隧道與洞室工程襯砌與管片設(shè)計(jì).pptVIP

一、斷面形式 根據(jù)隧道的使用要求、施工技術(shù)的可能、外圍土層的特性、隧道受力等因素 其斷面一般有圓形、矩形、半圓形、馬蹄形等多種形式 最常用襯砌的斷面形式是圓形。,1 概述,因?yàn)閳A形隧道襯砌斷面有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）可以等同地承受各方向的外部壓力。 尤其是在飽和含水軟土地層中修建地下隧道，由于頂壓、側(cè)壓較為接近、更可顯示出圓形隧道斷面的優(yōu)越性。 （2）施工中易于盾構(gòu)推進(jìn)。 （3）便于管片的制作、拼裝。 （4）盾構(gòu)即使發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)斷面的利用也毫無(wú)妨礙。,二、內(nèi)部使用限界的確定 隧道內(nèi)部輪廓的凈尺寸應(yīng)根據(jù)建筑限界或工藝要求并考慮曲線(xiàn)影響及盾構(gòu)施工偏差和隧道不均勻沉降來(lái)決定。 對(duì)于地鐵，為了確保列車(chē)安全運(yùn)行，凡接近地鐵線(xiàn)路的各種建筑物（隧道襯砌、站臺(tái)）及設(shè)備、管線(xiàn)，必須與線(xiàn)路保持一定距離。,因此，應(yīng)根據(jù)線(xiàn)路上運(yùn)行的車(chē)輛在橫斷面上所占有的一定空間，正確決定內(nèi)部使用限界。 1.車(chē)輛限界 車(chē)輛限界是在平、直線(xiàn)路上運(yùn)行中的車(chē)輛可能達(dá)到的最大運(yùn)動(dòng)包跡線(xiàn)，就是車(chē)輛在運(yùn)行中橫斷面的極限位置，車(chē)輛任何部分都不得超出這個(gè)限界。,2.建筑限界 建筑限界是決定隧道內(nèi)輪廓尺寸的依據(jù)，是在車(chē)輛限界以外一個(gè)形狀類(lèi)似的限界。 任何固定的結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管線(xiàn)都不得侵入這個(gè)限界以?xún)?nèi)。建筑限界是由車(chē)輛限界外增加適量安全間隙來(lái)求得的，其值一般為150200mm。,三、單雙層襯砌的選用 應(yīng)根據(jù)隧道的功能、外圍土層的特點(diǎn)、隧道受力等條件，分別選用單層裝配式襯砌，或在單層裝配式襯砌內(nèi)再澆筑整體式混凝土、鋼筋混凝土內(nèi)襯的雙層襯砌。 雙層襯砌施工周期長(zhǎng)，造價(jià)貴，且它的止水效果在很大程度上還是取決于外層襯砌的施工質(zhì)量、滲漏情況,所以只有當(dāng)隧道功能有特殊要求時(shí)，才選用雙層襯砌。 通常在滿(mǎn)足工程使用要求的前提下，應(yīng)優(yōu)先選用單層裝配式鋼筋混凝土襯砌。 單層預(yù)制裝配式鋼筋混凝土襯砌的施工工藝簡(jiǎn)單，工程施工周期短，節(jié)省投資。,四、襯砌分類(lèi) 1.鑄鐵管片 鑄鐵管片強(qiáng)度高，易鑄成薄壁結(jié)構(gòu)，管片重量輕，搬運(yùn)安裝方便，管片精度高外形準(zhǔn)確，防水性能好。但加工設(shè)備要求高，造價(jià)大。該管片需翻砂成型后用大型金屬切削機(jī)械加工。,2.鋼管片 主要用型鋼或鋼板焊接加工而成，其強(qiáng)度高、延性好、運(yùn)輸安裝方便，精度稍低于鑄鐵管片。但在施工應(yīng)力作用下易變形，在地層內(nèi)也易銹蝕。,3.鋼筋混凝土管片 該種材料制作而成的管片有一定強(qiáng)度，加工制作比較容易，耐腐蝕，造價(jià)低，是最常用的管片形式。但較笨重，在運(yùn)輸、安裝施工工程中易損壞。,4.擠壓混凝土襯砌 這是一類(lèi)新工藝，盾尾后部設(shè)有相連接的滑模臺(tái)車(chē)，盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)混凝土泵同時(shí)向盾尾連續(xù)壓注混凝土，形成襯砌，并兼作盾構(gòu)推進(jìn)的后座。這類(lèi)襯砌的施工速度比拼裝襯砌快，防水效果更好，造價(jià)也低。,五、襯砌防水問(wèn)題 1、襯砌管片自身防水 管片自身防水主要靠提高混凝土抗?jié)B能力和管片制作精度實(shí)現(xiàn)。鋼筋混凝土管片的抗?jié)B等級(jí)應(yīng)根據(jù)隧道埋深及地下水壓力確定,混凝土級(jí)配需選用干硬性密實(shí)級(jí)配，且可摻入塑化劑，調(diào)整級(jí)配，增加混凝土的和易性，嚴(yán)格控制水灰比，一般不大于0.4。 澆筑、養(yǎng)護(hù)、堆放和運(yùn)輸中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行質(zhì)量管理。近年來(lái)研制成功的滲透型外防水涂料，可用于改善管片混凝土的抗?jié)B性能。,2、拼裝接縫防水 a.密封墊防水 目前已普遍使用彈性密封橡膠條防水，并以粘結(jié)力強(qiáng)、延伸性好、耐久、能適應(yīng)一定量變形的防水材料嵌縫。 彈性密封墊防水條由天然橡膠、合成橡膠等制作，近年來(lái)又采用了防水性能好的遇水膨脹橡膠。 防水條在管片拼裝前粘貼于接縫面的預(yù)留溝槽內(nèi)。,b.嵌縫防水 嵌縫防水作業(yè)一般在管片拼裝完成和變形已達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行。 管片內(nèi)弧面邊緣留有嵌縫槽，嵌縫材料可選用乳膠水泥、環(huán)氧樹(shù)脂和焦油聚氨酯材料等。 最近研制成功的遇水膨脹嵌縫膏是一種較好的嵌縫材料。,c.螺栓孔防水 管片上的螺栓孔也易滲漏水，需要采取措施加以密封。 常見(jiàn)的做法是在螺栓上穿上由合成樹(shù)脂或合成橡膠類(lèi)材料制作的圓環(huán)形密封墊，然后擰緊螺母，使其充填或覆蓋螺孔壁與螺桿之間的空隙，堵塞漏水通道。,設(shè)計(jì)原則標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)原則 以防為主，剛?cè)峤Y(jié)合，多道設(shè)防，因地制宜，綜合治理。 以結(jié)構(gòu)自防水為主，關(guān)鍵處理好環(huán)縱縫的防水。 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 結(jié)構(gòu)防水等級(jí)為二級(jí),防水設(shè)計(jì),管片自防水 混凝土等級(jí)為C50，抗?jié)B等級(jí)P10。 接縫防水 海綿橡膠 彈性密封墊 嵌縫（聚硫密封膠 ） 螺栓孔的防水 采用遇水膨脹橡膠密封圈,海綿橡膠,嵌縫,彈性密封墊,2 襯砌拼裝,隧道襯砌是在盾構(gòu)尾部殼保護(hù)下的空間內(nèi)進(jìn)行拼裝。 組成：鑄鐵、鋼、鋼筋混凝土或鋼與鋼筋混凝土的復(fù)合材料等制成的管片或砌塊。 結(jié)構(gòu)受力及使用要求決定盾構(gòu)及襯砌結(jié)構(gòu)形式并決定其拼裝方法。,拼裝方法： 重臂拼裝或拱托架拼裝 ； 通縫拼裝（管片的縱縫環(huán)對(duì)齊）或錯(cuò)縫拼裝 ； 螺栓聯(lián)結(jié)的管片或無(wú)螺栓聯(lián)結(jié)的砌塊等。 按其程序可分為“先縱后環(huán)”和“先環(huán)后縱”。 采用舉重臂拼裝管片的原則應(yīng)是自下而上，左右交叉，最后封頂成環(huán)。,裝配式圓形襯砌構(gòu)造,“管片”是建成隧道后的永久性支撐結(jié)構(gòu)，應(yīng)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求、使用要求； 施工階段須裝配簡(jiǎn)便、容易替換、承受盾構(gòu)千斤頂頂力及其它施工荷載。,箱形管片,平板形管片,帶肋管片的材料 長(zhǎng)期以來(lái)多為鑄鐵和鋼。,環(huán)寬與厚度,國(guó)內(nèi)外常用的環(huán)寬是7501000m； 曲線(xiàn)段推進(jìn)時(shí)設(shè)有楔形管片，按隧道曲率半徑計(jì)算； 管片厚度一般為250600mm。,分塊,大斷面隧道可分成6810塊，小斷面可分為46塊。 管片的最大弧長(zhǎng)一般不超過(guò)4 m，管片愈薄其長(zhǎng)度應(yīng)越短。,拼裝型式,通縫、錯(cuò)縫 縱縫環(huán)環(huán)對(duì)齊的稱(chēng)通縫，適用于需要拆除管片修建旁側(cè)通道或結(jié)構(gòu)需要比較柔的情況下，以便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理。 縱縫互相錯(cuò)開(kāi)，對(duì)稱(chēng)錯(cuò)縫，其優(yōu)點(diǎn)在于能加強(qiáng)圓環(huán)接縫剛度，使圓形結(jié)構(gòu)可近似地按均質(zhì)圓環(huán)等剛度考慮，因此使用較普遍的，缺點(diǎn)是錯(cuò)縫拼裝容易使管片頂碎。,環(huán)、縱向螺栓,環(huán)向螺栓根據(jù)接縫內(nèi)力情況可設(shè)置成單排或雙排。 雙排：外排螺栓抵抗負(fù)彎矩，內(nèi)排螺栓抵抗正彎矩。 縱向螺栓目的是使隧道襯砌結(jié)構(gòu)具有抵抗隧道縱向變形的能力 ，一塊管片設(shè)34個(gè)螺栓。 螺栓材料一般采用高強(qiáng)度合金鋼，直螺栓 。,3 盾構(gòu)襯砌的荷載計(jì)算方法,3.1 設(shè)計(jì)原則 隧道襯砌費(fèi)用占40%50%，安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理 。 重點(diǎn)介紹裝配式鋼筋混凝土管片 。,1）.滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度 土層壓力、水壓力以及特殊荷載，按梁式模型計(jì)算埋在土中圓環(huán)的內(nèi)力和位移，以及管片（如鋼筋混凝土管片）的裂縫寬度限制等。 覆土最深、頂壓與側(cè)壓相差最大處：按施工階段和使用階段荷載最不利組合情況下計(jì)算，同時(shí)按使用階段與特殊荷載階段組合情況下的管片強(qiáng)度驗(yàn)算 。 覆土最淺處：斷面僅進(jìn)行使用階段和特殊荷載階段組合情況下的管強(qiáng)度驗(yàn)算。,2）.滿(mǎn)足所提出的安全質(zhì)量指標(biāo)要求 裂縫開(kāi)展寬度，接縫變形和直徑變形的允許量，隧道抗?jié)B防漏指標(biāo)，結(jié)構(gòu)安全度，襯砌內(nèi)表面平整度要求 ，滿(mǎn)足使用要求的工作環(huán)境，保持隧道內(nèi)部的干燥和潔凈。,3.2 內(nèi)力計(jì)算法,飽和含水地層中 ，因內(nèi)擦角值很小，主動(dòng)與被動(dòng)土壓力幾乎是相等，結(jié)構(gòu)變形不能產(chǎn)生很大抗力 。 假定：結(jié)構(gòu)可以自由變形，不受地層約束，認(rèn)為圓環(huán)只是處在外部荷載及與之平衡的底部地層反力作用下工作.,剛度折減,采用錯(cuò)縫拼裝和通縫拼裝，接縫處的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于斷面部分的剛度，與整體式等剛度圓形襯砌差異更大。 日本資料，接頭剛度折減速系數(shù)，對(duì)鑄鐵管片=0.91.0；鋼筋混凝土管片=0.50.7。 總體上，在飽和含水地層中按整體式自由變形勻質(zhì)圓環(huán)的計(jì)算方法誤差可以接受。,特殊情況下：,當(dāng)土層較好，襯砌變形后能提供相應(yīng)的地層抗力，則可按有彈性抗力的整體式勻質(zhì)圓環(huán)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。 常用的有日本的和蘇聯(lián)的假定抗力法等。,多鉸圓環(huán)方法,將接縫看作為一個(gè)“鉸”，整個(gè)圓環(huán)變成一個(gè)多鉸圓環(huán)。 連接方法由剛 性連接向柔性連接過(guò)渡。 雖屬不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，但因有外圍土層提供的附加約束和多鉸圓環(huán)的變形而提供了相應(yīng)的地層抗力，促使多鉸圓環(huán)仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。,多鉸圓環(huán)計(jì)算圖式,3.3 荷載計(jì)算,基本荷載（基本使用階段）、臨時(shí)荷載（施工階段）和特殊荷載。 1）基本荷載： （1）土層壓力： 垂直土壓力、水平土壓力、 （2）水壓力： （3）襯砌自重,豎向土壓,拱背土壓,(104N/m),地面超載,q3 =1(104N/m) （日本資料） （當(dāng)隧道埋深較淺時(shí)）,拱背土壓,水平荷重：即地層側(cè)向主動(dòng)土壓，由均勻土壓p1和三角形土壓p2組成 :,水壓力: 頂部垂直向下水壓力 底部垂直向上壓力 側(cè)向水平水壓力,水壓力的疊加,襯砌自重,(104N/m),勻布底部豎向力,平均后的拱被壓力,抵消后的平均水壓力,平均后的豎向土壓力,平均后的自重壓力,2）施工階段臨時(shí)荷載,(1) 自重引起的臨時(shí)荷載 臨時(shí)荷載隨盾構(gòu)推進(jìn)所產(chǎn)生，一般來(lái)自千斤頂頂力和壁后注漿壓力。 圓形隧道襯砌在到達(dá)基本使用階段前，它保留著裝配中由其自重作用所產(chǎn)生的受力狀態(tài)，它與基本階段所產(chǎn)生的內(nèi)力之和，不能超過(guò)容許值。,由下向上裝配的襯砌環(huán) ，拱頂截面產(chǎn)生內(nèi)力最大 ：,支承弧面所對(duì)應(yīng)的中心角,1米寬襯砌自重,襯砌內(nèi)徑,（2）管片拼裝及盾構(gòu)推進(jìn)引起的臨時(shí)集中荷載,拼裝成環(huán)時(shí)，管片制作精度不高，端面不平，擰緊螺栓時(shí)往往使管片局部產(chǎn)生較大的應(yīng)力，導(dǎo)致管片開(kāi)裂。 或因拼裝管片誤差累計(jì)，當(dāng)盾構(gòu)千斤頂施加在環(huán)縫面上，特別是偏心作用時(shí)，也會(huì)使管片頂裂、頂碎。 鑄鐵管片，較薄的外殼厚度加肋逐步變到突緣處，承受約106N的盾構(gòu)千斤頂頂力。 改善的方法是合理選擇管片型式，提高鋼模制作精度和管片混凝土強(qiáng)度。在拼裝管片時(shí)提高拼裝質(zhì)量。采用錯(cuò)縫拼裝也是較好的辦法。,管片壓漿因局部凝集在一個(gè)區(qū)域內(nèi)所造成的圓環(huán)變形和集中荷載 。 荷載大小難以確定，只能通過(guò)采用附加安全系數(shù)，以保證襯砌結(jié)構(gòu)的安全度。,3）特殊荷載階段,特殊荷載是一種瞬時(shí)性的，作用時(shí)間短的動(dòng)力荷載 ，往往是控制襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵， 在某些地區(qū)還要考慮地震力作用。 結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算一般可用等靜載法，按彈性或彈塑性工作階段進(jìn)行，結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算方法與只承受靜載的結(jié)構(gòu)相同。 并可適當(dāng)提高材料強(qiáng)度和降低強(qiáng)度安全系數(shù)。,4.1 襯砌內(nèi)力計(jì)算,1）自由變形的勻質(zhì)圓環(huán)計(jì)算 彈性中心法計(jì)算 由于結(jié)構(gòu)及荷載對(duì)稱(chēng)，拱頂剪力等于零，屬二次超靜定結(jié)構(gòu)。 力法方程為：,4 內(nèi)力計(jì)算與管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),推導(dǎo)過(guò)程,圓環(huán)中任意截面上的內(nèi)力可由下式得到：,設(shè)計(jì)時(shí)可直接利用這些公式，也可詳見(jiàn)有關(guān)表格。,2）考慮土層產(chǎn)生側(cè)向彈性抗力的勻質(zhì)圓環(huán)計(jì)算,當(dāng)外荷作用在隧道襯砌上，一部分襯砌向地層方向變形，使地層產(chǎn)生彈性抗力。 彈性抗力的分布規(guī)律很難確定，采用假定彈性抗力分布規(guī)律法，如日本的三角形分布，原蘇聯(lián)OE、布加耶娃的月牙形分布（水工隧洞中常常采用），以及二次、三次拋物線(xiàn)分布等方法。,（1）日本按三角形分布彈性抗力的方法,按溫克列爾局部變形理論，假定 土層側(cè)向彈性抗力PK=Ky。,實(shí)際變形量,圓環(huán)抗彎剛度,接頭剛度折減系數(shù)，取0.250.8。,K為地層側(cè)向壓縮系數(shù),（2）前蘇聯(lián)布加耶娃法,PK=-Kyacos2,PK=Kyasin2,+Kybcos2,起始位置,四個(gè)未知數(shù)x1、x2、ya和yb。,聯(lián)合四個(gè)方程，,其中，,各個(gè)截面上的M、N值為： Ma=Mq+MPK+x1-x2Rhcos Na=Nq+NPK+x2cos,方法：,常常將半個(gè)襯砌環(huán)分成九個(gè)截面，即八段：分別計(jì)算各點(diǎn)的彎矩和軸力。 內(nèi)力計(jì)算通過(guò)查工具表格分別計(jì)算土層壓力、水壓力和自重作用下的內(nèi)力然后疊加。,4.2 管片截面設(shè)計(jì),圓環(huán)屬于偏心受壓構(gòu)件(正、負(fù)彎矩、軸向力 )，它的斷面強(qiáng)度、配筋計(jì)算與裂縫寬度限制計(jì)算，按照鋼筋混凝土基本構(gòu)件計(jì)算。,1）管片縱向接縫計(jì)算,結(jié)構(gòu)破壞大都開(kāi)始于薄弱的接縫處。 （1）接縫張開(kāi)的驗(yàn)算,接縫處受到外荷后的應(yīng)力狀態(tài),由于拼裝螺栓預(yù)加應(yīng)力,4.3 接縫計(jì)算,上邊緣（外邊緣）可能受拉、可能受壓、也可能不受力，若受拉，則需考量涂料強(qiáng)度及變形能力。,（2）接縫強(qiáng)度計(jì)算,計(jì)算接縫強(qiáng)度時(shí)近似地把螺栓看作受拉鋼筋，并按鋼筋混凝土截面進(jìn)行計(jì)算； 一般先假定螺栓直徑、數(shù)量和位置，然后計(jì)算中和軸x，按偏心受壓構(gòu)件對(duì)接縫強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。,環(huán)向螺栓位置， 在只設(shè)單排螺栓時(shí)，其位置大致為管片厚度的1/3處； 設(shè)雙排螺栓時(shí)，內(nèi)外排螺栓的位置離管片同外二側(cè)各不小于100mm。,2) 管片環(huán)縫計(jì)算,環(huán)縫屬空間結(jié)構(gòu)，受力復(fù)雜，較難計(jì)算，故常按構(gòu)造要求設(shè)置。 縱向螺栓的選擇要確保環(huán)間聯(lián)接良好，并能將鄰環(huán)縱向接縫上的部分內(nèi)力傳到對(duì)應(yīng)的襯砌斷面上，使襯砌圓環(huán)能達(dá)一勻質(zhì)剛度的要求。 在縱向發(fā)生較大變形，管片環(huán)縫構(gòu)造設(shè)計(jì)和計(jì)算就是要滿(mǎn)足隧道在縱向具有足夠的抗彎強(qiáng)度。,襯砌內(nèi)力分析,地層結(jié)構(gòu)法（有限元法） 二維平面分析 三維空間分析 荷載結(jié)構(gòu)法 彈性均質(zhì)圓環(huán)法 彈性鉸接圓環(huán)法 日本修正慣用法,二維平面分析,三維空間分析,彈性均質(zhì)圓環(huán)法,彈性鉸