地下建筑结构课件—第六章盾构法装配式圆形衬砌结构1

第六章盾构法装配式圆形衬砌结构 上海地铁 大连路隧道1-进风道；2-进风口；3-排风口；4-排风道；5-路面（下拉杆）6-天棚（上拉杆）；7-吊杆；8-照明灯；9-灭火器；10-消防栓；11-电缆；12-排水管；13-给水管；14-纵向螺栓；15-环向螺栓 本章的主要内容本章介绍盾构构造和分类，盾构推进及衬砌拼装;圆形衬砌构造、内力计算与管片结构设计，要求了解盾构隧道的功能和适用环境。掌握圆形衬砌结构设计方法和构造要求。 第六章盾构衬砌结构概述第一节衬砌型式和构造第二节衬砌圆环内力计算第三节衬砌断面选择第四节隧道防水及其综合处理 概述概念、特点和适用条件适用条件发展历程盾构机的组成盾构的施工流程分类up 概念意译名称。隧道掘进机。具有保护条件及隧道施工功能的钢结构体盾构（shield）是一种钢制的活动防护装置或活动支撑，是通过软弱含水层，特别是河底、海底，以及城市居民区修建隧道的一种机械。头部可以安全地开挖地层,尾部可以装配预制管片或砌块，迅速地拼装成隧道永久衬砌。盾构推进主要依靠盾构内部设置的千斤顶。 优点良好的隐蔽性、噪声震动引起的公害小施工费用不受埋置深度大而影响机械化程度高劳动强度低适宜在不同颗粒条件下的土层施工多车道的隧道可分期施工、分期运营，减少一次性投资缺点工程规模小时，工程造价高、隧道半径小时，盾构转向困难盾构一次掘进的长度有限（国内长江隧道1400m，国外2500m）不能完全防止盾构施工区域内的地表变形特点 适用条件在松软含水地层中修建隧道、水底隧道及地下铁道时采用各种不同形式的盾构施工最有意义，特别是该施工方法属地表以下暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节等条件的影响，back 盾构隧道的发展历程用盾构法修建隧道开始于1818年，法国工程师布鲁诺尔；1825年在英国泰晤士河下首次用矩形盾构建造隧道；近代，日本盾构法得到了迅速发展，用途越来越广，并研制了大量新型盾构；我国于1957年北京下水道工程中首次出现2.6m小盾构；上海市长江隧道使用15.43m直径的世界最大盾构；back 盾构机组成盾构掘进机一般由盾构壳、推进千斤顶、正面支撑机构、挖土及运输组、衬砌拼装机构、液压系统、注浆系统和盾尾装置组成。盾构机的盾壳是钢板焊接成壳体，在盾壳掩护下，进行土体开挖、衬砌拼装等隧道施工的工序。盾壳可分为切口环、支承环和盾尾三部分。 a.切口部分。它位于盾构的最前端，施工时切入地层，掩护开挖作业。切口环前端设有刃口，以减少切入土时对地层的扰动。切口环的长度主要取决于支撑、开挖方法的挖土机具和操作人员回旋余地的大小。b.支承环部分。支承环紧接于切口环后，位于盾构的中部，是一个刚性较好的圆形结构。地层土压力、所有千斤顶的顶力以及切口、盾尾、衬砌拼装时传来的施工荷载均由支承环承担。支承环的外沿布置盾构推进千斤顶。拼装机用于拼装管片衬砌，主要设备有举重臂、真圆保护器等。c.盾尾部分。盾尾一般由盾构的外壳钢板延长构成，主要用于掩护隧道衬砌安装工作。盾尾后端设有密封装置，以防止水、土及注浆材料从盾尾与衬砌之间进入盾构內。d.盾壳外径与衬砌外径间的建筑空隙，在满足盾构纠偏要求的前提下应尽量减少。back 盾构的施工流程1．盾构的组装及拆卸2．盾构基座3．盾构进出洞4．盾构的开挖5．隧道衬砌与拼装6．衬砌壁后压浆 3．盾构进出洞在始发井內，盾构按设计高程及方向推出预留孔洞，进入正常土层的过程称为盾构出洞。反之，盾构在地层中完成某一区间的隧道施工后，进入盾构接受井的过程称为盾构进洞。盾构井出工作井涉及洞门预留块的制作、四周土体、封门凿除、盾构后座支撑下顶进、施工参数的调整。一般出洞察力50m后，盾构法隧道施工才进入正常。a.封门形式b.洞周土体加固c.盾构出洞d.盾构后座e.盾构进洞 盾构进出洞 a.封门形式预留封门在盾构出洞前必须抵挡洞外土体側向压力和水压力，保证封门不断裂倒塌，同时不产生大量地下水渗漏，即保持井內施工场地干燥，又保证洞周围土体不出现大的沉降变形。盾构工作井封门主要有：现浇钢筋混凝土封门钢门封门装配式楔体封门back b.洞周土体加固通过注浆、深层粉喷桩或水泥搅拌桩井点降水疏干土体、冻接法等，可使洞周围土体具有自立性、防水性（渗透系数K<10-9m/s）和一定的强度。加固土体厚度和尺寸要通过力学分析定。 洞周土体加固简图back c.盾构出洞——拼装井布置back d.盾构后座在盾构与井壁之间需要传力设施，就是盾构后座。通常采用隧道衬砌管片拼装或专用顶块与顶撑做后座。使用管片做后座，要设计专用人行洞门，在井內要留出垂直运输的开口，不能拼成整环。后座衬砌与后座井壁之间的空隙，一般采用浇注低标号混凝土来填平，使盾构推力均匀地传给后座壁，而将来拆除后座也方便。当盾构向前掘进达到一定距离，盾构顶力可由隧道衬砌与地层间的摩擦力承担时，后座即可拆除。back e.盾构进洞盾构进洞时需防止地下水和流砂等涌入接收井。当进洞区的土体为砂性土或有可能产生流砂的地层时，应按盾构进洞的要求对地层进行改良。 盾构进洞——接收井布置back 4．盾构的开挖盾构开挖方法可分为：敞开式、机械切削式、网格式和挤压式等。为了减少盾构施工对地层的扰动，可先借助千斤顶驱动盾构使其切口贯入土层，然后在切口內进行土体开挖与运输。网格式开挖挤土式敞开式机械切削式back 6.衬砌壁后压浆在盾尾和衬砌之间建筑空隙及时压浆充填，可以防止地表沉降，可以改善隧道衬砌的受力状态，增强衬砌的防水能力。压浆有三种方法：a.一次压注（同步注浆）随着盾尾的空隙的出现，立即压注水泥砂浆，并保持一定压力。b.二次压注：盾构推进一环后，立即用风动压注机通过管片的压注孔，向衬砌壁后的建筑空隙注入豆粒砂，以防止地层的塌方。继续推进5~~8环后，再用压浆泵将水泥类浆体灌入砂间空隙，使之固结。c.三次压注：同步压浆填充盾尾的空隙，管片脱出盾尾时过程中快速压浆。根据施工经验，压浆数量同注入压力及要求控制的地表沉降有关。一般为计算建筑空隙体积的100%~~180%.压浆要对称于衬砌进行，尽量避免单点超压注浆，以减少衬砌环的不均匀施工荷载。注浆压力一般为0.5~1.0Mpa.back 盾构的分类按断面形状分为：圆形、拱形、矩形、马蹄形圆形因其抵抗地层中的土压力和水压力较好，衬砌拼装简便，可采用通用构件，易于更换，因而应用较为广泛按盾构前部构造分为：敞胸式和闭胸式；敞胸式包括手掘式、半机械式、机械式盾构机闭胸式是为扩大地质适应能力、提高掘进效率而发展为泥水工和土压压式盾构机 不同类型盾构的适用条件挖掘方式构造类型盾构名称开挖面稳定措施适用地层附注人工开挖（手掘式）敞胸普通盾构临时挡板、支撑千斤顶地质稳定或松软均可辅以气压、人工井点降水及其它地层加固措施棚式盾构将开挖面分成几层，利用砂的安息角和棚的磨擦砂性土网格式盾构利用土和钢制网状硌栅的磨擦粘土淤泥闭胸半挤压盾构胸板局部开孔依赖盾构千斤顶推力土砂自然流入软可塑的粘性土全挤压盾构胸板无孔、不进土淤泥半机械式敞胸反铲式盾构手掘式盾构装上反铲挖土机土质坚硬稳定开挖面能自立辅助措施旋转式盾构同上，装上软岩掘进机软岩机械式敞胸旋转刀盘式盾构单刀盘加面板多刀盘加面板软岩辅助措施闭胸局中气压盾构面板和隔板间加气压多水松软地层不再另设辅助措施泥水加压盾构面板和隔板间加压力泥水含水地层、冲积层、洪积层辅助措施土压平衡盾构（加水式、加泥式）面板和隔板间充满土砂容积产生的压力与开挖面处的地层压力保持平衡淤泥、淤泥混砂辅助措施back 第一节衬砌型式和构造衬砌结构作用外层衬砌的分类及其比较按材料和形式分类按结构类型分类装配式钢筋混凝土管片 在施工阶段中，作为施工临时支撑用，并承受盾构千斤顶顶力以及其它施工荷重。衬砌结构的作用 衬砌结构的作用竣工后，作为隧道永久性支撑结构，支承衬砌结构周围的水、土压力以及使用阶段某些特殊需要的荷重。防止泥、水渗入，满足隧道结构的预期使用要求。在外层装配式衬砌结构内现浇混凝土或钢筋混凝土内衬，这对于隧道防水、防锈蚀，修正隧道施工误差以及用作隧道内部装饰具有发挥进一步作用。如果在二层衬砌间的连接结构措施得到满足，则二层衬砌可视作整体性结构以共同抵抗外荷载。back 钢筋混凝土管片箱形管片平板形管铸铁管片钢管片复合管片外层衬砌的分类——按材料分类back 标准环和楔形环 管片各部位名称back 按结构型式分类管片砌块按构造型式分类单层衬砌双层衬砌外层衬砌的分类——按结构型式分类 back双层衬砌 环宽一般在300～1200mm之间，常用的是750～900mm分块衬砌圆环的分块主要考虑在管片制作、运输、安装等方面的实践经验而定。封顶管片形式封顶块的拼装形式有两种：径向楔入、纵向插入。装配式钢筋混凝土管片构造 封顶管片形式 （四）隧道衬砌与拼装管片拼装方法可分为通缝拼装和错缝拼装。通缝拼装，管片的纵缝环环对齐，拼装较为方便，易定位，衬砌环施工应力小，但环面不平整的误差容易积累。错缝拼装，衬砌圆环的纵缝在相邻圆环环间错开1/2~~1/3管片。管片的环纵缝是榫形连接，以利拼装。错缝拼装的隧道比通缝拼装的隧道整体性强，但由于环面不平整，会引起较大的施工应力，防水材料也会因压密不够而渗漏水。 管片拼装的“先纵后环”和“先环后纵”先环后纵法：拼装前将所有的盾构千斤顶缩回，管片先拼装成圆环，然后用千斤顶使拼好的圆环纵向靠陇。先环后纵法拼装的环面较为平整，纵缝拼装质量好，但对易产生后退现象的盾构不宜采用。先纵后环法：就能防止盾构的后退，既拼装某一管片时，就只缩回该管片的千斤顶，其它千斤顶则对称地支撑或升压。逐块轮流缩回与伸出部分千斤顶，直至拼装成环。在整个拼装过程中，要控制盾构位置不变。管片拼装常用举重臂进行。按“自上而下，左右交叉，最后封顶成环”。 （五）环、纵向螺栓环向螺栓根据衬砌接缝内力情况设置成单排或双排纵向螺栓按管片分块（拼装形式）结构受力等要求设置 钢筋笼生产管片浇捣蒸汽养护管片水中养护及抗渗试验管片精度测试及其保证体系管片拼装及预应力管片试拼装、螺栓预应力back（六）衬砌结构（管片）的生产（采用工厂化流水作业） 隧道衬砌结构基本使用要求一、钢筋混凝土管片的设计要求和方法二、结构计算方法的选择三、荷载的确定四、衬砌内力计算第二节衬砌圆环内力计算 隧道衬砌结构基本使用要求满足结构强度、刚度的要求，以承受诸如水、土压力以及一些特殊使用要求的外荷载。提供一个能满足使用要求的工作环境，保持隧道内部的干燥和洁净。back 按照强度、变形、裂缝限制等需要分别进行验算。确定衬砌结构的几个工作阶段——施工荷载阶段，基本使用荷载阶段和特殊荷载阶段，提出各个工作阶段的荷载和安全质量指标要求（衬砌裂缝宽度，接缝变形和直径变形的允许量，隧道抗渗防漏指标，结构安全度，衬砌内表面平整度要求等）进行各个工作阶段和组合工作阶段的结构验算。钢筋混凝土管片的设计要求和方法 把衬砌环看作一按自由变形的匀质（等刚度）圆环计算，而接缝上的刚度不足采用衬砌环的错缝拼装予以弥补。按多铰圆环计算衬砌结构的设计步骤大都先按使用要求设计验算，提出衬砌结构设计方案，进行能满足各种使用要求的结构试验，参照试验结果对原设计方案进行必要的修改和加强。结构计算方法的选择 初步确定隧道直径、管片的宽度及厚度，圆环的分块和纵向螺栓的位置、数量管片的细部设计，包括接头形式、管片的孔洞、螺孔，环向螺栓的数量截面、防水条槽口，管片各部位的精度及举重臂吊点、拼装形式等管片的计算及断面设计管片设计的几个阶段back （一）基本使用阶段（二）施工阶段1．管片拼装2．盾构推进（三）特殊荷载阶段三、荷载的确定 （衬砌环宽按1m考虑）1.自重2.竖向土压3．拱背土压4．地面超载当隧道埋深较浅时必须考虑地面荷载的影响，日本资料一般取1t/m2（一）基本使用阶段 5．侧向均匀主动土压6．侧向三角形主动土压7．侧向土壤抗力8．水压按静水压考虑9．拱底反力（一）基本使用阶段 竖向土压软粘土情况下按隧道顶部全部土压考虑具有较大的抗剪强度的地层内隧道埋深超过隧道衬砌的外径“松动高度”理论泰沙基公式（一）基本使用阶段——载荷确定的几个问题普氏公式 侧向主动土压朗金公式载荷确定的几个问题侧压的计算在含水砂土层中，采用水土分离原则计算而在含水粘土层中则采用水、土不分离的原则。地层侧向弹性抗力文克列尔局部变形理论压缩系数k值的确定和试验测定back 1．管片拼装纵向接缝拧紧螺栓，使管片局部出现较大的集中应力，导致管片开裂和存在着局部内应力。2．盾构推进3．衬砌背后压注4．衬砌环刚出盾尾的初期衬砌结构在施工阶段引起的不利工作条件的因素很多，难以事先估计。目前一般的处理方法是从实地观测和提出相应改进措施外，还常采用一个笼统的附加安全系数，以保证衬砌结构的一定安全度。（二）施工阶段back 当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情况下，极易使管片开裂和顶碎。衬砌环的受力管片的纵向承载力受千斤顶顶力在管片环面上的作用位置影响较大2．盾构推进back 过高的注浆压力常引起圆环变形和出现局部的集中应力，封顶楔形块管片也会向内滑移，必须对注浆压力进行一定的控制。3．衬砌背后压注back 4．衬砌环刚出盾尾的初期衬砌顶部土压即迅速作用到衬砌上，而侧压却因某种原因未能及时作用，这时衬砌可能处于比基本使用阶段更为不利的工作条件。back 这种特殊荷重往往属于瞬时性的荷载，且荷载作用时间又短，但其验算往往是控制衬砌结构设计的关键。在此阶段进行结构验算时，可妥善合理选择结构的附加安全系数和适当提高建筑材料的物理力学性能指标。（三）特殊荷载阶段back （一）按自由变形均质圆环内力计算衬砌圆环上的荷载分布四、衬砌内力计算 （一）按自由变形均质圆环内力计算四、衬砌内力计算圆环内力查断面内力系数表 （二）考虑土壤介质侧向弹性抗力的圆环内力计算按匀质刚度圆环计算1）日本惯用的计算方法土壤抗力图形分布在水平直径上下各范围内，在水平直径处四、衬砌内力计算圆环水平直径处受荷后最终半径变形值实际计算中，圆环内力叠加 （二）考虑土壤介质侧向弹性抗力的圆环内力计算2）苏联布加耶娃法圆环荷载图形四、衬砌内力计算 （二）考虑土壤介质侧向弹性抗力的圆环内力计算2）苏联布加耶娃法各个截面上的M、N值四、衬砌内力计算系数的求解 （二）考虑土壤介质侧向弹性抗力的圆环内力计算由竖向荷载引起各个截面上的M、N值四、衬砌内力计算由自重引起各个截面上的M、N值由静水压引起各个截面上的M、N值具体系数查相应的系数表 （三）按多铰圆环计算圆环内力（1）日本山本稔法基本假定：适用于圆形结构衬砌环在转动时，管片或砌块视作刚体处理。衬砌环外围土抗力按均变形式分布，土抗力的计算要满足衬砌环稳定性的要求，土抗力作用方向全部朝向圆心。计算中不计及圆环与土壤介质间的摩擦力，这对于满足结构稳定性是偏于安全的。土抗力和变位间关系按文克列尔公式计算。四、衬砌内力计算 （三）按多铰圆环计算圆环内力（1）日本山本稔法计算方法结构按静定结构分析衬砌各个截面处地层抗力四、衬砌内力计算 解1-2杆日本山本稔法 解2-3杆日本山本稔法 解3-4杆日本山本稔法 计算注意点衬砌圆环各个截面上的值与侧向或底部的作用荷载叠加后的数值要求有一定的控制，不能超越一容许值。圆环除强度计算外，还得计算其变形及稳定要求。圆环破坏条件以非约束铰为中心的三个铰（i-1）、（i）、（i+1）的座标系统排列在一直线上，由结构丧失稳定。（三）按多铰圆环计算圆环内力 （2）苏联的多铰圆环内力计算苏联的这种多铰圆环设计计算方法与日本山本方法最大的差异在于苏联方法认为衬砌与地层之间不产生相对的位移，而山本法则认为衬砌环与地层间能完全自由滑移，而忽视了地层土抗力的切线部分。（三）按多铰圆环计算圆环内力 （2）苏联的多铰圆环内力计算内力计算结果比较（三）按多铰圆环计算圆环内力