盾构衬砌结构

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）盾明构千舰斤顶慕推力筹计算阻力节包括：盾构外抛表面与级四周地续层的摩江阻力；盾尾内色壳与衬承砌结构烂之间的坊摩阻力日；盾构切滨口部分压刃口切名入土层庭的阻力妇；盾构汗切口分环切库入土郊层时劲的正饮面阻象力；开挖面屠正面支砖撑阻力被；以及盾碑构自重里引起的尝阻力，愉纠偏时桨的阻力颂，局部阶气压或似泥水压高力，阻对力板阻功力等。日本蔑盾构命总推蓝力经匠验公宰式表6-芳2盾构小总推及力隧道名称直径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盾构推弹进及衬廉砌拼装3.1盾构推英进已建确隧道庭所采蕉用过先的大捏直径贷盾构肥，大芹部分象都属蕉于手掘被式敞溜胸盾洞构或口闭胸匠挤压煤盾构，或肌者是狂两者麻兼有邮的盾烂构。技术先摆进的泥水旋盾构什或土孤压平蛮衡盾划构很少凯采用纲。本节将隐主要介换绍在松坟软含水屈地层中采用晨手掘秤式敞非胸盾很构施款工，辅童以气珍压，名人工莫井点禁降水帅及其口它地箩层加够固措豪施，扮盾构健开挖烘掘进凳时的虫几种驴施工榨方法估。1）人工掌井点降架水加搅手工掘救式敞胸雨盾构施糊工人工旧井点罪降水网，铃经济远，适时用于境漏气或量大拳的砂嘱性土摊。地下讽水位非降低峡、疏第干地娘层，增加拍土体狭强度肠，以保堪证开尸挖面价稳定裕，盾袍构在秋地下牺水位冠以上扇通过窜，施曾工场瓣地较干燥。一般都佳采用喷射饼井点，深度呢曾用到27著m，使忌埋深盐为25渔m的隧企道能耻顺利剂开挖史。具体宇过程扯：（1）先云借助醉盾构叠千斤洋顶使盾替构推荐进，将切皆口环部飞分切入垄地层，垄然后在切口留环保亡护下闷进行艘土体载开挖貌与运己输，这盟样对燥周围钟地层腰扰动军较小甩。（2）分层蛙开挖，歉施工工罩具为普债通手工忍工具或吊手持式执风动工乎具。（3）每亮环管司片可六分数仿次开谈挖和加推进乳，盾传构纠诊偏时孕可以换利用换超挖鞭解决帆。（4）可借筹助支撑歉千斤顶籍加撑板架对开挖公面进行衡临时支赏撑；（5）当蛮用网戏格式合盾构雀时颗，防默止盾叉构后山退。2）气告压加梨手掘货式敞施胸盾编构施脾工盾构施赴工在含偶水松软攻不稳定掀地层中纸采用气压裙来疏环干和永支护作开挖钟面，以笑防止售涌水洽、开伤挖面税崩坍蹲，增伤强地溉层强觉度，眉是一睛种极逝古老赖，且鞭行之轮有效芒的施臂工方膜法。（1）气压拜大小及解耗气量军的确定理论叉上，每10慎m水头马必须桌用0.1惩Mpa的气念压力拉来平著衡。实际上，仅汁为理梅论压出力的50%谊~60敬%，空气艇量仅为相理论空搜气量的10%患~50源%。。中小型园盾构，意压力等猛于离盾构毫上端约D/龙2处的地奋下水压巷力;大直追径盾膝为2/3涌D处的突地下腊水压在力;顶部均附超压，野需有足揉够的覆驾盖层施工时梨为了防周止空气谊泄出，馒盾构顶誉部必须备有足够汗厚的覆丙盖层t即t值过辱大则昂直接筛影响母到隧臣道埋拢置深槐度奏，过选小则堵覆盖漂不足抗，往棉往容绣易发鲁生喷渐发事怠故。国外旱隧道劣规范规定怖；水搅底隧唱道的最小覆脉盖层必须唇大于窝盾构轻直径禾（日抚本）帐或等钓于盾构直煌径，覆倚盖层宽度应大珠于或柱等于盾构直笔径的6倍。采用具经验晨公式窜计算要耗气耍量：—土质系杏数，当贴压力大敌于0.猪1M财Pa时，密粘性教土=3.扁65；砂性甜土=7.林30。（2）气孕压盾伞构施派工气压篇盾构爽施工仔中闸墙铸和气未闸作用是疑将作业区与常压作俭业区隔开惜。闸墙蔽必须掘有足忌够的强度与气密性.气闸是亩钢板铆筑接或焊嘴接而成文的圆筒吼形结构目，分人行闸和外闸两部分论。人行铁闸的管理朵是气压撞施工的沿重要环腿节，要斥严格遵良守气压除作业的蒜工作时索间及进蠢出气闸信的变压辛时间，呜以防减压窗病。3）泥杂水加顾压盾此构施口工用泥冰水加屈压盾标构代等替上细述气咬压盾何构施妖工，惜克服游了气党压施将工的仰弊病照。地面历沉降盖，减辽压病锡，覆土深棋时，气压仁太高无扯法施工洞，覆土浅时，漏停气等于。泥水加洲压盾构染是将压怒力为微的泥临水，熊（式中H取2m）,压入盾哗构前部波密封舱管内，使暑其压力照始终高舅于地下苹水压力显，这窗样就保僻持了开奏挖面稳饿定的基宗本条件辰。3.2衬砌封拼装隧道衬顾砌是在盾构刚尾部奶壳保没护下的空纷间内妇进行尸拼装已。组成：铸铁回、钢雹、钢圾筋混趣凝土嘱或钢掉与钢眉筋混牵凝土泼的复编合材涨料等庆制成督的管倍片或携砌块耻。结构牲受力屈及使借用要浙求决金定盾构及宇衬砌结抽构形式并决桌定其有拼装经方法盐。拼装方搞法重臂拼溪装或拱情托架拼章装；通缝拼装碎（管难片的过纵缝惰环对极齐）称或错缝拼装讯；螺栓沿联结的管器片或无螺栓磨联结的砌块甘等。按其程秒序可分弊为“先纪纵后深环”和“先环卧后纵”。采用举牢重臂拼忘装管片播的原则摘应是自商下而上者，左右扣交叉，洪最后封滔顶成环杜。4装配式饼圆形衬辅砌构造“管她片”离是建役成隧忠道后恭的永久性吸支撑结构，走应满足强度党要求唤、使舞用要搅求；施工阶桌段须装叮配简便维、容易替鼓换、承受盾构千盆斤顶顶迎力及其狂它施工荷木载。箱形管瓶片平板形纵管片带肋薪管片旧的材问料长蔑期以仓来多缩慧为铸共铁（崖见图6-故6c）和写钢。环宽与鄙厚度国内况外常仰用的差环宽踪蝶是75锄0~杨10蚀00戏m；曲线段尤推进时绑设有楔状形管片续，按隧恒道曲率构半径计左算；管片来厚度旧一般盘为250驰~60题0mm。分块大断面含隧道可诵分成6~勇8~日10块，小关断面可葡分为4~6块。管片的恩最大弧简长一般己不超过4m，管片充愈薄其输长度应脉越短。拼装石型式一般有屯通缝、蚀错缝拼需装两种赶。纵缝精环环塔对齐保的称通缝，适用嚼于需要提拆除管辛片修建渗旁侧通饱道或结客构需要脆比较柔害的情况畅下，以棚便于进夹行结构晋处理。纵缝孝互相府错开中，对程称错缝，其唇优点破在于亦能加推强圆辟环接摆缝刚棕度，偶使圆教形结持构可近似摧地按均档质圆环秤等刚度第考虑，因缸此使交用较普吼遍的，缺袍点是错愚缝拼装筑容易使活管片顶内碎。环、最纵向搏螺栓环向螺栓惩根据侮接缝重内力殿情况缘瑞可设愚置成环单排衔或双霞排。双排轧：外槽排螺凤栓抵录抗负祖弯矩船，内由排螺愚栓抵于抗正蹦弯矩傻。纵向螺摩栓目的首是使隧择道衬砌来结构具揪有抵抗市隧道给纵向触变形乓的能萄力，一厚块管法片设3~伶4个螺郊栓。螺栓调材料紧一般宰采用披高强博度合都金钢习，直阁螺栓沈。本讲要蜡点掌握气拳压大小纽奉及耗气殃量的计岛算；了解圆巡寿形衬砌纷构造;5内力计元算与管帅片结构积设计5.1设计司原则隧道搭衬砌烛费用晌占40%刑~50死%，安全捎可靠、藏经济合谢理。本节蹲重点惕介绍椅装配睛式钢虎筋混框凝土罩管片亩。1.满足结卷构的强懂度和刚陷度：域土层压令力、水测压力以沾及特殊芹荷载，根按梁式纺模型计算缺埋在玩土中朋圆环腿的内力赔和位歪移，以从及管病片（组如钢丙筋混扑凝土帜管片雕）的裂缝宽邻度限制等编。覆土最惜深、顶工压与侧掠压相差最大长处：境按施朋工阶公段和萌使用纲阶段摩荷载最不婶利组颈合情况下计算，同时按使用旋阶段与嘴特殊荷交载阶段斥组合情秀况下的累管片强左度验算。覆土最浅处：断面仅进行使用阶瓦段和特殊荷卷载阶段组洒合情况伍下的管垒强度验庄算。不同点2.满足所堂提出的安全轮质量采指标要求：活裂缝开遵展宽度来，接缝挥变形和惊直径变精形的允确许量，听隧道抗悲渗防漏理指标，讲结构安墨全度，彻衬砌内竖表面平爽整度要珠求，满足册使用要求的灶工作环真境，保只持隧道截内部的测干燥和燥洁净。5.妈2内力计爱算法饱和皇含水腹地层厌中改，因夕内擦递角φ值很小止，主动策与被动绿土压力品几乎是诱相等，结构满变形育不能线产生梦很大娃抗力。假定：结构可港以自由丸变形，不受弟地层约暖束，认援为圆环其只是处霉在外部服荷载及吓与之平根衡的底钥部地层芝反力作腔用下工添作.刚度框折减采用错缝拼采装和通缝奇拼装，接缝盒处的刚牧度远远引小于断顽面部分口的刚度貌，与整体违式等瓣刚度偶圆形峰衬砌差异兆更大蔑。日本畏资料达，接基头刚突度折趴减速讽系数η，对铸笋铁管片η=催0.渣9~阔1.枣0；钢筋示混凝土括管片η=汽0.缓5~鞭0.竞7。总体解上，完在饱钉和含岭水地各层中箩按整体式戏自由变趣形匀质盟圆环的计疼算方画法误羞差可居以接寺受。特殊情劣况下：当土层哀较好，侍衬砌变替形后能熊提供相边应的地剃层抗力肠，则可按有巴弹性丝式抗力失的整唯体式马匀质祝圆环进行棍内力辜计算顽。常用的接有日本科的和苏谅联的假善定抗力参法等。多铰圆造环方法将接缝臭看作为翠一个“浪铰”，享整个圆刚环变成掌一个多妙铰圆环敌。基于厦：连接殖方法你由刚性连接瓶向柔性奴连接过刻渡。虽属赏不稳遮定结兽构，澡但因侵有外腐围土锹层提集供的附加璃约束和多润铰圆动环的党变形享而提臣供了厉相应惯的地层抗险力，促使柱多铰圆锦环仍处序于稳定橡状态。多铰光圆环亚计算男图式5.通3荷载踪蝶计算基本降荷载谈（基普本使盼用阶兵段）铁、临北时荷揉载（冻施工吨阶段贿）和群特殊逮荷载敏。1）基本师荷载：（1）土助层压嘴力：垂直土严压力、以水平土筋压力、（2）水压送力：（3）衬砌哥自重竖向延土压拱背缘瑞土压(1探04N/m气)地面殖超载q3=1(掀104N/妇m)（日本资城料）（当隧健道埋深丈较浅时肌）拱背密土压水平散荷重：即地臣层侧向态主动土歼压，由正均匀土佛压p1和三唇角形嘱土压p2组成:水压力:顶部档垂直映向下灶水压贿力底部垂念直向上撑压力侧向水蛮平水压肉力水压力吧的叠加衬砌自绿重(104N/耳m)匀布底盯部竖向止力平均后亩的拱被艰压力抵消皆后的盛平均颠水压画力平均盲后的糟竖向携土压灶力平均寸后的苏自重忘压力2）施工较阶段临祥时荷载(1)自重引虫起的临咏时荷载临时邻荷载污随盾筹构推饱进所板产生稀，一昌般来捐自千斤升顶顶忧力和壁后饺注浆马压力。圆形隧葡道衬砌在到谷达基免本使别用阶亮段前先，它抚保留最着装卵配中祝由其自重作壮用所产生倚的受力垄状态，昼它与基本骡阶段所产艺生的狮内力随之和潜，不能真超过哑容许虹值。由下向对上装配讲的衬砌宋环，拱顶截求面产生涛内力扒最大姜：½支承斜弧面帅所对尽应的用中心趣角1米宽必衬砌季自重衬砌内细径（2）管片拼装及盾并构推进引起著的临跟时集辨中荷焦载拼装成痛环时，管片制浑作精度不高久，端康面不励平，舅拧紧定螺栓夹时往安往使妹管片救局部已产生苗较大院的应伶力，导致管记片开裂。或因拼装管构片误差累计，斤当盾构伶千斤顶辟施加在倍环缝面尖上，特虏别是偏心作端用时，也织会使管井片顶裂摸、顶碎揪。铸铁管递片，较急薄的箭外壳扮厚度可加肋舌逐步私变到注突缘聚处，贺承受约106N的盾构甜千斤顶原顶力。改善的应方法是盆合理选以择管片到型式，提高钢由模制作豪精度和悄管片混远凝土强衫度。在拼装尸管片时扩提高拼旺装质量脚。采用错缝拼葬装也是爪较好寸的办奴法。管片绿压浆清因局部距凝集在一个纸区域内衫所造成铺的圆环喉变形和丸集中荷及载。荷载大小难份以确定，只枝能通言过采用附娃加安全驻系数，以佣保证叮衬砌雾结构块的安罚全度全。3）特殊集荷载阶泥段特殊贪荷载徐是一症种瞬湿时性粱的，词作用缎时间庆短的黑动力魂荷载筐，谋往往签是控搂制衬伍砌结宗构设羽计的揪关键善，秒在某找些地轮区还角要考旺虑地助震力额作用搭。结构动械力计算业一般可篮用等静乘载法，按腹弹性诉或弹顽塑性最工作歪阶段博进行馅，结艺构内援力计算方税法与只病承受载静载使的结踢构相同。并可适当络提高材石料强度既和降低难强度安佣全系数将。本讲剃要点理解宜盾构撤计算梯的原扣则；掌握盾袭构的荷莲载计算耍方法。5.4衬砌内柴力计算1）自由变减形的匀竟质圆环蜓计算弹性中知心法计架算由于肢结构撒及荷洁载对奇称，极拱顶土剪力幼等于纲零，宜属二次偿超静羞定结构逢。力法遵方程铺为：推导过朽程圆环摄中任召意截怨面上捆的内啄力可艘由下搬式得撞到：设计穷时可瓦直接少利用杏这些硬公式轧，也撑可详依见表6-失3，2）考虑土层谊产生巾侧向留弹性呈抗力酱的匀饶质圆驰环计光算当外厘荷作胶用在版隧道咐衬砌齐上，附一部画分衬于砌向逝地层溜方向墨变形讽，使机地层汪产生弹性抗医力。弹性抗牢力的分篇布规律努很难确者定，采箱用假定渗弹性甘抗力略分布腹规律填法，如日本的灯三角形疏分布，原苏骗联O·明E、布费加耶剪娃的村月牙钻形分略布（水工婶隧洞中绿常常采刚用），呀以及二谋次、三舟次抛物缩慧线分布凝等方法引。（1）日本槐按三角脊形分布粪弹性抗峰力的方维法按温克卸列尔迹局部碎变形理论，语假定土层侧盘向弹性彩抗力PK=K·y。实际寇变形厅量圆环抗饼弯刚度接头沙刚度党折减宰系数斜，取0.2雨5~0爹.8。K为地恼层侧挨向压得缩系五数（2）前辛苏联亏布加页耶娃清法PK=-斧Kyaco辽s2PK=Kyasin铜2+K略y