地下建筑结构课件第六章盾构法装配式圆形衬砌结构ppt.ppt

建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院（三）按多铰圆环计算圆环内力（三）按多铰圆环计算圆环内力（1 1）日本山本稔法）日本山本稔法基本假定：基本假定：q适用于圆形结构适用于圆形结构q衬砌环在转动时，管片或砌块视作刚体处理。衬砌环在转动时，管片或砌块视作刚体处理。q衬砌环外围土抗力按均变形式分布，土抗力的计算要衬砌环外围土抗力按均变形式分布，土抗力的计算要满足衬砌环稳定性的要求，土抗力作用方向全部朝向圆满足衬砌环稳定性的要求，土抗力作用方向全部朝向圆心。心。q计算中不计及圆环与土壤介质间的摩擦力，这对于满计算中不计及圆环与土壤介质间的摩擦力，这对于满足结构稳定性是偏于安全的。足结构稳定性是偏于安全的。q土抗力和变位间关系按文克列尔公式计算。土抗力和变位间关系按文克列尔公式计算。四、衬砌内力计算四、衬砌内力计算 建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院（三）按多铰圆环计算圆环内力（三）按多铰圆环计算圆环内力（1 1）日本山本稔法）日本山本稔法 计算方法计算方法结构按静定结构分析结构按静定结构分析衬砌各个截面处地层抗力衬砌各个截面处地层抗力四、衬砌内力计算四、衬砌内力计算 111)(iiiiiiaiqqqq建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院解解1-21-2杆杆 日本山本稔法日本山本稔法01i 60i0X101221)sin(3)cos1(iiiiiiidqrprHHrqHH221327. 0Pr5 . 00Y1022cos3siniiiiiidqrqrVrqqrrqqrV222388. 0866. 06333866. 002M10122221)sin(32)cos1 (2)sin(5 . 0iiiiiiiiidqrrprqrHrqPqH)346. 025. 075. 0(21建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院解解2-32-3杆杆 日本山本稔法日本山本稔法601i120i0X0Y03M101232132)sin()(332sin2iiiiiiiidqqqrrPHH)(22332qqrprHHiiiidqqqrVVii)cos()(3310232321)(089.02332qqVV6012001232222)sin()(332iiiiidqqqrprrHrqqPH22327.0173.02建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院解解3-43-4杆杆 日本山本稔法日本山本稔法1201i180i0X0Y04MiiiiiidqqqrprHH)sin()(33)cos(1 11201800341344334173. 0327. 05 . 0qrqprHHiiiiiidqqqrqrV)cos()(33)sin(1120180034313433478. 0389. 0866. 0qqqrViiiiiiiiiiidqqqrrqrPrH)sin()(332)sin()cos(12)cos(1 112018003432212113rqrqqrprHrV4333173. 0328. 0375. 085 . 0866. 0建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院q计算注意点计算注意点q衬砌圆环各个截面上的值与侧向或底部的作用荷载叠加后衬砌圆环各个截面上的值与侧向或底部的作用荷载叠加后的数值要求有一定的控制，不能超越一容许值。的数值要求有一定的控制，不能超越一容许值。q圆环除强度计算外，还得计算其变形及稳定要求。圆环除强度计算外，还得计算其变形及稳定要求。q圆环破坏条件圆环破坏条件q以非约束铰为中心的三个铰（以非约束铰为中心的三个铰（i-1i-1）、（）、（i i）、（）、（i+1i+1）的座的座标系统排列在一直线上，由结构丧失稳定。标系统排列在一直线上，由结构丧失稳定。（三）按多铰圆环计算圆环内力（三）按多铰圆环计算圆环内力建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院（2 2）苏联的多铰圆环内力计算）苏联的多铰圆环内力计算 苏联的这种多铰圆环设计计苏联的这种多铰圆环设计计算方法与日本山本方法最大的算方法与日本山本方法最大的差异在于苏联方法认为衬砌与差异在于苏联方法认为衬砌与地层之间不产生相对的位移，地层之间不产生相对的位移，而山本法则认为衬砌环与地层而山本法则认为衬砌环与地层间能完全自由滑移，而忽视了间能完全自由滑移，而忽视了地层土抗力的切线部分。地层土抗力的切线部分。 （三）按多铰圆环计算圆环内力（三）按多铰圆环计算圆环内力建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院（2 2）苏联的多铰圆环内力计算）苏联的多铰圆环内力计算 内力计算结果比较内力计算结果比较（三）按多铰圆环计算圆环内力（三）按多铰圆环计算圆环内力建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院衬砌结构在各个工作阶段内力计算完成后，就可衬砌结构在各个工作阶段内力计算完成后，就可分别或组合几个工作阶段的内力情况进行断面选择。分别或组合几个工作阶段的内力情况进行断面选择。断面选择在各个不同工作阶段具有不同内容和要求，断面选择在各个不同工作阶段具有不同内容和要求，在基本使用荷载阶段，需进行抗裂或裂缝限制，强度在基本使用荷载阶段，需进行抗裂或裂缝限制，强度和变形等验算，而在组合基本荷载阶段和特殊荷载阶和变形等验算，而在组合基本荷载阶段和特殊荷载阶段的衬砌内力时，一般仅进行强度的检验，变形和裂段的衬砌内力时，一般仅进行强度的检验，变形和裂缝开展可不予以考虑。缝开展可不予以考虑。 五、衬砌断面选择五、衬砌断面选择 建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院抗裂计算抗裂计算 偏压构件断面上的内力分别为弯矩偏压构件断面上的内力分别为弯矩M M、轴向力轴向力N N。 混凝土抗拉极限应变值混凝土抗拉极限应变值 （一）抗裂及裂缝限制的计算（一）抗裂及裂缝限制的计算 5210)3 . 01 (6 . 0llRd1000bh4105.25.1 i 受拉钢筋的应变值受拉钢筋的应变值 混凝土最大压应变混凝土最大压应变 受压钢筋的应变值受压钢筋的应变值 lgxhxh 0lhxhx lhgxhaxxax 建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院求出裂缝出现前的中和轴的位置求出裂缝出现前的中和轴的位置 （一）抗裂及裂缝限制的计算（一）抗裂及裂缝限制的计算0XbxREAEARxbxhNhggggggl21)(0qAMaxhRbxhxheKNl2)()(00对偏心距对偏心距e e0 0 axhRbxhxheKNl2)()(000)(322100aHRAxhxbxRggh)(322100aHRAxhxbxRggh建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院隧道衬砌结构的强度计算往往是先假定衬砌的混隧道衬砌结构的强度计算往往是先假定衬砌的混凝土横断面尺寸：宽度及厚度，根据使用上的要求，凝土横断面尺寸：宽度及厚度，根据使用上的要求，给定混凝土标号（一般装配式构件的标号大都选用在给定混凝土标号（一般装配式构件的标号大都选用在400400号以上）和钢筋种类（目前国内用得较多的是号以上）和钢筋种类（目前国内用得较多的是1616MnMn）要求选择钢筋面积。要求选择钢筋面积。当构件承受瞬时荷载时，建筑材料的强度指标可当构件承受瞬时荷载时，建筑材料的强度指标可按特殊规定适当提高。按特殊规定适当提高。强度计算和配筋选择可按一般钢筋混凝土偏压构强度计算和配筋选择可按一般钢筋混凝土偏压构件计算件计算 。 （二）、衬砌断面强度计算（二）、衬砌断面强度计算 建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院首先判断偏压截面的偏心距首先判断偏压截面的偏心距 （二）、衬砌断面强度计算（二）、衬砌断面强度计算 hNMe3 . 0/0he3.00属于大偏心受压 属于小偏心受压 先假定中和轴 055. 0hx 0FM)(255.055.00000ahRAhhRbhKNeggW)(4.0020ahRRbhKNeAgwg计算出 的为负值时，说明混凝土受压区强度已够，按构造需要配设钢筋 gA建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院混凝土受压区高度混凝土受压区高度x x已不等于已不等于0.550.55h h，必须重行计算必须重行计算 （二）、衬砌断面强度计算（二）、衬砌断面强度计算 在计算出中和轴x后，再代入下式0gAM)(200ahRAxhRxbKNeggW0X0ggggWRARARxbKNgggWgRKNRARxbA建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院 时，应按受压钢筋时，应按受压钢筋 为矩心的为矩心的力矩平衡公式计算，并假定混凝土应力矩平衡公式计算，并假定混凝土应力和受压钢筋应力作用点重合力和受压钢筋应力作用点重合 （二）、衬砌断面强度计算（二）、衬砌断面强度计算 为偏于安全计，计算公式中常不采 用 而采用 ax 2gA0gAM)(0ahRAeKNgg)(0ahReKNAggK0KKNeeKN KNaheKN200aheKN200N建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院 时，属于小偏心受压。时，属于小偏心受压。（二）、衬砌断面强度计算（二）、衬砌断面强度计算 0gAM003 . 0 he )(5 . 0020ahRARbhKNegga)(5.0020ahRRhbKNeAgag 时，受压筋配得较多，而时，受压筋配得较多，而破坏可能发生在破坏可能发生在 一侧一侧 0015. 0he gA0gAM)(5.0020ahRRbeKNAgag建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院衬砌圆环的水平直径变形计算衬砌圆环的水平直径变形计算 （三）、衬砌圆环的直径变形计算（三）、衬砌圆环的直径变形计算 11Mcos2rM EIdsM2111 EIdxM2222cosrMaEIdsMMaa11EIdsMMaa222)sin(21rqMq22)cos1 (Pr21pMEIdsMMqaaqEIdsMMpaaqaqapaaxxy2211水平建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院各种荷载条件下的圆环水平直径变形系数各种荷载条件下的圆环水平直径变形系数 ( (三三) )、衬砌圆环的直径变形计算、衬砌圆环的直径变形计算 EIrq/1214EIpr /1214EIrPK/0454. 04EIgr /1304. 04建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院（一）接缝张开的验算（一）接缝张开的验算 管片拼装之际由于受到螺栓预应力管片拼装之际由于受到螺栓预应力的作用，在接缝上产生预压应力的作用，在接缝上产生预压应力( (四四) )、纵向接缝计算、纵向接缝计算 1c2cWNeFNcc021glAN当接缝受到外荷后的应力状态当接缝受到外荷后的应力状态 WNeFNcc021建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院（一）接缝张开的验算（一）接缝张开的验算 最终接缝应力最终接缝应力 ( (四四) )、纵向接缝计算、纵向接缝计算 接缝变形量接缝变形量 22cp11acclElp裂缝不张开裂缝不张开q 无拉应力无拉应力q 拉应力小于涂料的粘结力拉应力小于涂料的粘结力q 伸长量小于涂料的弹性变形量伸长量小于涂料的弹性变形量建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院（二）纵向接缝强度计算（二）纵向接缝强度计算 接缝强度计算时接缝强度计算时，近似地把螺栓看作受拉钢筋按钢筋混凝土截面进行。近似地把螺栓看作受拉钢筋按钢筋混凝土截面进行。一般先假定螺栓直径、数量和位置，然后对接缝强度的安全度进行验算。一般先假定螺栓直径、数量和位置，然后对接缝强度的安全度进行验算。( (四四) )、纵向接缝计算、纵向接缝计算 计算中和轴计算中和轴 x x0NM0200eRAxheRxbggbReRAehehxgg2)()(200建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院( (四四) )、纵向接缝计算、纵向接缝计算 属于大偏心受压属于大偏心受压 055. 0hx 0RM222000 xhRAxheKNgg002220NexhNxhRAKgg属于大偏心受压属于大偏心受压 055. 0hx 0AgMNeRhKa205.0满足满足K1.55 K1.55 建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院纵向接缝中环向螺栓位置纵向接缝中环向螺栓位置a a（高度）的设置高度）的设置管片厚度大于管片厚度大于400400mmmm设双排螺栓设双排螺栓，内外排螺栓孔的位置离管片内外二侧不小于内外排螺栓孔的位置离管片内外二侧不小于100100mmmm管片厚度小于管片厚度小于400400mmmm设有单排螺栓，则螺栓孔位置大致为管片厚度的设有单排螺栓，则螺栓孔位置大致为管片厚度的1/31/3处。处。( (四四) )、纵向接缝计算、纵向接缝计算 建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院环缝的综合伸长量环缝的综合伸长量 ( (五）、环缝的近似计算五）、环缝的近似计算 管片伸长量管片伸长量 21lll 1111WEMll纵向螺栓伸长量纵向螺栓伸长量 2222WEMll 环缝的合成刚度环缝的合成刚度 环缝的合成抗弯强度环缝的合成抗弯强度 222111212221112121)()()(WElWElllWEMlWEMlllMlllMEW 合合)()()()(合合合合合合合合 WEM212211)()()(llllll 合合合合合合建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院例例 1 1）1616只纵向螺栓的抗弯强度（不按合成断面考虑），只纵向螺栓的抗弯强度（不按合成断面考虑），M30M30纵向螺栓，纵向螺栓，4545钢钢 ( (五）、环缝的近似计算五）、环缝的近似计算 mrcmkgRcmAgg84. 2,/3600,19. 522 80cos10cos80cos60cos10cos60cos30cos10cos30cos10cos4ggRrAM 9848. 01737. 05 . 0866. 098481. 0360084. 219. 54222mtcmkg 43110431)0467.198481.0(1025.21255建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院2 2） 钢筋混凝土管片的纵向抗弯强度，配纵向钢筋钢筋混凝土管片的纵向抗弯强度，配纵向钢筋79791010， ( (五）、环缝的近似计算五）、环缝的近似计算 262785. 079cmAg2/3200cmkgRg混凝土面积混凝土面积22226440044. 6)75. 21 . 3(cmmAh按环形横断面计算按环形横断面计算 3 . 00104. 03200622290644003200622gghggRARARA03267.0180104.0sinsinsin sin2221 ggghrRArrRAMmtcmkg3 .586103 .5865建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院3 3）钢筋混凝土管片和纵向螺栓的合成纵向抗弯强度）钢筋混凝土管片和纵向螺栓的合成纵向抗弯强度管片宽度：管片宽度：9090cmcm，螺栓长度螺栓长度18.518.5cmcm， ( (五）、环缝的近似计算五）、环缝的近似计算 弹性模量：弹性模量：混凝土混凝土 钢钢 断面模量：混凝土断面模量：混凝土 251/103 . 3cmkgE262/101 . 2cmkgE3634411016.1814.181 . 3)5 . 52 . 6(1 . 0cmmW 断面模量：螺栓断面模量：螺栓 3422222221018. 184. 2/ 80cos68cos30cos10cos84. 219. 54cmrrnAWg 建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院3 3）钢筋混凝土管片和纵向螺栓的合成纵向抗弯强度）钢筋混凝土管片和纵向螺栓的合成纵向抗弯强度( (五）、环缝的近似计算五）、环缝的近似计算 螺栓应变值螺栓应变值 混凝土应变值混凝土应变值 cmkgEW 94545105 .1421018. 1101 . 25 .181014.18103 . 39018590)(合合362108 . 1101 . 2360065462112221211014.18103 . 35 .181018. 1101 . 290WElWEl33410336. 05 .108108 . 15 .181036. 090合mtcmkgEMM 4801048010336.0105.142)(539合合合合合合 建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院纵向螺栓（或环缝上的凹凸椎槽）的纵向传递能力的估算纵向螺栓（或环缝上的凹凸椎槽）的纵向传递能力的估算( (五）、环缝的近似计算五）、环缝的近似计算 环缝面上的摩阻力环缝面上的摩阻力 )/(2cmkgf)(22内内外外rrnAag 环缝内纵向螺栓纵向传递能力环缝内纵向螺栓纵向传递能力 6/3221212lhfllfhM建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院例管片厚例管片厚 ，弦长，弦长 ，环缝面积，环缝面积 ，1616只只M30M30纵向螺栓纵向螺栓 ，螺栓预压应力取，螺栓预压应力取10001000kg/cmkg/cm2 2 ( (五）、环缝的近似计算五）、环缝的近似计算 cmh35cml320264400cmF 22 .8319. 516cmFa环缝面上的预压应力环缝面上的预压应力 2/3 . 16440010002 .83cmkg环缝面上的摩阻力环缝面上的摩阻力 22/4 . 0/39. 03 . 13 . 0cmkgcmkgfmtcmkgM4 . 22400006320354 . 02两侧纵向螺栓可传递纵向弯矩两侧纵向螺栓可传递纵向弯矩4.4.8 8t-mt-m 建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院一隧道的外径为一隧道的外径为11.211.2m m，内径为内径为10.110.1m m，覆土深度为覆土深度为21.221.2m m。地下水地下水位考虑在地面以下位考虑在地面以下1 1m m处。隧道内设处。隧道内设置一道下拉杆，以加强抵抗特殊荷置一道下拉杆，以加强抵抗特殊荷载的结构能力。隧道两侧土壤介质载的结构能力。隧道两侧土壤介质的内摩擦角的内摩擦角 。隧道在基本使。隧道在基本使用阶段不考虑下拉杆的结构作用；用阶段不考虑下拉杆的结构作用；当在承受基本使用阶段荷载和特殊当在承受基本使用阶段荷载和特殊荷载组合阶段时，则考虑下拉杆作荷载组合阶段时，则考虑下拉杆作用用 ( (六）、算例六）、算例 5 .17建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院衬砌结构尺寸：衬砌结构尺寸：基本使用阶段基本使用阶段 重心重心z z( (六）、算例六）、算例cmz4 .3225232100305 .12252324010030计算半径计算半径 r rmmr374. 5324. 005. 5基本使用荷载基本使用荷载+ +特殊荷载组合阶段：特殊荷载组合阶段：考虑在外层管片内部再行敷设考虑在外层管片内部再行敷设200200厚内衬钢厚内衬钢筋混凝土层筋混凝土层 mr225. 5375. 085. 4计算半径计算半径 r r)(106 .1103516. 0103 . 3246mtEJ建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院计算过程黑板演示计算过程黑板演示阶段结果需要重新设计阶段结果需要重新设计( (六）、算例六）、算例建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院一、衬砌的抗渗一、衬砌的抗渗q合理提出衬砌本身的抗渗指标合理提出衬砌本身的抗渗指标q经过抗渗试验的混凝土的合适配合比；严格控制水灰比，经过抗渗试验的混凝土的合适配合比；严格控制水灰比，一般不大于一般不大于0.40.4，另加塑化剂以增加混凝土的和易性。，另加塑化剂以增加混凝土的和易性。q衬砌构件的最小混凝土厚度和钢筋保护层。衬砌构件的最小混凝土厚度和钢筋保护层。q管片生产工艺：振捣方式和养护条件的选择。管片生产工艺：振捣方式和养护条件的选择。q严格的产品质量检验制度。严格的产品质量检验制度。q减少管片在堆放、运输和拼装过程中的损坏率。减少管片在堆放、运输和拼装过程中的损坏率。二、管片制作精度二、管片制作精度较大的初始接隙较大的初始接隙 ，合适的，合适的防水密封垫防水密封垫 管片制作精度的不够，在盾构推进过程中造成管片的顶碎和管片制作精度的不够，在盾构推进过程中造成管片的顶碎和开裂，同样造成了漏水的现象。开裂，同样造成了漏水的现象。六、隧道防水及其综合处理六、隧道防水及其综合处理 建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院四、二次衬砌四、二次衬砌 在目前隧道接缝防水尚未能完全满足要求情况下，在地铁区间隧道在目前隧道接缝防水尚未能完全满足要求情况下，在地铁区间隧道内较多的是用双层衬砌。在外层装配式衬砌已趋基本稳定的情况下，进内较多的是用双层衬砌。在外层装配式衬砌已趋基本稳定的情况下，进行二次内衬浇捣，在内衬混凝土浇筑前应对隧道内侧的渗漏点进行修衬行二次内衬浇捣，在内衬混凝土浇筑前应对隧道内侧的渗漏点进行修衬堵漏，污泥以高压水部浇、清理。堵漏，污泥以高压水部浇、清理。 双层衬砌的做法不一，有在外层衬砌结构内直接浇捣两次内衬混凝双层衬砌的做法不一，有在外层衬砌结构内直接浇捣两次内衬混凝土的，也有在外层衬砌的内侧面先喷注土的，也有在外层衬砌的内侧面先喷注2020mmmm厚的找平层，再铺设油毡或厚的找平层，再铺设油毡或合成橡胶类的防水层，在防水层上浇注内衬混凝土层的。合成橡胶类的防水层，在防水层上浇注内衬混凝土层的。 内衬混凝土一般者采用混凝土泵再加钢模台车配合分段进行，也有用内衬混凝土一般者采用混凝土泵再加钢模台车配合分段进行，也有用喷射混凝土进行二次衬砌。喷射混凝土进行二次衬砌。 五、其它五、其它 隧道防水还有其它的一些附加措施可以采用，诸如隧道外围的压隧道防水还有其它的一些附加措施可以采用，诸如隧道外围的压浆，以及地层注浆等，视不同情况予以采用。浆，以及地层注浆等，视不同情况予以采用。六、隧道防水及其综合处理六、隧道防水及其综合处理