 圓環(huán)中恣意截面上的內(nèi)力可由下式得到：n設計時可直接利用這些公式，也可詳見表6-3， PMrxxMcos21cos2XNNP2思索土層產(chǎn)生側(cè)向彈性抗力的勻質(zhì)圓環(huán)計算n當外荷作用在隧道襯砌上，一部分襯砌向地層方向變形，使地層產(chǎn)生彈性抗力。n彈性抗力的分布規(guī)律很難確定，采用假定彈性抗力分布規(guī)律法，如日本的三角形分布，原蘇聯(lián)OE、布加耶娃的月牙形分布水工隧洞中經(jīng)常采用，以及二次、三次拋物線分布等方法。1日本按三角形分布彈性抗力的方法按溫克列爾部分變形實際，假定土層側(cè)向彈性抗力PK=Ky。4124(2)24(0.0454HHqPPg RyEIKRn實踐變形量 n圓環(huán)抗彎剛度 n接頭剛度折減系數(shù)，取0.250.8。 K為地層側(cè)向緊縮系數(shù) 2前蘇聯(lián)布加耶娃法24PK=-Kyacos22PK=Kyasin2+Kybcos2n起始位置四個未知數(shù)x1、x2、ya和yb。1 1111K22222Kak1 122x+ + P =0 x+ q+ P =0y = q+P0aaqxxy2cos1ay22