襯砌與管片設(shè)計PPT課件

1、 因為圓形隧道襯砌斷面有以下優(yōu)點： （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。 （3）便于管片的制作、拼裝。 （4）盾構(gòu)即使發(fā)生轉(zhuǎn)動，對斷面的利用也毫無妨礙。第1頁/共64頁 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影響及盾構(gòu)施工偏差和隧道不均勻沉降來決定。對于地鐵，為了確保列車安全運行，凡接近地鐵線路的各種建筑物（隧道襯砌、站臺）及設(shè)備、管線，必須與線路保持一定距離。第2頁/共64頁 因此，應(yīng)根據(jù)線路上運行的車輛在橫斷面上所占有的一定空

2、間，正確決定內(nèi)部使用限界。 1.車輛限界車輛限界是在平、直線路上運行中的車輛可能達到的最大運動包跡線，就是車輛在運行中橫斷面的極限位置，車輛任何部分都不得超出這個限界。第3頁/共64頁 2.建筑限界建筑限界是決定隧道內(nèi)輪廓尺寸的依據(jù)，是在車輛限界以外一個形狀類似的限界。任何固定的結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管線都不得侵入這個限界以內(nèi)。建筑限界是由車輛限界外增加適量安全間隙來求得的，其值一般為150200mm。第4頁/共64頁 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、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，造價貴

3、，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、滲漏情況第5頁/共64頁 所以只有當隧道功能有特殊要求時，才選用雙層襯砌。 通常在滿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單，工程施工周期短，節(jié)省投資。第6頁/共64頁 四、襯砌分類 1.鑄鐵管片鑄鐵管片強度高，易鑄成薄壁結(jié)構(gòu)，管片重量輕，搬運安裝方便，管片精度高外形準確，防水性能好。但加工設(shè)備要求高，造價大。該管片需翻砂成型后用大型金屬切削機械加工。第7頁/共64頁 2.鋼管片主要用型鋼或鋼板焊接加工而成，其強度高、延性好、運輸安裝方便，精度稍低于鑄鐵管片。但在施工應(yīng)力作用

4、下易變形，在地層內(nèi)也易銹蝕。第8頁/共64頁 3.鋼筋混凝土管片該種材料制作而成的管片有一定強度，加工制作比較容易，耐腐蝕，造價低，是最常用的管片形式。但較笨重，在運輸、安裝施工工程中易損壞。第9頁/共64頁 4.擠壓混凝土襯砌這是一類新工藝，盾尾后部設(shè)有相連接的滑模臺車，盾構(gòu)推進時混凝土泵同時向盾尾連續(xù)壓注混凝土，形成襯砌，并兼作盾構(gòu)推進的后座。這類襯砌的施工速度比拼裝襯砌快，防水效果更好，造價也低。第10頁/共64頁第11頁/共64頁第12頁/共64頁第13頁/共64頁第14頁/共64頁 五、襯砌防水問題 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現(xiàn)。鋼筋混凝

5、土管片的抗?jié)B等級應(yīng)根據(jù)隧道埋深及地下水壓力確定第15頁/共64頁 混凝土級配需選用干硬性密實級配，且可摻入塑化劑，調(diào)整級配，增加混凝土的和易性，嚴格控制水灰比，一般不大于0.4。澆筑、養(yǎng)護、堆放和運輸中應(yīng)嚴格執(zhí)行質(zhì)量管理。近年來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。 第16頁/共64頁 2、拼裝接縫防水a(chǎn).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、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)。第17頁/共64頁 b.嵌縫防水嵌縫

6、防水作業(yè)一般在管片拼裝完成和變形已達到相對穩(wěn)定時進行。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。第18頁/共64頁 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。常見的做法是在螺栓上穿上由合成樹脂或合成橡膠類材料制作的圓環(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。第19頁/共64頁2 襯砌拼裝n隧道襯砌是在盾構(gòu)尾部殼保護下的空間內(nèi)進行拼裝。 n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。n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

7、定其拼裝方法。第20頁/共64頁 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)對齊）或錯縫拼裝 ； 螺栓聯(lián)結(jié)的管片或無螺栓聯(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)。 第21頁/共64頁裝配式圓形襯砌構(gòu)造 “管片”是建成隧道后的永久性支撐結(jié)構(gòu)，應(yīng)滿足強度要求、使用要求； 施工階段須裝配簡便、容易替換、承受盾構(gòu)千斤頂頂力及其它施工荷載。第22頁/共64頁箱形管片 第23頁/共64頁平板形管片 第24頁/共64頁 帶肋管片的材料 長期以來多為鑄鐵和鋼。 第25頁/共64頁環(huán)寬與厚度 國內(nèi)外常用的環(huán)寬是75

8、01000m； 曲線段推進時設(shè)有楔形管片，按隧道曲率半徑計算； 管片厚度一般為250600mm。 第26頁/共64頁分塊 大斷面隧道可分成6810塊，小斷面可分為46塊。 管片的最大弧長一般不超過4 m，管片愈薄其長度應(yīng)越短。 第27頁/共64頁拼裝型式 通縫、錯縫 縱縫環(huán)環(huán)對齊的稱通縫，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，以便于進行結(jié)構(gòu)處理。 縱縫互相錯開，對稱錯縫，其優(yōu)點在于能加強圓環(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，缺點是錯縫拼裝容易使管片頂碎。第28頁/共64頁環(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

9、栓抵抗負彎矩，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個螺栓。 螺栓材料一般采用高強度合金鋼，直螺栓 。第29頁/共64頁3 盾構(gòu)襯砌的荷載計算方法n3.1 設(shè)計原則n隧道襯砌費用占40%50%，安全可靠、經(jīng)濟合理 。n重點介紹裝配式鋼筋混凝土管片 。第30頁/共64頁1）.滿足結(jié)構(gòu)的強度和剛度 土層壓力、水壓力以及特殊荷載，按梁式模型計算埋在土中圓環(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算，同時按使用階段與特殊荷載階段組合情況下的管片強度驗算

10、 。 覆土最淺處：斷面僅進行使用階段和特殊荷載階段組合情況下的管強度驗算。第31頁/共64頁2）.滿足所提出的安全質(zhì)量指標要求 裂縫開展寬度，接縫變形和直徑變形的允許量，隧道抗?jié)B防漏指標，結(jié)構(gòu)安全度，襯砌內(nèi)表面平整度要求 ，滿足使用要求的工作環(huán)境，保持隧道內(nèi)部的干燥和潔凈。 第32頁/共64頁3.2 內(nèi)力計算法 飽和含水地層中 ，因內(nèi)擦角值很小，主動與被動土壓力幾乎是相等，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.第33頁/共64頁剛度折減 采用錯縫拼裝和通縫拼裝，接縫處的剛度遠遠小于斷面部分的剛度，與整體式

11、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)的計算方法誤差可以接受。 第34頁/共64頁特殊情況下： 當土層較好，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)進行內(nèi)力計算。 常用的有日本的和蘇聯(lián)的假定抗力法等。 第35頁/共64頁多鉸圓環(huán)方法 將接縫看作為一個“鉸”，整個圓環(huán)變成一個多鉸圓環(huán)。 連接方法由剛 性連接向柔性連接過渡。 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)。 第36頁/共6

12、4頁多鉸圓環(huán)計算圖式第37頁/共64頁3.3 荷載計算 基本荷載（基本使用階段）、臨時荷載（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）襯砌自重第38頁/共64頁11uiiiqh豎向土壓 拱背土壓 (104N/m)2222222()2(1)0.4344HHHhRqRRR地面超載 q3 =1(104N/m) （日本資料）（當隧道埋深較淺時）拱背土壓第39頁/共64頁4(1cos )(10)wwHqHRN水平荷重：即地層側(cè)向主動土壓，由均勻土壓p1和三角形土壓p2組成 :211242(45)2(45)222(45)(10)2HPq tgctgP

13、R tgN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 4(10)wwqHHN4(2)2(10)wwHHqHRHRN第40頁/共64頁水壓力的疊加第41頁/共64頁襯砌自重 (104N/m)40.2146(10/)2kHHpqgRRN mRcg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第42頁/共64頁2）施工階段臨時荷載(1) 自重引起的臨時荷載 臨時荷載隨盾構(gòu)推進所產(chǎn)生，一般來自千斤頂頂力和壁后注漿壓力。 圓形隧道襯砌在到達基本使用階段前，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，不能超過容許值。 第43頁

14、/共64頁 由下向上裝配的襯砌環(huán) ，拱頂截面產(chǎn)生內(nèi)力最大 ：(1cos )1.5sin2 sinHWRM0.5sincos2 sinWN支承弧面所對應(yīng)的中心角1米寬襯砌自重襯砌內(nèi)徑第44頁/共64頁（2）管片拼裝及盾構(gòu)推進引起的臨時集中荷載 拼裝成環(huán)時，管片制作精度不高，端面不平，擰緊螺栓時往往使管片局部產(chǎn)生較大的應(yīng)力，導(dǎo)致管片開裂。 或因拼裝管片誤差累計，當盾構(gòu)千斤頂施加在環(huán)縫面上，特別是偏心作用時，也會使管片頂裂、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度。在拼裝管片時提高拼裝質(zhì)量。采

15、用錯縫拼裝也是較好的辦法。第45頁/共64頁 管片壓漿因局部凝集在一個區(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，只能通過采用附加安全系數(shù)，以保證襯砌結(jié)構(gòu)的安全度。第46頁/共64頁3）特殊荷載階段 特殊荷載是一種瞬時性的，作用時間短的動力荷載 ，往往是控制襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵， 在某些地區(qū)還要考慮地震力作用。 結(jié)構(gòu)動力計算一般可用等靜載法，按彈性或彈塑性工作階段進行，結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算方法與只承受靜載的結(jié)構(gòu)相同。 并可適當提高材料強度和降低強度安全系數(shù)。 第47頁/共64頁4.1 襯砌內(nèi)力計算1）自由變形的勻質(zhì)圓環(huán)計算 彈性中心法計算 由于結(jié)構(gòu)及荷載對稱，拱頂剪力等于零，屬二次超靜定結(jié)構(gòu)

16、。 力法方程為： 11 1122220 x + =0ppx4 內(nèi)力計算與管片結(jié)構(gòu)設(shè)計第48頁/共64頁推導(dǎo)過程2111003222220011(cos )ssrM dsrdEJEIrM dsrrdEIEI102201pPpPM rdEIrM rdEI010202230221cos2cos2PPPpPM dEIxM drEIrMdEIxMdrrrEI 第49頁/共64頁圓環(huán)中任意截面上的內(nèi)力可由下式得到： 設(shè)計時可直接利用這些公式，也可詳見有關(guān)表格。 PMrxxMcos21cos2XNNP第50頁/共64頁2）考慮土層產(chǎn)生側(cè)向彈性抗力的勻質(zhì)圓環(huán)計算 當外荷作用在隧道襯砌上，一部分襯砌向地層方向變

17、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、三次拋物線分布等方法。第51頁/共64頁（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。4124(2)24(0.0454HHqPPg RyEIKR實際變形量 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) 第52頁/共64頁（2）前蘇聯(lián)布加耶娃法24PK=-Kyacos22PK=Kyasin2+Kybcos2起始位置第53頁/共64頁四個未知數(shù)x1、x2、ya

18、和yb。11111K22222Kak1122x+ + P =0 x+ q+ P =0y = q+P0aaqxxy2cos1ay222cossinbayy聯(lián)合四個方程，其中，第54頁/共64頁 各個截面上的M、N值為：Ma=Mq+MPK+x1-x2RhcosNa=Nq+NPK+x2cos第55頁/共64頁方法： 常常將半個襯砌環(huán)分成九個截面，即八段：分別計算各點的彎矩和軸力。 內(nèi)力計算通過查工具表格分別計算土層壓力、水壓力和自重作用下的內(nèi)力然后疊加。第56頁/共64頁4.2 管片截面設(shè)計 圓環(huán)屬于偏心受壓構(gòu)件(正、負彎矩、軸向力 )，它的斷面強度、配筋計算與裂縫寬度限制計算，按照鋼筋混凝土基本構(gòu)件