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文档简介

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)盾构陈千斤顶比推力计逐算阻力角包括:盾构坑外表新面与葵四周昏地层浓的摩葬阻力绑;盾尾柜内壳顽与衬辱砌结摆构之戏间的拐摩阻鹿力;盾构轮切口向部分燥刃口嚷切入艇土层突的阻翁力;盾构界切口歪环切弄入土撇层时宿的正辛面阻纽奉力;开挖面怕正面支灵撑阻力昨;以及古盾构他自重巾引起钢的阻验力,亦纠偏友时的跨阻力服,局瞧部气鸟压或胜泥水吨压力锋,阻毯力板谱阻力馋等。日本盾漏构总推雾力经验让公式表6-2盾构总偿推力隧道名称直径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盾构曾推进脾及衬览砌拼但装3.1盾构本推进已建干隧道报所采桂用过果的大去直径吼盾构呜,大忍部分序都属张于手掘式刮敞胸盾墨构或闭印胸挤压什盾构,或倚者是多两者全兼有踩的盾蹄构。技术辨先进欺的泥水呢盾构厚或土需压平粱衡盾俱构很少孙采用捕。本节将迅主要介兔绍在松戏软含水施地层中采用复手掘刺式敞留胸盾哈构施设工,辅陶以气背压,德人工秆井点废降水乞及其赠它地伐层加运固措密施,疲盾构淘开挖句掘进佳时的败几种探施工林方法窝。1)人纵工井迁点降吉水加需手伟工掘墙式敞于胸盾穗构施环工人工井正点降水脊,经摔济,适神用于漏择气量大敏的砂性摆土。地下示水位塔降低歼、疏近干地马层,增加土液体强度文,以保证兆开挖面负稳定,个盾构在旱地下水堆位以上吸通过,舅施工场妥地较干燥先。一般都苍采用喷射终井点,深邀度曾忧用到27裳m,使埋吹深为25还m的隧道婚能顺利幅开挖。具体过志程:(1)先借赢助盾构助千斤顶使盾题构推固进,将筛切口错环部重分切弹入地越层,鸣然后嫁在切口环必保护下概进行土万体开挖傍与运输,这填样对影周围裂地层己扰动晋较小膛。(2)分层臂开挖,裁施工工朝具为普枕通手工距工具或宰手持式占风动工烧具。(3)每环县管片可节分数次泛开挖和壶推进,粒盾构纠削偏时可宽以利用乳超挖解党决。(4)可借狐助支撑烤千斤顶膝加撑板塑对开挖液面进行法临时支梁撑;(5)当减用网伟格式英盾构丹时魔,防臭止盾来构后舟退。2)气压机加手掘雕式敞胸凯盾构施无工盾构风施工绘在含扇水松绸软不遵稳定巩地层浩中采捉用气压怎来疏联干和找支护偶开挖少面,以逮防止欠涌水盏、开纽奉挖面眠崩坍斗,增腾强地院层强碧度,伯是一烂种极镜古老割,且誉行之深有效叛的施祥工方语法。(1)气伯压大挎小及念耗气裤量的招确定理论锻上,每10m水头稍必须屈用0.1露Mpa的气压锣力来平太衡。实际度上,仅为孕理论压摄力的50阵%~恐60描%,空气蛮量仅为佩理论空笨气量的10灿%~方50错%。。中小描型盾艘构,图压力燃等于离盾隙构上腰端约D/酿2处的地川下水压任力;大直测径盾峡为2/3配D处的宿地下抵水压由力;顶部震均超趴压,通需有餐足够惑的覆卵盖层施工这时为汗了防弊止空爬气泄挤出,客盾构拾顶部判必须如有足袄够厚扩的覆疗盖层t即t值过昨大则碎直接史影响员到隧需道埋拆置深戚度众,过鲜小则沟覆盖皆不足余,往轧往容梅易发遣生喷遭发事民故。国外巩隧道养规范规定;爹水底隧回道的最小覆赶盖层必须大白于盾构膀直径(闪日本)志或等于盾构见直径,覆盖杏层宽度应大于尾或等于盾构直送径的6倍。采用徐经验蜘公式称计算饰耗气书量:—土质系静数,当润压力大艘于0.1务MPa时,粘苍性土=3帆.6准5;砂性瓣土=7困.3巨0。(2)气瞎压盾献构施澡工气压盾习构施工胶中闸墙犁和气恨闸作用是泰将作业伍区与常压愚作业絮区隔开终。闸墙炸必须直有足慨够的强度与气密性.气闸该是钢伟板铆有接或滴焊接鲁而成助的圆跑筒形荒结构狮,分人行闸和外闸两部恨分。人行旁闸的管迷理是即气压灵施工古的重劈燕要环秘节,需要严理格遵根守气吹压作近业的盐工作军时间稳及进匙出气兼闸的恐变压雨时间鞠,以评防减压病。3)泥水任加压盾雪构施工用泥水颠加压盾茫构代替栗上述气队压盾构钓施工,赞克服了速气压施脖工的弊擦病。地面孟沉降边,减锡压病输,覆土准深时,气绞压太刘高无哲法施寻工,覆土杂浅时,宗漏气辰等刘。泥水加言压盾构罚是将压抽力为菊的泥匹水,伍(式中H取2m),压入盾乡丰构前部扑密封舱倘内,使诞其压力模始终高赢于地下齐水压力蛛,这串样就保节持了开倘挖面稳莲定的基数本条件屿。3.雨2衬砌拼其装隧道衬傍砌是在盾构尾桂部壳保凶护下的空急间内贯进行茧拼装劳。组成念:铸铁窗、钢行、钢光筋混幅凝土渔或钢迎与钢享筋混钳凝土筒的复娇合材绝料等轧制成加的管异片或溜砌块乖。结构受朽力及使胸用要求本决定盾构及竹衬砌结激构形式并决故定其乒拼装出方法弟。拼装从方法重臂险拼装共或拱衔托架续拼装挨;通缝拼装梅(管盾片的计纵缝尖环对斯齐)胃或错缝拼装绸;螺栓联少结的管映片或无螺栓置联结的砌块玩等。按其肯程序战可分逐为“先驳纵后忧环”和“先腥环后茫纵”。采用举忠重臂拼矮装管片愤的原则父应是自途下而上风,左右假交叉,企最后封打顶成环刑。4装配刚式圆猪形衬谈砌构测造“管片惭”是建盏成隧道峰后的永久啄性支昆撑结构,椒应满足强度要南求、使民用要求;施工浪阶段桂须装塌配简捷便、容易稍替换、承受盾构千戏斤顶顶嗽力及其买它施工抹荷载。箱形视管片平板形傻管片带肋捞管片普的材梨料长工期以裤来多肥为铸煎铁(俱见图6-书6c)和掩钢。环宽与京厚度国内外殿常用的歉环宽是750图~10烫00m;曲线段冻推进时精设有楔畜形管片箱,按隧割道曲率响半径计玻算;管片厚任度一般比为25验0~雾60杏0m个m。分块大断宅面隧紧道可渔分成6~或8~弹10块,小瓣断面可世分为4~灭6块。管片的箱最大弧淘长一般云不超过4桥m,管片责愈薄其龟长度应需越短。拼装型刚式一般翻有通喊缝、摧错缝还拼装俩两种脖。纵缝躺环环抵对齐湾的称通缝,适数用于康需要座拆除云管片视修建楚旁侧互通道咬或结桨构需俘要比扛较柔换的情屡况下撞,以死便于牛进行蹈结构买处理康。纵缝互轰相错开是,对称错缝,其经优点封在于鼻能加让强圆遮环接店缝刚衫度,挣使圆挤形结理构可近似惜地按均陕质圆环燥等刚度配考虑,因此跨使用较普需遍的,缺喘点是错秆缝拼装促容易使原管片顶避碎。环、坡纵向尿螺栓环向螺栓根渔据接缝赔内力情汽况可设艳置成单腿排或双练排。双排洽:外掏排螺元栓抵田抗负辱弯矩轨,内莫排螺弃栓抵宗抗正俯弯矩恼。纵向螺配栓目的臣是使隧产道衬砌潮结构具骑有抵抗隧煎道纵向放变形的止能力,一块卷管片设3~4个螺柏栓。螺栓材旷料一般席采用高掩强度合膛金钢,贵直螺栓学。本讲垫要点掌握螺气压评大小史及耗给气量杠的计顺算;了解圆栏形衬砌赛构造;5内力计陶算与管义片结构蔽设计5.1设计原顽则隧道法衬砌芳费用树占40%丸~50间%,安金全可结靠、岛经济贴合理冈。本节痛重点门介绍渡装配随式钢事筋混馋凝土苍管片时。1.满足拣结构狡的强高度和哀刚度怜:批土层盆压力猎、水伶压力烦以及冻特殊贱荷载音,按梁式模驴型计算埋析在土中抵圆环的内力洲和位驾移,以脆及管蜻片(蛙如钢播筋混题凝土枣管片辩)的裂缝宽迫度限制厨等。覆土最啦深、顶刻压与侧延压相差最大惠处:纷按施政工阶误段和泊使用挡阶段直荷载最不工利组封合情况下计算,同时按使用拨阶段与剑特殊荷诸载阶段沃组合情银况下的唐管片强喇度验算。覆土最浅处:断赠面仅进行使用阶大段和特殊荷罢载阶段组师合情况舟下的管估强度验穿算。不同辩点2.满足所尖提出的安全份质量狮指标要求疑:裂都缝开远展宽外度,穷接缝鼠变形锦和直请径变访形的廉允许亏量,醒隧道倍抗渗定防漏索指标阀,结呀构安震全度缴,衬败砌内雷表面抖平整霞度要格求执,满足使播用要求秋的工豆作环怎境,斗保持另隧道暂内部名的干虾燥和亦洁净握。5.争2内力计控算法饱和粒含水蜂地层趁中昆,因栗内擦聋角φ值很菜小,汁主动接与被僚动土冈压力蚕几乎举是相塞等,结构变芒形不能遗产生很刘大抗力。假定鹿:结构魔可以悔自由族变形,不受更地层约胁束,认挣为圆环返只是处谣在外部雨荷载及线与之平懂衡的底拦部地层辉反力作溜用下工选作.刚度琴折减采用错缝锅拼装和通缝厌拼装,接掀缝处滴的刚冰度远触远小泡于断秩面部死分的舍刚度牛,与整体式辆等刚度亩圆形衬斜砌差异晒更大露。日本菌资料茧,接木头刚之度折桶减速肺系数η,对铸痒铁管片η=拐0.酒9~跳1.冬0;钢走筋混吓凝土具管片η=盐0.边5~授0.共7。总体上枝,在饱招和含水逢地层中面按整体泽式自闻由变判形匀茅质圆雕环的计算传方法误倦差可以杜接受。特殊情匙况下:当土层堆较好,灭衬砌变器形后能绝提供相怪应的地丝式层抗力爬,则可按有喷弹性斧抗力贩的整悠体式蓬匀质百圆环进行煌内力敬计算韵。常用的悔有日本击的和苏著联的假晶定抗力羡法等。多铰圆瞎环方法将接柳缝看鲜作为贴一个腐“铰徒”,凝整个远圆环拍变成懒一个沉多铰兰圆环增。基于淹:连接方衰法由刚性连接鸽向柔性黑连接过右渡。虽属从不稳显定结补构,关但因木有外设围土连层提功供的附加约侨束和多今铰圆来环的碍变形祥而提仿供了孟相应钱的地层叮抗力,促使励多铰圆兼环仍处静于稳定箱状态。多铰圆祖环计算膀图式5.3荷载计庸算基本更荷载牛(基货本使弄用阶眯段)袖、临罢时荷议载(竟施工忍阶段监)和侧特殊牙荷载箩。1)基丙本荷标载:(1)土层悄压力:垂直土述压力、酷水平土香压力、(2)水录压力巩:(3)衬假砌自忌重竖向责土压拱背散土压(104N/器m)地面悠超载q3=1(仪104N/m蚂)(日本钉资料乘)(当眼隧道校埋深杆较浅旷时)拱背土督压水平荷节重:即地必层侧向宪主动土怠压,由牲均匀土胡压p1和三角带形土压p2组成:水压力:顶部肝垂直取向下切水压犬力底部狮垂直丧向上分压力侧向水班平水压社力水压力讨的叠加衬砌闲自重(104N/芽m)匀布降底部盖竖向呼力平均膏后的串拱被搜压力抵消后汽的平均奔水压力平均时后的勺竖向源土压条力平均鲜后的伪自重服压力2)施工核阶段临除时荷载(1)自重引归起的临健时荷载临时荷邀载随盾以构推进缴所产生爱,一般妻来自千斤顶哲顶力和壁后注帐浆压力。圆形隧储道衬砌在到达秒基本使穷用阶段观前,它代保留着将装配中凭由其自重作而用所产温生的粒受力数状态津,它裙与基本阶蔬段所产妄生的盟内力叛之和伴,不能超丝式过容许庙值。由下哀向上雾装配毁的衬卷砌环搬,拱顶截侨面产生内棋力最大彩:½支承弧搬面所对精应的中仅心角1米宽牢衬砌突自重衬砌枯内径(2)管屡片拼装及盾构推进引起耍的临饲时集遭中荷增载拼装锹成环幸时,管片制粗作精度不高,恒端面不堆平,拧符紧螺栓吩时往往饮使管片风局部产忘生较大导的应力配,导致管钢片开裂。或因拼装聚管片愈误差累计,利当盾构氧千斤顶特施加在辞环缝面揪上,特弱别是偏心作历用时,幻玉也会搞使管屑片顶朽裂、许顶碎佛。铸铁体管片,较薄径的外壳葬厚度加恭肋逐步际变到突伴缘处,殿承受约106N的盾千构千帮斤顶非顶力站。改善的啄方法是姻合理选母择管片绿型式,提高张钢模符制作把精度境和管咱片混句凝土颤强度消。在拼介装管护片时愈提高巩拼装故质量担。采桃用错缝搬拼装也是务较好田的办膨法。管片如压浆劝因局部精凝集在一誉个区狡域内酱所造填成的好圆环隐变形饰和集泛中荷龙载凳。荷载大小毕难以档确定,只能魂通过采用附油加安全菊系数,以照保证呀衬砌勒结构荐的安恰全度吨。3)特殊桑荷载阶港段特殊仰荷载晚是一泛种瞬它时性桶的,流作用纠时间涂短的亲动力幸荷载睛,器往往转是控于制衬错砌结脂构设婚计的俯关键般,面在某任些地例区还队要考弹虑地谱震力酿作用树。结构予动力匹计算码一般曲可用等静载棕法,按串弹性朽或弹期塑性运工作策阶段阅进行脉,结典构内滥力计算方沫法与只承撒受静载罗的结构相同。并可适当残提高材恐料强度坚和降低没强度安知全系数迈。本讲处要点理解真盾构语计算处的原吹则;掌握供盾构灶的荷叠载计碎算方律法。5.4衬砌透内力叨计算1)自由乓变形锯的匀趴质圆海环计位算弹性中约心法计怠算由于结硬构及荷撤载对称辣,拱顶金剪力等淘于零,偷属二次超靠静定结构。力法驴方程堡为:推导过浑程圆环中穗任意截颠面上的祸内力可笛由下式逃得到:设计时万可直接种利用这股些公式碑,也可龙详见表6-临3,2)考虑土层毁产生匙侧向蜘弹性墙抗力尼的匀进质圆若环计贪算当外睁荷作爷用在影隧道各衬砌宏上,茅一部谦分衬升砌向柔地层桌方向识变形藏,使稼地层墨产生弹性垮抗力。弹性抗捧力的分押布规律领很难确砖定,采铁用假定忌弹性重抗力速分布差规律煎法,如日本的茫三角形蹄分布,原苏联O·E、布加嫂耶娃的引月牙形涨分布(水工衬隧洞中射常常采达用),既以及二哀次、三揪次抛物跃线分布驻等方法哪。(1)日本坏按三角蛮形分布率弹性抗钳力的方谨法按温克徒列尔吗局部催变形理论,娇假定土层英侧向括弹性苦抗力PK=K·栋y。实际变宅形量圆环乞抗弯址刚度接头刚兆度折减毙系数,疗取0.2柜5~0走.8。K为地慌层侧由向压刚缩系讽数(2)前苏硬联布加票耶娃法PK=-K跃yacos检2PK=K素yasin阁2+Kybco金s2起始位染置四个未山

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