盾构衬砌结构

盾构衬砌结构盾构构造和分类，盾构推进及衬砌拼装;圆形衬砌构造、内力计算与管片结构设计，了解盾构隧道的功能和适用环境。圆形衬砌结构设计方法和构造要求。1概述盾构（shield）是一种钢制的活动防护装置或活动支撑，是通过软弱含水层，特别是河底、海底，以及城市居民区修建隧道的一种机械。头部可以安全地开挖地层,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。盾构推进主要依靠盾构内部设置的千斤顶。适用条件在松软含水地层中修建隧道、水底隧道及地下铁道时采用各种不同形式的盾构施工最有意义，特别是该施工方法属地表以下暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节等条件的影响，盾构隧道的历史用盾构法修建隧道开始于1818年，法国工程师布鲁诺尔；1825年在英国泰晤士河下首次用矩形盾构建造隧道；近代，日本盾构法得到了迅速发展，用途越来越广，并研制了大量新型盾构；我国于1957年北京下水道工程中首次出现2.6m小盾构；上海市延安东路过江道路隧道使用11.0m直径的大盾构；隧道剖面图1-进风道；2-进风口；3-排风口；4-排风道；5-路面（下拉杆）6-天棚（上拉杆）；7-吊杆；8-照明灯；9-灭火器；10-消防栓；11-电缆；12-排水管；13-给水管；14-纵向螺栓；15-环向螺栓按形状分类大致有圆形（又称半盾构）、矩形、马蹄形等几种。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。圆形盾构中，敞胸盾构和闭胸盾构两大类。2盾构构造和分类

2.1盾构的基本构造1-1(切口环)；2-2(支承环)；3-3(纵剖面)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。1）盾构壳体盾构壳体由切口环、支承环、盾尾与竖直隔板、水平隔板组成，并由外壳钢板连成整体。切口环：开挖；上下宽度可以等值、也可以不等值，甚至是活动的。容纳各种专门的挖土设备。支承环：承受荷重的核心部分，刚性较好的圆环结构。水平隔板和竖直隔板：增加盾构刚度，水平承受拉力，竖直承受压力。盾尾：掩护工人在其内部安装衬砌。2）推进系统由盾构千斤顶和液压压设备组成，上下左右右活塞杆伸出长度度不同达到纠偏目目的。盾构千斤顶一般是是沿支承环圆周均均匀分布的；3）拼装系统衬砌拼装器又称举重臂，是拼装系统的主主要设备，以油压压系统为动力，一一般举重臂均安装在支承环上。举重臂能作旋转、、径向运动，还能能沿隧道中轴线作作往复运动。完成这些运动的精精度应该保证待装装配的管片上的螺螺栓孔能和已装配配好的螺栓孔对齐齐，以便螺栓固定。4）出土系统出土方式一般有三三种：（1）有轨运输：：皮带运输机－矿矿车－洞口－垂直直起吊至地面。（2）无轨运输：：自卸卡车（3）管道运输：：混合泥浆，压力力输出，出出土连续化2.2盾构分类类及其适用范围表6-1。1）人工开掘式、、半机械式敞胸盾盾构全部敞开，随时观察地层变变化情况，并配备备简便的液压、风风动挖掘，机具、、人工挖掘，当开开挖面难以保持稳稳定时可以采用气气压等人工措施及及正面支撑、支撑撑千斤顶等随挖随撑。2挤压式闭胸盾构构在塑性粘土及淤泥中中采用,盾构正面用用胸板密闭起来。。厚兰隧道、林肯隧隧道和打浦路隧道道都采用过半挤压及全挤压推进的闭胸盾构施施工.衬砌结构常发生椭圆率的现象，先衬砌水水平直径缩小，竖竖向直径增大，继继之，盾构离远时时，竖向直径减小小，水平直径增大大。主要是隧道上方土土壤结构破坏、隆隆起，形成一个卸卸载拱，而水平压压力仍然保持着初初始数值之故。3）机械式闭胸盾盾构（1）局部气压盾盾构（2）泥水加压式式盾构(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2.3盾构几何何尺寸的选定及盾盾构千斤顶推力计计算主要指盾构外径D和盾构长度L、、盾构灵敏度L/D。最小建筑空隙值xx=mα=mD=d+2(x+δ)δ=0.02+0.01（D-4）2）盾构长度LL=L0+L1+L2+L3L0—盾尾长度；L1—支承环长度；L2—切口环长度；L3—前檐长度。3）盾构灵敏度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D＞12m,L/D=0.45~0.754）盾构千斤顶推推力计算阻力包括：盾构外表面与四周周地层的摩阻力；；盾尾内壳与衬砌结结构之间的摩阻力力；盾构切口部分刃口口切入土层的阻力力；盾构切口环切入土土层时的正面阻力力；开挖面正面支撑阻阻力；以及盾构自重引起起的阻力，纠偏时时的阻力，局部气气压或泥水压力，，阻力板阻力等。。日本盾构总推力经经验公式表6-2盾构总推力隧道名称直径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10.20630.65400408000中国上海延安东路隧道11.267.800.694804488003盾构推进及及衬砌拼装3.1盾构推进进已建隧道所采用过过的大直径盾构，，大部分都属于手掘式敞胸盾构或或闭胸挤压盾构，或者是两者兼有有的盾构。技术先进的泥水盾构或土压平平衡盾构很少采用。本节将主要介绍在在松软含水地层中中采用手掘式敞胸盾盾构施工，辅以气压，人工工井点降水及其它它地层加固措施，，盾构开挖掘进时时的几种施工方法法。1）人工井点降水水加

手工掘式敞敞胸盾构施工人工井点降水，，经济，适用于漏漏气量大的砂性土土。地下水位降低、疏疏干地层，增加土体强度，以保证开挖面稳定定，盾构在地下水水位以上通过，施施工场地较干燥。一般都采用喷射井点，深度曾用到27m，使埋深为为25m的隧道道能顺利开挖。具体过程：（1）先借助盾构构千斤顶使盾构推进，将切口环部分切切入地层，然后在在切口环保护下进行行土体开挖与运输输，这样对周围地层层扰动较小。（2）分层开挖，，施工工具为普通通手工工具或手持持式风动工具。（3）每环管片可可分数次开挖和推推进，盾构纠偏时时可以利用超挖解解决。（4）可可借助支支撑千斤斤顶加撑撑板对开开挖面进进行临时时支撑；；（5）当当用网格格式盾构构时，，防止盾盾构后退退。2）气压压加手掘掘式敞胸胸盾构施施工盾构施工工在含水水松软不不稳定地地层中采采用气压来疏疏干和支支护开挖挖面，以防止止涌水、、开挖面面崩坍，，增强地地层强度度，是一一种极古古老，且且行之有有效的施施工方法法。（1）气气压大小小及耗气气量的确确定理论上，每10m水头头必须用用0.1Mpa的气压压力来平平衡。实际上，仅为理理论压力力的50%~60%，，空气量量仅为理理论空气气量的10%~50%。。。中小型盾盾构，压压力等于于离盾构上上端约D/2处的地地下水压压力;大直径盾盾为2/3D处的地地下水压压力;顶部均超超压，需需有足够够的覆盖盖层施工时为为了防止止空气泄泄出，盾盾构顶部部必须有有足够厚厚的覆盖盖层t即即t值过大大则直接接影响到到隧道埋埋置深度度，过过小则覆覆盖不足足，往往往容易发发生喷发发事故。。国外隧道道规范规定；水水底隧道道的最小覆盖盖层必须大于于盾构直直径（日日本）或或等于盾构直径径，覆盖层层宽度应大于或或等于盾构直径径的6倍倍。采用经验验公式计计算耗气气量：—土质系系数，当当压力大大于0.1MPa时，，粘性土土=3.65；；砂性土土=7.30。。（2）气气压盾构构施工气压盾构构施工中中闸墙和气气闸作用是将将作业区与常压作业业区隔开。。闸墙必须须有足够够的强度与气密性.气闸是钢钢板铆接接或焊接接而成的的圆筒形形结构，，分人行闸和外闸两部分。。人行闸的管理是是气压施施工的重重要环节节，要严严格遵守守气压作作业的工工作时间间及进出出气闸的的变压时时间，以以防减压病。3）泥水水加压盾盾构施工工用泥水加加压盾构构代替上上述气压压盾构施施工，克克服了气气压施工工的弊病病。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。。3.2衬衬砌拼拼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。。4装装配式圆圆形衬砌砌构造“管片””是建成成隧道后后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，，小断面面可分为为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按均均质圆环等刚刚度考虑，因此使用较普遍的，缺点是错错缝拼装容易易使管片顶碎碎。环、纵向螺栓栓环向螺栓根据接缝缝内力情况可可设置成单排排或双排。双排：外排螺螺栓抵抗负弯弯矩，内排螺螺栓抵抗正弯弯矩。纵向螺栓目的的是使隧道衬衬砌结构具有有抵抗隧道纵向向变形的能力力，一块管片设设3~4个螺螺栓。螺栓材料一般般采用高强度度合金钢，直直螺栓。本讲要点掌握气压大小小及耗气量的的计算；了解圆形衬砌砌构造;5内力计计算与管片结结构设计5.1设计计原则隧道衬砌费用用占40%~50%，安安全可靠、经经济合理。。本节重点介绍绍装配式钢筋筋混凝土管片片。1.满足结构构的强度和刚刚度：土层层压力、水压压力以及特殊殊荷载，按梁式模型计算埋在土中中圆环的内力和位移，以及管片（（如钢筋混凝凝土管片）的的裂缝宽度限制等。覆土最深、顶顶压与侧压相差最大处：按施施工阶段和使使用阶段荷载载最不利组合情况下计算，同时按使用阶段与与特殊荷载阶阶段组合情况况下的管片强强度验算。覆土最浅处：断面仅进行使用阶段和特殊荷载阶段组合情况况下的管强度度验算。不同点2.满足所提提出的安全质量指标标要求：裂缝开开展宽度，接接缝变形和直直径变形的允允许量，隧道道抗渗防漏指指标，结构安安全度，衬砌砌内表面平整整度要求，，满足使用要求的工作环环境，保持隧隧道内部的干干燥和洁净。。5.2内力力计算法饱和含水地层层中，因内内擦角φ值很很小，主动与与被动土压力力几乎是相等等，结构变形不能能产生很大抗抗力。假定：结构可以自由由变形，不受地层约约束，认为圆圆环只是处在在外部荷载及及与之平衡的的底部地层反反力作用下工工作.刚度折减采用错缝拼装和通缝拼装，接缝处的刚刚度远远小于于断面部分的的刚度，与整体式等刚度度圆形衬砌差异更大。日本资料，接接头刚度折减减速系数η，，对铸铁管片片η=0.9~1.0；；钢筋混凝土土管片η=0.5~0.7。总体上，在饱饱和含水地层层中按整体式自由变变形匀质圆环环的计算方法误误差可以接受受。特殊情况下：：当土层较好，，衬砌变形后后能提供相应应的地层抗力力，则可按有弹性抗力力的整体式匀匀质圆环进行内力计算算。常用的有日本本的和苏联的的假定抗力法法等。多铰圆环方法法将接缝看作为为一个“铰””，整个圆环环变成一个多多铰圆环。基于：连接方法由刚性连接向向柔性连接过过渡。虽属不稳定结结构，但因有有外围土层提提供的附加约束和多铰圆环的的变形而提供供了相应的地层抗力，促使多铰圆圆环仍处于稳稳定状态。多铰圆环计算算图式5.3荷载载计算基本荷载（基基本使用阶段段）、临时荷荷载（施工阶阶段）和特殊殊荷载。1）基本荷载载：（1）土层压压力：垂直土压力、、水平土压力力、（2）水压力力：（3）衬砌自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）施工阶段段临时荷载(1)自重重引起的临时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支承弧面所所对应的中心心角1米宽衬砌自自重衬砌内径（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）特殊荷载载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计算的原则则；掌握盾构的的荷载计算算方法。5.4衬衬砌内力计计算1）自由变形的的匀质圆环环计算弹性中心法法计算由于结构及及荷载对称称，拱顶剪剪力等于零零，属二次超静定定结构。力法方程为为：推导过程圆环中任意意截面上的的内力可由由下式得到到：设计时可直直接利用这这些公式，，也可详见见表6-3，2）考虑土层产生侧侧向弹性抗抗力的匀质质圆环计算算当外荷作用用在隧道衬衬砌上，一一部分衬砌砌向地层方方向变形，，使地层产产生弹性抗力。弹性抗力的的分布规律律很难确定定，采用假定弹性抗抗力分布规规律法，如日本的三角角形分布，原苏联O··E、布加加耶娃的月月牙形分布布（水工隧洞洞中常常采采用），以以及二次、、三次抛物物线分布等等方法。（1）日本本按三角形形分布弹性性抗力的方方法按温克列尔局局部变形理论，假定定土层侧向弹