地下结构工程讲义五

地下结构工程第06章6盾构衬砌结构本章介绍盾构构造和分类，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，要求了解盾构隧道的功能和适用环境。掌握圆形衬砌结构设计方法和构造要求。6.1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。6.2盾构构造和分类

6.2.1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设备组成，上下左右活塞杆伸出长度不同达到纠偏目的。盾构千斤顶一般是沿支承环圆周均匀分布的；3）拼装系统衬砌拼装器又称举重臂，是拼装系统的主要设备，以油压系统为动力，一般举重臂均安装在支承环上。举重臂能作旋转、径向运动，还能沿隧道中轴线作往复运动。完成这些运动的精度应该保证待装配的管片上的螺栓孔能和已装配好的螺栓孔对齐，以便螺栓固定。4）出土系统出土方式一般有三种：（1）有轨运输：皮带运输机－矿车－洞口－垂直起吊至地面。（2）无轨运输：自卸卡车（3）管道运输：混合泥浆，压力输出，出土连续化6.2.2盾构分类及其适用范围表6-1。1）人工开掘式、半机械式敞胸盾构全部敞开，随时观察地层变化情况，并配备简便的液压、风动挖掘，机具、人工挖掘，当开挖面难以保持稳定时可以采用气压等人工措施及正面支撑、支撑千斤顶等随挖随撑。2挤压式闭胸盾构在塑性粘土及淤泥中采用,盾构正面用胸板密闭起来。厚兰隧道、林肯隧道和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.衬砌结构常发生椭圆率的现象，先衬砌水平直径缩小，竖向直径增大，继之，盾构离远时，竖向直径减小，水平直径增大。主要是隧道上方土壤结构破坏、隆起，形成一个卸载拱，而水平压力仍然保持着初始数值之故。3）机械式闭胸盾构（1）局部气压盾构（2）泥水加压式盾构(3)土压平衡式盾构表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盾构几何尺寸的选定及盾构千斤顶推力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）盾构晴灵敏度L/D经验买数值:小型盾钉构D=2居~3m，L/D悟=1.冈5中型盾披构D=3闪~6m扫,L锻/D=巴1.0倚0大型盾悔构D=6寻~9m扶,L灵/D=留0.7唐5特大型赢盾构D＞12m拴,损L/D斜=0.球45~诸0.7姻54）盾构冒千斤顶莲推力计悄算阻力扬包括：盾构庄外表栽面与站四周纪地层陆的摩共阻力桐；盾尾剖内壳湾与衬淡砌结昨构之逮间的兆摩阻合力；盾构限切口炎部分数刃口袖切入还土层授的阻倒力；盾构奔切口盯环切趁入土悲层时杠的正启面阻础力；开挖面私正面支怎撑阻力舅；以及盾枪构自重低引起的接阻力，怪纠偏时裂的阻力培，局部牲气压或课泥水压煮力，阻缝力板阻趁力等。日本盾序构总推励力经验惕公式表6-纤2盾构迁总推弊力隧道名称直径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本讲要办点盾构润的组境成；盾构的酷分类；盾构外膊形尺寸来的确定维和推力丝式的确定播。6.聋3盾构推愧进及衬萌砌拼装6.忧3.咳1盾构圈推进已建烦隧道艰所采萄用过忙的大眼直径寻盾构攻，大垃部分削都属愉于手掘晕式敞本胸盾叉构或级闭胸雀挤压鸣盾构，或者队是两者江兼有的滥盾构。技术先碌进的泥水召盾构嚼或土帖压平泛衡盾粥构很少画采用植。本节偷将主棕要介碑绍在斩松软光含水丧地层育中采用手选掘式敞念胸盾构皇施工，辅以赤气压，更人工井慨点降水牲及其它狼地层加恼固措施辱，盾构馅开挖掘披进时的裁几种施追工方法唉。1）人工柴井点降仿水加础手工掘纱式敞胸行盾构施倡工人工叙井点晌降水期，逃经济宫，适妥用于滥漏气蛮量大兰的砂摘性土息。地下水丘位降低幕、疏干狠地层，增加添土体丸强度尽，以保证躬开挖面饭稳定，浴盾构在浙地下水疲位以上锤通过，坐施工场秧地较干燥。一般产都采颤用喷射井肤点，深津度曾蝴用到27唱m，使缓埋深码为25跪m的隧道斑能顺利打开挖。具体元过程哈：（1）先借尸助盾构恼千斤顶使盾构未推进，将切惰口环部悔分切入味地层，锣然后在切口环护保护下胞进行土丘体开挖毒与运输，这样眯对周围瞒地层扰漂动较小吼。（2）分层摸开挖，乳施工工柔具为普智通手工洗工具或友手持式养风动工弊具。（3）每召环管脸片可绕分数孤次开友挖和提推进馅，盾肯构纠挡偏时瓶可以役利用份超挖困解决疾。（4）可图借助俭支撑辜千斤沫顶加归撑板常对开蜜挖面佳进行略临时烟支撑搬；（5）当伍用网擦格式住盾构狼时浸，防羽止盾线构后块退。2）气压尖加手掘垂式敞胸吩盾构施饮工盾构许施工恰在含招水松腔软不道稳定盟地层怎中采档用气压幅来疏乘干和蜘支护任开挖病面，以防册止涌水箩、开挖击面崩坍舰，增强绪地层强齐度，是瘦一种极眨古老，丈且行之退有效的叶施工方哈法。（1）气胆压大畏小及质耗气净量的易确定理论朴上，每10而m水头火必须慢用0.绵1M聪pa的气压际力来平撞衡。实际龟上，仅为脾理论压效力的50勾%~捎60筋%，空向气量坊仅为悠理论妹空气戏量的10霉%~书50仆%。未。中小为型盾引构，向压力扫等于离盾构妈上端约D/2处的功地下迈水压宇力;大直径帆盾为2/3汁D处的地被下水压辨力;顶部绢均超载压，芹需有跑足够匙的覆狮盖层施工吸时为扬了防受止空漏气泄神出，跃盾构勇顶部施必须自有足盈够厚绑的覆难盖层t即t值过秒大则黄直接绿影响棵到隧畜道埋姿置深腔度乳，过画小则旋覆盖建不足您，往拌往容扮易发森生喷添发事滑故。国外隧埋道规范规定秀；水横底隧披道的最小覆叹盖层必须大刃于盾构跪直径（钱日本）戏或等于盾构锯直径，覆肤盖层宽度应大于举或等于盾构直绝径的6倍。采用经蓄验公式溪计算耗戴气量：—土质忽系数换，当镜压力氧大于0.摄1M饶Pa时，粘鞭性土=3甩.6饰5；砂室性土=7停.3祸0。（2）气压遥盾构施柄工气压盾梁构施工震中闸墙和内气闸作用是匀将作业区与常压作饲业区隔开青。闸墙镰必须怪有足折够的强度与气密性.气闸洲是钢找板铆爱接或唇焊接疫而成刺的圆乘筒形鞋结构鼠，分人行征闸和外闸两部分绢。人行木闸的管滑理是快气压苹施工弦的重片要环文节，须要严罢格遵互守气鼠压作织业的哈工作开时间含及进推出气柿闸的秀变压欧时间谦，以稻防减压病。3）泥徒水加镇压盾哗构施黎工用泥攀水加耻压盾盲构代是替上铜述气答压盾傍构施驰工，炒克服锯了气缓压施咸工的甚弊病以。地面趁沉降炸，减限压病省，覆土撞深时，气宴压太建高无监法施博工，覆土们浅时，叼漏气份等途。泥水阶加压赴盾构驰是将幼压力乐为倾的泥代水，碎（池式中H取2m）,压入盾尸构前部倘密封舱献内，使宣其压力最始终高构于地下坡水压力柜，这源样就保泻持了开葱挖面稳超定的基闷本条件宅。6.崭3.肺2衬砌加拼装隧道衬引砌是在盾构础尾部反壳保傍护下的空间翻内进行灰拼装。组成炎：铸铁、升钢、钢司筋混凝蓄土或钢枝与钢筋杆混凝土许的复合才材料等币制成的毯管片或扮砌块。结构茎受力通及使涝用要将求决茧定盾构吩及衬亏砌结提构形档式并决定赶其拼装凯方法。拼装盒方法重臂拼锄装或拱凶托架拼育装；通缝拼装（仁管片的众纵缝环再对齐）蓬或错缝拼装千；螺栓饭联结的管片销或无螺栓测联结的砌块牛等。按其字程序购可分遥为“先替纵后既环”和“先环寸后纵”。采用晶举重湖臂拼杜装管雷片的榜原则塘应是油自下搜而上存，左之右交倚叉，扰最后耗封顶阅成环色。6.4装配坝式圆匪形衬绪砌构嫂造“管笨片”洽是建港成隧喜道后梦的永久性致支撑结构昆，应储满足强度要龄求、使罪用要求；施工碗阶段遣须装链配简弟便、容易替皂换、承受盾构引千斤喂顶顶漠力及帖其它施工荷叛载。箱形管拒片平板宪形管讯片带肋朱管片蝇的材宝料长读期以萄来多运为铸喇铁（仅见图6-耀6c）和钢寸。环宽廊与厚廉度国内握外常写用的脑环宽岂是75吧0~猜10碗00孟m；曲线段覆推进时娇设有楔狗形管片规，按隧时道曲率么半径计俯算；管片谅厚度档一般形为250捕~60剧0mm。分块大断面饼隧道可上分成6~奋8~需10块，小离断面可刑分为4~6块。管片盛的最县大弧哀长一抢般不旅超过4井m，管片恢愈薄其铃长度应庄越短。拼装型弟式一般酷有通腾缝、梁错缝雹拼装恐两种侍。纵缝环抵环对齐毒的称通缝，适搭用于派需要恐拆除所管片忘修建龄旁侧错通道妖或结物构需才要比匪较柔两的情念况下壶，以婚便于索进行改结构产处理舅。纵缝互挖相错开吊，对称错缝，其优描点在于步能加强罩圆环接录缝刚度宜，使圆姻形结构可近似雅地按均雀质圆环跟等刚度虹考虑，因此兔使用较普遍的，缺州点是错阵缝拼装锹容易使阀管片顶炮碎。环、政纵向烈螺栓环向螺栓主根据汁接缝别内力孝情况墙可设桂置成泛单排网或双经排。双排能：外脚排螺翠栓抵其抗负岸弯矩犬，内货排螺闸栓抵猫抗正安弯矩怕。纵向螺爱栓目的猴是使隧凉道衬砌秆结构具尺有抵抗隧旗道纵向增变形的魄能力，一婚块管苏片设3~4个螺赚栓。螺栓材尺料一般起采用高事强度合臣金钢，锻直螺栓提。本讲枣要点掌握气醒压大小算及耗气爷量的计溜算；了解圆吩形衬砌畅构造;6.5内力斧计算进与管宾片结赛构设可计6.5县.1设计原剂则隧道衬拜砌费用进占40%堂~50届%，安全听可靠、比经济合递理。本节绿重点造介绍单装配步式钢弊筋混蹲凝土碌管片蔬。1.满足结攻构的强尾度和刚局度：摸土层压必力、水模压力以暗及特殊唯荷载，宴按梁式模纠型计算煮埋在腥土中纽奉圆环挣的内力和轮位移，以及准管片（筑如钢筋想混凝土军管片）酒的裂缝宽翻度限制等主。覆土最芝深、顶云压与侧伟压相差最大处柿：按施台工阶段考和使用或阶段荷裙载最不利山组合情况爷下计算，同时按使吗用阶谋段与城特殊丙荷载荡阶段受组合匙情况掏下的底管片轻强度验算。覆土最浅咐处：断面仅进行使用阶域段和特殊钥荷载阶段组伞合情况哨下的管睛强度验撇算。不同点2.满足所亩提出的安全球质量狡指标要求蠢：裂卖缝开咬展宽昼度，滚接缝植变形起和直宫径变俱形的聋允许仗量，枣隧道巧抗渗遇防漏题指标呆，结阿构安汁全度扒，衬仗砌内模表面减平整禾度要触求枪，满足使吐用要求的萍工作环猾境，保愁持隧道带内部的灰干燥和使洁净。6.5谜.2内力多计算拌法饱和含肤水地层其中，茫因内擦瓣角φ值很小尾，主动晴与被动栽土压力步几乎是快相等，结构变弄形不能景产生很哪大抗力。假定：结构评可以材自由高变形，不菌受地借层约成束，甲认为举圆环汇只是槽处在兰外部抚荷载拨及与曾之平都衡的桑底部息地层委反力栗作用副下工蓬作.刚度折瞒减采用错缝拘拼装和通缝阁拼装，接缝神处的刚龙度远远耻小于断她面部分麻的刚度涉，与整体尤式等迈刚度颠圆形陵衬砌差异更际大。日本阀资料界，接疫头刚毕度折朽减速毁系数η，对铸验铁管片η=0肠.9~调1.0；钢筋诉混凝土家管片η=0持.5~钉0.7。总体上挎，在饱军和含水喉地层中帜按整体草式自垦由变匙形匀亭质圆缩慧环的计跳算方磨法误串差可颈以接尝受。特殊展情况杯下：当土层侄较好，宋衬砌变动形后能纲提供相卫应的地财层抗力轨，则可按有适弹性博抗力关的整雷体式碰匀质钢圆环进行内所力计算灭。常用的急有日本久的和苏介联的假稿定抗力还法等。多铰刺圆环断方法将接缝甩看作为前一个“紫铰”，封整个圆屋环变成所一个多慌铰圆环贿。基于：连接障方法考由刚性连塘接向命柔性劣连接撞过渡。虽属惑不稳帽定结府构，弊但因裙有外逐围土谊层提妙供的附加欧约束和多铰布圆环的虏变形而昆提供了乔相应的地层病抗力，促使独多铰圆局环仍处沫于稳定湾状态。多铰圆衣环计算盲图式6.5坛.3荷载计赢算基本荷毫载（基筝本使用沈阶段）沃、临时借荷载（阳施工阶形段）和壳特殊荷之载。1）基本南荷载：（1）土症层压谊力：垂直土坝压力、贡水平土居压力、（2）水压耽力：（3）衬砌屯自重竖向土滋压拱背擦土压(104N/卸m)地面超享载q3=1艰(1壶04N/阿m)（日本资头料）（当隧础道埋深况较浅时皇）拱背土质压水平荷咱重：即财地层舅侧向喷主动次土压蜂，由维均匀炒土压p1和三蛋角形屯土压p2组成:水压佩力:顶部垂水直向下另水压力底部陪垂直夕向上晚压力侧向水忠平水压规力水压渴力的熊叠加衬砌评自重(104N/m猜)匀布底狡部竖向币力平均寨后的躺拱被闲压力抵消智后的拦平均答水压哨力平均后岸的竖向啦土压力平均后针的自重梁压力2）施工讨阶段临骂时荷载(1延)自重泻引起屈的临漫时荷韵载临时揪荷载叨随盾枝构推昂进所喂产生解，一语般来朴自千斤筐顶顶苍力和壁后见注浆滋压力。圆形奔隧道板衬砌在到蝇达基雅本使特用阶客段前悉，它律保留仰着装截配中郊由其自重作店用所产生崖的受力靠状态，深它与基本阶鲜段所产生哭的内力永之和，不能超叼过容许何值。由下向拐上装配初的衬砌灶环，拱顶截司面产生吹内力衰最大央：½支承丸弧面漠所对训应的扎中心左角1米宽衬溪砌自重衬砌更内径（2）管片拼装及盾宗构推进引起反的临秋时集灭中荷腊载拼装砖成环舍时，管片制椅作精度不高连，端推面不耐平，跪拧紧奥螺栓饮时往耍往使盗管片尽局部指产生悲较大植的应驱力，导致管化片开裂。或因拼装父管片稍误差累计，夕当盾构话千斤顶部施加在附环缝面半上，特浊别是偏心作她用时，也败会使管猾片顶裂愈、顶碎轧。铸铁喉管片，较薄轨的外壳丸厚度加弊肋逐步浸变到突粉缘处，之承受约106N的盾构昌千斤顶买顶力。改善的收方法是做合理选愚择管片老型式，提高钢揉模制作泪精度和我管片混巡寿凝土强包度。在拼装文管片时越提高拼傲装质量邀。采用错缝靠拼装也是较绞好的办掏法。管片首压浆航因局部凝停集在一个撤区域内什所造成兔的圆环播变形和聪集中荷茧载。荷载大小难聚以确定，只能针通过采用附燃加安全年系数，以保陡证衬砌格结构的蛮安全度纽奉。3）特殊财荷载阶县段特殊幸荷载品是一将种瞬懒时性磨的，猫作用普时间召短的晚动力损荷载穷，医往往戏是控袜制衬俭砌结含构设职计的润关键田，挠在某斤些地穗区还配要考挎虑地盖震力私作用熊。结构动摸力计算登一般可截用等静载岩法，按抖弹性勺或弹志塑性跌工作脸阶段宝进行津，结书构内雕力计算方菌法与只燃承受范静载弓的结咳构相同。并可适当深提高材浊料强度古和降低俊强度安剑全系数形。本讲要狗点理解纪盾构膜计算再的原闪则；掌握捆盾构柜的荷淡载计披算方识法。6.5宋.4衬砌音内力搞计算1）自由妇变形附的匀救质圆距环计砌算弹性中辞心法计芹算由于结机构及荷卷载对称璃，拱顶米剪力等紫于零，旱属二次烛超静酬定结构。力法况方程涂为：推导过配程圆环币中任密意截硬面上比的内缘瑞力可舍由下床式得隔到：设计时陷可直接伴利用这是些公式蕉，也可王详见表6-3，2）考威虑土层拥产生牢侧向波弹性暂抗力音的匀貌质圆搜环计览算当外荷肠作用在础隧道衬伍砌上，陆一部分亏衬砌向狂地层方逢向变形罗，使地友层产生弹性抗两力。弹性刚抗力伶的分非布规继律很经难确鼓定，改采用假定三弹性三抗力三分布三规律三法，如日本三的三三角形三分布，原苏三联O·三E、布三加耶三娃的三月牙三形分三布（水三工隧三洞中三常常三采用三），三以及三二次三、三三次抛三物线三分布三等方三法。（1）日三本按三三角三形分三布弹三性抗三力的三方法按温克三列尔三局部三变形理论三，假三定土层三侧向三弹性三抗力PK=K·三y。实际三变形三量圆环三抗弯三刚度接头三刚度三折减三系数三，取0.三25三~0三.8。K为地三层侧三向压三缩系三数（2）前三苏联三布加三耶娃三法PK=-三Kyaco三s2PK=K三yasi三n2+K三ybco三s2起始三位置四个三未知三数x1、x2、ya和yb。各个三截面三上的M、N值为三：Ma=Mq+MPK+x1-x2Rhco三sNa=N三q+三NPK+x2co三s方法三：常常三将半三个衬三砌环三分成九个三截面，即八段：分三别计三算各三点的三弯矩三和轴三力。内力三计算三通过查工三具表三格分别三计算三土层三压力三、水三压力三和自三重作三用下三的内三力然三后叠三加。6.三5.三5管片三截面三设计圆环三属于偏心三受压三构件(正、三负弯三矩、三轴向三力)，它三的断三面强三度、三配筋三计算三与裂三缝宽三度限三制计三算，三按照三钢筋三混凝三土基三本构三件计三算。接缝三计算三方面三的内三容。1）管三