盾构衬砌结构与顶管设计计算方法

盾构衬砌结构与顶管设计计算方法第一部分盾构衬砌结构盾构是在钢壳体保护下掘进隧道的一种设备。按掘进方式分为人工、半机械和机械化形式；按切削面上的挡土方式，分为开放型和封闭型；按向开挖面施加压力的方式，分为气压、泥水加压、削土加压和加泥方式。目前机械化盾构发展较快，应用较多，它由刀盘、刀具旋转切割地层，采用螺旋输送机或泥水管道运送碴土，在壳体内拼装预制管片，依靠液压千斤顶推进，形成掘进隧道的机电一体化高科技设备。9.1盾构概述

1806年,工程师Brunel针对松散饱和软土层发明了最早的网格式盾构并提出专利。1818年,Brunel从蛆虫腐蛀船底成洞得到启发，提出了全封闭螺旋式盾构工法(土压平衡盾构的原型)。1825～1843年，Brunel设计的方形铸铁框盾构贯通了泰晤士河的第一条隧道。1869年,Burlow和Great负责建造泰晤士河的第二条隧道，Great采用新开发的圆形盾构、扇形铸铁管片。1886年,Great在南伦敦铁路隧道施工中使用了盾构和压气组合工法，为现在的盾构工法奠定了基础。4盾构工法盾构法视频9.2盾构衬砌分类盾构隧道横断面一般有圆形、半圆形、矩形、马蹄形等多种形式，但衬砌最常用的横断面形式为圆形。圆形隧道衬砌断面作为隧道断面形式有以下优点：可以等同地承受各方向外部压力，尤其是在饱和软土地层中修建地下隧道，由于顶压、侧压较为接近，更可显示出圆形隧道断面的优越性；施工中易于盾构机的推进，管片的制作及拼装；盾构即使发生转动，也不妨碍其断面的利用。管片衬砌按其材料分为钢筋混凝土、铸铁、钢、钢壳与钢筋混凝土复合而成的几种，除特殊需要外，一般都选用钢筋混凝土作为衬砌管片的材料。

9.2.1管片的分类

钢筋混凝土管片按手孔成形大小区分，大致可分为箱形管片和平板形管片。所谓箱形管片，就是因手孔较大而呈肋板型结构的管片。衬砌分类（1）预制装配式衬砌装配式衬砌圆环一般是由分块的预制管片在盾尾拼装标准块、邻接块和封顶块的多块预制管片在盾尾内拼装而成。（2）双层衬砌为防止隧道渗水和衬砌腐蚀，修正隧道施工误差，减少噪声和振动以及作为内部装饰，可以在装配式衬砌内部再做一层整体式混凝土或钢筋混凝土内衬。近年来采用双层衬砌的必要性已大为减少。（3）挤压混凝土整体式衬砌挤压混凝土衬砌是指不采用常规管片而通过在盾尾现场浇筑混凝土来进行衬砌的隧道施工法，是随着盾构机向前掘进，用一套衬砌施工设备在盾尾同步灌注的混凝土或钢筋混凝土整体式衬砌，因其灌注后既承受盾构千斤顶推力的挤压作用，故有此称谓。9.3管片结构设计与内力计算一、荷载的种类1、主要荷载——必须经常考虑的荷载：（1）竖向与水平土压力；（2）水压力；（3）自重（静载）；（4）超载量；（5）地基反力。2、次要荷载——必要时考虑的荷载（在施工过程中和竣工后作用的荷载，是根据隧道的使用目的、施工条件以及周围环境进行考虑的荷载）：（1）内部荷载；（2）施工期荷载；（3）地震效应。3、特殊荷载：在特殊条件下必须考虑的荷载。例如：（1）相邻隧道的影响；（2）地基沉陷的影响；（3）瞬时动力荷载等。9.3.1荷载的设定二、荷载计算当地层为互层分布时，以地层构成中的主要地层为基础，将地层假设为单一地层进行计算，或就以互层的状态进行松弛土压力的计算都是常用的方法。对于圆形断面以外的隧道，只要合理评价松动带的宽度，也可以采用太沙基的公式计算松弛土压力。但是由于荷载的分布形状等条件随隧道的断面而发生变化，应慎重地进行分析判断。另外，在这种情况下现场实测值是评价土压力的重要参考，希望能够根据类似条件时土压力和水压力的实际情况进行判断。计算土压力时，对于水的影响应根据地层条件，按如下方法计算：（1）砂性地层：采用水土分算，但实际上，一般根据地层性质，砂土、粉土、粉质粘土等渗透系数较大的地层，采用水土分算，计算时土压时采用有效重度及有效抗剪强度指标，如三轴排水剪、三轴固结不排水剪（测空隙水压力）、直剪快剪等强度指标；（2）粘性地层：粘土层采用水土合算，重度采用天然重度，其强度指标采用在土的有效自重压力下预固结的三轴不排水不固结强度指标。1、垂直及水平土压力作用于隧道的土压力中，垂直和水平压力是确定设计计算用的土压力，与隧道的变形无关。此外，对于隧道底部的土压力，考虑为反向土压力，作为地基反力处理。（1）垂直土压力将垂直土压力作为作用于衬砌顶部的均布荷载来考虑，其大小宜根据隧道的覆土厚度、隧道的断面形状、外径和围岩条件来决定。但当覆土厚度大于隧道的外径时，地基中产生拱效应的可能性比较大，可以考虑在设计计算时采用松动土压力松弛土压力的计算，一般采用Terzaghi公式。一般来说，当垂直土压力采用松弛土压力时，考虑到施工时的荷载以及隧道竣工后的变动，多设定一个土压力下限值。垂直土压力的下限值根据隧道使用目的有所不同，但一般将其作为相当于隧道外径的2倍的覆土厚度的土压力值。（2）水平土压力水平土压力考虑为作用在衬砌两侧，自拱顶至隧底沿横断面的直径水平作用的分布荷载，应根据垂直土压力与侧向土压力系数来计算。在难以得到地基抗力的条件下，可以考虑将施工条件下的静止土压力系数作为侧向土压力系数。在可以得到地基抗力的条件下，使用主动土压力系数作为侧向土压力系数，或者以上述的静止土压力系数为基础考虑适当地减少进行计算，都是常用的方法，设计计算中拟采用的侧向土压系数的值应介于静止侧向土压系数值与主动侧向土压系数值之间。2、水压力一般情况下，作用在衬砌上的水压力为静水压力。但为简化计算，也可以将水压力取为拱顶以上和隧底以下，其值分别可取为与该处静水压力相等的均布竖向水压力以及由拱顶至隧底均匀变化的水平荷载，其值分别取与拱顶至隧底处的静水压力相等。若采烈用垂辆直均销布荷踩载和妻水平吸均匀涨变化妻的荷乎载组免合，台则衬罩砌水登压力脸计算维如下毙：3、管片禾自重一次捞衬砌破自重竹为作沙用在良隧道旋横断殊面形槐心线锻上的激竖向福荷载二次衬德砌的施眨工时间剪一般都绘在管片叮环已具背有某种忌稳定性走后才进嫂行，而容且二次暮衬砌本光身也是后环形或声拱形的雅，因此衡二次衬批砌的自其重有其兴自身承灰担，故挡在一次菜衬砌设别汁时可否不考虑丛二次衬乐砌的重趋力。4、地面千超载地面超生载增加滔了作用致于衬砌诞上的土场压力，鹊道路交皇通荷载毫、铁路骡交通荷泽载、建暮筑物的砌重量作妄用于衬亿砌上的虽力即为习地面超桐载。5、地基就反力计算衬钳砌构件宗内力时蛮，必须挠确定地轧基反力糠作用的生范围、产大小和锤方向。地基反朽力通常益分为两总种：一尖种是独策立于地蓬基位移鹅而定的局反力，蜜另一种拌是从属妨于地基逆位移而蓬定的反渣力，具播体要结搅合设计泛计算方烤法而定虎。前者是报作为与羽给定荷添载相平续衡的反茧力，预忧先假定倦其分布循均匀的斯；后者题认为与愚衬砌的百地基内培位移相零关而产忍生的，吩并与地还层的位亩移成比育例且该剖比例因骑子定义籍为地基临反力系并数，此佛比例因迫子的取漫值取决杂于围岩锋韧度和寻衬砌尺羊寸。地基反节作用力够是地基雷反作用澡系数和赖衬砌位谨移的产惯物，由斤围岩韧洪度和管脚片衬砌到的刚度姑决定，歌而管片帐衬砌的佳刚度取扔决于管咳片刚度吼及接缝罩的数目沙和类型假定吊的地接基反百力计台算模佛型地基反依力的常顺用计算橡法中，础对垂直岗方向的谣与地基乎位移无刊关的地嗓基反力隐取与垂爆直荷载令相平衡鼻的均布泰反力；残另一方姐面，作肃用在隧惜道侧面够的水平池方向的激地基抗期力，则廊是伴随水衬砌向下围岩方赚向的变疮形而产织生的，索故在衬未砌水平艰直径上庄下45突°中心角租范围内双，采用没以水平宽直径为哲顶点，吓三角形后分布的牌地基抗返力。与常能用计柏算法蔬不同姑，作狼为伴靠随地刚基的岗位移贯确定徒地基欢抗力枯的另音一种参方法耕，是抓将管仰片环辱与地绸基间斯的相合互作踪蝶用通粪过地胶基弹朵簧模圾型进拒行考井虑，详这一纤方法心是将耳地基玩抗力嫁考虑伶为管迫片向歇地基乏方向骑变形饿时所签产生暖的反葱力。常见衫的有龙全周茧地基贞弹簧闲模型调和部膝分地睡基弹养簧模退型两炼种，届从应所用实欣例来核看，专多数飘只考质虑半吐径方携向弹捆簧，配也有朽一些居考虑哑切线疑方向常弹簧羊进行许设计超的例厉子。6、内烛部荷希载由悬咬挂于收隧道露顶板告上的牵设备予所产纳生的帜荷载走以及饲内部麻水压精力而收引起透的荷任载所矮致，展应进叉行核滔查。7、施财工期盒间荷妖载施工期每间作用谨于衬砌势上的荷湿载有以颈下各种撕：①盾横构千悟斤顶软的推荷力。评当管姑片生他产时屈，应隙测试哀管片陡抵抗扒盾构稳顶进率推力枯的强奇度，名为了社分析搅盾构话千斤僻顶推咐力对班管片济的影夕响，做设计绪者应脉该检丛查由冠于偏本心而村引起柴的剪粉力和赔弯矩爹，包探括允锦许极半限放虑置时帮的情紧况；②回禁填注扯浆压坝力；③运康输和恳装卸仙时的睁荷载闻；④管团片举望重臂就操作蠢的荷退载；⑤衬能砌环债刚出伍盾尾黄的初祸期。狂衬砌证顶部孩土压蓝即迅墙速作换用到骑衬砌摸上，的而侧僻压却询因某规种原示因未叛能及齿时作照用，差这时静衬砌排可能舅处于桥很不蛇利的少工作氏条件消；⑥其它急荷载，寇如后援资的自重绢、管片舟矫正器沈的千斤朗顶推力捷、切削凤头的扭阁矩。8、地佳震的测影响用于抗武震设计铲的方法口有诸如谁地震变馆形法和股地震系饥数法之缎类的静佛力分析护法以及熟动力分身析法。剃地震变的形法常袋用以研圾究隧道鸣地震反运应，这稠里不做若具体讨扁论。9、其它贪荷载主要是滴指相邻革隧道施悼工以及产沉降的朱影响而职产生的添荷载。9.叹3.弟2管片结寺构计算母模型均质圆喘环模型[1镜]完全伍等刚宴度圆轨环惯泛用计和算模耕型[2屠]平均等屿刚度圆受环修订冰惯用计绸算模型管片某环有勇接头算，因也而刚伞度有连所降站低，喇故在枣将其仆作为拖抗弯何刚度普均匀烂的圆遣环处弯理的侵情况障下，痕考虑坏接头计影响换进行牛计算有，这倡种模普型称险为修肚订惯患用计随算模雀型。多铰环工模型许多贫国家舰，以绍隧洞畅周围窄围岩深状况艳良好钟作为叠对象批而采叛用的呀计算桐方法第，将研管片票接头纵作为蛙铰结册构来责计算梁－浑弹簧价模型其中执用梁尚来代医替管暮片，督组合冲弹簧府来代进替接协头，壳－仔弹簧应模型壳—弹簧繁模型猫就是陕将弧壶形管椒片用寒壳单纽奉元来暂模拟如，壳熊单元蹈分为乘平板发壳单疼元和及曲壳火单元北，相阔似于计梁—弹簧舌模型谋中用妻于模平拟管紧片的母梁单除元可敲以分即为直震梁或访者曲羊梁单蒜元，扇当单美元划夹分的说较小同时，汤两者棕的计女算结誉果趋蓝于一累致9.4衬砌创管片花设计广实例一、率设计赛条件（1）管与片条天件（2）场蠢地条残件二、共平板纹型钢法筋混针凝土铲管片硬的设摧计1、作用孤于管片袋衬砌体饰的外载谅荷的计认算2、管齿片环赵截面覆力计榴算3、验摧算衬搬砌管础片的若安全秘性4、管片剥接头螺数栓的设播计5、千泊斤顶治推力第2部分顶管瓜技术9.马5顶管结荐构顶管技钞术（Pi顽pe命J普ac闻ki循ng）是一唯种具体秩的非开刃挖技术胶管道铺幼设方法与，同时垒也是以判顶管施眉工原理晋为基础洗的一些权非开挖翻铺管技着术的总到称。顶管未技术竭最初皂主要猾用于僻穿越恢路基棕铺设犹保护赏套管扑，目撤前在宴该领摊域仍恨被广夕泛采母用。盘随着兆技术喂的不锻断进住步，韵该技展术也讨可直祖接应舒用于漠管道卡铺设矩，而柴不再忌需要壤保护渠管道亲。特贿别是矛顶管相施工唐中的酸沉降谦控制允技术走，在背穿越薄建筑岩密集伸区、毒江河迅以及肺各种和地下健管道警时已皂得到峰广泛础应用你。顶管窄施工病法极蔑大地吐减少古了对搅周边觉的环咽境和群居民驶的生弄活的咽影响劈燕，有仍利于动在工航程中茶作好钻文明袍施工柴。现税在顶反管法遗一般娱用于元修建幸中小厘型地江下市灯政管吼道。顶管动费画视频与明坡挖法厅相比刮，顶影管施壶工具气有以赚下优某点：①减少埋开挖量魄和土石房诚方运输辛成本；②顶萄管法射相比半明挖蚂法更仿加环逼保，幅除工言作井俊外的释大部廊分工液程都检处于谢地下渐，不颤会污餐染外舞部环扒境；③不影规响交通言，特别狡适于城避市内部屑的施工锡；④在赶直径牢大于900赚mm的管道箱中可以青进人施绵工，而竖顶管施判工操作把人员比重常规的轿隧道施姿工方法性容易培眠训；⑤施委工过析程中地不会希受到唉天气晌情况逃的影暂响。基于以食上原因昂，顶管认技术在滨市政管金道工程肚和地下扶通道工凉程中正筝被广泛灵的运用碍，在近30年中鸟得到债快速竖的发酱展，昏该技灿术在革许多斑国家缘瑞已取位代了挽传统蜜方法葬，成梳为施产工直梦径小毁于30丘00肯mm管道椒的主放要方仪法。滋该技幼术在网我国桨也有蓬巨大剂的市给场需渐求，亭如在旦我国眼西气表东输胆等重劈燕大工舅程的角管道想穿越尺长江调和黄谦河的秃控制铲性工冠程项傻目中层该技允术已闻发挥良了至性关重究要的昼作用斗，并佳引起距了各协级政盯府和建环境丸部门蚀的高逐度重队视。顶管法梯是借助轨于主顶丢油缸及晨管道间彻中继间酿等的推郑力，把耍工具管延或掘进南机从工煮作坑内细穿过土怠层一直撑推到接喝收坑内扮吊起，酿并把紧持随工具竹管或掘蛛进机后尊的管道仗埋设在色两坑之肉间的一业种修建鼠隧道和西地下管米道的施稠工方法原，目前控，在写顶管引施工某中最浴为流征行的贱有三禽种平悲衡理键论：气压平嫩衡、泥搭水平衡刘和土压劳平衡理旨论。所谓轿气压款平衡倡又有喊全气华压平任衡和县局部煌气压贩平衡斧之分蝴。全顺气压畏平衡置使用支得最眯早，缎它是均在所青顶进魂的管酿道中的及挖吗掘面裙上都确充满翼一定胳压力好的空刺气，警以空匀气的让压力赠来平罪衡地奇下水箩的压膏力。尺而局恶部气爪压平题衡则缎往往复只有醒掘进自机的鬼土仓餐内充鼻以一砖定压岸力的墙空气狂，达衣到平夜衡地毅下水这压力境和疏袭干挖隶掘面门土体表中地胡下水嫌的作痕用。所谓鲜泥水逝平衡寄理论胳就是锋以含舞有一肥定量短粘土竞的且快具有跪一定退相对澡密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