盾构法施工管片设计[技术课堂]

1、管片的设计和选型,材料课件,主要内容,2、 设计计划,3、管片模具设计,6、防水设计,4、结构计算分析,1、特点和分类,5、管片配筋,7、异型盾构,8、发展趋势,材料课件,预制构件 形状不标准。 需要组合拼装，组合拼装精度要求高。 组合拼装后整体具有良好的防水性能。 能模拟空间曲线。 三维承载，受力复杂 加工精度高,1. 特点和分类 特点,材料课件,铸铁管片：早期应用多 钢筋混凝土管片：占绝大多数 复合管片：SRC管片、MN管片、AS管片、钢+混凝土、铸铁+混凝土等,1. 特点和分类 分类,矩形管片：占绝大多数 梯形或平行四边形管片：CONEX系列 翼型管片： 六角形管片：双重螺旋管片、蜂窝型

2、管片、螺旋形管片等,经过多年的发展，管片的类型有30多种，有些是材料不同，有些是形状差异，有些是接头形式不同，有些为了增加管片的耐久性，有些为了降低制作费用，下面简单的根据材料和形状进行分类,材料课件,2. 设计计划 基础资料,边界条件要清楚,地形地质要全面、准确,总体调查：土地的现状和规划、道路交通现状及规划、环境和文物保护、地表水体、工程用地、用电和供水等控制性工程环境条件,环境保护调查： 噪声和振动、地基变形、地下水、缺氧气体和沼气等有害气体、化学注浆等 、渣土处理及运输等,障碍物勘察： 地上、地下结构物；埋设物；水井和旧井；建筑物及临时建筑物遗 迹；规划建筑,使用功能应明晰,原则标准应

3、确定,材料课件,2. 设计计划 总体控制,隧道形状和净空,线 路,平面设计：线位、小曲线、近接施工 纵断面设计：埋深和坡度,工法,主体隧道：盾构法、矿山法或复合 附属结构：明挖法、矿山法、顶管法 辅助工法：注浆、冷冻、旋喷桩、搅拌桩、托换,衬 砌,经验比较 计算分析,工程筹划,环境保护,工期控制 场地和交通,材料课件,2. 设计计划 综合,工程的技术可行性分析,工程的安全可靠性分析,工程综合技术经济比较,重点、难点、风险点、亮点,解决方案,材料课件,3. 管片模具设计 设计程序及过程控制,第一步：根据功能要求、周边控制条件和既有设备情况等确定隧道的形状和内径,材料课件,3. 管片模具设计 设计

4、程序及过程控制,第一步：根据功能要求、周边控制条件和既有设备情况等确定隧道的形状和内径,材料课件,3. 管片模具设计 设计程序及过程控制,第二步：根据功能要求、耐久性、受力等要求确定隧道采用单、双层衬砌,一般情况下采用单层衬砌，但对于污水隧道、有内压隧道、或管片衬砌里钢铁等易腐蚀材料采用较多、或结构受力十分复杂、或运营条件对结构腐蚀性较强等情况下，宜采用双层衬砌,材料课件,3. 管片模具设计 设计程序及过程控制,第三步：根据经验比较、结构受力分析，抗渗要求等，再结合既有设备情况，确定管片的厚度，进而确定管片外径,一般为5%-6%D 结合地区经验和管片直径进行判断； 可以根据配筋量进行调整； 必

5、须考虑设备供应情况； 可以考虑地区管片的通用性，利于施工组织； 满足抗渗要求：250mm；（不尽合理，对于小型盾构，厚度偏大） 根据荷载情况，进行结构分析验证,材料课件,3. 管片模具设计 设计程序及过程控制,第四步：根据机械情况、施工经验、进度要求、耐久性考虑，结合技术经济比较，判断是否采用矩形管片，如果采用梯形、六边形、翼型等管片，应同步对管片的连接形式进行考虑确定，最好在实施期间进行管片和接头的模型或实物试验,无特殊要求或考虑，宜采用矩形管片，因为设备通用性强，施工经验成熟； 矩形管片设计经验成熟，而梯形、六边形、翼型在国内几乎没有应用，在国外应用相对也很少，如采用必须进行充分的调研和准

6、备，并进行试验研究。 采用梯形、六边形、翼型等管片，通常管片的连接形式采用销钉、榫或插销、取消螺栓选采用榫槽等形式，以达到简化拼装或边掘进边拼装的效果，加快施工进度，因此对机械、施工组织、结构受力分析都有一些特殊的要求，因此必须综合考虑（不能仅仅考虑结构设计），同时对接头的进货进行考察； 采用梯形、六边形、翼型等管片，对线路拟和需要专门进行论证。 以下程序主要针对矩形管片设计进行,材料课件,3. 管片模具设计 设计程序及过程控制,第五步：根据隧道直径、地质情况、受力和安装要求，确定管片的连接方式，以及连接件的数量和分布,管片的连接通常采用螺栓连接，螺栓连接的数量块间一般2-3个，环间考虑地质情

7、况、抗震要求等设置，一般每块不少于2根，一环对于中小直径盾构控制在10-16个。 为满足错缝拼装要求，环间螺栓必须360度范围内均匀设置。 由于螺栓接头需要人工操作，难以实现拼装的自动化，快速化，因此不少工程环间开始采用钢销、CONEX接头；块间采用推入锁定接头、钢制TC型零件接头、设置榫槽取消接头、销子接头等，开发出来CONEX系列管片、销子. 快速接头管片、一次成型管片、AS管片等。 国内管片接头的形式比较单一，呆板，很有必要结合工程情况进行创新和试验,材料课件,3. 管片模具设计 设计程序及过程控制,第六步：根据机械、运输系统、施工组织、平曲线情况等，综合考虑确定管片宽度,如有条件，管片

8、尽可能宽点，以提高施工速度，节约造价。 管片宽度主要取决于掘进机和隧道直径，如果管片过宽，则机械过长，灵敏性差。而且管片运输困难。 管片的宽度必须与盾构机相匹配：与盾构机的千斤顶行程匹配；宽度大，管片重，需与管片拼状机的能力匹配； 管片宽度必须考虑封顶块的拼状方式：千斤顶的行程=管片宽度B+（B-封顶块拼状搭接长度L）+150（200）余量； 管片宽度大，一次出渣量大，为提高掘进效率，必须尽快把渣土运输出去，因此水平运输系统和垂直运输系统应匹配合理，以利于发挥效率。 管片宽度还要考虑螺栓数量和管片分块，譬如6m直径的地铁隧道，同样2000mm的千斤顶行程的盾构机，在10个环间螺栓条件下可以作成

9、小封顶块，通过加大封顶块拼状搭接长度（1200mm）能够作成1500mm宽管片；而在16个环间螺栓条件下，由于难以做成小封顶块，为满足拼状要求，封顶块拼状搭接长度很难做到800mm，因此基本只能做1300mm的管片,材料课件,3. 管片模具设计 设计程序及过程控制,第七步：进行管片的分块设计,管片的分块不宜过多，这样拼状时间长，材料用量也大；也不宜过少，这样管片体量过大，不利于拼状和运输。 对于中等直径盾构，一般采用六分块或七方案：一块封顶块+二块邻接块+三块标准块。 小直径盾构管片多采用5-6分块；大型盾构管片经常分为7-9块。 管片分块必须重点考虑K块的设计，是采用大封顶块，还是采用小封顶

10、块，需根据螺栓的设置、千斤顶的行程控制、手孔的布置以及封顶块的拼状方式进行总体综合考虑。 封顶块的设计需要考虑管片的拼状条件，一般条件下，最后拼状封顶块时，k块和两侧邻接块在任何部位两者间的最小水平间隙不宜小于25mm，如果减少间隙，需要盾构机制造商同意。为插入方便，K块的水平投影线与中轴线的水平角度控制在8度左右；为保证K块在注浆压力下的稳定，其中剖面处中心径向的旋转角度宜控制在3.5度左右,材料课件,3. 管片模具设计 设计程序及过程控制,第八步：进行管片细部设计,管片手孔设计：满足螺栓安装的工艺要求；满足管片的脱摸要求；螺栓尽可能通用；手孔间距不要过大，避免钢筋不好布置，也不宜过小，脱摸

11、时易掉块；手孔距离结构边不宜小于150mm，削弱结构易于开裂等。 管片标识设计： 模具编号、块编号、直径或半径标识、螺栓孔位置标识等； 起吊孔或注浆孔设计，在中小直径盾构中，两者经常合一，注意起吊孔应设置在管片的重心位置，避免拼状时由于附加弯矩造成不稳定。对于中小直径盾构，起吊孔或注浆孔应优先选用高分子材料，保证结构的耐久性。对于大型盾构，经常采用真空吸盘起吊，定位孔和注浆孔需要结合机械进行设计。 接触面设计：是否设置榫槽；是否设置缓冲材料；防水槽位置和尺寸；嵌缝槽形状等,材料课件,3. 管片模具设计 设计程序及过程控制,第九步：设计综合，核定管片参数能否满足机械要求、K块设计是否满足拼状要求

12、；手孔设计能否满足脱摸和受力、钢筋布置要求；标识是否全面等等,第十步：线路拟和和纠偏设计，主要通过设置转弯环或设置垫片来解决,楔形环在不同的角度安装，其水平向和竖向的楔形量发生变化,平面曲线拟合示意,材料课件,衬砌环组合形式,3. 管片模具设计 设计程序及过程控制,材料课件,楔形量的确定,3. 管片模具设计 设计程序及过程控制,楔形环可以采用单面楔形或双面楔形皆可，国内皆有应用。 日本经验：楔形量除应根据管片种类、管片宽度、管片环外径、曲线半径、曲线区间楔形管片环使用比例、管片制作的方便性确定外，还应根据盾尾操作空隙而定。总结过去的使用经验，由于配筋上的制约，绝大多数混凝土类管片的楔形量在75

13、mm以内。 楔形量的确定除满足现状线路外，也应考虑满足盾构机的最小使用半径。 楔形量的确定需要考虑错缝拼装条件下，由于管片扭转造成线路拟合的复杂性，需要有一定的余量。 楔形量的确定最好能够较优的满足线路拟合需要，一般以在多种曲线半径下，通过与标准环的组合实现错缝拼状为宜。 由于管片拼装的不可准确预测性，楔形量的数值不是唯一的,材料课件,3. 管片模具设计 设计程序及过程控制,材料课件,4. 结构计算分析 荷 载,在砂性土中，当覆土厚度大于12倍隧道外直径时多采用松弛土压力； 在粘性土中，如果为硬质粘性土（N8），当覆土厚度大于12倍隧道外直径时多采用松弛土压力。对于中等固结的粘性土（4 N 8

14、或软粘性土（2 N 4）将隧道的全覆土重量作为土压力进行计算。 对于软流塑地层时，一般不考虑地基的成拱效应，将隧道的全覆土重量作为土压力 对于岩石地层，国内无盾构设计施工的相关经验，可按普氏平衡拱理论结合Terzaghi土压力理论进行计算 土压力的下限值：小型盾构隧道可采用相当于隧道外径2.0倍的覆土厚度的土压力值；中等直径的盾构隧道可采用相当于隧道外径11.5倍的覆土厚度的土压力值或采用200kNm2,材料课件,4. 结构计算分析 参数,管片的设计断面应力会由于垂直方向荷载和水平方向荷载之间微妙的平衡关系而发生变化，侧向土压力系数(入)，地基抗力系数(k)要在充分考虑地基条件和隧道的用途之后

15、，慎重地进行确定。 水压力取值要考虑最不利情况。 弹性抗力取值最好结合N值和地层特征综合考虑。 岩石地层的弹性抗力要考虑背后注浆材料的性能，不宜取值过高,侧向土压力系数（）地基抗力系数（k,材料课件,4. 结构计算分析 计算方法,修正惯用法,管片环简化为弹性匀质的圆环。 不考虑竖向地层抗力的影响，竖向地基反力按隧道所承受的竖向荷载根据荷载平衡条件按均布荷载计算。 水平向地层抗力假定为分布在隧道中部90度范围的水平向三角形荷载。 管片自重引起的地层变形所产生的水平地基抗力根据壁后注浆的方式和浆液的早期强度等情况确定是否考虑。 考虑由于管片接头部位弯曲刚度的降低导致整个圆环的钢度降低，引入刚度折减

16、系数（1），整个圆环的刚度变为EI。 考虑错缝拼装环间剪力传递对管片受力的影响，对计算结果中的弯矩M、轴力N进行调整，引入弯矩传递系数。主截面的计算内力调整为（1+）M、N（01），管片接头部位的计算内力调整为（1-）M、N。 管片内力可采用解析法计算,材料课件,4. 结构计算分析 计算方法,梁-弹簧模型法,将管片简化为曲梁（圆弧梁）或直梁，管片间的纵向接头按能够承受弯矩并传递剪力和轴力的旋转弹簧模拟，旋转刚度K宜根据试验确定，并考虑偏心率的影响。 管片环间接头考虑错缝拼装的影响，按剪切弹簧模拟，其剪切刚度Ks考虑接头构造、缓冲垫的参数等宜根据试验确定。 地层抗力考虑隧道围岩情况、隧道直径、埋

17、深、荷载计算方法等因素采用局部弹簧模型或全周弹簧模型，一般按径向弹簧模拟，不考虑切向弹簧的影响。 计算可取两环或多环管片利用电算程序进行分析,对于弯螺栓接头的中等直径的地铁隧道，参照国内外有关试验研究结果，环向接头的抗弯刚度在隧道内侧受拉时取为5104kNmrad，隧道外侧受拉时取为3104kNmrad。纵向接头的径向抗剪刚度Kr和切向抗剪刚度Kt为安全计常取为无穷大。 北京地铁五号线试验段工程进行的接头试验资料表明：位于正弯矩范围内的管片接头刚度为28500kn.m/rad/m，位于负弯矩范围内的管片接头刚度为13900kn.m/rad/m,材料课件,5. 结构配筋 管片配筋量,材料课件,6

18、. 防水设计 防水等级和措施,材料课件,6. 防水设计 防水等级和措施,材料课件,6. 防水设计 防水等级和措施,防水混凝土设计抗渗等级,抗渗检验：按设计抗渗压力，恒压时间大于等于2小时，渗水最大深度不得超过管片厚度的1/5,材料课件,6. 防水设计 接缝防水设计,弹性密封垫设计,设计标准：接缝张开量、错位量、设防水压、衬垫道数,防水材料：氯丁橡胶、三元乙丙橡胶密封橡胶垫、遇水膨胀橡胶密封垫，或后者与前二者的复合型密封垫,试验曲线 （包含耐久性方面,防水试验,形状和尺寸（包括管片沟槽,材料课件,6. 防水设计 接缝防水设计,材料课件,设 计 建 议,高水压条件下防水设计需要总结:抗渗设计、接缝

19、设计,管片接缝张开量和拼状错位量的统计和论证,弹性密封垫的标准化、商业化设计,6. 防水设计 设计建议,复合弹性密封垫的研究,大型、异型盾构的进出洞防水,材料课件,7. 异型盾构 多圆盾构（MF工法,双圆盾构,上海地铁M7线双圆盾构,都营地下铁道12号线（大江户线）饭田桥交叉点至文京区后乐一段的饭田桥车站工区，采用三连型的MF盾构工法,材料课件,7. 异型盾构 多圆盾构（MF工法,营团南北线白金台车站、大阪地下铁7号线OBP车站和都营地下铁大江户线饭田桥车站，采用侧部突前、中央摆动型三连盾构施工，球墨铸铁或者钢管片衬砌 ； 清澄三连盾构工程：先施工清澄车站的停车场（长度为143.6m）穿过中间竖井（移动约75m ），再施工存车线（长度229.1m），采用钢筋混凝土管片衬砌。 盾构机宽16.44m高7.44m ；衬砌7.2m宽度16.2m，管片宽1.2m，厚度350mm，由A型块10、D型块（与圆交叉部分）4共计14块组成。隧道覆土约为17m，筑造在软弱的粘性土层下,材料课件,7. 异型盾构 矩形盾构,世界最早的盾构法隧道-泰晤士问底的公俏隧道，其隧道断面为11.4mx6.8m的矩形，由于采用人工开挖和施工中涌水淹没事故，长458m的矩形隧道掘进了18年才完工。 从隧道的使用功能来分析，城市交通人行地道、地下共同沟、地铁隧道的断面形式以矩形最为合适，最为