地下结构工程第六章-盾构衬砌结构

地下结构构工程程第06章6盾构衬砌结构构本章介绍盾构构构造和分类类，盾构推进进及衬砌拼装装;圆形衬砌构造造、内力计算算与管片结构构设计，要求求了解盾构隧隧道的功能和和适用环境。。掌握圆形衬砌砌结构设计方方法和构造要要求。6.1概述盾构（shield）是一种钢制的活动防护装置或活活动支撑，是通过软弱弱含水层，特特别是河底、、海底，以及及城市居民区区修建隧道的的一种机械。头部可以安全地开开挖地层,尾部可以装装配预预制管管片或或砌块块，迅迅速地地拼装装成隧隧道永永久衬衬砌。。盾构推推进主要依依靠盾盾构内内部设设置的的千斤斤顶。。适用条条件在松软含含水地地层中中修建隧隧道、、水底底隧道道及地地下铁铁道时时采用用各种种不同同形式式的盾盾构施施工最最有意意义，，特别别是该该施工工方法法属地地表以以下暗挖施施工，，不受受地面面交通、、河道道、航航运、、潮汐汐、季季节等等条件的影响响，盾构隧隧道的的历史史用盾构构法修修建隧隧道开始于于1818年，，法国国工程程师布布鲁诺诺尔；；1825年在英英国泰泰晤士士河下下首次用用矩形形盾构构建造隧隧道；；近代，，日本盾盾构法法得到了了迅速速发展展，用用途越越来越越广，，并研研制了了大量量新型型盾构构；我国于于1957年北京下下水道道工程程中首次出现2.6m小盾构构；；上海市市延安东东路过江道道路隧隧道使用11.0m直径的的大盾盾构；；隧道剖剖面图图1-进风道道；2-进风口口；3-排风口口；4-排风道道；5-路面（（下拉拉杆））6-天棚（（上拉拉杆））；7-吊杆；；8-照明灯灯；9-灭火器器；10-消防栓栓；11-电缆；；12-排水管管；13-给水管管；14-纵向螺螺栓；；15-环向螺螺栓按形状状分类类大致有有圆形（（又称称半盾盾构））、矩矩形、、马蹄蹄形等几种种。圆形因其抵抵抗水水土压压力较较理想想，衬衬砌拼拼装简简便，，构件件可以以互换换，较较为通通用，，数量量最多多。圆形盾盾构中中，敞胸盾盾构和和闭胸胸盾构构两大类类。6.2盾构构构造和和分类类6.2.1盾构的的基本本构造造1-1(切口环环)；2-2(支承环环)；3-3(纵剖面面)通常由由盾构壳壳体、、推进进系统统、拼拼装系系统、、出土土系统统等四大部部分组组成。。1）盾构构壳体体盾构壳壳体由由切口口环、、支承承环、、盾尾尾与竖竖直隔隔板、、水平平隔板板组成成，并并由外外壳钢钢板连连成整整体。。切口环环：开挖挖；；上下下宽度度可以以等值值、也也可以以不等等值，，甚至至是活活动的的。容纳各各种专专门的的挖土土设备备。支承环环：承受受荷重重的核核心部部分，，刚性性较好好的圆圆环结结构。。水平隔隔板和和竖直直隔板板：增加加盾构构刚度度，，水平平承受受拉力力，竖竖直承承受压压力。。盾尾：掩护护工人人在其其内部部安装装衬砌砌。2）推进进系统统由盾构千千斤顶顶和液液压设设备组成，，上上下左左右活活塞杆杆伸出出长度度不同同达到到纠偏偏目的的。盾构千千斤顶顶一般般是沿沿支承承环圆圆周均均匀分分布的的；；3）拼装装系统统衬砌拼拼装器器又称称举重臂臂，是拼拼装系系统的的主要要设备备，以以油压压系统统为动动力，，一般般举重重臂均均安装在在支承承环上。举重臂能作作旋转、径径向运动，，还能沿隧隧道中轴线线作往复运运动。完成这些运运动的精度度应该保证证待装配的的管片上的的螺栓孔能能和已装配配好的螺栓栓孔对齐，，以便螺栓固固定。4）出土系统统出土方式一一般有三种种：（1）有轨运输输：皮带运运输机－矿矿车－洞口口－垂直起起吊至地面面。（2）无轨运输输：自卸卡卡车（3）管道运输输：混合泥泥浆，压力力输出，出出土土连续化6.2.2盾构分类及及其适用范范围表6-1。1）人工开掘掘式、半机机械式敞胸胸盾构全部敞开，随时观察察地层变化化情况，并并配备简便便的液压、、风动挖掘掘，机具、、人工挖掘掘，当开挖挖面难以保保持稳定时时可以采用用气压等人人工措施及及正面支撑撑、支撑千千斤顶等随挖随撑。2挤压式闭胸胸盾构在塑性粘土及及淤泥中采用,盾构正面用用胸板密闭闭起来。。厚兰隧道、、林肯隧道道和打浦路路隧道都采采用过半挤压及全挤压推进的闭胸胸盾构施工工.衬砌结构常常发生椭圆率的现象，先先衬砌水平平直径缩小小，竖向直直径增大，，继之，盾盾构离远时时，竖向直直径减小，，水平直径径增大。主要是隧道道上方土壤壤结构破坏坏、隆起，，形成一个个卸载拱，，而水平压压力仍然保保持着初始始数值之故故。3）机械式闭闭胸盾构（1）局部气压压盾构（2）泥水加压压式盾构(3)土压平衡式式盾构表6-1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6.2.3盾构几何尺尺寸的选定定及盾构千千斤顶推力力计算主要指盾构构外径D和盾构长度度L、盾构灵敏敏度L/D。最小建筑空空隙值xx=mα=mD=d+2(x+δδ)δ=0.02+0.01（D-4）2）盾构长度度LL=L0+L1+L2+L3L0—盾尾长度；；L1—支承环长度度；L2—切口环长度度；L3—前檐长度。。3）盾构灵敏敏度L/D经验数值: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特大型盾构构D＞12m,L/D=0.45~0.754）盾构千斤斤顶推力计计算阻力包括：盾构外表面面与四周地地层的摩阻阻力；盾尾内壳与与衬砌结构构之间的摩摩阻力；盾构切口部部分刃口切切入土层的的阻力；盾构切口环环切入土层层时的正面面阻力；开挖面正面面支撑阻力力；以及盾构自自重引起的的阻力，纠纠偏时的阻阻力，局部部气压或泥泥水压力，，阻力板阻阻力等。日本盾构总总推力经验验公式表6-2盾构总推力力隧道名称直径D(m)长度L(m)灵敏度L/D重量W(t)盾构千斤顶（只数）(104N)盾壳厚度(mm)附注荷兰Vehicular9.175.730.6340030600070美国林肯隧道9.634.710.4930428644063=12.7美Brooklyn-battery9.634.710.4931528644063=12.7美Queen-Midtown9.655.700.59285600比Antwerpen9.505.500.57627532640070Rotherhite9.355.490.586406700原苏联莫斯科地铁9.504.730.5340363500中国上海打浦路隧道10.206.630.65400408000中国上海延安东路隧道11.267.800.69480448800本讲要点盾构的组成成；盾构的分类类；盾构外形尺尺寸的确定定和推力的的确定。6.3盾构推进及及衬砌拼装装6.3.1盾构推进已建隧道所所采用过的的大直径盾盾构，大部部分都属于于手掘式敞胸胸盾构或闭闭胸挤压盾盾构，或者是两两者兼有的的盾构。技术先进的的泥水盾构或或土压平衡衡盾构很少采用。。本节将主要要介绍在松松软含水地地层中采用手掘式式敞胸盾构构施工，辅以气压压，人工井井点降水及及其它地层层加固措施施，盾构开开挖掘进时时的几种施施工方法。。1）人工井点点降水加手手工掘式式敞胸盾构构施工人工井点降降水，经经济，适用用于漏气量量大的砂性性土。地下水位降降低、疏干干地层，增加土体强强度，以保证开挖挖面稳定，，盾构在地地下水位以以上通过，，施工场地地较干燥。一般都采用用喷射井点，深度曾用用到27m，使埋深为为25m的隧道能顺顺利开挖。。具体过程：：（1）先借助盾盾构千斤顶顶使盾构推进进，将切口环环部分切入入地层，然然后在切口环保护护下进行土土体开挖与与运输，这样对周周围地层扰扰动较小。。（2）分层开挖挖，施工工工具为普通通手工工具具或手持式式风动工具具。（3）每环管片片可分数次次开挖和推推进，盾构构纠偏时可可以利用超超挖解决。。（4）可借助支支撑千斤顶顶加撑板对对开挖面进进行临时支支撑；（5）当用网格格式盾构时时，防止止盾构后退退。2）气压加手手掘式敞胸胸盾构施工工盾构施工在在含水松软软不稳定地地层中采用用气压来疏干干和支护开开挖面，以防止涌涌水、开挖挖面崩坍，，增强地层层强度，是是一种极古古老，且行行之有效的的施工方法法。（1）气压大小小及耗气量量的确定理论上，每10m水头必须用用0.1Mpa的气压力来来平衡。实际上，仅为理论论压力的50%~60%，空气量仅仅为理论空空气量的10%~50%。。中小型盾构构，压力等等于离盾构上端端约D/2处的地下水水压力;大直径盾为为2/3D处的地下水水压力;顶部均超压压，需有足足够的覆盖盖层施工时为了了防止空气气泄出，盾盾构顶部必必须有足够够厚的覆盖盖层t即t值过大则直直接影响到到隧道埋置置深度，，过小则覆覆盖不足，，往往容易易发生喷发发事故。国外隧道规规范规定；水底底隧道的最小覆盖层层必须大于盾盾构直径（（日本）或或等于盾构直径，覆盖层宽度应大于或等等于盾构直径的的6倍。采用经验公公式计算耗耗气量：—土质系数，，当压力大大于0.1MPa时，粘性土土=3.65；砂性土=7.30。（2）气压盾构构施工气压盾构施施工中闸墙和气闸闸作用是将作业区与常压作业区区隔开。闸墙必须有有足够的强度与气密性.气闸是钢板板铆接或焊焊接而成的的圆筒形结结构，分人行闸和外闸两部分。人行闸的管理是气气压施工的的重要环节节，要严格格遵守气压压作业的工工作时间及及进出气闸闸的变压时时间，以防防减压病。3）泥水加压压盾构施工工用泥水加压压盾构代替替上述气压压盾构施工工，克服了了气压施工工的弊病。。地面沉降降，减压压病，覆土深时时，气压太太高无法法施工，，覆土浅时，漏气气等。。泥水加压压盾构是是将压力力为的的泥水水，（（式中H取2m）,压入盾构构前部密密封舱内内，使其其压力始始终高于于地下水水压力，，这样样就保持持了开挖挖面稳定定的基本本条件。。6.3.2衬砌拼装装隧道衬砌砌是在盾构尾部部壳保护护下的空间内内进行拼拼装。组成：铸铁、钢钢、钢筋筋混凝土土或钢与与钢筋混混凝土的的复合材材料等制制成的管管片或砌砌块。结构受力力及使用用要求决决定盾构及衬衬砌结构构形式并决定其其拼装方方法。拼装方法法重臂拼装装或拱托托架拼装装；通缝拼装（管管片的纵纵缝环对对齐）或或错缝拼装；；螺栓联结结的管片或或无螺栓联联结的砌块等等。按其程序序可分为为“先纵后后环”和“先环后后纵”。采用举重重臂拼装装管片的的原则应应是自下下而上，，左右交交叉，最最后封顶顶成环。。6.4装配式圆圆形衬砌砌构造“管片”是建成隧隧道后的的永久性支支撑结构，应应满足强度要求求、使用用要求；施工阶段段须装配配简便、、容易替换换、承受盾构千斤斤顶顶力力及其它它施工荷载载。箱形管片片平板形管管片带肋管片片的材料料长期以以来多为为铸铁（（见图6-6c）和钢。。环宽与厚厚度国内外常常用的环环宽是750~1000m；曲线段推推进时设设有楔形形管片，，按隧道道曲率半半径计算算；管片厚度度一般为为250~600mm。分块大断面隧隧道可分分成6~8~10块，小断断面可分分为4~6块。管片的最最大弧长长一般不不超过4m，管片愈愈薄其长长度应越越短。拼装型式式一般有通通缝、错错缝拼装装两种。。纵缝环环环对齐的的称通缝，适用于于需要拆拆除管片片修建旁旁侧通道道或结构构需要比比较柔的的情况下下，以便便于进行行结构处处理。纵缝互相相错开，，对称错缝，其优点点在于能能加强圆圆环接缝缝刚度，，使圆形形结构可近似地地按均质质圆环等等刚度考考虑，因此使使用较普遍的，缺点点是错缝缝拼装容容易使管管片顶碎碎。环、纵向向螺栓环向螺栓根据据接缝内内力情况况可设置置成单排排或双排排。双排：外外排螺栓栓抵抗负负弯矩，，内排螺螺栓抵抗抗正弯矩矩。纵向螺栓栓目的是是使隧道道衬砌结结构具有有抵抗隧道道纵向变变形的能能力，一块管管片设3~4个螺栓。。螺栓材料料一般采采用高强强度合金金钢，直直螺栓。。本讲要点点掌握气压压大小及及耗气量量的计算算；了解圆形形衬砌构构造;6.5内力计算算与管片片结构设设计6.5.1设计原则则隧道衬砌砌费用占占40%~50%，安全可可靠、经经济合理理。本节重点点介绍装装配式钢钢筋混凝凝土管片片。1.满足结构构的强度度和刚度度：土土层压力力、水压压力以及及特殊荷荷载，按按梁式模型型计算埋在在土中圆圆环的内力和位位移，以及管管片（如如钢筋混混凝土管管片）的的裂缝宽度度限制等。。覆土最深深、顶压压与侧压压相差最大处：：按施工工阶段和和使用阶阶段荷载载最不利组组合情况下计算，同时按使用阶阶段与特特殊荷载载阶段组组合情况况下的管管片强度度验算。覆土最浅处：断面仅进行使用阶段段和特殊荷载载阶段组合合情况下下的管强强度验算算。不同点2.满足所提提出的安全质量量指标要求：裂裂缝开展展宽度，，接缝变变形和直直径变形形的允许许量，隧隧道抗渗渗防漏指指标，结结构安全全度，衬衬砌内表表面平整整度要求求，满足使用用要求的工工作环境境，保持持隧道内内部的干干燥和洁洁净。6.5.2内力计算算法饱和含水水地层中中，因因内擦角角φ值很小，，主动与与被动土土压力几几乎是相相等，结构变形形不能产产生很大大抗力。假定：结构可以以自由变变形，不受地地层约束束，认为为圆环只只是处在在外部荷荷载及与与之平衡衡的底部部地层反反力作用用下工作作.刚度折减减采用错缝拼装装和通缝拼装装，接缝处处的刚度度远远小小于断面面部分的的刚度，，与整体式等等刚度圆圆形衬砌砌差异更大大。日本资料料，接头头刚度折折减速系系数η，对铸铁铁管片η=0.9~1.0；钢筋混混凝土管管片η=0.5~0.7。总体上，，在饱和和含水地地层中按按整体式自自由变形形匀质圆圆环的计算方方法误差差可以接接受。特殊情况况下：当土层较较好，衬衬砌变形形后能提提供相应应的地层层抗力，，则可按有弹性性抗力的的整体式式匀质圆圆环进行内力力计算。。常用的有有日本的的和苏联联的假定定抗力法法等。多铰圆环环方法将接缝看看作为一一个“铰”，整个圆圆环变成成一个多多铰圆环环。基于：连接方法法由刚性连连接向柔柔性连接接过渡。虽属不稳稳定结构构，但因因有外围围土层提提供的附加约束束和多铰圆圆环的变变形而提提供了相相应的地层抗力力，促使多多铰圆环环仍处于于稳定状状态。多铰圆环环计算图图式6.5.3荷载计算算基本荷载载（基本本使用阶阶段）、、临时荷荷载（施施工阶段段）和特特殊荷载载。1）基本荷荷载：（1）土层压压力：垂直土压压力、水水平土压压力、（2）水压力：（3）衬砌自重竖向土压拱背土压(104N/m)地面超载q3=1(104N/m)（日本资料））（当隧道埋深深较浅时）拱背土压水平荷重：即地层侧向向主动土压，，由均匀土压压p1和三角形土压压p2组成:水压力:顶部垂直向下下水压力底部垂直向上上压力侧向水平水压压力水压力的叠加加衬砌自重(104N/m)匀布底部竖向向力平均后的拱被被压力抵消后的平均均水压力平均后的竖向向土压力平均后的自重重压力2）施工阶段临临时荷载(1)自重引起的临临时荷载临时荷载随盾盾构推进所产产生，一般来来自千斤顶顶力和壁后注浆压力力。圆形隧道衬砌砌在到达基本使使用阶段前，，它保留着装装配中由其自重作用所产生的受力力状态，它与与基本阶段所产生的内力力之和，不能超过容许许值。由下向上装配配的衬砌环，，拱顶截面产生内力最大大：½支承弧面所对对应的中心角角1米宽衬砌自重重衬砌内径（2）管片拼装及盾构推进引起的临时集集中荷载拼装成环时，，管片制作精度度不高，端面不不平，拧紧螺螺栓时往往使使管片局部产产生较大的应应力，导致管片开裂裂。或因拼装管片误差差累计，当盾构构千斤顶施加加在环缝面上上，特别是偏心作用时，也会使管管片顶裂、顶顶碎。铸铁管片，较薄的外壳壳厚度加肋逐逐步变到突缘缘处，承受约106N的盾构千斤顶顶顶力。改善的方法是是合理选择管管片型式，提高钢模制作作精度和管片片混凝土强度度。在拼装管片时时提高拼装质质量。采用错缝拼装也是较好的办办法。管片压浆因局部凝集在一个区域内内所造成的圆圆环变形和集集中荷载。。荷载大小难以确定定，只能通过采用附加安全全系数，以保证衬砌砌结构的安全全度。3）特殊荷载阶阶段特殊荷载是一一种瞬时性的的，作用时间间短的动力荷荷载，往往往是控制衬砌砌结构设计的的关键，在在某些地区还还要考虑地震震力作用。结构动力计算算一般可用等静载法，按弹性或弹弹塑性工作阶阶段进行，结结构内力计算方法与只承受静载载的结构相同。并可适当提高材材料强度和降降低强度安全全系数。本讲要点理解盾构计算算的原则；掌握盾构的荷荷载计算方法法。6.5.4衬砌内力计算算1）自由变形的匀匀质圆环计算算弹性性中中心心法法计计算算由于于结结构构及及荷荷载载对对称称，，拱拱顶顶剪剪力力等等于于零零，，属属二次次超超静静定定结构构。。力法法方方程程为为：：推导导过过程程圆环环中中任任意意截截面面上上的的内内力力可可由由下下式式得得到到：：设计计时时可可直直接接利利用用这这些些公公式式，，也也可可详详见见表表6-3，2）考考虑虑土层层产产生生侧侧向向弹弹性性抗抗力力的的匀匀质质圆圆环环计计算算当外外荷荷作作用用在在隧隧道道衬衬砌砌上上，，一一部部分分衬衬砌砌向向地地层层方方向向变变形形，，使使地地层层产产生生弹性性抗抗力力。弹性性抗抗力力的的分分布布规规律律很很难难确确定定，，采采用用假定定弹弹性性抗抗力力分分布布规规律律法法，如如日本本的的三三角角形形分分布布，原苏苏联联O··E、布布加加耶耶娃娃的的月月牙牙形形分分布布（水水工工隧隧洞洞中中常常常常采采用用）），，以以及及二二次次、、三三次次抛抛物物线线分分布布等等方方法法。。（1）日日本本按按三三角角形形分分布布弹弹性性抗抗力力的的方方法法按温克克列列尔尔局局部部变变形形理论论，，假假定定土层层侧侧向向弹弹性性抗抗力力PK=K·y。实际际变变形形量量圆环环抗抗弯弯刚刚度度接头头刚刚度度折折减减系系数数，，取取0.25~0.8。K为地地层层侧侧向向压压缩缩系系数数（2）前前苏苏联联布布加加耶耶娃娃法法PK=-Kyacos2PK=Kyasin2+Kybcos2起始始位位置置四个个未未知知数数x1、x2、ya和yb。各个个截截面面上上的的M、N值为为：：Ma=Mq+MPK+x1-x2RhcosNa=Nq+NPK+x2cos方法法：：常常常将将半半个个衬衬砌砌环环分分成成九个个截截面面，即即八段段：分分别别计计算算各各点点的的弯弯矩矩和和轴轴力力。。内力力计计算算通通过过查工工具具表表格格分别别计计算算土土层层压压力力、、水水压压力力和和自自重重作作用用下下的的内内力力然然后后叠叠加加。。6.5.5管片片截截面面设设计计圆环环属属于于偏心心受受压压构构件件(正、、负负弯弯矩矩、、轴轴向向力力)，它它的的断断面面强强度度、、配配筋筋计计算算与与裂裂缝缝宽宽度度限限制制计计算算，，按按照照钢钢筋筋混混凝凝土土基基本本构构件件计计算算。。接缝缝计计算算方方面面的的内内容容。。1）管管片片纵纵向向接接缝缝计计算算结构构破破坏坏大大都都开开始始于于薄薄弱弱的的接缝缝处。。（1）接接缝缝张张开开的的验验算算接缝缝处处受受到到外外荷荷后后的的应应力力状状态态由于于拼拼装装螺螺栓栓预预加加应应力力上边边缘缘（（外外边边缘缘））可可能能受受拉拉、、可可能能受受压压、、也也可可能能不不受受力力，，若若受受拉拉，，则则需需考考量量涂料料强强度度及及变变形形能能力力。（2）接接缝缝强强度度计计算算计算算接接缝缝强强度度时时近近似似地地把把螺栓栓看看作作受受拉拉钢钢筋筋，，并按按钢钢筋筋混混凝凝土土截截面面进进行行计计算算；；一般般先先假假定定螺螺栓栓直直径径、、数数量量和和位位置置，，然然后后计计算算中中和和轴轴x，按按偏偏心