地下结构工程施工技术第六章盾构衬砌结构三

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）盾架构灵秩敏度L/D经验灿数值:小型盾舒构D=2颂~3m，L/D加=1.券5中型酷盾构D=3徐~6m阅,L橡/D=苍1.0宇0大型盾镇构D=6舞~9m疑,L惯/D=宪0.7节5特大玩型盾贪构D＞12绘m,东L/耍D=液0.崖45谢~0邻.7捞54）盾傅构千互斤顶岸推力故计算阻力包唯括：盾构慰外表圆面与趟四周友地层息的摩顾阻力廉；盾尾内奸壳与衬势砌结构么之间的熔摩阻力繁；盾构切授口部分惧刃口切害入土层祖的阻力灵；盾构瓜切口缝环切敢入土槐层时骨的正皂面阻招力；开挖害面正鹊面支倚撑阻向力；以及盾微构自重雨引起的兴阻力，服纠偏时径的阻力境，局部温气压或凉泥水压死力，阻管力板阻鼠力等。日本盾爬构总推赵力经验贼公式表6-2盾构率总推齐力隧道名称直径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本讲理要点盾构的群组成；盾构的造分类；盾构外灭形尺寸妄的确定饶和推力予的确定室。6.它3盾构推并进及衬鹊砌拼装6.3军.1盾构狐推进已建隧贿道所采详用过的振大直径女盾构，财大部分况都属于手掘式植敞胸盾哄构或闭顾胸挤压养盾构，或功者是帽两者幼兼有网的盾睛构。技术惩先进芹的泥水盾僻构或土乘压平衡煎盾构很少采窜用。本节酷将主嫩要介旺绍在巡寿松软煤含水因地层蓬中采用爬手掘疤式敞佣胸盾饮构施被工，辅以治气压，把人工井昆点降水忙及其它见地层加寇固措施栋，盾构强开挖掘视进时的鲜几种施仗工方法酒。1）人拔工井墨点降永水加句手暮工掘踪蝶式敞距胸盾茎构施牺工人工锤井点明降水侮，承经济葬，适葱用于沾漏气趟量大惨的砂惊性土京。地下合水位义降低妈、疏弟干地损层，增加土室体强度嫁，以保膊证开恩挖面废稳定沉，盾秤构在缎地下喉水位既以上砍通过迈，施客工场撒地较干燥带。一般伸都采借用喷射井球点，深搁度曾执用到27袜m，使还埋深智为25谨m的隧道题能顺利耗开挖。具体过斯程：（1）先笛借助忆盾构动千斤锤顶使盾构帅推进，将鹊切口溪环部喇分切赵入地厨层，托然后绝在切口环病保护下毯进行土软体开挖跌与运输，这丘样对欠周围彼地层倘扰动铁较小巨。（2）分网层开孔挖，捷施工物工具南为普仿通手畅工工队具或漂手持勉式风凶动工冶具。（3）每环谷管片可界分数次技开挖和蚀推进，贫盾构纠严偏时可怕以利用逮超挖解惑决。（4）可赠借助芒支撑赢千斤屿顶加其撑板喝对开环挖面乳进行咐临时立支撑笼；（5）当爪用网灯格式习盾构苦时包，防绒止盾凯构后要退。2）气租压加晋手掘撤式敞蛾胸盾扎构施温工盾构贯施工塘在含拍水松框软不坦稳定惭地层份中采亿用气压来股疏干和软支护开条挖面，以结防止工涌水联、开低挖面位崩坍抽，增天强地丑层强担度，炮是一扑种极分古老拼，且携行之惹有效壮的施污工方燃法。（1）气压像大小及样耗气量史的确定理论上，每10猾m水头幸必须序用0.1缸Mpa的气压尿力来平植衡。实际上，仅为旧理论压桐力的50%晓~60醒%，空鹅气量丢仅为腔理论良空气扇量的10%蔬~50汽%。。中小遗型盾马构，庙压力壤等于离盾构孝上端约D/孟2处的促地下添水压僻力;大直径鸟盾为2/弊3绢D处的地督下水压肿力;顶部山均超双压，从需有旅足够披的覆苹盖层施工时谱为了防凯止空气倦泄出，闻盾构顶舒部必须旺有足够谊厚的覆迟盖层t即t值过大别则直接央影响到赤隧道埋举置深度讲，过章小则覆阀盖不足犯，往往捏容易发期生喷发话事故。国外隧漠道规范规定尺；水雕底隧耍道的最小尽覆盖捷层必须潮大于袖盾构兆直径吨（日塌本）哨或等司于盾构直勉径，覆蛋盖层宽度应大于脉或等于盾构扶直径饺的6倍。采用经秘验公式甚计算耗搬气量：—土质系悦数，当松压力大勉于0.1阵MPa时，欣粘性垦土=3.瞧65；砂恭性土=7糟.3族0。（2）气敌压盾梅构施拉工气压盾柿构施工北中闸墙愧和气苏闸作用得是将作业世区与常压作译业区隔开产。闸墙必腿须有足赌够的强度与气密外性.气闸获是钢坦板铆确接或轻焊接救而成再的圆拦筒形否结构渐，分人行闸和外闸两部映分。人行闸的管理赞是气压想施工的桂重要环穴节，要斗严格遵售守气压余作业的剪工作时有间及进黄出气闸绩的变压阔时间，角以防减压刘病。3）泥水扮加压盾虾构施工用泥水匆加压盾阴构代替韵上述气挤压盾构词施工，吓克服了挡气压施仗工的弊钩病。地面姻沉降笨，减雹压病锈，覆土西深时，气压剪太高无药法施工顶，覆土夜浅时，拌漏气饥等瓶。泥水曾加压竭盾构餐是将郊压力非为默的泥拉水，横（律式中H取2m）,压入盾贡构前部于密封舱蛙内，使漏其压力给始终高汇于地下疤水压力互，这瓣样就保治持了开证挖面稳阔定的基嫩本条件苦。6.3每.2衬砌冈拼装隧道衬栋砌是在盾构尾浊部壳保狸护下的空间容内进行柱拼装。组成肝：铸铁、受钢、钢咸筋混凝壳土或钢授与钢筋羞混凝土撞的复合裤材料等雕制成的叔管片或秀砌块。结构飘受力虫及使梢用要卵求决溉定盾构刺及衬呼砌结趟构形招式并决显定其父拼装麻方法蔑。拼装醒方法重臂拼孟装或拱复托架拼傍装；通缝拼装值（管蓝片的掩纵缝虎环对夕齐）怪或错缝拼装午；螺栓把联结的管片磁或无螺栓煮联结的砌架块等栗。按其程纸序可分后为“先纵阵后环”和“先钩环后迷纵”。采用举炕重臂拼某装管片贡的原则途应是自兆下而上珠，左右漂交叉，切最后封童顶成环涨。6.4装配式涌圆形衬您砌构造“管片”是建成闪隧道后酷的永久性张支撑结构，薯应满足强度要蓬求、使抱用要求；施工阶喊段须装陈配简便凝、容易替膨换、承受盾构译千斤寨顶顶懒力及速其它施工存荷载。箱形惩管片平板形酿管片带肋管盒片的材警料长期嗓以来多邮为铸铁殖（见图6-支6c）和钢户。环宽脾与厚劈燕度国内挨外常予用的傍环宽筛是750犯~10进00m；曲线段胆推进时述设有楔名形管片扛，按隧责道曲率迫半径计悟算；管片厚漏度一般登为250鼓~60束0mm。分块大断简面隧晒道可蛙分成6~8瓣~10块，小耕断面可段分为4~鄙6块。管片称的最毕大弧友长一依般不搏超过4控m，管段片愈基薄其冻长度秆应越姜短。拼装益型式一般订有通乳缝、赏错缝叙拼装垦两种餐。纵缝环度环对齐移的称通缝，适用山于需要盲拆除管胃片修建拐旁侧通像道或结头构需要益比较柔鼓的情况闭下，以随便于进俩行结构疏处理。纵缝互补相错开重，对称错缝，其舒优点拢在于牙能加崖强圆刘环接里缝刚括度，胁使圆诉形结坑构可近似饱地按均枯质圆环爱等刚度娃考虑，因横此使盾用较普遍的，田缺点劳是错颜缝拼浴装容电易使撞管片响顶碎坏。环、竹纵向坏螺栓环向螺栓耻根据酸接缝士内力碍情况详可设鞭置成箱单排玻或双侍排。双排：弊外排螺喘栓抵抗屯负弯矩拾，内排然螺栓抵冻抗正弯腿矩。纵向螺自栓目的壮是使隧至道衬砌盖结构具土有抵抗眠隧道户纵向左变形秩的能爹力，一局块管华片设3~苗4个螺动栓。螺栓材男料一般扩采用高既强度合雁金钢，没直螺栓秘。本讲要脊点掌握唯气压乞大小绢及耗内气量讲的计倡算；了解依圆形劣衬砌寇构造;6.5内力恒计算愈与管捷片结怕构设盒计6.吐5.槐1设计崭原则隧道枯衬砌槽费用盗占40尖%~继50慈%，安全稠可靠、婚经济合迎理。本节重尊点介绍橡装配式虚钢筋混肝凝土管鹿片。1.满足结虚构的强瓦度和刚昂度：皂土层压朴力、水城压力以拳及特殊觉荷载，屠按梁式氧模型计算育埋在揭土中鹅圆环芦的内力场和位师移，以及剩管片（波如钢筋旗混凝土会管片）灯的裂缝宽吹度限制屡等。覆土最姥深、顶输压与侧倾压相差最大携处：赚按施留工阶开段和居使用蹦阶段筹荷载最不利迁组合情况肯下计算，同时按使用修阶段与尺特殊荷勿载阶段析组合情富况下的肆管片强计度验算。覆土最浅处：断盲面仅进行使用悉阶段和特殊逼荷载阶段絮组合怪情况便下的册管强草度验纯算。不同逗点2.满足旗所提铅出的安全质盯量指标要求：译裂缝开乞展宽度袍，接缝始变形和御直径变跌形的允挡许量，资隧道抗技渗防漏只指标，墙结构安狡全度，誉衬砌内串表面平钳整度要贤求，满足忙使用要求深的工叶作环撕境，定保持俩隧道禾内部处的干宫燥和款洁净矩。6.民5.收2内力计麦算法饱和贞含水呜地层义中爆，因无内擦啊角φ值很驼小，饥主动拒与被敲动土缺压力跟几乎帮是相橡等，结构变轰形不能尼产生很艳大抗力。假定：结构可功以自由活变形，不受滥地层约穷束，认抢为圆环侄只是处赴在外部篮荷载及光与之平痕衡的底冤部地层距反力作池用下工债作.刚度折亮减采用错缝拼筒装和通缝松拼装，接缝滚处的刚仙度远远名小于断膨面部分仁的刚度章，与整体宪式等男刚度昆圆形那衬砌差异更例大。日本倍资料段，接碧头刚你度折辉减速威系数η，对铸召铁管片η=肉0.余9~滴1.揪0；钢筋希混凝土门管片η=铁0.早5~伞0.羊7。总体上直，在饱山和含水香地层中迟按整体式病自由变槽形匀质堂圆环的计算诵方法误善差可以君接受。特殊迟情况厌下：当土忘层较姓好，胀衬砌殿变形片后能坛提供睛相应邻的地兼层抗扩力，刊则可按有弹苏性抗力革的整体蚁式匀质脖圆环进行辜内力双计算冶。常用的禁有日本便的和苏饰联的假地定抗力失法等。多铰圆罗环方法将接提缝看醒作为毯一个“铰”，整灭个圆单环变戴成一舞个多叔铰圆张环。基于：连接臭方法呈由刚性插连接向炒柔性连让接过渡。虽属绍不稳觉定结行构，妥但因表有外馒围土技层提中供的附加约犹束和多质铰圆蛋环的艰变形兆而提符供了沿相应爽的地层抗核力，促使般多铰圆休环仍处抛于稳定拾状态。多铰圆路环计算绢图式6.5全.3荷载计天算基本荷探载（基诊本使用廊阶段）倡、临时毫荷载（中施工阶锤段）和遥特殊荷津载。1）基仿本荷妻载：（1）土层如压力：垂直悬土压批力、盒水平厚土压钳力、（2）水压考力：（3）衬砌捏自重竖向土供压拱背土娘压(1杰04N/异m)地面超筝载q3=1(封104N/长m)（日途本资蠢料）（当双隧道醋埋深值较浅办时）拱背抬土压水平蒸荷重：即蛙地层裁侧向丸主动躬土压志，由晓均匀领土压p1和三角得形土压p2组成:水压力:顶部垂庄直向下若水压力底部垂额直向上犯压力侧向水愿平水压烧力水压创力的律叠加衬砌平自重(104N/m殖)匀布析底部辅竖向跑力平均炸后的旧拱被样压力抵消后参的平均弦水压力平均后废的竖向朝土压力平均瓣后的支自重婶压力2）施基工阶络段临碌时荷汪载(1)自重引纳起的临啄时荷载临时荷烧载随盾谋构推进乘所产生我，一般纱来自千斤蚂顶顶识力和壁后竖注浆题压力。圆形隧北道衬砌在到妨达基庆本使带用阶恰段前谜，它土保留汤着装荒配中搜由其自重作陵用所产生羊的受力瞧状态，仪它与基本阶驻段所产当生的芽内力士之和比，不能化超过受容许仿值。由下向潮上装配获的衬砌献环，拱顶截戴面产生收内力饿最大介：½支承弧伯面所对迅应的中万心角1米宽衬内砌自重衬砌内越径（2）管片拼装及盾世构推进引起山的临案时集质中荷币载拼装挪成环劣时，管片拐制作彼精度不高，切端面不午平，拧摘紧螺栓申时往往谦使管片秩局部产缴生较大武的应力繁，导致管雕片开裂。或因拼装管妙片误差累计，恐当盾构取千斤顶烂施加在纽奉环缝面谅上，特要别是偏心作嫂用时，拆也会事使管州片顶绿裂、拴顶碎谨。铸铁补管片，较薄糟的外壳拦厚度加眼肋逐步嚼变到突辰缘处，举承受约106N的盾构青千斤顶鞭顶力。改善集的方柿法是团合理拴选择信管片朵型式酬，提高钢堤模制作棍精度和哲管片混扩凝土强壶度。在拼装被管片时集提高拼哥装质量神。采用错缝拼嗓装也是较曾好的办凯法。管片压典浆因局部芹凝集在一炎个区搁域内糠所造债成的护圆环年变形扑和集塘中荷丹载柴。荷载大小浪难以暂确定，只能槽通过采用信附加显安全裹系数，以保替证衬砌跑结构的刘安全度期。3）特葵殊荷峡载阶清段特殊荷户载是一挠种瞬时牲性的，斑作用时脚间短的抛动力荷仪载，个往往是距控制衬纪砌结构叛设计的纷关键，酱在某套些地区肆还要考顷虑地震狭力作用昆。结构此动力两计算湖一般啄可用等静载链法，按弹钻性或弹仰塑性工蓄作阶段黄进行，哑结构内率力计算方产法与只承苏受静载小的结构相同。并可适当加提高材脚料强度宏和降低装强度安票全系数婆。本讲挂要点理解盾悔构计算澡的原则录；掌握伏盾构桃的荷足载计验算方横法。6.直5.削4衬砌内姐力计算1）自由变敌形的匀饥质圆环榴计算弹性中玻心法计缸算由于罪结构恶及荷轨载对彩称，梁拱顶这剪力徐等于痕零，舌属二次例超静匪定结构渡。力法方饼程为：推导各过程圆环辽中任青意截换面上变的内天力可宜由下房诚式得驴到：设计时都可直接途利用这渠些公式柿，也可钳详见表6-3，2）考虑土层产鸽生侧向专弹性抗魂力的匀伐质圆环参计算当外捡荷作酿用在午隧道键衬砌挂上，咽一部训分衬啊砌向纯地层段方向为变形从，使忽地层悼产生弹性披抗力。弹性抗扔力的分给布规律悦很难确咳定，采亩用假定柱弹性速抗力阴分布事规律氏法，如日本的耀三角形差分布，原苏田联O·牙E、布加肆耶娃的店月牙形现分布（水工粒隧洞中砍常常采张用），孔以及二佩次、三馆次抛物撕线分布周等方法清。（1）日本迹按三角魔形分布爪弹性抗板力的方该法按温克列猜尔局部色变形理论，承假定土层侧涌向弹性要抗力PK=K·y。实际变点形量圆环抗剥弯刚度接头蚂刚度待折减旅系数尸，取0.2另5~0笼.8。K为地槽层侧脖向压程缩系底数（2）前票苏联丹布加掉耶娃爱法PK=-K妈yaco跑s2PK=Kyasin流2+K庸ybco阁s2起始择位置四个颂未知裳数x1、x2、ya和yb。各个孙截面车上的M、N值为：Ma=Mq+MPK+x1-x2Rhco棵sNa=Nq季+NPK+x2cos方法：常常将坊半个衬兄砌环分套成九个截恢面，即八段：分较别计驶算各玻点的亩弯矩挡和轴命力。内力计崖算通过查工具圆表格分别绒计算阀土层参压力芹、水林压力竭和自峰重作台用下盖的内未力然跟后叠为加。6.路5.条5管片天截面闯设计圆环属潜于偏心受白压构件(正、礼负弯蠢矩、海轴