城市轨道交通结构设计与施工之盾构法隧道设计

1、城市轨道交通结构设计与施工Structural Design and Construction of Urban Rail Transit主讲：周顺华 教授同济大学交通运输工程学院第七章 盾构法隧道设计 目 录第一节 盾构法隧道的基本原理第二节 盾构法隧道衬砌结构第三节 盾构隧道的结构设计第四节 联络通道结构设计第五节 平板形钢筋混凝土管片设计实例盾构隧道的基本原理 盾构法（Shield）隧道，是指在地表以下土层或松软岩层中采用盾构机掘进施工的隧道，主要用于当明挖隧道施工对城市生活干扰较大或隧道埋深、地质条件不适合于用明挖法或其他方法建造隧道的情况，具有不影响地面交通、减少对附近居民的噪声和振

2、动影响、施工易于管理和施工不受风雨等气候条件影响等优点。 盾构法隧道是1823年由布鲁诺尔首创于英国伦敦泰晤士河的水底隧道。经过近二百年的发展，其施工机械和施工控制技术等越来越趋于成熟，已成为隧道建设特别是城市隧道建设中的主要施工方法。盾构类型 为保证围岩不发生坍塌失稳或控制施工引起的周围土体或建筑物的变形，盾构法隧道施工过程中通过盾构机体主动控制围岩的应力释放和变形，根据面板与前方土体的平衡形式的不同，可以分为不同平衡系统的盾构机。 各种类型盾构掘进的支护面板盾构隧道断面形式就断面型式而言，大部分盾构法隧道的断面型式为单圆形。 受城市既有地下构筑物的限制及适应不同工程的需要，近年来出现了双圆

3、、三圆、矩形等多种断面型式，相应开发了双圆、三圆、矩形、球型盾构和子母盾构等。第二节 盾构法隧道衬砌结构盾构隧道衬砌是直接支撑地层，防止渗漏，同时又能承受施工荷载的结构。一次衬砌二次衬砌预制装配式衬砌环的分块与拼装衬砌环分块形式衬砌环的拼装形式错缝拼装通缝拼装封顶块的拼装形式径向插入型轴向插入型管片间及环间的连接柔性连接相邻管片间产生微小的转动和压缩，使衬砌环能按内力分布状态产生相应的变形，以改善衬砌环的受力状态。刚性连接通过增加连接螺栓的排数，力图在构造上使接缝处的刚度与管片的刚度相同。管片种类及特点按截面形式分类箱型中子型平板型曲线地段或修正蛇行施工时用到的管片为楔形管片，楔形管片是具有锥

4、度的管片环，当其宽度特别小呈窄板状时称为楔形垫板环。 种类特征钢铁管片混凝土类管片钢管片球墨铸铁管片钢筋混凝土（RC）管片复合型管片平板形中子形SC结构SRC结构特点重量轻、可以任意完整加固材料、中小盾构使用较多强度好、耐久性好、制作精度高、重量轻、可用作特殊管片成本低、使用最多、耐久性好、可构建实用、无障碍物衬砌混凝土和钢板有效复合构造，与钢筋混凝土管片相比厚度小存在问题容易变形、耐腐蚀性差成本较高、焊接困难厚度较大、重量大、易损伤抗腐蚀性差、接头构造复杂实例用于小、中断面。用于开口部位及小半径曲线部位。用于中、大断面。用于开口部位及小半径曲线等特殊部位。用于中、大口径断面。用于中、大口径断

5、面。用于特殊部位。止水性接合精度高，止水性好结合处加工精度高，止水性好。如果考虑到接头表面的制作精度，则止水性好截面变形量小，故止水性比较好。耐久性必须对板等采取防腐措施必须采取防腐措施当虽有一定的耐久性（抗腐蚀性、耐热性）必须对钢板等采取防腐措施加工制作性加工场地较小、材质均匀，成品可靠性好厚度受到限制、加工精度高、材质均匀，成品可靠性好制作精度依靠模板精度、养护时间长混凝土必须有养护时间。为了防止浇筑混凝土的变形，必须设简易的构件。施工性对于千斤顶的推力强度与刚度要求都比较小、不易损伤、焊接性好，现场维修及加固等容易。重量比较轻，不用担心破损，搬运及拼装容易。对于千斤顶的推力，因有足够的断

6、面在抵抗，故易于确保承载力。在搬运、拼装及推进时转角处等有开裂或破损等。对于千斤顶的推力，有足够的承载力。由于采用钢管包覆，可以在搬运、拼装时不易产生缺损或损伤。接头形式直螺栓直螺栓直螺栓直螺栓，曲螺栓、插头、铰接接头直螺栓断面形式箱型箱型箱型平板型平板型双圆盾构隧道的衬砌结构横向双连形的MF盾构施工法竖向双连形的DOT施工法第三节 盾构隧道的结构设计一般原则结构设计首先应确保隧道结构的安全性，即能够承受从开工到竣工后的长期使用荷载（静、动荷载）的作用，在施工和正常使用阶段，进行结构强度的计算，对于混凝土结构，应进行抗裂验算或裂缝宽度验算。管片设计时可将其视为单纯承受弯矩、轴力及剪力的线性梁来

7、处理。为了取得较好的经济效益，在工程地质条件好、周围土层能提供一定抗力的前提下，衬砌结构可设计得柔和一些，但圆衬砌环变形的大小对结构受力、接缝张角、接缝防水和地表变形等均有影响，设计时需对衬砌结构的变形进行验算，作必要的控制。结构设计应按照隧道的横断面及纵断面方向分别进行。通常情况下，按相对于横断面方向的设计来决定管片的断面，根据地震及地基沉降的影响等来研究隧道纵断面结构的合理性。设计条件的设定荷载的计算构件详图的设计对于特殊荷载的设计绘图构件的设计计算截面内力的计算弯矩及轴向力的单位应力的计算 剪应力的计算单位应力的校核 管片的制作隧道的线性必要的内空断面土质条件 管片的种类 管片的分块数主

8、要荷载计算 附加荷载的计算荷载及结构模型的选定惯用计算方法修正惯用计算方法梁弹性模型计算方法部分地基弹簧模型，全周地基弹簧模型管片主断面的假定对于主要荷载的主断面的单位应力的校核对于主要荷载及附加荷载作用下的构件的设计计算接头的计算（螺栓、接头板、锚筋等）纵肋的计算地震的影响地基沉降的影响邻接施工的影响对相邻建（构）筑物的影响注入孔吊具接头角度锥形衬环nooknook荷载计算荷载分类主要荷载备注主荷载垂直和水平土压力；水压力；自重；上覆荷载的影响；地基反力设计时必须考虑的基本荷载附加荷载内部荷载；施工荷载；地震影响施工中或竣工后的荷载，根据隧道用途、施工条件及周围环境考虑的荷载特殊荷载并设隧道

9、的影响；临近施工的影响；地基沉降的影响；其它荷载的影响考虑地层条件和隧道用途特殊性的荷载垂直土压力上覆土厚度小于隧道外径时，因地层无拱效应，垂直土压力为上覆土的水土重量。上覆土厚度大于隧道外径时，应根据地层性质判断其是否存在拱效应，进而决定是否采用松弛土压力。松弛土压力的计算方法一般采用太沙基公式式中： -Terzaghi的松动土压力；松弛层的换算高度；水平土压力与垂直土压力之比（一般取 =1）；土的内摩擦角；上覆荷载；土的重度；土的粘聚力；但是，小于 时可使用下式： 水平土压力作用于管环上的侧面水平土压力，可按下式估算： 式中：水平土压力（KN/m2） 侧向土压系数（无量纲）， 可以考虑为静

10、止土压力、主动土压力或者按略小于静止土压力的值考虑；此外， 还与土质、设计计算方法及施工方法有关，所以很难高精度设定 ；侧向土压力系数（ ）和地层反力系数（ K）土与水的考虑土的种类 K（kn/m3）N值得大致范围土水分离非常密实的砂性土密实的砂性土松散的砂性土0.35-0.450.45-0.550.50-0.6030-5010-300-10固结粘性土硬的粘性土中硬粘性土0.35-0.450.45-0.550.50-0.6530-5010-300-10土水一体中硬粘性土软粘土超软粘土0.55-0.650.65-0.750.70-0.855-100-50- 自重荷载自重荷载是沿衬砌轴线分布的竖直

11、荷载，一次衬砌的自重荷载可按下式计算： 式中： 一次衬砌的自重单位长度衬砌的重力（KN/m）； 衬砌形心半径（m）； 重力加速度（9.8/s2）； 一次衬砌的体密度（T/m3）上覆荷载地层反力施工荷载内部荷载地震荷载 横截面的结构内力计算目前，单圆盾构隧道有以下几种管片环的结构计算模型及方法：不考虑管片接头抗弯刚度降低，把管环视为具有和管片主截面同样刚度EI，且刚度均匀的环，采用弹性匀质圆环法或惯用计算法进行计算；考虑管片接头抗弯刚度降低，把管环视为是具有均匀抗弯刚度EI的环（4.518m荷载的计算土反力和位移 假定作用于两侧的水平土反力是随着衬砌向地基内位移产生的，在衬砌水平直径的上下 中心

12、角范围内呈三角形（以水平直径上的点为顶点）分布。水平直径上点的土反力与衬砌向地基内的水平位移成正比，考虑了土反力的位移 ：（7-29）式中： 土水压力引起的 点位移； 土反力引起的与上述方向相反的 点位移0.00016374m作用于管片衬砌体的外荷载的计算土反力和位移土质条件土反力荷载分布松动高度管片环截面内力计算管片的主截面管片环截面内力计算外荷载在管片环上产生的截面力，采用常规计算法计算：（104N.m/m）（104N/m）（104N/m）00.65227.8000.000100.59627.906-0.393200.43928.202-0.705300.21228.636-0.87740

13、-0.03929.131-0.876500.26529.605-0.71260-0.42929.988-0.43670-0.50730.244-0.11880-0.49830.3780.16890-0.42030.4290.368100-0.30030.4250.4761100.16130.3880.500120-0.02630.5950.4491300.08730.3650.3461400.16830.4140.2261500.21530.5010.1171600.23730.5990.0431700.24330.6760.0091800.24430.705-0.000截面内力的计算最大截面力一览表（104 Nm/m ）主体应力承受正弯矩和轴向力应力分布（正弯矩）管片接头螺栓的设计 假设单块管片的阻力矩（绝对值得最小值）的60%以上为管片街头的容许阻力矩。单块管片的阻力矩中心轴的位置：3.711cm管片的接头参数混凝土应力达容许应力 15MPa时的力矩：2.224104N.m/环钢筋应力达容许应力c时的容许阻力矩为：1.387104N.m/环由于则 ，单快管片的容许阻力矩为：1.387104N.m管片接头螺栓的设计管片接头的容许弯矩中心轴的位置：3.011cm接头的容许弯矩为管片的容许弯矩的60%