地铁盾构隧道设计

地铁盾构隧道设计第1页/共45页盾构法施工的概念使用盾构机，一边保持开挖面及围岩稳定，一边进行隧道掘进、出渣，并在盾尾内拼装管片形成衬砌，及时实施注浆，尽可能不扰动围岩条件下修建隧道的方法。第一条盾构隧道1818年，法国的布鲁诺尔(M.I.Brune1)，最早提出了用盾构法建设隧道的设想，并在英国取得了专利。1825年，他第一次在伦敦泰晤河下开始用一个断面高6.8m、宽11.4m的矩形盾构修建隧道。1843年，经过18年施工，完成了全长458m的第一条盾构法隧道。盾构经过四代发展一.盾构简介第2页/共45页

1818～1880年敞口式手掘盾构一.盾构简介第3页/共45页

1880～1960年机械式盾构、气压式盾构一.盾构简介第4页/共45页

1960～1980年闭胸式盾构一.盾构简介第5页/共45页

1980～至今

大断面，大深度，长距离，高速化；断面的多样化；一.盾构简介第6页/共45页一.盾构简介

——盾构优点盾构施工优点地面作业少，隐蔽性好，因噪音、振动引起的环境影响小。自动化程度高、劳动强度低、施工速度快；因隧道衬砌属工厂预制，质量有保证；穿越地面建筑群和地下管线密集的区域时，周围受施工影响小；对于地质复杂、含水量大、围岩软弱的地层可确保施工安全；在费用和技术难度上不受覆土深度影响。第7页/共45页一.盾构简介

——盾构缺点盾构施工缺点一次性投入大，施工设备费用较高；覆土较浅时，地表沉降较难控制；用于施作小曲率半径（R＜20D）隧道时掘进较困难。第8页/共45页一.盾构简介

——盾构组成刀盘盾体后配套设备前盾中盾尾盾

配套台车、管片运输设备、出土设备、注浆系统、监控系统等。第9页/共45页二.盾构机选型第10页/共45页盾构机的选型及设计工程在前期准备时最重要的工作盾构机选型考虑因素地层土质条件断面大小线路周边环境排土方式地铁盾构常用的机型泥水平衡盾构土压平衡盾构二.盾构机选型泥水平衡式盾构

土压平衡式盾构第11页/共45页二.盾构机选型

——泥水平衡式盾构第12页/共45页二.盾构机选型

——土压平衡式盾构第13页/共45页二.盾构机选型泥水平衡式盾构土压平衡式盾构比较项目第14页/共45页二.盾构机选型

——土层地质粉细砂卵石层粗砂砾层中细砂砾层粉细砾层粗砂泥砂粘土地层渗透性与盾构选型-10泥水盾构土压平衡盾构透水系数(m/s)-1-10-1-10-2-10-3-10-4-10-5-10-6-10-7-10-8-10-9-10-10第15页/共45页三.地铁盾构结构设计第16页/共45页主要设计原则抗震设防烈度：６度，结构设计按7度采取构造处理措施结构设计使用年限：100年结构的安全等级：一级消防要求：联络通道设置间距，沿隧道纵向方向不大于600m抗浮安全系数：不考虑侧摩阻力时，大于等于1.1三.地铁盾构结构设计

——设计原则第17页/共45页单管大洞方案内径10米，外径11米；双管小洞方案内径5.4米，外径6.0米；三.地铁盾构结构设计

——断面方案第18页/共45页管片类型钢管片钢筋混凝土管片三.地铁盾构结构设计——管片结构第19页/共45页衬砌环形式普通环左转弯环+直线环+右转弯环通用环一种楔形环管片的不同角度的旋转拟合线路

三.地铁盾构结构设计——管片结构第20页/共45页管片拼装形式通缝拼装拼装难度小，衬砌空间刚度稍差。错缝拼装接缝刚度分布均匀，整体性较好，管片精度要求高，拼装难度较大。三.地铁盾构结构设计

——管片结构第21页/共45页管片接缝连接弯螺栓连接斜螺栓连接直螺栓连接三.地铁盾构结构设计

——管片结构第22页/共45页管片环宽１.5m；外径6.0m管片楔形量45mm；

C50通用环管片；管片厚度

300mm；管片分6块，5+1模式，小封顶三.地铁盾构结构设计

——管片结构

武汉地铁管片第23页/共45页三.地铁盾构结构设计

——衬砌内力分析地层－结构法（有限元法）二维平面分析三维空间分析荷载－结构法弹性均质圆环法弹性铰接圆环法

日本修正惯用法

二维平面分析三维空间分析弹性均质圆环法弹性铰接圆环法第24页/共45页三.地铁盾构结构设计

——衬砌内力分析日本修正惯用法考虑管片接头影响，进行刚度折减后按均质圆环进行计算；地层抗力按三角形抗力考虑；计算结果考虑管片环间错缝拼装影响进行内力调整。管片内力Mg：计算的弯矩为（1+ξ）M，轴力为N；接头内力Mf：计算的弯矩为（1-ξ）M，轴力为N；ξ：弯距调整系数，一般取0.3～0.5。第25页/共45页三.地铁盾构结构设计

——衬砌内力分析计算结果示意第26页/共45页三.地铁盾构结构设计

——衬砌内力分析土压力计算土柱理论（H<2D）压力拱理论（太沙基，普氏）（H>=2D）第27页/共45页三.地铁盾构结构设计

——变形分析地面变形阶段分五个阶段第28页/共45页三.地铁盾构结构设计

——变形分析地面变形机理阶段沉降类型主要原因一初始沉降地下水位降低,二开挖面前方隆陷隆起:盾构机推力过大沉降:盾构机推力过小出碴过量三盾构通过时地沉降施工震动扰动,剪切错动四盾尾沉降土体失去盾构支撑,管片壁后注浆不及时五固结沉降土体后续时效变形第29页/共45页三.地铁盾构结构设计

——变形分析地面变形计算Peck公式数值计算有限元法、有限差分法进行隧道开挖施工过程模拟分析应用于盾构施工对周边构筑物影响分析。第30页/共45页三.地铁盾构结构设计

——变形分析施工对周边构筑物影响桥梁、民建桩基础桩顶位移小于6mm铁路任意10m范围内的最大沉降差≤5mm。铁路两条钢轨间的横向高差≤4mm地下车行、人行通道变形控制：-20~+10mm敏感构筑物相关规范的允许范围地下管线相关规范的允许范围地铁8号线穿越竹叶山高架立交桥桩地铁8号线下穿友谊大道通道地铁8号线下穿徐东平价人行通道第31页/共45页三.地铁盾构结构设计

——变形分析变形控制盾构施工控制严格控制开挖面的出土量提高施工的速度和连续性及时同步注浆,缩短衬砌脱出盾尾的暴露时间地层改良高压旋喷桩、搅拌桩、灌浆隔离桩第32页/共45页四.隧道附属结构设计第33页/共45页四.附属结构设计

——工作井工作井盾构始发盾构接受盾构调头盾构过站站内过站、站外过站第34页/共45页四.附属结构设计

——工作井洞门密封洞圈与盾构外径有一定的间隙防止盾构出洞时及施工期间土体及浆液从该间隙中流失在洞圈周围安装由橡胶帘布、扇形压板等组成的密封装置。第35页/共45页四.附属结构设计端头加固目的控制地下水压力防止盾构掘进时由超挖而引起的土砂流入。方式高压旋喷桩、搅拌桩、灌浆

——工作井第36页/共45页四.附属结构设计

——联络通道联络通道设置距离间距不大于600m方式独立联络通道联络通道与泵房合建第37页/共45页四.附属结构设计

——联络通道特殊衬砌环特殊钢管片局部拆除钢筋混凝土管片

局部切割采用特殊的配筋设计第38页/共45页四.附属结构设计

——联络通道施工方法矿山法施工地基加固

冻结法高压旋喷地面注浆第39页/共45页五.盾构隧道防水设计第40页/共45页五.盾构隧道防水设计

——设计原则标准设计原则以防为主，刚柔结合，多道设防，因地制宜，综合治理。以结构自防水为主，关键处理好环纵缝的防水。

设计标准结构防水等级为二级

第41页/共45页五.盾构隧道防水设计

——防水设计管片自防水混凝土等级为C50，抗渗等级≥P10。接缝防水海绵橡胶弹性密封垫嵌缝（聚硫密封胶）螺栓孔的防水

采用遇水膨胀橡胶密封圈

海绵橡胶嵌缝弹性密封垫