盾构法施工毕业设计论文

PAGEPAGE1671摘要目前，国内外地铁施工方法主要有明挖施工法、盖挖施工法和暗挖施工法。暗挖施工法包括钻爆法、盾构法、浅埋暗挖法等。其中盾构法是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。本设计以合川路站～虹梅路站区间为实例，采用盾构法进行施工。详细计算隧道荷载和管片内力，最终进行管片配筋和裂缝宽度验算。关键词：盾构法；管片；配筋；施工组织AbstractMethodsofsubwayconstructionathomeandabroadmainlyincludesopencutmethod,coveredexcavationandexcavationsofar.ExcavationincludesDrillingBlastingmethod,Shieldtunnelconstructionaswellasshallowminingmethod.Shieldtunnelmethodisamechanizedconstructivewaytoformatunnelbypushingthroughthegroundusingshieldmachine.Thismethodcanpreventthecollapseofthetunnelbyshiftingthepressuretothemachineitselfandofferingastrutbythepipes.Atthesametimethemachinewillcutoutthegroundbyitstoppingmechanism.Followedbyaunearthedmachinerycarryingtheearthoutofthetunnel.Theliftingjackoffersthepowerfromthebackofthemachine.What'smoretheconcretesegmentneedtobeputup.Thisdesignwasanexampleofconstructionbyshieldmethod.ItcoversHeChuanRoadsubwaystationandHongMeiRoadsubwaystation.Thecalculationoftunnelloadandtheinternalpressureofductpiecesaredetailedcalculated.Lastlythispaperdoublecalculatethewidthofreinforcementofsegmentandthefracture.Keywords:shield-tunnelmethod;ductpiece;reinforcement;constructionorganization目录TOC\o"1-2"\h\z\u186701绪论 1314911.1设计的目的与意义 1303251.2国内外研究现状与进展 245411.3主要涉及内容 438382工程概况 65442.1工程简介 680552.2工程地质情况 6309312.3区间沿线管线及障碍物情况 8281583隧道施工方案与管片选型设计 9324433.1隧道施工方案 9229673.2盾构选型 13182643.3管片选型 15205203.4管片设计 1762244隧道衬砌荷载计算 20207324.1土层情况 2022384.2荷载计算及组合 21155115管片配筋及验算 31200625.1衬砌配筋设计 3153835.2简要验算 353196区间附属结构设计 4080496.1洞门防水设计 40291806.2盾构进出洞设计 41127706.3疏散平台的设计 47201737.区间隧道防水设计 5263157.1防水设计原则 52301777.2防水设计标准 5360757.3防水技术要求 5320297.4盾构区间防水体系 53285528施工组织设计 5791728.1隧洞施工准备 57190828.2施工现场总平面布置 62155608.3界定关键过程 64244128.4主要施工工序 67180198.5盾构推进主要施工技术措施 76135569施工监测 7937119.1设计原则 7985989.2测点布设原则 7968729.3施工监测技术 808815专题设计 8520672参考文献 10922781附录1英语原文 1108041附录2英文翻译 1429384致谢 1671绪论1.1设计的目的与意义随着中国城市化进程的加快，城市人口的增加给城市交通带来的压力日渐明显。传统的地上交通显然无法满足城市发展的需求，相对应的地下交通则成为缓解城市交通压力的新渠道。地铁与公交车、电车相比的优势显而易见：地铁单向运量每小时4万—6万人次，公交车、电车单向运量每小时1万人次。从运输方式看，地铁运输更具多方面的优点：舒适、准时、快捷、占地少，环保、节能、安全，而且不占用地面，街道等。毫无疑问，地铁交通是绿色工程，而且符合中国的可持续发展战略。但是地铁的发展主要依赖地下工程隧道开挖等相关技术的进步，了解相关的主要技术进步与革新就显得尤为重要。本次设计地段位于上海市合川路至虹梅路之间，处于繁华地段，沿线居民区和道路较多，汽车和公共交通工具为主要交通运输方式，在上下班高峰期车流量较大，经常造成交通堵塞，行车速度慢。公共交通系统难以满足城市大量的客流量的需求，为缓解交通压力可以采用耗能低、污染少的地铁，不但客运量大，还有速度快、安全正点、方便的特点。采用隧道的方式不占用地面上建、构筑物的面积，又能在施工期间不影响城市的正常交通。城市快速轨道交通的发展，对城市功能的合理布局如城市规划、交通、经济乃至社会环境等，能够起到重要的作用。而且地铁线路带动城市发展，合理优化城市资源，调整城市发展方向和布局，加速城市化进程。考虑到施工工地周围环境条件，并通过方案的比选，本次开挖支护采用盾构法施工。合川路站～虹梅路站隧道沿宜山路，周边多为居民区，道路交通繁忙，车辆和人流众多，而盾构法施工不影响地面交通与设施，且噪音和扰动较小，对居民的影响小。该区间内分布有上水、煤气、电力、电话、污水等多种管线，其埋设深度在地面以下0～4.0m范围内，而盾构施工不影响地下管线等设施。本次施工工期紧，需要在短时间内完成施工，盾构法施工速度快，开挖和衬砌安全，盾构的推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现自动化作业，施工劳动强度低。区间隧道掘进范围内的地基土层具有以下性质：含水量高，孔隙比大，呈流塑状态；强度低，压缩性高且稳定时间长；渗透性弱，排水固结时间长。所以选用土压平衡式盾构,使施工更加安全，实现全自动化操作，施工易于管理，施工人员也较少，劳动强度低，生产效率高。施工不受风雨等气候条件的影响。1.2国内外研究现状与进展1.盾构的研究情况与发展盾构法施工隧道是在地表以下土层中暗挖隧道的一种现代技术。用此法修建地下隧道已有170余年历史。1818年，英国人布鲁诺尔从一种食船虫在船身上打洞一事受到启发，研究出了盾构施工技术，并获得专利。19世纪末到20世纪中叶，盾构机技术取得较快的发展，主要以气压式、手掘式、半机械式、机械式盾构为主。20世纪60年代中期至80年代末，在软粘土中使用了挤压式盾构机，开发了闭胸式盾构机并得到广泛应用，形成了现代盾构技术的主流。20世纪90年代以来，闭胸式的泥水式盾构机和土压平衡式盾构机成为世界范围内的主流产品。20世纪初，盾构法施工已在美、法、英、俄等国开始推广，已用在水底公路隧道、地下铁道、上下水道、电力、通讯煤气等市政公用地下设施管道的施工中。1917年人日本开始在铁羽越线的折返段隧道施工中引进盾构法，1938年正式在国铁关门隧道应用盾构法施工，为日本盾构技术的发展奠定了基础。1967年由英国提出的泥水加压系统在日本得到实施，日本研制成功第一台有切削刀盘、水力出土的泥水加压式盾构。1974年日本独创性的研制成功土压平衡盾构，同时德国Wayss&Freytag也研制成功颇具特点的膨润土悬浮液支撑开挖面的泥水平衡盾构。之后，盾构技术得到了迅猛发展，已成功应用于各种公路隧道、地铁隧道、引水隧道以及市政公用设施隧道等。几十年来，通过对土压平衡式、泥水式盾构机中的关键技术，如盾构机有效封闭、监测开挖面的稳定及控制盾构前进的方向、地表塌陷在安全范围内、刀具的使用寿命以及在封闭条件下更换刀具等方面的探索，通过对盾构施工新技术，如特殊断面盾构施工、复合盾构施工技术、球形盾构施工技术等研究，地铁盾构法施工技术有了长足发展。我国从五十年代开始使用、研制盾构，1966年上海采用网格式挤压盾构修建了直径达10m的打浦路过江隧道，至今，盾构法施工技术已广泛应用于我国城市的地铁建设。21世纪是我国隧道及地下工程大发展的世纪,据有关专家预测,到2020年,我国将要完成近6000km的地下隧道建设,平均每年约300km。到2011年,国内各种地下工程建设约需岩石掘进机、盾构机约180台(不包括微型机),年均需求量约为30台。截至目前,使用的盾构总数约有200多台次。城市地铁快速发展,对盾构需求最多。我国城市地铁正处在高速发展期,地铁和轨道交通规划总长度已超过3000km。目前已建成和在建的数量仅占规划数量的10%左右,未来城市地铁建设仍将快速发展。越江隧道建设方兴未艾,对大直径和超大直径盾构的需求将有快速增长。至今有10个城市已建或在建20多座盾构法越江隧道。计划中的越江盾构隧道更多。城市各种地下管线隧道有待发展,对盾构的潜在需求大。有关专家预测,我国城市的给水、排水、电缆、电讯、热力、输气等隧道工程的长度将超过1000km,其对小型盾构、微型盾构或掘进机的需求量也相当大。2.盾构衬砌土压力的研究现状作用于陈其上的土压力实际上是周围土层与衬砌共同作用面上的接触应力，其大小与分布形式不仅与地层的物理力学性质、衬砌的刚度有关，而且与施工方法、隧道的埋深、直径、形状等几何参数有关。目前隧道衬砌管片有钢制管片、混凝土管片、球墨铸铁管片和合成管片，其中以混凝土管片使用较多，管片之间可采用柔性连接或刚性连接，一般采用钢螺栓进行连接，对于特殊地质条件（液化地层和软硬地层的分界面等）和衬砌结构刚度突变位置，可采用特殊的柔性接头以适应变形需要。由于作用于衬砌上的土压力受诸多因素的影响，对其进行研究非常困难，迄今为止，有关这方面的论文及研究报道均不多见。从已有的文献来看，按其所采用的原理不同，可将衬砌上土压力的计算方法分为三种，即简化计算法、考虑衬砌与地层相互作用的分析方法、现场量测及模型试验方法等。3.管片接头刚度的研究由于盾构隧道一般是在盾构拼装由预制管片而成的，必然存在管片接头。这样使得管片环的整体弯曲刚度相对于现浇的混凝土管片环而言，有所降低。由于管片环整体弯曲刚度的降低，其变形必然有所增加，从而可导致被动地基抗力的增加，有利于减少管片截面的偏心应力，即弯矩。如何评价接头刚度对管片和变形的影响，是管片设计中的一个重要内容。接头刚度的确定一般分为两种，一是经验参考或模型研究，另一种为接头刚度数值模型。目前大多数重大地下工程都采用第一种方法确定，但是由于我国地铁工程起步较晚，隧道设计经验缺乏，同时由于足尺寸的管片接头或整体试验成本较高，目前这方面的成果很少见诸报道。为此很多学者非常重视接头刚度的整体研究，从而可以得到考虑主要影响因素的接头刚度计算理论，而且可以考虑接头刚度随外荷载的非线性关系，从而使得管片设计精度得以提高。4.国内管片的发展趋势国内的管片有以下几个趋势（1）通用管片：目前，国内通用管片的使用量不大，但国外已大量采用通用管片射中管片给设计，生产，施工都能带来方便较好的经济效益。通用管片不但能满足平面曲线的要求而且可以通过调整封顶块的位置，满足竖曲线的要求，不需采用以前使用的楔形片，大大提高防水效果。（2）管片宽度增大，接头减小：盾构隧道衬砌管片的宽度有增加的趋势。通过增加衬砌管片的宽度在隧道方向上管片的接头数目减少，管片的生产费用降低，隧道防水情况得到改善，施工速度提高，工程造价也得以降低。需注意的是管片宽度的增加是有前提的，在采用高强度连接接头，管片边缘部位钢筋加密等相关措施，而且要经过试验验证后才可进行。1.3主要涉及内容上海轨道交通9号线一期工程合川路站～虹梅路站区间起于合川路，单线全长1109.64m，沿线多为居民区和地上交通。对此单位施工，有如下内容：1.进行方案的比选施工方法对结构型式的确定和地铁土建工程造价有决定性影响。施工方法的选定，受沿线工程地质条件、水文地质条件和环境条件（地面建筑物和地下构筑物的现状、道路宽度、交通状况）等多种因素的制约，同时也会对工程的难易程度、工期、造价，运营效果等产生直接的影响。常见的施工方法有明挖法、矿山法和盾构法。本次设计中选用盾构法施工2.区间隧道衬砌设计首先进行盾构隧道断面的拟定，并根据隧道断面的大小进行管片衬砌形式的比选，然后确定管片拼装方式、厚度、分块及环宽。3.隧道衬砌结构计算(1)对围岩压力进行计算，再根据其围岩压力对管片的内力进行计算。(2)根据计算结果及分析，计算管片的配筋，并验算环向连接螺栓的可靠性。4.结构防水设计盾构隧道的渗漏一般出现在管片自身小裂缝、管片的接缝、注浆孔和手孔等处，其中以管片自身小裂缝和接缝处渗漏较多，因此盾构隧道的防水工作以一次衬砌部分的防水以及环片接缝的防水为重点。盾构隧道衬砌防水体系包括管片结构自防水、接头防水及隧道与工作井和联络通道连接处的防水。5.施工组织设计确定施工方案以及相应的技术措施、确定施工进度计划、进行施工现场平面布置。根据施工组织设计编制依据，充分发挥各职能部门的作用，按照施工方案的要求进行隧道施工，保证工程质量和施工安全。6.隧道监测方案设计包括隧道洞内外观察、隧道相对净空变化值的监测、隧道拱顶监测和地表沉降监测等。实行信息化施工，获得监测数据，反馈信息，指导施工。2工程概况2.1工程简介上海轨道交通9号线一期工程途经松江、闵行和徐汇三个区，工程自松江新城至宜山路站，全程约31公里。沿途共设车站12座。本工程为合川路站～虹梅路站，单线全长1109.64m。周边多为居民区，道路交通繁忙，车辆和人流众多。施工路段平面图见下图。图2.1施工路段平面图2.2工程地质情况2.2.1土层特征隧道工程影响范围内的土层，自上而下分述如下表：表2.1土层特性表土层层号土层名称土层描述①1均有分布，以杂填土为主，含少量碎石等，局部为素填土，含植物根茎等。①2呈黑色淤泥状，内含石子、垃圾等，有臭味。②可塑，均匀，含少量铁锰质结核，及氧化铁锈斑，由上而下土质变软，中压缩性。土层层号土层名称土层描述③均有分布，流塑，尚均匀，夹有少量粉性土薄层，局部呈淤泥质粉质粘土，高压缩性。④均有分布，流塑，均匀，夹少量极薄层粉砂，见零星贝壳碎屑，局部孔层呈淤泥质粉质粘土，高压缩性。⑤1-1均有分布，流塑，尚均匀，夹薄层粉土、粉砂，局部为粘土，高压缩性。⑤1-2软塑，欠均匀，夹薄层粉土，粉砂，局部较多，中压缩性。⑤2均有分布，很湿，稍密～中密，尚均匀，夹少量粘性土，局部呈粉砂，中压缩性。⑤3软塑，尚均匀，夹有薄层状粉土、粉砂，局部含泥钙质结核、腐植质及少量有机质、腐植质，中压缩性。⑥粉质粘土可塑，尚均匀，含氧化铁斑点，层上部一般呈粘土，下部夹有粉性土，中压缩性。⑦砂质粉土部分孔揭示，很湿～湿，中密，含云母，夹有粉砂及少量粘土片，个别孔呈青灰色，中压缩性。2.2.2地质情况区间隧道掘进范围内的地基土层具有以下性质：含水量高，孔隙比大，呈流塑状态；强度低，压缩性高且稳定时间长；渗透性弱，排水固结时间长。隧道掘进时将适当控制掘进速率，避免对土体产生过大的扰动，以减少施工后的沉降和不均匀沉降。拟建区间段发现有暗浜存在、未发现天然气等不良地质现象。本场区地下水对砼无腐蚀性，对钢结构有弱腐蚀性。2.2.3区间隧道主要土层物理力学指标区间隧道主要土层物理力学指标见下表。表2.2土层物理力学指标表①1①2②18.434.40.9723.614.5③17.344.71.2514.811.0④17.048.51.3513.911.0⑤1-117.640.91.1517.114.5⑤1-218.034.71.0018.017.0⑤218.231.80.916.327.0⑤317.935.21.0217.418.5⑥粉质粘土19.225.80.7633.819.0⑦砂质粉土18.530.50.865.527.52.3区间沿线管线及障碍物情况根据铁道第三勘察设计院上海分院物探技术研究所提供的物探成果报告，可知该区间内分布有上水、煤气、电力、电话、污水（雨水）等多种管线，其埋设深度在地面以下0～4.0mm范围内。沿宜山路方向，在道路北侧有两路上水管道，管径为300mm、500mm，管顶埋深约1.2m；有一路18孔电话电缆，埋深为1.0m；道路中央有一雨水管道，管径为1400mm、1800mm，埋深约3.5m；有一管径500mm污水管道，埋深2.0m；道路南侧有两路煤气管道，管径为200mm、300mm，埋深约1.2m；沿宜山路方向，在道路北侧有两路上水管道，管径为300mm、500mm，管顶埋深约1.1m；有一路18孔电话电缆，埋深为1.2m；道路中央有一雨水管道，管径为1200mm、1400mm，埋深约2.5m；有一管径600mm污水管道，埋深3.0m；道路南侧有两路煤气管道，管径为200mm、300mm，埋深约1.1mm；有一路电力电缆，埋深约0.8m。合川路站～虹梅路站隧道沿宜山路，周边多为居民区，道路交通繁忙，车辆和人流众多。3隧道施工方案与管片选型设计 3.1隧道施工方案在现有的施工条件下，根据地下工程的施工方法，本工程可选择的施工方案有：明挖法、暗挖法、矿山法、顶管法、盾构法。以下对四种施工方法进行优劣比较，并确定定施工方案。 3.1.1明挖法地下工程施工时，在埋深较浅的情况下，广泛采用明挖法。明挖法是先从地表向地下开挖基坑后堑壕，直至设计标高，再在开挖好的预定位置灌注地下结构，最后在修建好的地下结构周围极其上部分回填，并恢复原来地面的一种地下工程施工方法。主要有：1.放坡开挖放坡开挖是指隧道埋深较浅，周围土体稳定时，施工对周围环境影响较小，依靠适当坡率的边坡来保持土体稳定的基坑开挖方法。这种方法虽然开挖量大，但施工机械化程度高，施工速度快，质量也容易得到保证。受地下水影响的工程也可采用井点降水的方法，以便提高边坡的稳定性及改善基坑内施工环境。2.盖挖法盖挖法是由地面向下开挖至一定深度后，将顶部封闭，其余的下部工程在封闭的顶盖下进行施工，主体结构可以顺做，也可以逆做。顺做法即在支护基坑的刚桩上架设钢梁铺设临时路面铺设临时路面维持地面交通，开挖到基坑底后，先浇筑底板，然后浇筑侧墙，最后浇筑顶板。逆作法即用刚度较大的维护结构取代了钢桩，用结构顶板用作路面系统和支撑，结构施做顺序是上而下，挖土后现浇箱顶板，后浇筑侧墙，最后浇筑底板。与放坡开挖相比，盖挖法施工的主要优点有：结构水平位移小；结构板作为基坑开挖的支撑，节省了临时支撑；虽短占道时间，减小地面干扰；受外界气候影响小。其缺点包括：出土不方便；板墙柱施工接头须进行防水处理；功效低，速度慢；结构框架形成之前，中间立柱能够支撑的上部荷载有限。此法虽然开挖量大，但施工机械化程度高，施工速度快，质量也容易得到保证，受地下水影响的工程也可采用井点降水的方法，放坡开挖是明挖法的首选方案。3.1.2矿山法矿山法是城市深部地下工程常用的暗挖施工方法，具有不影响地面正常交通与生产，地表下沉量小，适用于软、硬岩层中各类地下工程，特别是对于中层岩中。然而矿山法隧道施工的工作环境恶劣，超挖、欠挖量大，无用功多，对围岩的破坏性大，而且进度缓慢。主要功法有：1.全断面开挖发法全断面开挖发是整个设计断面上一次向前挖掘推进的施工方法。该方法的优点是：可最大限度的利用洞内作业空间，工作面宽敞，能使用大型高效设备，加快施工进度；断面一次挖成，施工组织与管理比较简单；通风、运输、管理等辅助工作及各种辅助管线工作均较便利。2.台阶法台阶法是将隧道断面分成若干分层，各分层呈台阶状同时推进施工。这种方法最需笨重的钻孔设备，它是全断面开挖法的变化方法。这种方法对地质适应性较强。台阶法根据台阶长度不同，可分为长台阶法、段台阶法和超段台阶法三种。在施工中选用何种台阶，应根据下面两个条件判断：其一，初期支护形成闭合断面的时间要求，围岩稳定性越差，要求闭合时间越短；其二是上部断面施工所采用的开挖、支护、出渣等机械设备所需空间大小的要求。按台阶布置方法的不同，台阶法可分为正台阶法和反台阶法两种方法。相对于台阶法，全断面开挖适用于设计断面较小，周围地质情况稳定的隧道。3.管棚法管棚超前支护法是近年发展起来的一种在软弱围岩中进行隧道掘进的新技术。管棚法最初是作为隧道施工的一种辅助方法，在软岩隧道施工中穿越破碎带、松散带、软弱地层涌水、涌砂层起到了重要作用。由于预埋超前管棚做顶板及侧壁支撑，为后续的隧道开挖奠定了坚实的基础，且施工快、安全性高、工期短，被认为是隧道施工中解决冒顶的最有效最合理的施工方法。随后管棚法被用作城市地下铁道的暗挖施工，在建筑物密集、交通繁忙的城市中心地区。采用明挖法隧道地下工程必须拆迁大量的地层管网和地面建筑物，随着人们对环境保护的呼声越来高及政府对环境保护的日益重视，施工方不得不放弃既影响交通又不利于环境保护的明挖法而改用暗挖施工法，管棚法作为一种重要的暗挖施工法在日本、美国及欧洲广泛采用。管棚支护技术大大增加了小型隧道开挖的应用范围。使用这种方法，隧道开挖将在预先顶进的钢管的保护下进行。管棚法是开挖大直径、短距离隧道的最为安全有效的方法。通常，管棚法运用于铁路下的隧道施工和新型地铁车站的建设中。在此类工程中的微型隧道作业将大规模进行。多数情况下，使用这种方法是采用钢管进行操作，即把钢管顶进地层中，围绕隧道建设区域形成一个“安全保护棚”。机器掘进一段不长的距离后，可以通过一个设计巧妙的闸门装置向后缩回到始发隧道中，这样，它就可以在相同的开挖面上展开另一段隧道的开挖作业。3.1.3顶管法顶管法是直接在松散土层或富水松软地层中敷设中、小型管道的一种施工方法。顶管法一般用于修建排水管、敷设煤气罐、输油管、动力电缆和通讯电缆的管道、地下交通隧道及桥梁的墩台等，这些管道的内径一般都在2～3m。内径太大和太小的管道顶进都较困难，口径超过3m的较长距离顶管综合经济效益不如盾构法施工。3.1.4盾构法盾构法盾构法是在地表以下土层或松软岩层中暗挖隧道的一种施工方法。盾构推进主要依靠盾构内部设置的千斤顶，如此不断开挖，不断拼装，并不断推进，借助盾构这种施工机械可用较快的速度完成隧道施工基本作业循环，直至隧道建成。盾构法隧道建设对地面干扰小，施工速度快、安全、机械化和自动化程度高等优点是显而易见的。盾构法的类型很多，按开挖方式不同可分为：手工挖掘式、半机械挖掘式和全机械挖掘式三种；按断面形状不同可分为：圆形、拱形、矩形和马蹄形四种；按排除地下水与稳定开挖面的方式可分为：泥水加压、土压平衡等。3.1.5方案确定

明挖法施工技术要求较低，费用低，但是工期较长，劳动强度高，对环境影响大，地面场地要求高，而本工程途经交通繁忙区及居民区，场地要求不允许适合明挖法。矿山法施工与明挖法施工相比，对地面环境影响小，地面场地要求低，施工费用较高，然而矿山法适用于硬、软岩层中各类地下工程，特别是对于中硬岩中。本工程工期要求工期较短，且地下水丰富，土层较软，因此不选用矿山法施工。本工程设计隧道内径较大，管道顶进困难，考虑到场地以及经济效益的影响不选用顶管法施工。盾构法和其他的施工方法比较，具有地面作业少、适应性广、对周围环境影响小、自动化程度高、施工快速优质高效、安全环保等特点。首先，盾构是一种集机、电、液压、传感、信息技术于一体的隧道施工成套专用特种设备，盾构法施工的掘进、出土运输、衬砌拼装、接缝防水和盾尾注浆充填等作业都是在盾构保护下进行，实现了工厂化施工，掘进速度较快。从而缩短了工期，降低了劳动强度和材料消耗，较大的提高了经济效益和社会效益。在土质差、水位高、埋深大的隧道施工中、有较高的技术优越性。其次，盾构法施工场地作业少，隐蔽性好，因噪声、震动引起的环境问题小；穿越地下地面建筑群和地下管线密集区时，周围可不受施工影响；施工时不影响地面交通；不受气候条件影响。再次，盾构法施工改善了作业人员的劳动条件，减轻了体力劳动量，施工在盾壳的保护下进行，可避免人员伤亡，减少安全事故。最后，自动化、信息化高。盾构采用了计算机控制、传感器、激光导向、测量、超前地质探测、通信技术，是集机、光、电、气、液、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，具有自动化程度高的优点。而且具有施工数据采集功能，盾构姿态管理功能，施工数据管理功能，施工数据实时远传功能，实现了信息化施工。本区间工程地质条件较为复杂，隧道埋深满足盾构施工条件，覆土层埋深大，地下水丰富，工程的工期要求较紧，而且对于地面沉降要求较高，综合以上各种施工工法的优缺点可知，盾构法施工具有进度快，对工程地质的适应能力强，施工过程安全高等优点，采用盾构法施工可以很好的发挥它的优点，充分满足工程的要求，考虑到上海地铁隧道施工的一般方法，最终确定本隧道区间采用盾构法进行施工。3.2盾构选型盾构的分类方式很多，可按盾构正面对土体开挖与支护方式分，有手掘式盾构、挤压式盾构、半机械式盾构、机械式盾构四大类。但手掘式盾构劳动强度大，危险系数高，效率低，现在大直径盾构中基本不考虑；挤压式盾构对底层扰动较大，地面易产生较大隆起变形，在地面建筑物处不能使用，只能在空旷地区或跨江跨海隧道施工；半机械式盾构即在手掘式盾构的基础上正面装上挖掘机械施工，机械化程度低。因此，目前地铁隧道施工普遍使用的为机械式施工，典型的机械式施工主要有泥水平衡盾构和土压平衡盾构两种方法。下面就介绍两种方法的原理与优缺点比较。3.2.1泥水平衡盾构泥水工盾构在机械式盾构刀盘的后方设置一道封闭隔板，隔板与刀盘间的空间定名为泥水舱。把水、粘土及添加剂混合制成的泥水，经输送管道压入泥水舱，待泥水充满整个泥水舱，如盾构机的推进系统工作进发，则推进力经舱内泥水传递到掘削面的土体上，即泥水对掘削面上的土体作用有一定的压力，该压力称为泥水压力。刀盘掘削下来的土砂进入泥水舱，经搅拌装置后掘削土砂的高浓度泥水，经泥浆泵泵送到地表的泥水分离系统，待土、水分离后，再把滤除掘削土砂的泥水重新压送回泥水舱。如此不断完成掘削、排土、推进。泥水平衡盾构机主要是用于地下水压力大，土体渗流系数大的地质状况。泥水平衡盾构机是通过大功率泥浆泵将开挖的渣土以泥浆的形式泵送到隧道外，因此具有作业效率高，工作环境清洁的特点，但是由于难以确保泥浆处理用地，近年来选用逐渐减少。3.2.2土压平衡盾构土压平衡盾构属封闭式盾构，推进时，其前端刀盘旋转掘削地层土体，切削下来的土体进入土舱。当土体充满土舱时，其被动土压与掘削面上的土，水压基本相同，故掘削面实现平衡。土压平衡盾构靠螺旋输送机将渣土排入至土箱，运至地表。由装在螺旋输送机排土口处的滑动闸门或旋转漏斗控制出土量，确保掘进面稳定。土压平衡式盾构机，是在机械式盾构机的前部设置隔墙，使土室内和排土用的螺旋输入机内充满开挖土渣，依靠盾构机千斤顶的推力给土室内的开挖土砂加压，使土压作用于作用于开挖面使其稳定。3.2.3泥水平衡盾构和土压平衡盾构在开挖方面的比较表3.1泥水平衡、土压平衡盾构的对比泥水加压式盾构土压平衡式盾构适用土层软粘性土层、砂砾层、漂砾层固结淤泥层及含甲烷气体的特殊地层等等。最适合于洪积层砂性土中掘进。冲击粘土、粉土、粘土、砂质粉土、砂质粘土、夹砂粉质粘土优点①泥水盾构对地层的扰动小，沉降小；②由于开挖泥浆的作用，刀具和切削刀盘的使用寿命相应的增长；③适用于高地下水压，江底、河底、海底隧道施工；④排查过程始终在封闭状态下进行，故施工现场与沿途道路十分干净而不受土渣污染。①内部设置布置简单，开挖面稳定机制可靠，施工安全可靠，速度较快‘②能适应较大的土质范围和地质条件；③因排除的是泥土，故排土效率比泥水盾构工法高；④因土压盾构工法无需像泥水盾构那样的泥水处理系统，故设备少、现场占地面积小，成本低。缺点①通过泥水运出掘削土砂，故出土效率不高；②由于切削刀盘和泥水室泥浆的阻隔，不能直接观察到开挖面的工作情况，对开挖面的处理和故障的排查都十分困难；③由于设置泥水管理、处理系统，致使工序、设备复杂，成本高；④地表施工占地面积大并影响交通、市容。①因添加材料的相对密度大，故对掘削地层的渗透作用小，所以掘削摩阻力大，即掘削扭矩大。致使盾构机的装备扭矩大、功耗大；②切削刀头、刀盘盘面磨损较大，刀头寿命比泥水加压盾构短，要求刀头的耐磨性高；③土压盾构法工法对周围地层的扰动大，故地层隆起、沉降均较泥水盾构略大。泥土输送方式泥水管道输送，可连续输送，输送速度快而均匀；管道输送，施工进度较快；占用隧道空间小，更便于隧道内的结构和隧道同时施工。螺旋机出土，一般用土箱运输，输送间断不连续，施工速度较慢；占用隧道内空间大，不便于隧道内的结构和路面的同步施工。费用情况施工所需费用较高较泥水盾构费用较小3.2.4盾构方法具体选型本工程位于上海市内，四周交通复杂，空余场地少，较难提供泥水盾构机所需的地面泥水处理系统。由于上海地质情况主要是黏土为主，结合上海地区地铁工程实际施工中的经验，按照适用性、可靠性、经济性以及施工进度相统一的原则，最终选择土压盾构进行本工程左右线隧道的施工。3.3管片选型3.3.1建筑限界及内径的确定建筑限界是决定隧道内轮廓尺寸的依据，是在车辆限界以外一个形状类似的轮廓。任何固定的结构、设备、管线等都不得侵入这个限界以内。建筑限界由车辆限界外增加适量安全间隙来求得，其值一般为150~200mm。本区间段隧道内径的确定是由《地铁限界标准》在圆形建筑界限5200mm的基础上考虑施工误差、测量误差、设计拟合误差、不均匀沉降、设备安装等诸多因素确定的，根据技术要求，在圆形建筑限界5200mm的基础上再留有150mm的富余量，就能满足要求，故选用的隧道内径为5500mm。3.3.2单双层衬砌的比较隧道衬砌是直接支承地层，保持规定的隧道净空，防止渗漏，同时又能承受施工荷载的结构。通常它是由管片拼装的一次衬砌和必要时在其内面灌注混凝土的二次衬砌所组成。一次衬砌为承重结构的主体，二次衬砌主要是为了一次衬砌的补强和防止漏水与侵蚀而修筑的。近年来，由于防水或截水材料质量的提高，可以考虑省略二次衬砌，采用单层的一次衬砌，既承重又防水。对于有压的输水隧道，为了承受较大的内水压力，需做二次衬砌。综上所述，应根据隧道的功能、外围土层的特点、隧道受力等条件，分别选用单层装配式衬砌，或在单层装配式衬砌内在浇筑整体式混凝土。钢筋混凝土内衬的双层衬砌等。双层衬砌施工周期长，造价贵，且它的止水效果在很大程度上还是取决于外层衬砌的施工质量、渗漏情况，所以只有当隧道功能有特殊要求时，才选用双层衬砌。通常在满足工程使用要求的前提下，应优先选用单层装配式钢筋混凝土衬砌。单层预制装配式钢筋混凝土衬砌的施工工艺简单，工程施工周期短，节省投资。近年来，由于钢筋混凝土制作精度的提高和新型防水材料的应用，管片的衬砌渗漏水显著减少，故已经可以省略二次衬砌。例如，我国于1989年建成的上海延安东路水底公路隧道，即已采用单层刚筋混凝土衬砌，防水效果特别好，已达到国际先进水平。本次设计隧道工期要求较紧，且由上述内容可知，本次设计采用一次衬砌支护。3.3.3衬砌管片类型选择

盾构隧道衬砌用管片按材料可分为钢筋混凝土管片和铸铁管片、钢管片，复合管片。钢筋混凝土管片有一定的强度，加工制作比较容易，耐腐蚀，造价低，是最为常用的管片形式，但是较为笨重，在运输、安装施工过程中易损坏。钢筋混凝土管片又可分为箱型管片和平板型管片。箱型管片一般用于较大直径的隧道，管片本身强度不如平板型管片，特别是在盾构鼎力作用下易开裂。平板型管片用于较小直径的隧道，单块管片质量较重，对盾构千斤顶顶力具有较大的抵抗能力，正常运营时对隧道通风阻力较小。铸铁管片强度高，易铸成薄壁结构，管片质量轻，搬运安装方便，管片精度高，外形准确，防水性能好。但是管片金属消耗量大，机械加工量也大，价格昂贵。由于铸铁管片具有脆性破坏的特性，不宜用作承受冲击荷载的隧道衬砌结构。钢管片的优点是重量轻，强度高。缺点是刚度小，耐修饰性差，需要进行机械加工已满足防水要求。成本昂贵，金属消耗大，国外在使用钢管片的同时，再在其内浇注混凝土或钢筋混凝土内衬。

复合管片外壳采用钢板制成，在壳内设钢筋，浇注混凝土，组成一个复合结构，这样其重量比钢筋混凝土管片轻，刚度比钢管片大，金属消耗量比钢管片小，缺点是钢板耐腐蚀性差，加工复杂冗繁。

铸铁管片成本昂贵，金属消耗量大，所以不予以采用。而本次隧道土层对钢结构有弱腐蚀性，对钢筋混凝土无腐蚀性，故可以排除钢管片以及复合管片。由于隧道直径较小，埋深浅并考虑到经济性以及国内目前的使用情况，本区间采用钢筋混凝土平板型管片。3.4管片设计3.4.1管片拼装方式的确定圆环的拼装形式有通缝、错缝两种，所有衬砌环的纵缝环环对齐的称为通缝，而环间纵缝相互错开，犹如砖砌体一样的称为错缝。（a）通缝拼装（b）错缝拼装图3.1管片的拼装方式圆环衬砌采用错缝拼装较普遍，其优点在于能加强圆环接缝刚度，约束接缝变形，圆环近似的可以按均质刚度考虑。当管片制作精度不够好时，采用错缝拼装形式容易使管片在盾构推进过程中顶碎。另外在错缝拼装的条件下，环、纵缝交错成丁字形，而通缝拼装时则为十字形式，在接缝防水上丁字缝比十字缝较容易处理。在某些场合中例如需要拆除管片后修建旁侧通道或某些特殊需要时，则管片通常采用通缝形式，以便于进行结构处理。根据以上内容，以及隧道中的地下水情况，宜采用错缝形式。3.4.2管片厚度的确定大量工程实例表明，管片的厚度应根据隧道直径D的大小、埋深、承受荷载情况，以及衬砌结构构造、材质、衬砌所承受施工荷载（主要是千斤顶顶力）大小等因素来确定。管片厚度一般为（0.05~0.06）D，直径为6.0m以下的隧道，钢筋混凝土管片厚度约取250mm~350mm；直径为6.0mm以上的隧道，约取350~600mm。本隧道内径为5500mm，则可取钢筋混凝土管片厚度为350mm。3.4.3管片幅宽的确定管片的幅宽应根据隧道的断面，结合实际施工经验，选择在经济性、施工性方面较合理的尺寸。从便于搬运、组装以及出于对隧道曲线段上施工时盾尾长度的考虑，管片幅宽是小一些为好。但是从降低管片制造成本，减少易出现漏水等缺陷的接头部数量、提高施工速率等方面考虑，则幅宽大一些为好。根据目前的经验，视隧道断面大小而异，幅宽一般在300~1500mm的范围之内。采用钢管片时，多为750~1200mm；采用混凝土管片时，多为900~1200mm。本次设计隧道地下水丰富，且工期紧，故幅宽采用1200mm。3.4.4管片分块的确定盾构隧道的衬砌由多块预制管片在盾尾内拼装而成，管片环的分块主要由管片制作、运输、安装等方面的实践经验确定，但应满足受力要求。单线地下铁道衬砌一般可分成6~8块，双线地下铁道衬砌可分为8~10块。小断面隧道可分为4~6块。目前在中等直径隧道中已被6~8块代替，6~8块较四块不但减小了单块尺寸和重量，而且由于可采用小封顶块，使拼装方式从径向插入改为纵向插入，改善了结构受力。地铁隧道管片常用分块数为六块（3A+2B+K）和七块（4A+2B+K）两种（A为标准块，B为邻接块，K为封顶块）分六块和分七块在制作、运输、施工方面没有太大的差别。在次设计中，地下水较为丰富，而且工期较紧，所以选用六块衬砌管片。3.4.5楔形环楔形量的确定盾构在曲线段推进时还必须设有楔形环，楔形环的锥度可按隧道曲率半径计算。表3.2表示了隧道外径与管片环宽锥度的经验数字。表3.2隧道外径与管片环宽锥度的经验值隧道外径（m）D外＜33＜D外＜6D外＞6锥度（mm）15~3020~4030~50(a)普通环（b）单侧楔形环（c）两侧楔形环图3.2楔形管片环本次设计中隧道外径为6200mm，采用单侧楔形环，锥度可取为40mm。4隧道衬砌荷载计算4.1土层情况由表2.1可得，各土层的容重基本相同，故最危险断面为埋深最大处截面。根据工程地质剖面图，可得工况的土层地质的分布情况，见下图工况隧道断面土层分布图图4.1工况隧道断面土层分布图4.2荷载计算及组合区间隧道外径为6200mm，内径为5500mm。衬砌采用预制钢筋混凝土管片，管片厚度为350mm，环宽1200mm，混凝强度为C55,。荷载计算取b=1m的单位宽度进行计算，同时根据管片所处地层的特征及地基土的物理力学性质，在计算水土压力时用水土分算的方法。基本使用阶段的荷载计算图4.2作用在衬砌结构上的荷载简图（1）衬砌自重：（4.1）式中g——衬砌自重，kPa；——钢筋混凝土容重，取为25kN/m3；——管片厚度，m。将已知数值代入计算可得：（2）衬砌拱顶竖向地层压力：拱顶部：（4.2）式中——衬砌拱顶竖向地层压力，kPa；——衬砌顶部以上各个土层的容重，在地下水位以下的土层容重取其浮重度，kN/m3；——衬砌顶部以上各个土层的厚度，m。拱背部：（4.3）式中——衬砌拱背竖向地层压力，kPa；——拱背均布荷载，kN/m。——衬砌拱背覆土的加权平均容重，kN/m3——衬砌圆环计算半径，m。将已知数值代入计算可得：(3)地面超载由于本隧道埋深不是很深，故须考虑到地面超载的影响，取地面超载为20kPa，并将它叠加到竖向土压上去，再加上的自重，故总的竖向土压力为：（4）侧向水平均匀土压力：（4.4）式中 ——侧向水平均匀土压力，kPa；——衬砌环顶部以上各土层内摩擦角加权平均值，（º）；c——衬砌环顶部以上各土层内聚力加权平均值，kPa；将已知数值代入计算可得：（5）侧向三角形水平土压力：（4.5）式中 ——侧向三角形水平土压力，kPa；——衬砌环直径高度内各土层重度的加权平均值，kN/m3。将已知数值代入计算可得：（6）侧向土壤抗力按温克尔局部变形理论计算，抗力图形呈一等腰三角形，抗力范围按与水平直径上下呈45o考虑。（4.6）式中k——衬砌圆环侧向地层弹性抗力系数，kN/m3；y——衬砌圆环在水平直径处的变形量，m；EI——衬砌圆环抗弯刚度，kN/m2——衬砌圆环抗弯刚度的折减系数，=0.25~0.8其中，C55号混凝土的弹性模量为，故EI=1.268105kN·m2，取为0.7，k取值为20000kN/m3。则有：根据不同角度，可得到不同的Pk值。（7）静水压力：水位距离隧道顶部的高度为20.05m。（8）衬砌拱底反力（4.7）式中 ————水的容重，取为10kN/m3；g——衬砌自重，kPa。将已知数值带入计算可得：对基本使用阶段和特殊荷载阶段两种情况下进行计算。由于结构对称，取左半衬砌圆环分析，将其均分为九个部分，各部分分别为0º、22.5º、45º、67.5º、90º、112.5º、135º、157.5º、180º，其中0º表示衬砌圆环垂直直径处，22.5º为0º处逆时针22.5º处，以此类推。计算中弯矩用M（i）表示，轴力用N(i)表示，终值由结构在各种荷载作用下得到的内力经过叠加得到，各断面内力系数表如下表4.1。表4.1断面内力系数表荷载截面位置截面内力荷载自重0～π上部荷载0～π/2π/2～π底部反力0～π/2π/2～π水压0～π均布测压0～π水平弹性抗力0～π/4π/4～π/2△测压0～π代入数值可得下表：表4.2管片自重引起的截面内力表截面位置自重M(kN·m)自重N(kN)0°37.43086-12.796922.5°29.02994-7.9765645°6.8188845.16499167.5°-20.943422.9595990°-42.730840.20256112.5°-46.615851.32506135°-23.396451.69002157.5°30.6920738.74627180°112.292612.79688表4.3上部荷载引起的截面内力表截面位置上部荷载M(kN·m)自重N(kN)0°424.44524-51.443522.5°309.0471823.5452645°25.485755206.2818767.5°-274.2743394.5565390°-435.8016485.31598112.5°-385.3281468.06009135°-126.4253379.54631157.5°301.49137233.25002180°833.2753651.443522表4.4底部反力引起的截面内力表截面位置底部反力M(kN·m)底部反力自重N(kN)0°-63.9025647.260921522.5°-53.3798143.6633995445°-23.4135533.4185235467.5°21.43416118.0859736390°74.3355880.00001544112.5°123.45881-49.44142546135°116.14631-125.7586668157.5°-46.43839-148.9914221180°-439.4931-47.26094539表4.5均布测压引起的截面内力表截面位置均布测压M(kN·m)均布测压自重N(kN)0°-178.2564469243.769522.5°-126.046363208.070345°-0.0000583121.8847967.5°126.04633135.69922590°178.25644690112.5°126.046344535.699215135°0.00003215121.88473157.5°-126.0463243208.07027180°-178.2564469243.7695表4.6△侧压引起的截面内力表截面位置△测压M(kN·m)△测压自重N(kN)0°-34.307634.9638997522.5°-26.511832.1529351245°-4.9673623.0291932167.5°22.522419.3075132390°40.842410.0000023112.5°35.237487.051416296135°4.9673632.82367963157.5°-31.248163.19388314180°-47.377276.74185025表4.7水压引起的截面内力表截面位置水压M(kN·m)水压自重N(kN)0°-6.256367.9879722.5°-4.8521567.5079245°-1.1397366.2387167.5°3.50054564.6522990°7.14214463.4073112.5°7.7914963.1853135°3.91053664.51213157.5°-5.1299667.6029180°-18.768972.26578表4.8水平弹性抗力引起的截面内力表截面位置水平弹性抗力M(kN·m)水平弹性抗力自重N(kN)0°121.4550237-123.382881222.5°69.55791498-84.365523245°0067.5°-296.493778841.2872570290°-859.2037740.00000000009112.5°-296.493778841.28725702135°00157.5°69.55791498-84.3655232180°121.4550237-123.3828812表4.9管片内力组合一览表截面位置内力组合1.2m管片内力组合M(kN·m)N(kN)M(kN·m)N(kN)0°307.26811104.705368.72171325.64622.5°220.27621157.72264.33141389.26445°10.949961313.51613.139951576.21967.5°-199.4411480.468-239.3291776.56290°-297.3571570.67-356.8281884.804112.5°-242.8511612.11-291.4211934.532135°-62.7021589.852-75.24241907.823157.5°192.06831510.764230.48191812.917180°466.9161384.882560.29921661.859根据计算所得的内力图绘出衬砌的内力组合图如下：图4.2衬砌内力组合图由内力组合值可知，弯矩在拱底处（管片内侧受拉，kN·m），在的时候取得负的最大值（管片外侧受拉，kN·m），轴力在时取得最大值kN·m。5管片配筋及验算5.1衬砌配筋设计管片配筋取衬砌结构承受弯矩最大值作为设计依据，在内力组合中得出的结果，在=180°时截面内侧受拉弯矩最大，=90°时截面外侧受拉弯矩最大。故按=180°时的截面进行内排钢筋设计，按=90°时的截面进行外排钢筋设计。根据《混凝土结构设计规范》，按偏心受压构件进行截面配筋设计。（1）=180°时1）对受压侧配筋弯矩M=560.3kN·m轴力N=1661.86kN管片钢筋选定为HRB400型热轧钢筋，选用混凝土等级为C55混凝土。h=350mm，（ea取20和h/30=350/30=11.7较大者）所以，属大偏心受压情况式中 ——截面的初始偏心距，mm；——轴向力在偏心方向上的附加偏心距，mm；——修正截面初始偏心距，mm；——混凝土受压的保护层厚度，mm；h——管片的厚度，mm。（5.1）式中 e——轴向力到受拉钢筋合力点的距离，mm；——截面的偏心距增大系数；这里取η=1.0。将已知数值带入计算可得：e=482mm。取，对受压侧配筋：（5.2）式中 ——受压侧配筋面积，mm2；——矩形应力图强度与受压区混凝土最大应力的比值；——混凝土的抗压强度设计值,N/mm2;——管片宽度，mm；——界限相对受压区高度；——钢筋屈服强度设计值,N/mm2;——截面的有效高度,mm根据选定的HRB400钢筋和C55混凝土，查表可得：=25.3N/mm2；b=1200mm；=0.508；=360N/mm2；=310mm2。将已知数值带入计算可得：为负说明混凝土受压强度已经足够，按最小配筋计算。最小配筋率，查表得：=1.96N/mm2；==360N/mm2；式中——最小配筋率； ——混凝土的抗拉强度设计值，N/mm2；——钢筋的屈服强度设计值，N/mm2。式中——管片宽度，mm；——截面高度，mm。将已知数值带入计算可得：2）对受拉侧配筋由于受压区采用最小配筋，则要重新计算受压区高度： （5.3）解此方程可得到受压区高度（5.4）将各参数代入方程求得=95mm＜=100mm所以受拉区钢筋面积：（5.5）将已知数值带入计算可得：（2）时（外排筋）1）对受压侧配筋弯矩轴力N=1884.8kN管片钢筋选定为HRB400型热轧钢筋，选用混凝土等级为C55混凝土。h=350mm，h0=h–as=h–50=300mmmm（ea取20和h/30=350/30=11.7较大者）所以，属大偏心受压情况将已知数值带入计算可得：e=334取，对受压侧配筋：根据选定的Ⅲ级HRB400钢筋和C55混凝土，查表可得：=0.99；=25.3；b=1200mm；=0.508；=360；=310mm。将已知数值带入计算可得：为负说明混凝土受压强度已经足够，按最小配筋率计算。查表得：=1.96N/mm2；==360N/mm2；最小配筋率：式中——最小配筋率；——混凝土的抗拉强度设计值，；——钢筋的屈服强度设计值，。由于受压区采用最小配筋，则要重新计算受压区高度：式中 ——管片宽度，mm；——截面高度，mm。将已知数值带入计算可得：mm2故的值应选用2）外侧受拉侧配筋计算受压区高度将各参数代入方程求得x=68mm>2=100mm，所以受拉区钢筋面积：将已知数值带入计算可得：综合1、2所计算的数据，对于管片的配筋如下：管片配筋为：内筋：选1222@100的钢筋进行布置，As=4559.3mm2>4283.9mm2。外筋：选522@275的钢筋进行布置,As=1899.7mm2>1759.15mm2。验算总的配筋率故，满足配筋要求。所设计的主筋满足要求。5.2简要验算5.2.1裂缝宽度验算（1）正弯矩作用下需要验算裂缝宽度。（5.6）式中——构件受力特征系数，受弯和偏心受压构件，；——裂缝之间钢筋应变不均匀系数；——混凝土构件裂缝截面处纵向受力钢筋应力；——钢筋弹性模量，取;c——最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离；——纵向受拉钢筋的等效直径；——按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率；纵向受拉筋合力作用点至截面受压合力点距离：式中——混凝土轴心受拉强度标准值构件最大裂缝宽度：满足要求（2）负弯矩作用下需要验算裂缝宽度。裂缝宽度最大值公式与上相同，即：其中：构件最大裂缝宽度：满足要求5.2.2预埋件设计起吊管片预埋件设置在管片内弧面轴心处，为保证搬运拼装安全，以最重管片标封底块（180º）为例，对预埋件进行抗拔计算：（5.7）式中γh——衬砌管片重度，25kN/mm3；——管片的体积，m3。将已知数值带入计算可得：根据管片重量，预埋件的锚筋配置为3根HRB335热轧钢筋，，=603mm2。(5.8)式中各符号的解释与前面一致。将已知数值带入计算可得：＞4，满足要求5.2.4抗浮验算根据隧道断面土层分布情况。取本隧道覆土最浅处进行验算，（1）浮力：(5.9)式中V——隧道衬砌圆环体积，m3；D——隧道外径，6.2m；将已知数值代入计算可得：（2）结构自重：(5.10)式中——管片重度，25kN/m3；R外——管片外径，m；R内——管片内径，m。将已知数值代入计算可得：(3)隧道覆土自重(5.11)式中H——覆土深度，m；D——隧道外径，m；——土层加权平均重度，kN/m3。将已知数值代入计算可得：（4）抗浮系数(5.12)将已知数值代入可得：（1.1为最小抗浮系数），满足要求。故配筋合理，即为：内筋选1222@100，外筋选522@275。配筋图如下：图5.1管片配筋图6区间附属结构设计6.1洞门防水设计6.1.1洞门结构概况洞门环形钢筋混凝土保护圈混凝土强度等级为C30，抗渗等级：S8，混凝土保护层35mm。6.1.2施工流程施工准备工作→环形保护圈钢筋绑扎、安装→止水条安装→模板及支撑安装→混凝土浇筑→浇水养护→模板拆除及养护6.1.3施工方法A．施工准备洞门施工在隧道全部贯通后进行，施工前应将洞门与隧道衬砌环状间隙用钢板封闭（此项工作已于盾构进洞时完成），并从近洞口1～3环内的衬砌压浆孔内向洞圈和管片间充填早凝水泥浆。B环型保护圈钢筋绑扎、安装根据钢筋翻样图及标高、轴线控制点进行钢筋安装、绑扎，钢筋与结构预埋件应焊接牢固，钢筋搭接焊长度≥10d（双面焊≥5d）。由于钢筋笼较高，要求在安装绑扎钢筋时，必须设置临时撑及支架，同环内时须认真挂好保护层垫层。C止水条安装用303单组份氯丁-酚醛胶粘剂粘贴并弯折定位钢筋协同固定二圈水膨胀橡胶止水条，涂缓胀剂。钢筋绑扎和止水条安装完毕后及时进行自检，合格后会同现场监理进行隐蔽工程验收，并办好隐蔽验收手续。D模板及支撑安装模板安装尺寸应准确，接缝应平齐、无间隙，确保不漏浆，并支撑牢固。二腰与顶部预留砼浇灌口。E混凝土浇注混凝土浇灌应获监理工程师批准，商品砼预定按设计要求满足砼强度C30及抗渗指标S8。首先从洞门二腰预留的浇灌口浇灌砼，然后封闭二腰浇灌口，从顶部预留口继续浇灌砼。F养护覆盖麻袋进行喷淋湿润养护，避免高温日照。5天后拆除模板，继续养护。6.1.4洞门防水设计1拆除管片前，将从相邻管片的中间也注浆以减少渗水。2拆除管片后，对渗水部位仍要进行注浆封堵或预留引水导管，以确保施工面的干燥。3对施工接缝要进行凿毛处理，对止水条的基面要清理干净并保持平整和干燥。4遇水膨胀止水条要与基面密贴牢靠，搭接足够，并涂上缓膨剂。5布置钢筋时不要触碰止水条，封闭模板前要仔细检查止水条的牢靠性。6浇筑混凝土时要避免振捣棒碰到止水条，振捣要均匀到们。7浇完混凝土后要及时养护14天，在达到规定强度前不得拆除模板，以免出现渗水裂缝。8对拆模后的渗水部位要及时进行注浆处理，并以环氧水泥砂浆抹平。6.2盾构进出洞设计6.2.1盾构进洞施工6.2.1.1盾构进洞前的准备工作清除端头井下积水及所有垃圾及杂物。实测进洞处洞门中心实际高程及平面坐标。纵横向每间隔3m测出井底实际高程。在洞门、井底或车站结构段上用红漆做好轴线、高程等标志。6.2.1.2盾构进洞前的姿态复核测量盾构贯通前的测量是复核盾构所处的方位、确认盾构姿态、评估盾构井洞时的姿态和拟定盾构进洞段的施工轴线、推进坡度的控制值和施工方案等的重要依据，以使盾构在此阶段的施工中始终按预定的方案实施，以良好的姿态进洞，准确就位在盾构接收基座上。在进洞前100环，应精确做好轴线贯通测量工作，以后根据盾构推进的轴线偏差情况，每推20～30m，复核一次。最后50环的推进，盾构轴线与设计轴线的偏差，应尽可能控制在3cm内，使盾构以最佳姿态进洞。6.2.1.3盾构接收井地基加固盾构进洞区域地基加固也采用深层搅拌桩工法。地基加固宽度为端头井外3.2m。在盾构进洞前对井外地基加固进行验收，加固强度达到设计要求后，才能进行进洞推进施工，否则应采取补救的加固措施。6.2.1.4盾构进洞前洞门混凝土的凿除当盾构逐渐靠近洞门时，可在洞门混凝土上开设观察孔加强对其变形和土体的观测，并控制好推进时平衡压力值。在盾构切口距封门50cm时，停止盾构推进，尽可能出空平衡仓内的泥土使切口正面的平衡压力降到最低值，以确保混凝土封门凿除的施工安全。封门凿除首先在洞圈内搭设钢制脚手架。在洞门中心凿一个孔，用来观察外部土体情况，然后分六块凿除洞门混凝土，暴露出内、外排钢筋，割去内排钢筋，保留外排钢筋，并在每块混凝土中间凿出一个吊装孔，清理干净落在同圈底部的混凝土碎块，然后按照先下后上的顺序逐块割断外排钢筋，吊出混凝土。6.2.1.5盾构进洞掘进盾构机推进离洞口约剩10环时，当班工长及盾构司机应密切注意刀盘马达的油压显示，如有升压趋势，即可认为切口已至地基加固边缘，此时应立即降低推进速度。在洞门混凝土吊除后，盾构应尽快推进并拼装管片，尽量缩短盾构进洞时间。6.2.1.6盾构接收井准备盾构接收井施工完成后对洞门位置的方位测量确认，安装盾构接收架，调整接收架的标高及左右位置，为保证盾构接收，接收架安置高程可略低于盾构进洞时的实际高程，并将其与井壁可靠地固定。接收井内洞门混凝土凿除和洞门封堵材料等各项工作全部准备就绪。6.2.2盾构进洞土体加固盾构隧道施工临近结束，盾构机进入工作井前的进洞口土体必须具有一定的稳定性，其加固方法很多，基本上与盾构出洞洞口加固方法相同。采用垂直冻结管的全断面冻结，并控制冻结范围到最小程度，仍是冻结法加固的主要方式和加固原则。也有不少工程实例采用水平圆筒形的冻结方式。这种冻结方式虽然要求更高的施工精度和冻结工艺水平，但它是一种经济有效的方案。（1）进洞土体加固区间盾构端头地层加固计划采用三管旋喷桩加固，加固范围为隧道衬砌轮廓线外左右两侧3.0m，顶板以上为3m至底板以下3m。（2）步骤及技术措施盾构始发步骤及相应的主要技术措施如下：1）洞门凿除。颐和园站基坑围护结构为Φ800mm钻孔灌注桩，洞门凿除分两步进行：第一步，以手持风镐方式由上至下分块凿除钻孔桩，保留最内层钢筋；第二步，当盾构组装调试完成，并推进至距离洞门约1.0m左右时，再由上至下分层、间隔地割除预留的最内层钢筋。2）洞门防水装置安装。洞门防水装置由帘布橡胶板、圆环板、固定板、压板、垫板和螺栓等组成。在洞门凿除第一步工作完成后，将前述构件按顺序安装在车站施工时预埋的洞门圈钢环上。为防止盾构推进洞门圈时刀盘损坏帘布橡胶板，可在帘布橡胶板外侧涂抹一定量的油脂。随盾构向前推进需根据情况对洞门密封压板进行调整，以保证密封效果。3）负环管片安装。当前述（1）～（2）及盾构组装调试等工作完成后，组织相关人员对盾构设备、反力提供系统、始发台等进行全面检查与验收。验收合格后，盾构开始向前推进，并安装负环管片。（3）试掘进本合同段将左右线盾构每次始发后的60m作为试掘进段。试掘进主要任务包括：（1）进一步进行盾构及设备能力检验并掌握盾构操作控制方法；（2）摸索在本合同段该类地层中各项盾构掘进施工参数的选择方法；（3）熟练掌握管片拼装工艺、防水施工工艺、环形间隙注浆工艺；（4）对地表隆陷、管片受力、建（构）筑物位移等进行监控量测，依此具体分析在该类地层中，采用一定的掘进施工参数时的相关影响，并对掘进参数进行优化，为全合同段安全顺利施工提供技术依据。6.2.3盾构出洞施工盾构机的出洞是主体工程的开始，关键是保证安全性，涉及洞口外土体的自立性、洞门混凝土的开凿的时间，止水帘布的安装效果等。6.2.3.1出洞前准备工作（1）洞口槽壁砼凿除洞口槽壁混凝土凿除前，必须复核洞门中心坐标及高程，保证满足盾构机出洞的要求；同时盾构出洞口用深层搅拌桩和旋喷桩加固的土体，须达到设计所要求的强度、渗透性、自立性等技术指标，经检测达到设计要求后，方可开始洞口槽壁砼的凿除。洞口槽壁砼采用人工用高压风镐凿除，凿除工作须分二层渐进，先凿除外层500mm，并割除钢筋预埋件。外层凿除工作先上部后下部。钢筋及预埋件割除须彻底。以保证预埋门洞的直径。里层槽壁凿除方法是将剩余的300mm分割成九大块体，做法是在洞门中心位置上凿二条水平槽，沿洞门周围凿一条环槽，然后开二条竖槽，其中一条凿在地墙接缝处。开槽凿除砼，露出槽壁钢筋，同时在每一块砼块上凿出栓钢丝绳的位置。拆除洞口脚手架改搭临时易拆操作平台，钢筋割断与混凝土块吊离应先下部后上部，先中间后二侧，割一块吊一块。合理安排割断顺序，使用长割具，防止砼块倾倒。尽可能缩短砼块吊离工作的时间，防止土体塌方，吊离完毕后盾构机须迅速进入洞门。（2）洞口止水帘布安装由于洞口与盾构（或衬砌）存在建筑空隙，易造成泥水流失，从而引起地表沉降，因此，须在洞口安装出洞装置，出洞装置包括帘布橡胶板、圆环板、扇形板及相应的连接螺栓和垫圈。安装前须对帘布橡胶板上所开螺孔位置、尺寸进行复核，确保其与洞圈上预留螺孔位置一致，并用螺丝攻清理螺孔内螺纹。安装顺序为帘布橡胶板→圆形板→扇形板，自上而下进行。安装时圆形板的压板螺栓应可靠拧紧，使帘布橡胶板紧贴洞门，防止盾构出洞后同步注浆浆液泄漏。（3）后盾反力系统布置盾构出洞前，先进行后盾施工。后盾反力系统必须有足够的强度和刚度，在盾构机强大的后顶力作用下不致发生变形位移，确保盾构初始掘进时的正确位置和方向，后盾系统由钢反力架、钢弧形环、钢支撑、临时衬砌组成。根据首环管片的里程，决定反力架的平面位置，安装反力架时，用经纬仪双向校正两根立柱的垂直度，使其形成的平面与推进轴线垂直。然后，在反力架上，测出最后一环后盾管片的位置，弹好控制线，确认高程及左右位置与出洞环管片一致后，用螺栓将其与反力架固定。盾构机井下安装时，应精确计算发射架的安置高程及左右位置，确认无误后，将发射架与井壁四周用型钢撑紧焊牢。6.2.3.2盾构机出洞掘进盾构机处洞前，为避免刀盘上的刀头损坏洞口密封装置，在刀头和密封装置上涂抹黄油以减少摩擦力。（1）出洞时盾构应迅速上靠，在油压显示约等于静止土压力时，用刀盘切削水泥搅拌桩，并穿越加固区。在这段区域施工时，土压力设定值应略低于理论值，推进速度不宜过快，盾构坡度可略大于设计坡度，待盾构出加固区时，为防止由于正面土压变化而造成盾构突然“磕头”，必需将土压力的值设定成略高于理论值，施工过程中根据地层变形量等信息反馈，对土压力设定值、推进速度等施工参数作及时调整。（2）盾构出洞时，应密切观察盾构机推力与后盾结构受力情况，要保证后盾结构的安全，如发现结构变形，应立即停止推进，采取必要措施后，方可恢复推进。（3）由于洞门外侧土体已加固，盾构在加固层推进时，应由丰富经验的盾构司机进行操作，盾构机加水慢速推进，加固土层力学性质复杂，加水量，大刀盘转速及油压、推进速度应随时调整。6.2.4盾构出洞土体加固当调试好的盾构机切土机构抵紧工作井井壁、拆除封门支撑，盾构正待转入正常施工推进时，工作井洞口附近的土体承受了巨大的水土压力。此时如土体失稳、坍塌，将引起地表下陷，并可能危及附近建筑物和各种管线。另一方面，洞口土体即使被加固，但其强度不均，也将导致破土机具的挖掘困难，甚至引发盾构机故障，严重影响工程的进度与造价。因而，盾构进出工作井，特别是出洞口部的土体加固是困扰盾构施工的难题。不论是松散的砂土还是含水的软粘土，其自立程度和防水性均很弱，因此可以用液压或气压向地层注入水泥或其它化学浆液，使浆液和土颗粒胶结，或采用人工冻结技术使含水土层冻结等方法，对洞周土体进行加固处理。一般要求土体加固后的单轴无侧限抗压强度达到0.5MPa~1.0MPa，且其强度均匀。（1）出洞土体加固盾构自圆明园站端头井盾构出洞时，隧道主要埋置于粉质粘土④-2和粉砂层=5\*GB3⑤中，为了确保盾构出洞施工的安全和更好地保护附近的建筑物，盾构出洞前需对洞口土体进行加固。盾构始发出洞端地基加固长度为9m，加固宽度为盾构隧道结构每侧3m，竖向加固范围为盾构隧道结构上下各3m。加固方法为三管旋喷注浆法。加固孔位布置采用梅花形布置，横向间距1.7m，排距1.5m。（2）混凝土洞门凿出盾构调试完成，边布置若干观察孔，以测定土体的加固情况。在确认加固良好的情况下，分九块凿除洞门混凝土，首先暴露出内、外排钢筋，割去内排钢筋，保留外排钢筋，并在每块混凝土中间凿出一个吊装孔，清理干净落在洞圈底部的混凝土碎块，然后按照先下后上的顺序逐块割断外排钢筋，吊出混凝土。洞门凿除要连续施工，尽量缩短作业时间，以减少正面土体的流失量。整个作业过程中，由专职安全员进行全过程监督，杜绝安全事故隐患，确保人生安全，同时安排专人对洞口上的密封装置做跟踪检查，起到保护作用。（3）出洞掘进通过试验段的施工经验对推进参数的设定，地面沉降与施工参数之间的关系，并对推进时的各项技术数据进行采集、统计、分析，争取在较短时间内掌握盾构