第6章-盾构法隧道结构.pptx

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1、第6章 盾构法隧道结构,衬砌形式和构造衬砌圆环内力计算盾构法隧道衬砌的结构设计隧道防水及其综合处理算例,盾构机,矩形盾构机,盾构进洞,盾构衬砌,6.1 衬砌形式和构造,衬砌断面形式和构造,盾构隧道横断面一般由圆形、矩形、半圆形、马蹄形等，衬砌最常用的断面形式为圆形与矩形。,内部使用限界的确定,车辆限界,车辆限界是指在平、直线路上运行中的车辆，可能达到的最大运动包迹线。确定车辆限界的各个控制点，要考虑车辆外轮廓横断面的尺寸以及制造上的公差，车轮和钢轨之间及在支承中的机械间隙、车体横向摆动和在弹簧上颤动倾斜等。,建筑限界,圆形隧道断面的优点与组成,建筑限界是决定隧道内轮廓尺寸的依据，是在车辆限界以

2、外一个形状类似的轮廓。由车辆限界外增加适量安全间隙来求得，一般为150200mm。,受力性能合理易于盾构推进便于管片的制作、拼装,衬砌的类型,按材料及形式分类,装配式钢筋混凝土管片,箱型管片用于较大直径的隧道。,平板形管片用于较小直径的隧道,铸铁管片,国外在饱和含水不稳定地层中修建隧道时多采用铸铁管片。不宜用做承受冲击荷载的隧道衬砌结构。,钢管片,重量轻，强度高，但刚度小，耐锈蚀性差，需进行机械加工以满足防水要求，金属消耗量大，成本昂贵。,复合管片,外壳采用钢板制成，在钢壳内浇筑钢筋混凝土。重量轻；刚度大，金属消耗量小；耐蚀性差，加工复杂。,装配式钢筋混凝土管片,环宽,一般在3002000mm

3、之间，常用的是750900mm。环宽过小导致接缝数量的增加进而加大隧道防水的困难。环宽过大会使盾尾长度增长而影响盾构的灵敏度。,隧道外径与管片环宽锥度的经验值,厚度,直径为6.0m以下的隧道，管片厚度约为250350mm直径为6.0m以上的隧道，管片厚度约为350600mm。,装配式钢筋混凝土管片,分块,单线地下铁道衬砌一般分成68块，双线的分为810块，小断面分为46块。,拼装形式,圆环的拼装形式：通缝、错缝。错缝拼装，加强圆环接缝刚度，约束接缝变形。,管片接头类型,从力学性质看可分为：柔性接头、刚性接头,管片间的接头分两类：纵向接头、环向接头,利用螺栓将接头板紧固起来，将管片环组装起来的抗

4、拉连接结构。,弯螺栓连接形式,直螺栓连接形式,螺栓接头,直螺栓受力性能好、效果显著、加工简单、但扩大了螺栓手孔尺寸，影响了管片承受盾构千斤顶顶力的承载能力。弯螺栓能较少的影响管片的纵向承受能力，但其对抵抗圆环横向内力的结构效能差，且加工麻烦。,铰接头,作为多铰环的环向接头，一般为转向接头结构。几乎不产生弯曲，轴向压力占主导地位，在良好地基条件下是一种合理的结构。,销插入型接头接头,也可做环向接头来使用，但主要作为纵向接头使用。在结构上的作用是加强了构件的链接，防止接头两边相对错动，承担接头上的剪力。,楔形接头,环向和纵向接头都可使用的结构，利用楔作用将管片拉合紧固的接头。,榫接头,主要作为纵向

5、接头使用的结构。接头部分设有凹凸，通过凹凸部位的啮合作用进行的力传递。,6.2 衬砌圆环内力计算,荷载计算,荷载的类型荷载的计算,结构内力计算,均匀圆环法计算日本惯用修正法修正,荷载的类型,基本荷载是设计时必须考虑的荷载。附加荷载是施工中或竣工后作用的荷载，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。特殊荷载是根据围岩条件、隧道的使用条件所必须特殊考虑的荷载。,荷载分类,基本使用阶段,荷载简图,2 拱背土压,在砂土等抗剪强度较大的地层内，且隧道埋深超过隧道衬砌的外径时，按“松动高度”理论进行进算。,5 侧向均匀主动土压,6 侧向三角形主动土压,8 拱底反力压,地层基床系数值,水土分

6、算时不用考虑,9 水压力,按水平与垂直 水压力计算,9 水压力,（2）水土合算,采用水土合算法，计算其他荷载时，地下水位以下的土体的重度应采用饱和重度，不再单独计算水压力。,施工阶段,施工阶段,衬砌内力计算方法,按自由变形均质圆环计算内力,荷载分布图,按日本修正惯用法进行修正,计算简图,将圆环近似地认为是均质刚性圆环,为二次超静定结构。,力法方程：,按自由变形均质圆环计算内力,衬砌内力计算方法,弯矩以衬砌环内侧受拉为正，外侧受拉为负；轴力以衬砌环受压为正，受拉为负。,将各个荷载分别作用力法的基本结构上，求出 ，带入力法典型方程，求出 。可以得到这种荷载作用下的 在基本结构上的分布。,将各个荷载

7、的 进行叠加，获得总的内力分布图。各个荷载的内力分布见下表。,断面内力系数表,PK引起的圆环内力表,将由PK引起的圆环内力和其他衬砌外荷引起的圆环内力叠加，得到最终的圆环内力。,日本修正惯用法修正,考虑接头的影响主要通过假定弯矩传递的比例来实现。,错缝拼装弯矩传递及分配示意图,将衬砌环按均质圆环计算，取圆环抗弯刚度为 。,接头处内力：,管片：,若管片内无接头，,课堂练习题,某地铁隧道埋深18.6m，隧道两侧土壤介质的容重=19kN/m2，内摩擦角=12.5，粘聚力c=20 kPa，有地下水影响，地下水位距地面4m。预采用盾构法进行设计施工。每环采用8块等长管片，管片厚350mm，宽900mm。

8、隧道内径为10m。,采用均匀圆环并结合惯用修正法计算衬砌内力,6.3盾构法隧道衬砌的结构设计,管片断面设计：配筋计算裂缝验算,纵向接头设计接缝张开验算接头强度计算,环向接头设计,配筋计算,从内力分析结果可知，盾构隧道衬砌管片一般为偏心受压构件，可以按照压弯构件进行截面配筋计算。设计过程如下： 根据不同阶段，进行最不利荷载组合； 根据内力计算结果，选出危险截面进行配筋计算； 针对每个管片，按照钢筋混凝土偏心受压构件的配筋计算方法及混凝土结构设计规范GB 50010-2002进行管片的配筋计算。,管片断面设计,严格要求不出现裂缝：一般要求不出现裂缝： 允许出现裂缝：,盾构构件处于地下水的环境中，不

9、允许出现裂缝，一般采用一或二级验算标准。 为混凝土轴心受拉强度标准值， 扣除全部预应力损失后抗裂验算边缘的混凝土的预压应力。,裂缝验算,根据混凝土结构设计规范规定了三种级别的裂缝验算标准：,纵向接缝中环向螺栓位置a的设置如图。,在设有双排螺栓时，内外排螺栓孔的位置离管片内外侧部小于100mm，而当仅设有单排螺栓时，则螺栓孔位置大致为管片厚度的1/3处。,纵向接缝计算,纵向接缝计算,在基本使用荷载阶段需分别进行接缝变形及接缝强度计算。在基本使用荷载和特殊荷载组合阶段需进行接缝强度计算。,接缝张开破坏,接头的受力状态图,管片外侧不会张开,螺栓受拉破坏。螺栓先达到屈服，截面的受压区逐渐减少，导致受压

10、区混凝土压坏，属大偏心受压破坏,混凝土受压破坏。接头的破坏是由于受压区混凝土达到抗压强度，属小偏心受压破坏,判断大小偏心，确定破坏形式,纵向接缝强度计算简图,计算中和轴：,其中：,在基本使用荷载阶段要满足不小于1.55的要求。,2.计算安全系数,环向接头设计,环向接头承受的主要荷载包括：,隧道的差异沉降相邻环施加的剪应力隧道轴线方向的不均匀伸长或压缩造成对接头的拉/压应力,环由于荷载不易确定，计算复杂，环向接头采用与纵向接头连接螺栓同等性能的螺栓，有时取直径略小一些、强度等级低一点的螺栓,6.4 隧道防水及其综合处理,需从管片生产工艺、衬砌结构设计、接缝防水材料等几个方面进行综合处理，其中以接

11、缝防水材料的选择为突出的关键技术。,衬砌的抗渗,合理提出衬砌本身的抗渗指标控制水灰比，一般不大于0.4，另加塑化剂以增加混凝土的和易性衬砌构件的最小混凝土厚度和钢筋保护层管片生产工艺：振捣方式和养护条件的选择严格的产品质量检验制度减少管片在堆放、运输和拼装过程中的损坏率。,管片制作精度,管片制作精度不够而引起隧道漏水，使得钢筋混凝土管片在含水地层中应用和发展受限。以合成橡胶为基材的齿槽形管片定型密封垫防水效果好。,接缝防水的基本技术要求,保持永久的弹性状态和具有足够的承压能力，使之适应隧道长期处于“蠕动”状态而产生的接缝张开和错动。具有令人满意的弹性期龄和工作效能。与混凝土构件具有一定的粘结力

12、。能适应地下水的侵蚀。,二次衬砌,其他,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。内衬混凝土层的厚度不得小于150mm，一般采用混凝土泵再加钢模台车配合分段进行，每段大致810m。,隧道外围的压浆以及地层注浆等附加措施也可采用。,算例,设计一地铁隧道，该隧道采用单层装配式板形钢筋混凝土管片，隧道内径5.4m，隧道外径6.0m ，管片厚度300mm，幅宽1000mm,管片分为8块。选用HRB335钢筋，混凝土为C50，接缝采用型号为M36的螺栓进行连接。该断面的顶板埋深为18m，地下水位5m。,地层埋深示意图,荷载计算,垂直荷载,均布侧载,三角形侧载,自重,因为 ，取,拱底反力,侧

13、向土壤抗力,水压力,按水平和竖向水压力进行计算,带入计算表计算时，各水压力分别带入竖向荷载，拱底反力，均匀侧向土压力和三角形侧向土压力的公式进行计算。,内力计算,垂首先采用均匀圆环法进行内力计算，然后在用日本修正惯用法进行修正。将内力计算的结果带入断面内力系数表。计算结果如下：,M、N表,M、N表,内力计算,用日本日本惯用修正法修正,取 。如图，分别对0，22.5，45，67.5，90，112.5，135，157.5，180处的内力进行修正。,设以此类推，对余下的角度进行修正。结果见下表：,在0处,在22.5处,修正后的M、N表,修正后的M、N表,从衬砌分块图中可以看出，所有衬砌管片都是统一尺

14、寸，为简化管片加工和拼装过程，采用相同配筋。对内力计算表中的所有荷载组合进行配筋计算，选出最大配筋面积作为实际配筋面积。配筋计算方法见混凝土结构设计规范，计算结果如下：,配筋计算,从上表中可以看出算得的配筋面积都不满足最小配筋要求，按构造要求，受压侧和受拉侧都选用814, ，钢筋配置见下图。,配筋计算,由配筋计算结果可知，130处受拉钢筋面积最大，故取130截面进行验算。未采用预应力钢筋，故 为截面面积，C50混凝土抗拉强度,满足规范要求。,裂缝验算,纵向接缝验算,接缝张开度验算,螺栓在管片内侧，外侧接缝更易张开。整个衬砌环的轴力都为压力，如果压力大于弯矩在受拉翼缘处产生的力，全截面受压，接缝不会张开。外侧受拉时弯矩为负。根据内力计算结果可知，只有45和180处的弯矩为负,为危险接缝。分别对其进行验算。,接缝不会张开。,45处,纵向接缝验算,接缝张开度验算,接缝不会张开。,180处,接缝强度验算,接缝采用型号为M36的螺栓进行连接，配置如下图。,纵向接缝验算,在上面的接缝张开度验算中，45和180处全截面受压，再对0，90和135处接缝进行验算。,全截面受压。,0处,全截面受压。,90处,全截面受压。,135处,由以上计算结果可知，所有接缝处都为全截面受压，螺栓不会受到拉力。故可按构造配置螺栓。,