地下結構工程第六章-盾構襯砌結構

1、地地 下下 結結 構構 工工 程程第06章6 盾構襯砌結構盾構襯砌結構n 本章介紹盾構構造和分類，盾構推進及襯砌拼裝;n圓形襯砌構造、內力計算與管片結構設計，要求了解盾構隧道的功能和適用環(huán)境。n掌握圓形襯砌結構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裝置或活動支撐，是通過軟弱含水層，特別是河底、海底，以及城市居民區(qū)修建隧道的一種機械。n頭部可以安全地開挖地層 ,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盾構推進主要依靠盾構內部設置的千斤頂。 適用條件n在松軟含水地層中修建隧道、水底隧道及地下鐵道時采用各種不同形式的盾構施工最有意義，特別是該

2、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用盾構法修建隧道開始于1818年 ，法國工程師布魯諾爾；n1825年在英國泰晤士河下首次用矩形盾構建造隧道 ；n近代，日本盾構法得到了迅速發(fā)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首次出現2.6m小盾構 ； n上海市延安東路過江道路隧道使用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-排水管；13-給水管；14-縱向螺栓；1

3、5-環(huán)向螺栓按形狀分類 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 盾構的基本構造盾構的基本構造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、水平隔板組成，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容納各種專門的挖土設備。 n支承環(huán)：承受荷重的核心部

4、分，剛性較好的圓環(huán)結構。n水平隔板和豎直隔板：增加盾構剛度 ，水平承受拉力，豎直承受壓力。n盾尾：掩護工人在其內部安裝襯砌。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達到糾偏目的。n盾構千斤頂一般是沿支承環(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，一般舉重臂均安裝在支承環(huán)上。n舉重臂能作旋轉、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出土方式一般有三種 ：n（1）有軌運輸：皮帶運輸機礦車洞口垂直起吊至地面。n（2）無

5、軌運輸：自卸卡車n（3）管道運輸：混合泥漿，壓力輸出， 出土連續(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，隨時觀察地層變化情況，并配備簡便的液壓、風動挖掘，機具、人工挖掘，當開挖面難以保持穩(wěn)定時可以采用氣壓等人工措施及正面支撐、支撐千斤頂等隨挖隨撐 。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襯砌結構常發(fā)生橢圓率的現象，先襯砌水平直徑縮小，豎向直徑增大，繼之，盾構離遠時，豎向直徑減小，水平直徑增大。n主要是隧道上方土壤結構

6、破壞、隆起，形成一個卸載拱，而水平壓力仍然保持著初始數值之故。3）機械式閉胸盾構n（1）局部氣壓盾構 n（2）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、支撐千斤頂地質穩(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格式盾構利用土和鋼制網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堅硬穩(wěn)定開挖面能自立輔助措施旋轉式盾

7、構同上，裝上軟巖掘進機軟巖機械式敞胸旋轉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+0.01（D-4）dl2）盾構長度LnL=L0+L1+L2+L3n

8、L0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經驗數值 :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盾構外表面與四周地層的摩阻力；n盾尾內殼與襯砌結構之間的摩阻力；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，局部氣壓或泥水壓力，阻力板阻力等。 日本盾構總推力經驗公式2(70100)()4PDN表6-2盾構總推

9、力隧道名稱直徑D(m)長度L(m)靈敏度L/D重量W(t)盾構千斤頂（只數）(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原蘇聯莫斯科地鐵9.504.730.5340363500中國上海打浦路隧道1

10、0.206.630.65400408000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盾構外形尺寸的確定和推力的確定。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，大部分都屬于手掘式敞胸盾構或閉胸擠壓盾構，或者是兩者兼有的盾構。 n技術先進的泥水盾構或土壓平衡盾構很少采用 。n本節(jié)將主要介紹在松軟含水地層中采用手掘式敞胸盾構施工，輔以氣壓，人工井點降水及其它地層加固措施，盾構開挖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 ，經濟，適用于漏氣量大

11、的砂性土。n地下水位降低、疏干地層，增加土體強度，以保證開挖面穩(wěn)定，盾構在地下水位以上通過，施工場地較干燥。n一般都采用噴射井點，深度曾用到27 m，使埋深為25 m的隧道能順利開挖。 具體過程 ：n（1）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)保護下進行土體開挖與運輸，這樣對周圍地層擾動較小。n（2）分層開挖，施工工具為普通手工工具或手持式風動工具。n（3）每環(huán)管片可分數次開挖和推進，盾構糾偏時可以利用超挖解決。n（4）可借助支撐千斤頂加撐板對開挖面進行臨時支撐 ；n（5）當用網格式盾構時 ，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

12、氣壓來疏干和支護開挖面，以防止涌水、開挖面崩坍，增強地層強度，是一種極古老，且行之有效的施工方法。 n（1）氣壓大小及耗氣量的確定n理論上，每10m水頭必須用0.1Mpa的氣壓力來平衡。 n實際上 ，僅為理論壓力的50%60%，空氣量僅為理論空氣量的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，盾構頂部必須有足夠厚的覆蓋層t即nt值過大則直接影響到隧道埋置深度 ，過小則覆蓋不足，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須大于盾構直徑（日本）或等于

13、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采用經驗公式計算耗氣量：n 土質系數，當壓力大于0.1MPa時，粘性土=3.65；砂性土=7.30。 2QD（2）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閘墻必須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結構，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)，要嚴格遵守氣壓作業(yè)的工作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用泥水加壓盾構代替上述氣壓盾構施工，克服了氣壓施工的弊病 。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

14、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，使其壓力始終高于地下水壓力 ，這樣就保持了開挖面穩(wěn)定的基本條件。()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保護下的空間內進行拼裝。 n組成：鑄鐵、鋼、鋼筋混凝土或鋼與鋼筋混凝土的復合材料等制成的管片或砌塊。n結構受力及使用要求決定盾構及襯砌結構形式并決定其拼裝方法。拼裝方法n重臂拼裝或拱托架拼裝 ；n通縫拼裝（管片的縱縫環(huán)對齊）或錯縫拼裝 ；n螺栓聯結的管片或無螺栓聯結的砌塊等。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則應是自下而上，左右交叉，最后封頂成環(huán)。 6.4 裝配式圓

15、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結構，應滿足強度要求、使用要求；n施工階段須裝配簡便、容易替換、承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帶肋管片的材料長期以來多為鑄鐵（見圖6-6c）和鋼。 環(huán)寬與厚度n國內外常用的環(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管片厚度一般為250600mm。 分塊 n大斷面隧道可分成6810塊，小斷面可分為46塊。 n管片的最大弧長一般不超過4 m，管片愈薄其長度應越短。 拼裝型式n一般有通縫、錯縫拼裝兩種。n縱縫環(huán)環(huán)對齊的稱通縫，適用于需要拆除管片修建旁側通道或結構需要比較柔的情

16、況下，以便于進行結構處理。 n縱縫互相錯開，對稱錯縫，其優(yōu)點在于能加強圓環(huán)接縫剛度，使圓形結構可近似地按均質圓環(huán)等剛度考慮，因此使用較普遍的，缺點是錯縫拼裝容易使管片頂碎。環(huán)、縱向螺栓n環(huán)向螺栓根據接縫內力情況可設置成單排或雙排。n雙排：外排螺栓抵抗負彎矩，內排螺栓抵抗正彎矩。n縱向螺栓目的是使隧道襯砌結構具有抵抗隧道縱向變形的能力 ，一塊管片設34個螺栓。n螺栓材料一般采用高強度合金鋼，直螺栓 。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 內力計算與管片結構設計內力計算與管片結構設計n6.5.1 設計原則設計原則n隧道襯砌費用占40%50%，安全可靠、經濟合理 。n本節(jié)

17、重點介紹裝配式鋼筋混凝土管片 。 n1.滿足結構的強度和剛度 ：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)的內力和位移，以及管片（如鋼筋混凝土管片）的裂縫寬度限制等。n覆土最深、頂壓與側壓相差最大處：按施工階段和使用階段荷載最不利組合情況下計算，同時按使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：斷面僅進行使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.滿足所提出的安全質量指標要求：裂縫開展寬度，接縫變形和直徑變形的允許量，隧道抗?jié)B防漏指標，結構安全度，襯砌內表面平整度要求 ，滿足使用要求的工作環(huán)境，保持隧道內部的干燥和潔凈。 6.5.2 內力計算法

18、內力計算法n飽和含水地層中 ，因內擦角值很小，主動與被動土壓力幾乎是相等，結構變形不能產生很大抗力 。n假定：結構可以自由變形，不受地層約束，認為圓環(huán)只是處在外部荷載及與之平衡的底部地層反力作用下工作.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異更大。n日本資料，接頭剛度折減速系數，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由變形勻質圓環(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，則可按有彈性抗力的整體式勻質圓環(huán)進行內力計算。n常用的有日本的和蘇聯的假

19、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連接方法由剛 性連接向柔性連接過渡。n雖屬不穩(wěn)定結構，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)定狀態(tài)。 多鉸圓環(huán)計算圖式6.5.3 荷載計算荷載計算n基本荷載（基本使用階段）、臨時荷載（施工階段）和特殊荷載。n1）基本荷載：n（1）土層壓力：n垂直土壓力、水平土壓力、n（2）水壓力：n（3）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

20、隧道埋深較淺時）n拱背土壓4(1cos )(10)wwHqHRN水平荷重：即地層側向主動土壓，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向水平水壓力 4(10)wwqHHN4(2)2(10)wwHHqHRHRN水壓力的疊加襯砌自重 n (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）施工階段臨時荷載n(1) 自重引起的臨時荷載n臨時荷載隨盾構推進所產生，一般來自千斤

21、頂頂力和壁后注漿壓力。 n圓形隧道襯砌在到達基本使用階段前，它保留著裝配中由其自重作用所產生的受力狀態(tài)，它與基本階段所產生的內力之和，不能超過容許值。 n由下向上裝配的襯砌環(huán) ，拱頂截面產生內力最大 ：(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徑（2）管片拼裝及盾構推進引起的臨時集中荷載n拼裝成環(huán)時，管片制作精度不高，端面不平，擰緊螺栓時往往使管片局部產生較大的應力，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步變到突緣處，承

22、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，提高鋼模制作精度和管片混凝土強度。在拼裝管片時提高拼裝質量。采用錯縫拼裝也是較好的辦法。n管片壓漿因局部凝集在一個區(qū)域內所造成的圓環(huán)變形和集中荷載 。n荷載大小難以確定，只能通過采用附加安全系數，以保證襯砌結構的安全度。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 ，往往是控制襯砌結構設計的關鍵， 在某些地區(qū)還要考慮地震力作用。n結構動力計算一般可用等靜載法，按彈性或彈塑性工作階段進行，結構內力計算方法與只承受靜載的結構相同。n并可適當提高材料強度和降低強度安全系數。 本講要點n理解盾構計算的原則；n掌握盾構的荷載

23、計算方法。6.5.4 襯砌內力計算襯砌內力計算n1）自由變形的勻質圓環(huán)計算n彈性中心法計算 由于結構及荷載對稱，拱頂剪力等于零，屬二次超靜定結構。n力法方程為： 11 1122220 x + =0ppx推導過程2111003222220011(cos )ssrM dsrdEJEIrM dsrrdEIEI102201pPpPM rdEIrM rdEI010202230221cos2cos2PPPpPM dEIxM drEIrMdEIxMdrrrEI 圓環(huán)中任意截面上的內力可由下式得到：n設計時可直接利用這些公式，也可詳見表6-3， PMrxxMcos21cos2XNNP2）考慮土層產生側向彈性抗

24、力的勻質圓環(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OE、布加耶娃的月牙形分布（水工隧洞中常常采用），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局部變形理論，假定土層側向彈性抗力PK=Ky。4124(2)24(0.0454HHqPPg RyEIKRn實際變形量 n圓環(huán)抗彎剛度 n接頭剛度折減系數，取0.250.8。 K為地層側向壓縮系數 （2）前蘇聯布加耶娃法24PK=-Kyacos22PK=Kyasin2+Kybcos2n起始位置四個未知數x1、x2、ya和yb。1 1111K22222Kak1 122x+ + P =0 x+ q+ P =0y = q+P0aaqxxy2cos1ay222cossinbayyn各個截