地铁盾构法施工管片衬砌结构设计

1、地 铁 与轻 轨结 课论文学院：力建与建筑工程学院班级：土木09-9班姓名：梁智学号：02090417地铁盾构法施工管片衬砌结构设计摘要：隧道衬砌是承受隧道周围的水、土等荷载,以保证隧道结构净空和平安 的地下结构.衬砌分为一次衬砌和二次衬砌.一次衬砌最常用的是管片拼装式衬 砌.采用拼装式衬砌时,一次衬砌到隧道轴向纵向一定长度通常为1000mm 2000mm的一段环状物称为管环；管环沿周向分割成 n块弧状板块,该弧状板 块既称为管片.管片的拼装设计、管环的分块设计等的合理性对隧道的承载水平、 稳定性等性质起到至关重要的作用.关键字：盾构隧道管片分块通缝拼装和错缝拼装1、设计思路管片设计是从隧道横

2、断面和纵断面方向两个方面进行.通常,管片的断面取 决于横断面方向的设计,而地震、地基沉降带来的影响等,一般根据需要在纵断 面方向的设计中进行研究.2、设计需要考虑的因素管片从隧道施工开始到施工完毕后的很长时间内,都要担负着支撑各种荷载 和保证隧道平安的使命.管片衬砌的设计目的就是确认覆盖整个隧道的衬砌的安 全性,同时找出最合理最经济的衬砌结构.但隧道结构应力由于施工条件、地质条件、环境条件等因素的不同,复杂多 样、并且作用荷重也是一个不确定因素,所以正确把握这些现象是非常困难的.因此在设计衬砌时,首先应对各种条件做充分勘察,然后再从经验和理论两个方 面去设定去设定荷重及选择计算方法.管片设计时

3、需要考虑的因素如下：2.1 保证隧道构造的平安必须保证能够承受从开工到竣工后的长期使用阶段作用于隧道上的各种荷 载静、动荷载作用.2.2 降低本钱就盾构隧道而言,管片制作本钱通常占盾构法隧道总造价的 30%50%,合 理的设计管片就是降低盾构隧道造价的关键环节.2.3 制作及施工容易管片设计时,还应考虑管片制造制作工艺、养护方法、管片拼装成管环, 直至用接成一次衬砌施工的方便性,并考虑对其他施工工序的影响小等因素.3、管片设计原那么3.1 边界条件确定按施工工艺及工程水文地质特点确定设计荷载及边界条件,从结构和非结构两方面做出符合技术标准的设计.3.2 构造形式的选择根据隧道的用途、土质条件及

4、施工方法等因素选择管片的种类、构造、形 式及强度.中小直径的上下水隧道,电力电信隧道多采用钢筋混凝土管片和钢管片； 对 铁路、公路等大直径隧道而言,已选择钢筋混凝土管片为主,偶尔也会使用铁铸 管片和钢管片.无论什么地层都应先对钢筋混凝土箱型和平板型管片的适应性进 行论证.当存在特殊荷载作用时也可考虑铁铸管片和钢管片的适用性.在计算管环的断面应力时,应根据管片的种类、接头方式、接头的位置组合 产生的接头效应等因素确切的评价衬砌构造特征.计算管环断面应力时,是把管环看作具有均质刚度的环还是看做多钱支环,或是看做具有转动弹簧和剪切弹簧 环来考虑,应根据隧道的用途、地质土层、衬砌构造特征决定.3.3

5、按允许应力法设计计算管片设计须在充分满足与用途相对应的构造平安性的根底上,进而在选用 合格材料、合理施工方法的前提下,按允许应力法进行设计计算.技术经济性比拟全面考虑工程造价、使用年限、长期维修费用及运营中的经济效益,对设 计做经济技术性比选.4、主体结构设计4.1 管片的外径盾构发隧道中由于一次衬砌是采用管片拼装而成, 因此习惯把隧道的外径称 为管片的外径,管片的外径取决于隧道净空和衬砌厚度管片厚度、二次衬砌厚 度等.对于地铁区间单线隧道,管片的外径一般为 6.0米左右.4.2 管片的厚度与幅宽管片的厚度是指盾构隧道一次衬砌的厚度.对于箱型管片,那么为管片的主 梁高.管片幅宽是指一环管片在隧

6、道纵向的宽度.管片的厚度与隧道断面大小的比,取决于土质条件、覆盖层的厚度等,最主 要的是取决于荷载条件.一般情况下.管片厚度为管片外径的 4%左右,但对于 大直径的隧道,尤其是箱型管片,约为 5.5%左右.管片的幅宽应根据隧道的断面,结合实际施工经验,选择在经济性、施工性 方面较合理的尺寸.从便于搬运、组装以及出于对隧道曲线段上施工时盾尾长度 的考虑,管片幅宽是小一些为好.但是,从降低管片制造本钱,减少易出现漏水 等缺陷的接头部数量、提升施工速度等方面考虑,那么幅宽大一些为好.根据目前 经验,是隧道断面大小而异,幅宽一般在3001500mm范围之内.采用钢管片时, 多为7501200mm；采用

7、混凝土管片时,多为 9001200mm.4.3 管片的分块盾构隧道的衬砌有多块预制管片在盾尾内拼装而成,管片环的分块主要由 管片制作、运输、安装等方面的实践经验确定,但应满足受力要求.从过去 的经验及实际运用情况来看.地铁隧道分块为 68块较多.上下水道、电力 通信等隧道一般分为57块.管片A型管片、两块B型管片和一块封顶的K型管片组成,如下列图所示.K型管片有从隧道内侧插入的半径方向插入型,也有从隧道轴方向插入的轴方向插入型.4.4 管片的接头角与插入角由于K型管片插入方式分两种,沿半径方向插入的角度称为接头角r,沿轴方向插入的那0一A角度称为插入角1o K型管片的接头角和插入角即h界面内力

8、传递、组装作业施工条件和管片生产条淤u32r件确定.E?C如果是半径方向插入型管片,对于其中的 K型管片的接头角,以下式计算r= k/2+ w,上式中的 川是为便于K型管片的插入所需要的富裕角度,般采用2°5°,但在不阻碍操作的前提下,小一些为好同沿宇校方向痂入审h斛轴向播入刑图沿半径方向尚人槃音片图3-3一5 K型管片的种奘如果是轴向插入型管片,其中K型管片一般不需要接头角度r0但是,考虑到包括盾构机长度在内的施工条件和管片接头与管片环之间的干扰, 还是需要设定管片 的插入角度1 .管片的插入角度多取决于施工条件,但是取170240的居多.4.5 管片的楔形量盾构在曲线段

9、施工和蛇形修正时,需要使用一种幅宽不等的管片环,称为楔 形管片环.当其宽度特别小呈窄板状时称为楔形垫板环.楔形管片环中最大宽度 与最小宽度称为楔形量.通常,蛇形修正用楔形管片环数量大概是直线区间所需管片环数量3%5%.如果是可以将蛇形修正楔形管片环作为缓曲线用楔形管片环使用,而且可以使用的缓曲线线区间比拟长时,楔形管片环的数量应为直线区间和这些缓曲线区间所 需环数之和的3%5%.楔形量出了根据管片种类、管片宽度、管片环外径、曲线区间楔形管片环使 用比例、管片制作的方便性确定外,还应根据盾尾操作间隙而定.总结过去的使 用经验,绝大多数混凝土管片环的楔形量在 75mm以内.对于口径大于10m的 或

10、特殊形状的隧道,楔形量确实定还需进一步计算校核.4.6 管片的拼装盾构隧道的拼装方式有两种,通缝拼装和错缝拼装.通缝拼装时,管片衬砌 结构的整体刚度较小,导致变形较大、内力较小.而采用错缝拼装时,管片衬砌 结构的整体刚度较大,导致变形较小、内力较大.同时错缝拼装时,要求纵向螺栓的布置能够进行一定角度的错缝拼装, 因此,对于管片的分块设计要求比通缝 拼装条件下要高.错缝拼装的偏转角度根据纵向螺栓的布置而定,可以两环一组 错缝拼装,也可以三环一组错缝拼装,通常将 K型管片放在隧道拱顶900范围以 内.一般情况下,一条线上需要三种管片环来模拟直线和曲线线形,但是为了减少管片模具,降低工程造价,而且方

11、便管片的生产、运输和吊装等,因此提出了 管片通用环的概念,将直线段上的管片环直接设计成楔形环, 用两楔形环一组错 缝拼装来模拟直线线形.其中根本拼装方式是：第一环K型管片在左侧水平位置指的是K型管片的中央位置；第二环K型管片在右侧水平位置相当于第 二环在第一环的根底上又转180°.同时还可以模拟曲线线形和用于蛇形修正.5、小结在通缝和错缝式拼装的情况下,管片内力总体分布规律大致相同,但受错缝 式拼装影响,纵向和环向接头相互作用所产生的附加内力使得相同地质和埋深条 件下的错缝式拼装管片环最大弯矩值较通缝式拼装约大20%,而相应轴力却较通缝式拼装约小10%,由此说明错缝式拼装所引起的管片附加内力较为明显,这虽然对管片环的整体承载较为不利,却提升了结构的整体性,使得错缝式拼装管片 环最大位移值较通缝式拼装约小 20%.对我国现行地铁区间盾构隧道地质和埋深条件而言,即使管片结构出现了细 小裂缝,衬砌结构还能承受较大荷载,从而使得实际工程中盾构隧道出现坍塌的 可能性极小,因此在相关设计中应将管片环的最大