畢業(yè)設(shè)計(jì) 盾構(gòu)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)_圖文

1、本 科 生 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 中文題目:北京地鐵六號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)英文題目 : The Tunnel Structure Design of Shield Interval of BeijingMetro姓 名:學(xué) 號(hào):學(xué) 院:專 業(yè):班 級(jí):指導(dǎo)教師:職 稱:完成日期: 2010 年 1 月 10 日1 工程概況北京地鐵十號(hào)線二期工程 17標(biāo)盾構(gòu)井終點(diǎn)段工程分別采用礦山及 明挖施工,采用明挖施工(含人防防護(hù)單元 ,長(zhǎng) 29.6m ;部分采用礦山法 施工,長(zhǎng)約 110m ,終點(diǎn) 25m 暗挖段初支已施做,后采用盾構(gòu)法施工。 由于本區(qū)間與 10號(hào)線一期起點(diǎn)相接, 導(dǎo)致區(qū)間工法比較

2、復(fù)雜。 根據(jù)業(yè) 主提供的資料,一期起點(diǎn)巴溝站區(qū)間發(fā)生過(guò)變更,變更后的區(qū)間長(zhǎng)度比 原設(shè)計(jì)縮短了 50m ,在原設(shè)計(jì)中此 50m 范圍內(nèi)區(qū)間線路為直線段,雙連拱 結(jié)構(gòu),采用暗挖中洞法施工。二期火器營(yíng)站終點(diǎn)區(qū)間應(yīng)與變更后的一期 區(qū)間起點(diǎn)相接,經(jīng)調(diào)查,根據(jù)一期起點(diǎn)萬(wàn)柳站(巴溝站區(qū)間的施工資 料得知:此段區(qū)間變更縮短的 50m 中導(dǎo)洞、中隔墻施工完畢,兩側(cè)洞亦施 工 32.2m 。 若將 10號(hào)線二期區(qū)間與一期起點(diǎn)相接, 二期線路必須設(shè)計(jì)成半 徑 R=300m的曲線, 經(jīng)限界專業(yè)核實(shí), 一期施工的部分結(jié)構(gòu)已不滿足二期曲 線隧道限界要求,須將已施工的直線段結(jié)構(gòu)斷面擴(kuò)大,而采用礦山法擴(kuò)大 既有結(jié)構(gòu)斷面,無(wú)論

3、工程造價(jià)和施工風(fēng)險(xiǎn)都比較大,考慮到此段區(qū)間場(chǎng)地 現(xiàn)狀為大片空地,具備明挖條件,故將不滿足限界的區(qū)段采用明挖施工, 在基坑內(nèi)鑿除侵限結(jié)構(gòu)后重新施做。表 1.1 工程概況明細(xì)表 2 1.1 風(fēng)險(xiǎn)源分級(jí)1.1.1 自身風(fēng)險(xiǎn)工程 3 1.1.2 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)工程 1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件1.2.1 地質(zhì)概況根據(jù)北京地鐵十號(hào)線二期工程火器營(yíng)站終點(diǎn)區(qū)間巖土工程詳細(xì)勘 察報(bào)告 , 本場(chǎng)地除表層人工填土外, 勘察深度范圍內(nèi)巖土以第四紀(jì)沉積物 為主,根據(jù)鉆探資料及室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果,按地層沉積年代、成因類型, 將本工程場(chǎng)地勘探范圍內(nèi)的上層劃分為人工堆積層、新近沉積地層、第四 紀(jì)全新世沖洪積層、第四紀(jì)晚更新世沖洪

4、積層 4個(gè)大層,按地層巖性及其4物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)步劃分為 7個(gè)巖上分層,各上層的巖土工程特征描述見表 1.2。表 1.2 巖土性質(zhì)參數(shù)表 1.2.2水文地質(zhì)根據(jù)北京地鐵十號(hào)線二期工程火器營(yíng)站終點(diǎn)區(qū)間巖土工程詳細(xì)勘 察報(bào)告 ,本次勘察(2008年 5月根據(jù)本區(qū)間長(zhǎng)期觀測(cè)孔及相鄰火器營(yíng) 車站地下水觀測(cè)情況,本區(qū)間主要分布層間水,含水層為卵石層,水位 埋深為 29.5 m,水位標(biāo)高為 2l.8m ,觀測(cè)時(shí)間為 2008年 5月 10日,主要 接受大氣降水、主要以蒸發(fā)及越流補(bǔ)給下層地下水的方式排泄?？紤]到線 路沿線的管道漏水及綠化灌溉等因素,不排除局部存在上層滯水。隧道埋置較深,底部位于土層中,本次勘察

5、在該隔水層上未發(fā)現(xiàn)地 下水, 但濕度較大, 且在初步勘察階段 (2007年 9月 火器營(yíng)站以南卵石圓5礫層底部是含水的,為潛水(二 ,水位標(biāo)高 30.26-31.94m ,水量較小, 考慮到本次勘察時(shí)為枯水期,季節(jié)降水會(huì)導(dǎo)致地下水位的動(dòng)態(tài)變化,豐水 期該隔水層上可能存在地下水。按類環(huán)境類型、微凍地段考慮;本場(chǎng)地引水渠河水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú) 腐蝕性,在干濕交替環(huán)境及在長(zhǎng)期浸水的環(huán)境下對(duì)鋼筋混凝土中的鋼筋均 無(wú)腐蝕性,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性,綜合評(píng)價(jià)為弱腐蝕性;潛水對(duì)混凝土結(jié) 構(gòu)無(wú)腐蝕性,在干濕交替環(huán)境下對(duì)鋼筋混凝土中的鋼筋弱腐蝕性,在長(zhǎng)期 浸水的環(huán)境下對(duì)鋼筋混凝土中的鋼筋無(wú)腐蝕性,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性,綜

6、 合評(píng)價(jià)為弱腐蝕性。2. 盾構(gòu)法施工2.1. 盾構(gòu)法概況盾構(gòu)法 是暗挖隧道的專用機(jī)械在地面以下建造隧道的一種施工方法。 盾構(gòu)是與隧道形狀一致的盾構(gòu)外殼內(nèi),裝備著推進(jìn)機(jī)構(gòu)、擋土機(jī)構(gòu)、出土 運(yùn)輸機(jī)構(gòu)、 安裝襯砌機(jī)構(gòu)等部件的隧道開挖專用機(jī)械。 采用此法建造隧道, 其埋設(shè)深度可以很深而不受地面建筑物和交通的限制。近年來(lái)由于盾構(gòu)法 在施工技術(shù)上的不斷改進(jìn),機(jī)械化程度越來(lái)越強(qiáng),對(duì)地層的適應(yīng)性也越來(lái) 越好。城市市區(qū)建筑公用設(shè)施密集,交通繁忙,明挖隧道施工對(duì)城市生活 干擾嚴(yán)重,特別在市中心,若隧道埋深較大,地質(zhì)又復(fù)雜時(shí),用明挖法建 造隧道則很難實(shí)現(xiàn)。而盾構(gòu)法施工城市地下鐵道、上下水道、電力通訊、 市政公用設(shè)施

7、等各種隧道具有明顯優(yōu)點(diǎn)。此外,在建造水下公路和鐵路隧 道或水工隧道中,盾構(gòu)法也往往以其經(jīng)濟(jì)合理而得到采用。盾構(gòu)法是一項(xiàng)綜合性的施工技術(shù)。 盾構(gòu)法施工的概貌如下圖所示。 構(gòu) 成盾構(gòu)法的主要內(nèi)容是 :先在隧道某段的一端建造豎井或基坑,以供盾構(gòu) 安裝就位。盾構(gòu)從豎井或基坑的墻壁預(yù)留孔處出發(fā),在地層中沿著設(shè)計(jì)軸 線,向另一豎井或基坑的設(shè)計(jì)預(yù)留孔洞推進(jìn)。盾構(gòu)推進(jìn)中所受到的地層阻 力,通過(guò)盾構(gòu)千斤頂傳至盾構(gòu)尾部已拼裝的預(yù)制襯砌,再傳到豎井或基坑 的后靠壁上。盾構(gòu)是一個(gè)能支承地層壓力,又能在地層中推進(jìn)的圓形、矩 形、馬蹄形及其他特殊形狀的鋼筒結(jié)構(gòu),其直徑稍大于隧道襯砌的直徑, 在鋼筒的前面設(shè)置各種類型的支撐

8、和開挖土體的裝置,在鋼筒中段周圈內(nèi)安裝頂進(jìn)所需的千斤頂,鋼筒尾部是具有一定空間的殼體,在盾尾內(nèi)可以 安置數(shù)環(huán)拼成的隧道襯砌環(huán)。盾構(gòu)每推進(jìn)一環(huán)距離,就在盾尾支護(hù)下拼裝 一環(huán)襯砌,并及時(shí)向盾尾后面的襯砌環(huán)外周的空隙中壓注漿體,以防止隧 道及地面下沉,在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中不斷從開挖面排出適量的土方。盾構(gòu)法施工概貌示意圖1盾構(gòu); 2盾構(gòu)千斤頂; 3盾構(gòu)正面網(wǎng)格; 4一一出土轉(zhuǎn)盤; 5-一出土皮帶運(yùn)輸機(jī); 6管片拼裝機(jī); 7管片; 8壓漿泵; 9-一壓漿孔; 10出土機(jī); 11由管片組成的隧道襯砌結(jié)構(gòu); 12在盾尾空隙中的壓漿; 13后盾裝置; 14豎井盾構(gòu)是進(jìn)行土方開挖正面支護(hù)和隧道襯砌結(jié)構(gòu)安裝的施工機(jī)具

9、,它還 需要其它施工技術(shù)密切配合才能順利施工。主要有:地下水的降低;穩(wěn)定 地層、防止隧道及地面沉陷的土壤加固措施;隧道襯砌結(jié)構(gòu)的制造;地層 的開挖;隧道內(nèi)的運(yùn)輸;襯砌與地層間的充填;襯砌的防水與堵漏;開挖 土方的運(yùn)輸及處理方法; 配合施工的測(cè)量、 監(jiān)測(cè)技術(shù); 合理的施工布置等。 此外,采用氣壓法施工時(shí),還涉及到醫(yī)學(xué)上的一些問題和防護(hù)措施等。 2.2盾構(gòu)機(jī)的種類及選型 2.2.1盾構(gòu)種類盾構(gòu)機(jī)是盾構(gòu)法施工的主要機(jī)械, 按開挖面與作業(yè)室之間隔墻構(gòu)造可分 為全開敞式、半開敞式及密封式 3種。全開敞式。 是指沒有隔墻和大部分開挖面呈敞露狀態(tài)的盾構(gòu)機(jī)。根據(jù) 開挖方式不同,又分成手掘式、半機(jī)械式及機(jī)械式

10、3種。這種盾構(gòu)機(jī)適用 于開挖面自穩(wěn)性好的圍巖。在開挖面不能自穩(wěn)的地層施工時(shí),需要結(jié)合使 用壓氣施工法等輔助施工法,以防止開挖面坍塌。半開敞式。 是指擠壓式盾構(gòu)機(jī),這種盾構(gòu)機(jī)的特點(diǎn)是在隔墻的某處設(shè) 置可調(diào)節(jié)開口面積的排土口。密封式。 是指在機(jī)械開挖式盾構(gòu)機(jī)內(nèi)設(shè)置隔墻,將開挖土砂送入開挖 面和隔墻間的刀盤腔內(nèi),由泥水壓力和土壓提供足以使開挖面保持穩(wěn)定的 壓力。密封式盾構(gòu)機(jī)又分成泥水式盾構(gòu)機(jī)和土壓式盾構(gòu)機(jī)。2.2.2盾構(gòu)選型盾構(gòu)選型應(yīng)考慮的三個(gè)重要參數(shù)稠度指標(biāo) Ic 、滲透系數(shù) k 和容重 r 敞開式適合于穩(wěn)定地層,無(wú)地下水的地質(zhì)條件且對(duì)地表沉降的要求不高情況下 (2m對(duì)于土壓平衡盾構(gòu)或泥水平衡盾構(gòu)

11、則需要考慮諸多因素的復(fù)合作用, 尤其是法劍地層條件下盾構(gòu)機(jī)選型問題,需要特別值得重視混合地層是提:土和砂礫石的混合,土巖石混合或者巖石強(qiáng)度差別很 大的隧道斷面并伴有地下水存在情況2.3. 襯砌管片隧道是由預(yù)制管片逐環(huán)連接形成的,管片是在盾殼保護(hù)下,并在其空 間內(nèi)進(jìn)行拼裝。管片的類型主要有球墨鑄鐵管片、鋼管片、復(fù)合管片和鋼 筋混凝土管片,每環(huán)有數(shù)塊組合而成。2.3.1裝配式襯砌(管片的類型、特點(diǎn)管片型式可從結(jié)構(gòu)層數(shù)、 成環(huán)形式、 制作的材料、 每環(huán)塊數(shù)來(lái)分為各種不 同的管片型式,球墨鑄鐵管片球墨鑄鐵管片強(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

12、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。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 度稍低于球墨鑄鐵管片, 但在施工應(yīng)力作用下易變形, 在地層內(nèi)也易銹蝕。 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、安裝施工過(guò)程中易損壞。 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(tái)車,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。這類襯砌的施工 速度比拼裝襯砌快,防水效果更好,造價(jià)也低。2.4盾構(gòu)法施工隧道優(yōu)點(diǎn):不受地面建筑物和交通的限制,

13、 設(shè)計(jì)隧道走向時(shí)有較大的自由度; 最適用在地下較深處建造隧道;適應(yīng)性強(qiáng),通過(guò)選用合適的型式的盾構(gòu),可在不同地質(zhì)及水文條 件下建造隧道;盾構(gòu)法施工機(jī)械化程度高,涉及到的施工技術(shù)范圍廣。3.盾構(gòu)法隧道的力學(xué)原理3.1荷載根據(jù)國(guó)際隧道協(xié)會(huì) (ITA 在 2000 年公布的 盾構(gòu)法隧道襯砌設(shè)計(jì)指南 ,將盾構(gòu)隧道所受荷載共分為三類 :1. 主要荷載必須經(jīng)?？紤]的荷載,包括豎向與水平土壓力、水壓力、自重(靜載、 超載(地面荷載、地基反力。2. 次要荷載 必要時(shí)考慮的荷載,包括內(nèi)部荷載、施工期荷載、地震效應(yīng)。對(duì)施工階段的荷載,指南中詳細(xì)規(guī)定有以下幾種:千斤頂推力:考慮到千斤頂壓力的偏心作用 , 應(yīng)計(jì)算由此產(chǎn)

14、生的彎矩 和剪刀; 管片運(yùn)輸與安裝時(shí)的荷載; 回填注漿壓力; 管片裝配荷載; 其它荷載,如車輛的荷載、千斤頂壓力變化,刀盤扭 盾構(gòu)受力簡(jiǎn)圖 3. 特殊荷載相鄰隧道的影響、地基沉陷的影響和其他荷載。襯砌的設(shè)計(jì)不僅應(yīng)滿足隧道投入使用后,而且必須滿足施工過(guò)程中的安全 性和功能的要求。從這一點(diǎn)出發(fā),上述三類荷載須進(jìn)行最不利情況的組合。3.1.1垂直與水平土壓力1. 土壓力分布作用在襯砌上的土壓力分布是復(fù)雜的,對(duì)其進(jìn)行正確的推斷較為困難。通 常情況,作用在隧道頂部的垂直土壓力假設(shè)為均布荷載;作用在隧道兩側(cè)的水平土壓力假 設(shè)為分布荷載,也可作為均布荷載或五邊形分布荷載。2. 水的影響計(jì)算土壓力時(shí),對(duì)于水的

15、影響應(yīng)根據(jù)圍巖條件,采用以下兩種方法。 一種 是將土壓與水壓分開的計(jì)算方法(土水分算, 另一種 是將水壓作為土壓 的一部分進(jìn)行計(jì)算的方法(土水合算。一般在砂性土地層中,認(rèn)為土壓 和水壓是分別作用于管片的,采用土水分離計(jì)算。而在粘性土地層中,土 壓和水壓可認(rèn)為是相互間成為一體作用于管片的,采用土水一體計(jì)算。 3. 垂直土壓力計(jì)算地層壓力是地下結(jié)構(gòu)所承受的主要荷載。在土質(zhì)地層中,地層壓力即為土 壓力。由于影響地層壓力分布、大小和性質(zhì)的因素很多,要確定它是很困難的。國(guó)際上目 前存在松動(dòng)壓力理論、形變壓力理論等地層壓力理論。松動(dòng)壓力理論包括 土柱理論和壓力拱理論。土柱理論比較適合于埋置較淺的隧道由于盾

16、尾空 隙或襯砌位移而引起隧道頂部上覆土柱的個(gè)沉,兩側(cè)地層對(duì)柱體產(chǎn)生與下 沉反向的摩擦力,故上覆土層重量減去土柱兩側(cè)的摩擦力即為地層壓力。 在較差的地層中,該摩擦刀習(xí)慣上假定為零。壓力拱理論適合于埋置較深 的隧道。頂部土體失去穩(wěn)定產(chǎn)生坍塌而形成不延向地表的局部破裂區(qū),該 區(qū)內(nèi)的土體作自重即為作用在隧道襯砌上的荷載。破裂區(qū)上部邊界線有拋 物線、橢圓、半圓和三角形等不同的假定。由地層變形而引起的壓力稱形 變壓力。 形變壓力理論屬于彈塑性理能的范疇。 它認(rèn)為地層中開挖圓孔后, 邊界上徑向應(yīng)力消失, 而切向應(yīng)力增大, 此應(yīng)力差值會(huì)引起土體剪切破壞, 隧道周圍出現(xiàn)塑性區(qū),即低應(yīng)力區(qū)。塑性圓環(huán)外面則仍屬?gòu)検?/p>

17、區(qū),為高應(yīng) 力區(qū)的承載環(huán)。隧道襯砌和地層間的接觸應(yīng)力即為地層壓力值。地層位移 后會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的剪力,而把重力傳到更遠(yuǎn)的地層中去,這樣會(huì)減小傳給襯 砌的垂直荷載。對(duì)于上述地層壓力計(jì)算理論,由于地質(zhì)組成和土體參數(shù)的 不易準(zhǔn)確確定,實(shí)際應(yīng)用時(shí)仍會(huì)受到一定限制?？偟膩?lái)說(shuō),它們?cè)诳紤]地 層壓力的影響因素時(shí)還不夠全面。當(dāng)采用松動(dòng)理論考慮作用于隧道上的土 壓力時(shí),如果覆土厚度小于兩倍隧道外徑,一般不考慮地基的拱效應(yīng)。當(dāng) 覆土厚度大于兩倍隧道外徑時(shí),地基產(chǎn)生拱效應(yīng)的可能性比較可靠,應(yīng)考 慮使用松弛土壓力。4、水平土壓力水平土壓力為作用在襯砌兩側(cè),并沿其斷面圓周的直徑水平作用的荷載。 其分布形式主要有三種方式,但

18、實(shí)際應(yīng)用中多采用梯形分布,它是作用在 襯砌形心線上自拱頂至隧底的均勻變化荷載,大小根據(jù)垂直土壓力與側(cè)向 土壓力系數(shù)來(lái)計(jì)算。側(cè)向土壓力系數(shù)直接影響到側(cè)向土壓力的大小,而側(cè)向土壓力的取值 對(duì)內(nèi)力結(jié)果的影響較大。側(cè)向土壓力系數(shù)應(yīng)在靜止土壓力系數(shù)和主動(dòng)土壓 力系數(shù)之間3.1.2水壓力一般情況下,作用在襯砌上的水壓力采用靜水壓力。有時(shí)為了簡(jiǎn)化計(jì)算, 對(duì)于水的分步形式和大小按土壓力那樣確定。 將豎向水壓力作為勻布荷載, 作用在拱頂?shù)乃畨毫Φ扔谧饔迷谝r砌頂點(diǎn)的靜水壓力值,作用于底部的水 壓力等于作用在襯砌最低點(diǎn)上的靜水壓力。水平方向水壓力為拱頂至隧底 均勻變化的水平荷載,其值分別與拱頂和拱底處的靜水壓力相等

19、。水壓力的計(jì)算只適用于水土分離計(jì)算的情況。一般來(lái)說(shuō),對(duì)于隧道開挖而 去掉的水的重量, 偏于安全的設(shè)計(jì)是將垂直水壓力的差作為浮力處理。 在覆土厚度小、地下水位高以及地震時(shí)容易發(fā)生液化的地基中,當(dāng)作用于 襯砌頂部的垂直荷載(除調(diào)水壓力與襯砌自重的和小于浮力時(shí),頂部地 層會(huì)產(chǎn)生抗力,以抵抗浮力的作用,。如果上部地層難以產(chǎn)生與浮力相當(dāng) 的抗力時(shí),隧道會(huì)上浮,此時(shí)可用二次襯砌或在地面加重處理。另外,采 用較高的水位并不等于偏于安全的設(shè)計(jì),相反,采用較低的水位往往會(huì)得 到安全的設(shè)計(jì)。3.1.3 自重管片的自重 g 是沿管片的計(jì)算半徑分布的,其作用方向垂直向下,自重所 產(chǎn)生的彎矩一般約占總彎矩的 20%。管片的自重根據(jù)下式計(jì)算:g=W/2Rc其中:g 自重W 襯砌管片縱向每延米重量Rc 管片計(jì)算半徑3.1.4 地基抗力對(duì)土層