地铁运行对环境的影响及地铁减振技术ppt课件

1、第六章 盾构衬砌构造上海理工大学土木工程系陈有亮目录6.1 概述6.2 盾构构造和分类6.3 盾构推进及衬砌拼装6.4 装配式圆形衬砌构造6.5 内力计算与管片构造设计6.1 概述6.1.1 定义6.1.2 盾构法的开展历史6.1.3 盾构法的优缺陷6.1.4 盾构机的类型6.1.1 定义盾构是一种钢制的活动防护安装或活动支撑,是经过脆弱含水层,特别是河底、海底以及城市居民区建筑隧道时运用的一种施工机械。在盾构的防护下，头部可以平安地开挖地层，一次掘进相当于装配式衬砌一环的宽度。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，并将衬砌与土层之间的空隙用水泥压浆填实，防止周围地层的继续变形

2、和围岩压力的增长。6.1.1 定义盾构推进主要是依托盾构内部设置的千斤顶，用千斤顶顶在拼装成的衬砌环上，使它推进到已挖好的空间内，然后缩回活塞杆，为下一环衬砌拼装发明条件。反复上述过程，不断开挖不断拼装，并不断推进，借助盾构这种施工机械可以较快的速度完成隧道施工根本作业循环，直至隧道建成。6.1.2 盾构法的开展历史1818年法国工程师布鲁诺尔获得了隧道盾构的发明专利；1825年在英国泰晤士河下初次用矩形盾构建造隧道，实践上它是一个活动的施工防护安装；1869年英国工程师J.H.Greathead胜利地运用了P.W.Barlow式盾构建筑了英国泰晤士河下水底隧道，自此，盾构得到了普遍成认。6.

3、1.2 盾构法的开展历史1874年在英国伦敦城南线建筑隧道时，J. H. Greathead发明了比较完好的用紧缩空气来防水的气压盾构施工工艺，使海底隧道施工工艺有了长足的开展，并为现代化盾构奠定了根底；之后，盾构技术在美国、德国、前苏联、日本等国都得到了迅速开展。6.1.2 盾构法的开展历史我国在1957年北京下水道工程中初次运用了2.6m小盾构当时称盾甲法。从1963年起先后设计制造了外径为3.6m、4.2m、 5.8m、10.2m等不同直径的盾构机械。近年还设计制造了11.0m直径的大盾构，供上海市延安东路过江隧道运用。6.1.3 盾构法的优缺陷优点：该施工方法属地表以下暗挖施工，不受地

4、面交通、河道、航运、潮汐、季节等条件的影响，能比较经济合理地保证隧道平安施工，在松软含水地层中建筑隧道、水底隧道及地下铁道时采用各种不同方式的盾构施工最有意义。缺陷：盾构的制造、运送、拼装、装配等费用比较昂贵，设备比较复杂；它是一项综合性的施工技术，除运用盾构本身进展土方开挖和衬砌拼装外，还需求有气压供应，人工井点降水，衬砌管片的预制，衬砌防水堵漏，隧道内的运输、丈量、施工场地布置等施工技术的亲密配合；用气压法施工时，能够会遇到紧缩空气泄出的危险，要采用医学防护措施，防止减压病等；盾构法的运用遭到一定条件的限制，假设条件不具备，只需采用其它施工方法。6.1.4 盾构机的类型按外形:圆形半盾构、

5、矩形、马蹄形等。圆形因其抵抗水土压力较理想，衬砌拼装简便，构件可以互换，较为通用，数量最多。矩形因周围力的分布不均，支配不便，用的不多。在圆形盾构中，根据盾构开挖面的施工方式不同，可分为敞胸盾构和闭胸盾构两大类。按排除地下水稳定开挖面的方式可分为人工井点降水、泥水加压、土压平衡式的无气压盾构，部分气压盾构，气压盾构等6.2 盾构构造和分类6.2.1 盾构的根本构造6.2.2 盾构分类及其适用范围6.2.3 盾构几何尺寸的选定及盾构千斤 顶推力计算6.2.1 盾构的根本构造如图6-2所示，盾构通常由盾构壳体、推进系统、拼装系统、出土系统等四大部分组成。盾构壳体：由切口环、支承环、盾尾与竖直隔板、

6、程度隔板组成，并由外壳钢板连成整体。推进系统：盾构的推进系统主要由盾构千斤顶和液压设备组成，并利用千斤顶上下左右活塞杆伸出长度不同到达纠偏目的。千斤顶普通是沿支承环周围均匀分布的。6.2.1 盾构的根本构造盾构是由电能带动液压设备而任务的。液压设备由启动输油泵、启动高压油泵、启动控制油泵等组成。拼装系统：衬砌拼装器又称举重臂，是拼装系统的主要设备，也以油压系统为动力。普通举重臂均安装在支撑环上，中小型盾构因受空间限制有的安装在后部车架上或平板车上。出土系统：大直径盾构施工要运出大量土方，出土方式恰当与否直接影响到盾构推进的速度和施工场地安排能否合理。出土方式普通有三种：6.2.1 盾构的根本构

7、造有轨运输；无轨运输；管道运输。6.2.2 盾构分类及其适用范围详细分类见表6-1。按发掘方式，盾构可分为人工开掘、半机械式开掘和机械式开掘；按构造类型可分为敞胸和闭胸两种方式。6.2.2 盾构分类及其适用范围人工开掘式、半机械式敞胸盾构:此类盾构可根据地质条件全部敞开,随时察看地层变化情况,并配备简便的液压、机械发掘、人工发掘，当开挖面难以坚持稳定时，可以采用气压等人工措施，如正面支撑、支撑千斤顶等随挖随撑。这种盾构是最老式、最普通的一种，绝大多数水底道路隧道都采用这种盾构。它的优点是构造简单，配套设备少，造价低。缺陷是盾构正面敞开，任务面易发生塌方事故，危及人身及工程平安，道路隧道直径大，

8、劳动强度大，进度慢。6.2.2 盾构分类及其适用范围挤压式闭胸盾构:美国纽约厚兰隧道、林肯隧道和上海打浦路隧道都采用过半挤压及全挤压推进的闭胸盾构施工，在塑性黏土及淤泥中即使采用气压也不能自立，需将盾构正面用胸板密闭起来。它是将盾构压入土层，土体从孔中挤入盾构，装车外运，不需求人工开挖与支撑开挖面，施工效率成倍提高。缺陷是适用范围小，只适用于上述这种地层，且全挤压会呵斥地表隆起，故又只适用于空阔地段，或河底、海滩等处。用闭胸式盾构施工时衬砌构造会发生一种椭圆率的景象，先是衬砌程度直径减少，竖向直径增大，继之，盾构离远时，竖向直径减小，程度直径增大。这主要是由于隧道上方土壤破坏隆起，构成一个卸载

9、拱，而程度压力依然坚持初始数值。6.2.2 盾构分类及其适用范围机械式闭胸盾构:部分气压盾构、泥水加压式盾构、土压平衡式盾构优点缺点局部气压盾构可取代在隧道内加压的全气压施工，使施工人员不在气舱内工作，大大改善了劳动条件。存在一些技术难点，目前尚未很好解决。泥水加压式盾构既能均匀抵抗水压，又无局部气压盾构那样漏气及连续出土困难等问题，适用于含水地层、冲击层、洪积层盾尾漏水问题没有很好解决；开挖面状态不明；要配备许多设备，如自动控制、泥水输送系统、泥水处理系统和泥水处理场地等，后者造价很高。土压平衡式盾构用刀盘切削下来的土，如同用压力泥水一样充满整个密封舱，并保持有一定压力，使切削下来的土与开挖

10、面的土体压力平衡，开挖面土、砂不会从刀盘面处崩溃坍塌。该盾构是在上述两种机械化盾构的基础上发展起来的，既避免了漏气缺点，也省略了投资大的泥水输送设备和处理设备，是最新型盾构。失败和成功例子差别很大，有待完善。6.2.3 盾构几何尺寸的选定及盾构千斤顶推力计算盾构外径盾构长度盾构灵敏度盾构千斤顶推力计算6.2.3 盾构几何尺寸的选定及盾构千斤顶推力计算盾构设计、盾构几何尺寸的选定应与隧道断面方式、建筑界限、衬砌厚度与衬砌拼装方式等相顺应。大型盾构，绝大多数工程都是专门定制的，很少几个工程通用一个盾构。盾构几何尺寸的选定主要是指盾构外径、盾构长度、盾构灵敏度的选取。盾构外径D的选取D=d+2(x+

11、)d为隧道衬砌外径;为盾尾钢板厚度;x的物理意义请参考图6-3，实践工程中x取0.01-0.008d。盾构长度L的选取L=L0+L1+L2+L3L0为盾尾长度; L1为支撑环长度; L2为切口环长度; L3为前檐长度。L0、L1、L2、L3的物理意义见图6-4。L3可取300-500mm,视盾构直径大小而定；L2对手掘式盾构要思索人工开挖操作方便，其最大值L2=Dtan或小于2.0m,机械化盾构要思索包容开挖机具；L1主要取决于盾构千斤顶长度，它与预制衬砌环的宽度b有关，L1=b+(200-300)mm(留富余量，便于维修千斤顶用)；盾构长度L的选取 盾尾长度 L0 =m+m1+m2 m、m1

12、、m2的物理意义见图6-4。 m-盾尾遮盖衬砌长度，与需求改换的衬砌环数和盾尾密封安装等要素有关，取1.5-2.5b; m1取0.08-0.20b，选取时应思索穿纵向螺旋及环面清理任务的方便; m2-千斤顶顶块厚度。 盾构灵敏度L/D的选取在盾构长度L和盾构外径D确定之后，盾构灵敏度L/D自然可以获得。以下阅历值可以作为确定普通盾构灵敏度的参考：小型盾构：D=2-3m，L/D=1.5;中型盾构：D=3-6m，L/D=1.00;大型盾构：D =6-9m，L/D=0.75;特大型盾构：D =9-12m，L/D=0.45-0.75。盾构千斤顶推力计算盾构千斤顶应有足够推力抑制盾构推进时所遇阻力。阻力

13、包括：盾构外外表与周围地层的摩阻力F1、盾尾内壳与衬砌构造之间的摩阻力F2、盾构切口部分韧口切入土层的阻力F3、盾构切口环切入土层时的正面阻力F4、开挖面正面支撑阻力F5以及盾构自重引起的阻力、纠偏时的阻力、部分气压或泥水压力、阻力板阻力等。将各项阻力累加起来，并思索一定的富余量，即为总推力。由于计算是近似的，平安系数应采用1.5-2.0。盾构千斤顶推力计算对手掘式盾构，盾构推进总阻力计算公式为：F= F1 + F2 + F3 + F4 + F5 + 6.3 盾构推进及衬砌拼装6.3.1 盾构推进6.3.2 衬砌拼装6.3.1 盾构推进采用盾构施工,首要问题是盾构选型。盾构是一种施工机具，随地

14、层性质的改动而改动。在进展盾构施工时，要根据地层地质条件，慎重选择盾构类型。纵观以往水底道路隧道所采用过的大直径盾构，大部分采用手掘式敞胸盾构或闭胸挤压盾构或者是两者兼有的盾构。很少采用技术先进的泥水盾构或土压平衡盾构。6.3.1 盾构推进人工井点降水加手掘式敞胸盾构施工气压加手掘式敞胸盾构施工泥水加压盾构施工人工井点降水加手掘式敞胸盾构施工的任务原理在经过盾构的两侧土层中先打入井点管，经过井点汲水滤管把地下水抽出，使井点附近构成一个降水漏斗，地下水位降低，疏干地层，添加土体强度，以保证开挖面稳定，由于盾构是在地下水位以上经过，施工人员能在较枯燥的任务条件下进展操作。人工井点降水加手掘式敞胸盾

15、构施工的优缺陷优点：不用气压施工，经济适用；缺陷：在江河的中段难于运用，只能用在两岸的岸边段，且埋置深度不能太深，太深假设降水效果不好有时能够会引起盾构忽然下沉。另外，两岸建筑物也不能太密集，否那么因降水不均而引起建筑物不均匀沉降。地层疏干后手掘式敞胸盾构施工的详细过程先借助盾构千斤顶使盾构推进，将切口环部分切入地层，然后在切口环维护下进展土体开挖和运输，这样对周围地层扰动较小。开挖从上而下，分层开挖，施工工具为普通手工工具或手持式电开工具。根据衬砌管片宽度，盾构切口长度，每环管片可分数次开挖和推进，盾构纠偏时可以利用超挖处理。地层疏干后手掘式敞胸盾构施工的详细过程4. 假设土质较差，可借助支

16、撑千斤顶加撑板对开挖面进展暂时支撑。5. 当用网格式盾构时，根据地层正面自动土压力与土和网格周边的摩阻力相等，土就不会坍入盾构内部的原理，可以取代上述支撑，保证开挖面的稳定，当盾构推进时，利用网格头部的刃口，将土从每一个网格孔眼里呈条状入盾构，这样边推进，边挤入，再用转盘经刮板运输机将土运出。网格大小可视土质情况调整并随时可以装拆。网格式盾构地层疏干后手掘式敞胸盾构施工的详细过程6. 网格式开挖普通不能超前开挖，全靠调整千斤顶编组进展纠偏，另外，要防止盾构千斤顶缩回时因土的弹性变形促使盾构后退，导致地表沉降。气压加手掘式敞胸盾构施工在含水松软不稳定地层中采用气压来疏干和支护开挖面,以防止涌水、

17、开挖面崩坍,加强地层强度，是一种极古老且行之有效的盾构施工方法。日本盾构采用气压盾构施工的约占75%，上海打浦路隧道也是采用气压施工。在粉砂及砂砾层中，由于漏气量太大，用气压盾构法施工效果较差，覆盖层较小还有喷出的危险。此外，压气量应尽量小，宜与井点、注浆、冻结法等结合运用，使隧道埋深不致太大。气压加手掘式敞胸盾构施工下面主要讲二个内容：气压大小及耗气量确实定气压盾构施工气压大小及耗气量确实定实际上，每10m水头必需用0.1MPa大气压来平衡。但实践上，平衡压力的大小还与周围地层的性质、开挖面土层的干湿程度有关。上海软土层的透气系数很小，一部分水头压力耗费在土体孔隙的阻力上，实践施工所需的空气

18、压力仅为实际值的50-60%，所需空气量仅为实际值的10-50%。气压大小及耗气量确实定对于中小型盾构，气压等于离盾构顶端D/2处的地下水压力，大直径盾构要为2D/3处的地下水压力，如图6-5所示。中小型盾构, P=(H+D/2)*w大直径盾构,P=(H+2D/3)*w气压大小及耗气量确实定用上述方法确定的紧缩空气压力值，在盾构顶部仍有(1/2-1/3)D的超压p，施工时为防止空气泄出，盾构顶部必需有足够厚的覆盖层，计算式为 t= Kp/ 土 土为土的重度； K为平安系数，在砂质土层中不小于1.5。气压大小及耗气量确实定耗气量可采用如下阅历公式 Q=D2 D-盾构外径 气压大于0.1MPa时,

19、黏土取3.65，砂土取7.30。气压盾构施工气压盾构施工中闸墙和气闸既能将作业区和常压作业区隔开,又能使资料、设备及任务人员顺利进出作业区。闸墙必需有足够的强度和致密性，保证在0.35MPa气压作用下不漏气。大断面隧道均用钢闸墙，气闸是钢板铆接或焊接而成的圆筒形构造。人行闸又分为内闸和外闸两部分，内闸能包容每班施工人员数，人行闸的管理是气压施工的重要环节，要严厉遵守气压作业的任务时间及进出气闸的变压时间，以防减压病。泥水加压盾构施工近年来用泥水加压盾构替代气压盾构施工，抑制了气压盾构施工的弊病，如地下水挪动引起的地面沉降；覆土深时，气压太高，无法施工；覆土浅时，要漏气。泥水加压出土可以全部实现

20、机械化，用管道水力保送方式送往地面处置，改善了施工条件，加快了施工速度。泥水加压盾构是将一定压力的泥水，压入盾构前部密封舱内，使其压力一直高于地下水压力，这样就保证了开挖面的稳定。6.3.2 衬砌拼装隧道衬砌是在盾构尾部壳维护下的空间内进展拼装的。衬砌资料以铸铁、钢、钢筋混凝土或钢与钢筋混凝土的复合资料等为主，管片或衬砌种类繁多。衬砌的拼装方法有重臂拼装和拱拖架拼装；通缝拼装和错缝拼装；螺栓衔接管片和无螺栓衔接砌块。在拼装管片或砌块的过程中，主要应处理管片或砌块的运送、就位、成环以及衬砌的防水等任务。为此，首先必需充分做好预备任务，如举重臂的平安检查、拼装车架的配合、盾构底部的清洗、防止盾构的

21、后退、有关拼装资料的预备等，管片或砌块应按预定位置放好，以提高拼装速度。6.3.2 衬砌拼装拼装方法按其程序可分为先纵后环和先环后纵两种。先环后纵是拼装前将一切盾构千斤顶缩回，管片先拼成圆环，然后拼装好的圆环沿纵向靠拢构成衬砌，拧紧纵向螺栓。这种方法的优点是环面平整，纵缝拼装质量好，缺陷是在易产生后退的地段，不宜采用。先纵后环的方法是可以有效地防止盾构后退，拼一块缩回这部分的千斤顶，其它千斤顶仍在支撑着盾构。这样逐块轮番，直至拼装成环，即先纵后环。采用举重臂拼装管片的原那么应是自下而上，左右交叉，最后封顶成环。假设采用纵向插入的封顶管片，那么举重臂沿隧道轴向挪动的间隔要加长，盾构顶部几支盾构千

22、斤顶的冲程也要加长，普通均设计成二级千斤顶。待管片全部拼装好，再分头对称拧紧全部环向、纵向螺栓，到达设计要求后，才算一环管片拼装终了。随着盾构不断 地推进，拼装任务也不断反复上述步骤，直至隧道建成。6.3.2 衬砌拼装在拼装过程中要特别强调留意保证质量。一是保证环面接缝平整，纵向通缝防水涂料压密，以防止管片呈喇叭状，构成漏水、漏泥的通道；二是留意衬砌的准圆度，圆度控制不好，会使衬砌出现外张或内张角，导致衬砌漏水。管片运输盾构皮带机出渣 6.4 装配式圆形衬砌构造装配圆形衬砌普通都是由称为管片的多块弧形预制构件拼装而成,是建成隧道后的永久性支撑构造。衬砌应满足强度要求和运用要求，并阻止泥水渗入；

23、在施工阶段需装配简便、容易交换、接受盾构千斤顶顶力及其他施工荷载。由于这种衬砌是在工厂预制的，质量较易保证，有利于加快隧道施工。衬砌管片从构外型式上分，有带肋箱形管片和带肋平板形管片。从衔接方式上看，管片都设有螺栓与相邻管片衔接起来。平板形管片假设去除衔接螺栓，即成为砌块。砌块四侧设有几种不同外形的接缝槽口，以便相互咬合起来，添加衬砌构造刚度。普通带肋管片的资料多为铸铁和钢，二十世纪七十年代，上海打浦路隧道第一次采用钢筋混凝土箱形管片。6.4 装配式圆形衬砌构造球墨铸铁管片的耐蚀性好，强度高，易于制成薄壁构造，分量轻，搬运安装方便。运用机械加工的管片尺寸精度高、外形准确、安装速度快、防水性能好

24、，普通不做二次衬砌。缺陷是造价高，特别是具有脆性破坏的特性，不能接受冲击荷载，故仅在土质恶劣的情况下运用。全钢管片强度高、延性好、分量轻，缺陷是刚度小、耐蚀性差，造价和制造精度稍低于铸铁管片，内部须做二次衬砌。钢筋混凝土管片有一定强度，加工制造比较容易，采用钢模制造时，能保证管片的精度，具有耐蚀、造价低等优点，运用范围越来越广。缺陷是比较笨重最重可达5吨多，运输安装过程中边缘容易碰损，特别象箱形管片在盾构千斤顶作用下容易顶裂。6.4 装配式圆形衬砌管片的构造尺寸1)环宽与厚度国外常用的环宽是750-1000m。需与盾构设计相互配合，勿使盾尾太长影响盾构灵敏度。管片厚度普通为250-600mm。

25、2)分块普通大断面隧道可分成6-10块，小断面可分成4-6块。管片的最大弧长普通不超越4m，管片越薄，其长度越短。3)拼装型式普通有通缝拼装和错缝拼装两种。纵缝环环对齐的称通缝，适用于需求撤除管片建筑旁侧通道或构造需求比较柔的情况下，以便于进展构造处置。纵缝相互错开犹如砌砖一样的对称错缝，其优点在于能加强圆环接缝刚度，约束接缝变形，使圆形构造近似按均质圆环等刚度思索，因此，运用比较普遍，缺陷是管片制造精度不够好时尤其是钢筋混凝土管片错缝拼装容易使管片顶碎。6.4 装配式圆形衬砌管片的构造尺寸4)环向、纵向螺栓环向螺栓根据接缝内力情况可设置成单排或双排。普通在直径大，管片厚度也较大时采用双排，外

26、排螺栓抵抗负弯矩，内排螺栓抵抗正弯矩。每一排配有2-3个螺栓。单排螺栓孔普通设置在间隔隧道内侧h/3处h为衬砌厚度。纵向螺栓是按管片分块、拼装型式、构造受力等要求配置的，目的是使隧道衬砌构造具有抵抗隧道纵向变形的才干。普通一块管片设3-4个螺栓，螺孔位置设在离隧道内侧1/3-1/4h处。环向、纵向螺栓孔普通比螺栓直径大3-6mm。螺栓资料普通采用高强度合金钢。通常用直螺栓，加工简单，受力性能好。弯螺栓的最大缺陷是施工拼装时插入困难，影响拼装速度。6.5 内力计算与管片构造设计6.5.1 设计原那么6.5.2 内力计算法6.5.3 荷载计算6.5.4 衬砌内力计算6.5.5 管片截面设计6.5.1 设计原那么隧道建立费用中隧道衬砌费用往往占整个隧道工程造价的40-