盾构法隧道结构_地下建筑结构.ppt

1、1806年，工程师布鲁内尔发明了最早的用于松散饱和软土层的格栅防护罩，并获得了专利。1818年，布鲁内尔受腐烂的船底蛆的启发，提出了全封闭螺旋盾法(EPB盾的原型)。1825年至1843年，布鲁内尔设计的方形铸铁框架盾穿透了泰晤士河的第一条隧道。1869年，伯劳和Great负责建造泰晤士河的第二条隧道。长城采用了新开发的圆形盾构和扇形铸铁管片。1886年，Great在修建伦敦南部铁路隧道时采用了盾构法和压缩空气法相结合的方法，为现在的盾构法奠定了基础。盾构施工方法、本章主要内容、衬砌环内力的衬砌型式和结构计算、隧道防水设计和衬砌断面综合处理、盾构管片新衬砌形式、10.1衬砌型式和结构、10.1

2、.1衬砌断面型式和选择衬砌结构在施工阶段保护开挖面，防止土体变形、坍塌和泥水渗透，在盾构推进过程中承受千斤顶顶托力和其他施工荷载；隧道建成后，将作为永久支护结构，防止泥水渗透，支撑衬砌周围的水和土压力以及使用阶段荷载的一些特殊需要，以满足结构的预期使用要求。根据隧道的使用目的、地层条件和施工方法，合理选择衬砌的强度、结构、形式和类型。盾构隧道的断面一般有多种类型，如圆形、矩形、半圆形、马蹄形和椭圆形，其中最常用的有圆形和矩形。由于顶压和侧压相近，在饱和含水软土地层中修建隧道的有利结构类型是圆形结构。(1)内部使用净空的确定：隧道内轮廓的净尺寸应根据建筑净空或工艺要求，并考虑曲线、盾构施工偏差和

3、不均匀沉降的影响来确定。1.车辆间隙车辆间隙是指在平坦和笔直道路上行驶的车辆所能达到的最大运动包络线。在确定车辆间隙的每个控制点时，除了车辆外部轮廓的横截面尺寸外，还应考虑制造公差、车轮和轨道之间以及支架中的机械间隙、车身的横向摆动以及弹簧的振动和倾斜。2.建筑限界建筑限界是确定隧道内部轮廓尺寸的基础，该轮廓在车辆限界之外具有相似的形状。任何固定结构、设备、管道等。不应超出这一限度。建筑净空通过在车辆净空之外增加适当的安全净空来获得，其值通常为150200毫米。(2)圆形隧道断面的优点是可以均等地承受各个方向的外压。饱和含水软土地层的顶压和侧压相近，显示了圆形隧道断面的优越性，施工时易于盾构推

4、进；促进片段的生产和组装；即使护罩旋转，也不会妨碍横截面的利用。圆形隧道采用的拼装式管片衬砌一般由若干块组成，块数由隧道直径、受力要求、运输和拼装能力等因素决定。管片类型分为标准管片、相邻管片和封盖管片。该段宽度一般为300mm2000mm，厚度为隧道外径的5% 6%。块和环用螺栓连接。(3)单层和双层衬里的选择。隧道衬砌是一种直接支撑地层、保持特定的隧道净空、防止渗漏并能同时承受施工荷载的结构。它由分段组装的一次衬砌和必要时在其内表面填充混凝土的二次衬砌组成。一次衬砌是承重结构的主体，二次衬砌主要用于加固一次衬砌，防止漏水和侵蚀。由于防水或截流材料质量的提高，可考虑省略二次衬砌，采用单层一次

5、衬砌，既承重又防水。对于加压输水隧洞，为了b2)平管片用于直径较小的隧道，单管片较重，对盾构千斤顶顶力的阻力较大，正常运行时对隧道的通风阻力较小。铸铁管片铸铁管片在国外饱和含水不稳定地层隧道施工中应用广泛。该管段重量轻，具有良好的耐腐蚀性。加工好的管片精度高，能有效防止渗漏。缺点是金属消耗大，加工能力大，价格高。由于铸铁管片的脆性破坏，它不适合作为冲击荷载作用下的隧道衬砌结构。钢管板的优点是重量轻、强度高。缺点是刚性低和耐腐蚀性差，需要加工以满足防水要求。成本高，金属消耗大。在国外，人们使用钢管，然后在钢管内浇注混凝土或钢筋混凝土衬里。4.复合管段的壳体由钢板制成，在钢壳体内浇注钢筋混凝土形成

6、复合结构，其重量比钢筋混凝土管段轻，刚度比钢管管段大，金属消耗比钢管管段少。缺点是钢板耐腐蚀性差，加工复杂。(2)根据结构型式分类，根据不同的使用要求，可分为箱形节段和扁平节段等几种结构型式。钢筋混凝土管片的四个侧面配有螺栓与相邻管片连接。在一定条件下，平段可以称为无螺栓块，块的四边有不同几何形状的连接槽口，使块和环可以相互连接。1.管片适用于不稳定地层中各种直径的隧道，接头用螺栓连接。由交错节点组装而成的节点可视为一个刚度均匀的环，由于一排或两排螺栓的作用，节点可承受较大的正弯矩和负弯矩。纵向螺栓布置在环缝上，可以抵抗隧道的纵向变形。管片拼装进度大大降低，增加了工人的劳动强度，相应增加了施工

7、和衬砌成本。砌块通常适用于含水量较少的稳定地层。由于隧道衬砌的要求，由块(三块以上)组成的环成为不稳定的多铰圆形结构。在衬里结构变形之后(变形必须被限制)，形成介质限制衬里环以稳定环。砌块与相邻环之间的防水、防泥接缝必须妥善解决，否则环的变形将急剧增加，导致环的失稳和工程事故。由于砌块的接缝处没有螺栓，可以加快施工和组装的进度，从而降低隧道施工和衬砌的成本。(3)根据成型方法，可分为装配式衬砌和挤压混凝土衬砌。组装式衬环由盾构尾部的分段预制节段组装而成。根据节段的不同位置和组装顺序，可将节段分为标准节段、相邻节段和封盖节段。铸铁、钢、混凝土、钢筋混凝土管片和砌块组合衬砌的特点是：1 .安装后能

8、立即承受载荷；2.分段生产工业化，质量容易保证，分段安装机械化，方便快捷；3.有必要采取特别有效的措施来防水接缝。盾尾后现浇混凝土挤压衬砌技术，即盾尾在高压下刚浇筑而未硬化的混凝土作为盾尾推进的后座，在盾尾推进过程中没有建筑缝隙，缝隙由注入的混凝土填充。挤压混凝土衬砌的施工方法具有以下特点：1 .自动化程度高，施工速度快；2.整体衬砌结构能够满足理想的受力和防水要求，建成的隧道使用效果令人满意；3.采用钢纤维混凝土可以提高薄衬砌的抗裂性；4.渗透性大的砾石层很难满足防水要求。(4)根据结构类型，可分为单层衬砌和双层衬砌两种解决单层衬砌的防水技术和应用效果，从而逐步取代双层衬砌结构。外层衬砌被视

9、为施工的临时支撑结构，简化了对外层衬砌的要求。现浇内衬施工前，应对内衬进行清理、封堵和必要的结构处理，然后浇注内衬，内衬和内衬作为一个整体结构(或近似整体结构)共同抵抗外荷载。10.1.3组装好的钢筋混凝土管片，环宽分为砌块和带帽砌块。根据国内外实践经验，无论是钢筋混凝土管片还是金属管片，环宽一般在300-2000毫米之间。如果环的宽度太小，接缝的数量会增加，这将使隧道防水更加困难。过大的环宽有利于防水，但也会增加盾尾的长度，影响盾的灵敏度；单个片段的重量也会增加。(1)环宽；(2)分成块。单线地铁线路分为68个标段，双线地铁线路分为810个标段。小断面隧道可分为46个区块。少数情况下，采用4

10、个相等的管片，管片的接头设置在内力较小的地方，使衬环具有较好的刚度和强度，接头结构也相应简化。线段的最大弧长和弦长一般小于4米，线段越细，其长度应该越短。(3)封顶段的形式，考虑到施工的方便性和受力的需要，倾向于采用小封顶的形式。封盖块有两种装配形式：径向楔入和纵向插入。后一种压盖块受力状况良好，加载后密封块不易向内滑动，但缺点是盾构千斤顶的行程需要加长。(4)组装方法，环的组装方法：通缝和错缝所有衬环的纵缝称为通缝；环之间的纵向接缝是交错的，这就像砖砌体一样被称为交错接缝。在接缝防水中，交叉接缝被组装，并且丁字接缝比交叉接缝更容易处理。环衬错缝装配是一种常见的装配方式，它具有增强环缝刚度和抑

11、制环缝变形的优点。圆环可以近似认为是均匀刚度的。当管片制造精度不够高时，管片在盾构推进过程中，通过错缝装配容易断裂；此外，在接头装配交错的情况下，环和纵向接头的交点为t形，21，通过接头1。A型：短直螺栓沿圆周方向，长螺栓沿纵向首尾相连2。B型：周向单头螺栓，纵向弯曲螺栓3。C型：周向和纵向短直螺栓：A-B-A型、A-B-C型，交错装配形式，10.1.4节段接头(头部)从其力学性能上可分为柔性接头和刚性接头；前者要求相邻节段之间有轻微的旋转和压缩，而后者则试图通过增加螺栓的数量来使接头刚度与部件本身相同。基本接头结构包括螺栓接头、铰链接头、插销接头、楔形接头、榫接头等。弯曲螺栓、直螺栓、盲销接

12、头、纵向和径向销接头、24、滑动销段、滑动销(C形金属构件)、滑动销(T形金属构件)、快速接头、滑动销段安装后的隧道、传统螺栓或销段、传统螺栓或销段安装10.1.5其他结构：(1)与完全光滑内侧(滑动销段)单向接触装配的段结构；(2)纵向肋与钢管段和钢筋混凝土箱形段相对，纵向肋的配置必须保证千斤顶推力的均匀传递。在钢节上，纵向肋必须等间距布置，纵向肋的数量至少应按照两个纵向肋支撑一个压力垫的比例布置，否则不可能均匀传递千斤顶推力。对于箱形截面，纵向肋的排列方式应与钢制截面相同，并且灌浆孔直径应根据所用灌浆材料确定，内径一般为50毫米左右。(3)必须考虑吊环。大部分混凝土平板管片和球墨铸铁管片同

13、时使用墙后灌浆孔作为吊环，而钢管管片需要配备起吊附件。10.2衬砌环内力计算，隧道衬砌结构设计必须满足两个基本要求：满足施工和使用过程中的结构强度和刚度要求，承受水、土压力等外荷载和一些特殊使用要求；满足使用功能所要求的环境条件，保持隧道内部干燥清洁，特别是在饱和软土地层中采用装配式钢筋混凝土管片结构时的衬砌防水措施。10.2.1钢筋混凝土管片的设计要求和方法应根据强度、变形和裂缝限制的要求分别进行检查。确定衬砌结构的几个工作阶段：施工荷载阶段、基本使用荷载阶段和特殊荷载阶段，提出各工作阶段的荷载和安全质量指标要求(衬砌裂缝宽度允许量、接缝变形和直径变形、隧道抗渗和防渗漏指标、结构安全度、衬砌

14、内表面平整度要求等)。)，并进行各工作阶段和组合工作阶段的结构验算。10.2.2结构计算方法、荷载结构方法和地层结构方法的选择：荷载结构方法重点介绍如下。荷载结构法：三要素(荷载模式、结构模型、结构与地层的相互作用)荷载模式：浅埋深埋、水土保持和分结构模型：(1)均质(等刚度)圆环计算法常用于饱和含水地层。(2)在不稳定地层中，多铰环结构(铰数大于8)处于不稳定状态。(3)在稳定地层中，将衬砌环计算为多铰环是非常经济合理的。环的变形应限制在一定范围内，并根据施工要求提出必要的技术措施。结构与地层的相互作用：全圆模式与局部模式，10.2.3荷载确定，10.2.3荷载确定，表10-2b计算条件下的

15、荷载组合表，(1)基础服务阶段(环宽按1m考虑)，深埋地层的竖向土压力：苏联的太沙基公式和原Dyakonov公式。大多数侧向主动土压力是根据朗肯公式计算的。然而，侧压力往往受地层、施工方法和衬砌结构刚度的影响，有时差异很大。例如，当采用挤压掩护法时，开始时侧向压力很大，顶压小于侧向压力，因此隧道内出现“垂直鸭蛋”现象。含水砂层采用水土划分原则，含水粘土层采用水土经济原则。确定侧向压力系数时，必须小心。在日本隧道衬砌设计中，侧压力系数的选择范围一般在0.30.8至不超过0.7之间。(2)施工阶段，1节段拼装：当钢筋混凝土节段拼装成环后，在纵向接缝处拧紧螺栓。由于管片制造精度低，环面接触不均匀，螺

16、栓拧紧时，局部管片往往出现较大的集中应力，导致管片开裂和局部内应力。2盾构推进：由于制造和装配的误差，管片的环缝表面往往不平整。当盾构千斤顶作用在环向结合面上时，尤其是千斤顶顶力偏心时，容易造成管片开裂和断裂。在衬砌后面的注入灌浆或水泥砂浆注入衬砌后面的建筑缝隙。软土地层中的注浆材料并不是均匀分布在衬砌周围，而是局部聚集在一定范围的注浆孔内。灌浆压力过大通常会导致环变形和局部集中应力，带帽楔块会向内滑动。4.衬砌环刚从盾尾出来：衬砌顶部的土压力迅速作用在衬砌上，但由于某种原因，侧压力未能及时作用。在(3)特殊荷载阶段，根据使用需要检查特殊荷载阶段；它是一种瞬态荷载，作用时间短，但往往是控制衬砌结构设计的关键。可以适当合理地选择结构的附加安全系数，并且可以适当地改善建筑材料的物理和机械性能。荷载结构法，自由变形和侧向弹性抗力的均质模型，日本修正常规法：