城市軌道交通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工之盾構(gòu)法隧道設(shè)計(jì)

1、城市軌道交通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工Structural Design and Construction of Urban Rail Transit主講：周順華 教授同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院第七章 盾構(gòu)法隧道設(shè)計(jì) 目 錄第一節(jié) 盾構(gòu)法隧道的基本原理第二節(jié) 盾構(gòu)法隧道襯砌結(jié)構(gòu)第三節(jié) 盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第四節(jié) 聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第五節(jié) 平板形鋼筋混凝土管片設(shè)計(jì)實(shí)例盾構(gòu)隧道的基本原理 盾構(gòu)法（Shield）隧道，是指在地表以下土層或松軟巖層中采用盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工的隧道，主要用于當(dāng)明挖隧道施工對城市生活干擾較大或隧道埋深、地質(zhì)條件不適合于用明挖法或其他方法建造隧道的情況，具有不影響地面交通、減少對附近居民的噪聲和振

2、動(dòng)影響、施工易于管理和施工不受風(fēng)雨等氣候條件影響等優(yōu)點(diǎn)。 盾構(gòu)法隧道是1823年由布魯諾爾首創(chuàng)于英國倫敦泰晤士河的水底隧道。經(jīng)過近二百年的發(fā)展，其施工機(jī)械和施工控制技術(shù)等越來越趨于成熟，已成為隧道建設(shè)特別是城市隧道建設(shè)中的主要施工方法。盾構(gòu)類型 為保證圍巖不發(fā)生坍塌失穩(wěn)或控制施工引起的周圍土體或建筑物的變形，盾構(gòu)法隧道施工過程中通過盾構(gòu)機(jī)體主動(dòng)控制圍巖的應(yīng)力釋放和變形，根據(jù)面板與前方土體的平衡形式的不同，可以分為不同平衡系統(tǒng)的盾構(gòu)機(jī)。 各種類型盾構(gòu)掘進(jìn)的支護(hù)面板盾構(gòu)隧道斷面形式就斷面型式而言，大部分盾構(gòu)法隧道的斷面型式為單圓形。 受城市既有地下構(gòu)筑物的限制及適應(yīng)不同工程的需要，近年來出現(xiàn)了雙圓

3、、三圓、矩形等多種斷面型式，相應(yīng)開發(fā)了雙圓、三圓、矩形、球型盾構(gòu)和子母盾構(gòu)等。第二節(jié) 盾構(gòu)法隧道襯砌結(jié)構(gòu)盾構(gòu)隧道襯砌是直接支撐地層，防止?jié)B漏，同時(shí)又能承受施工荷載的結(jié)構(gòu)。一次襯砌二次襯砌預(yù)制裝配式襯砌環(huán)的分塊與拼裝襯砌環(huán)分塊形式襯砌環(huán)的拼裝形式錯(cuò)縫拼裝通縫拼裝封頂塊的拼裝形式徑向插入型軸向插入型管片間及環(huán)間的連接柔性連接相鄰管片間產(chǎn)生微小的轉(zhuǎn)動(dòng)和壓縮，使襯砌環(huán)能按內(nèi)力分布狀態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)的變形，以改善襯砌環(huán)的受力狀態(tài)。剛性連接通過增加連接螺栓的排數(shù)，力圖在構(gòu)造上使接縫處的剛度與管片的剛度相同。管片種類及特點(diǎn)按截面形式分類箱型中子型平板型曲線地段或修正蛇行施工時(shí)用到的管片為楔形管片，楔形管片是具有錐

4、度的管片環(huán)，當(dāng)其寬度特別小呈窄板狀時(shí)稱為楔形墊板環(huán)。 種類特征鋼鐵管片混凝土類管片鋼管片球墨鑄鐵管片鋼筋混凝土（RC）管片復(fù)合型管片平板形中子形SC結(jié)構(gòu)SRC結(jié)構(gòu)特點(diǎn)重量輕、可以任意完整加固材料、中小盾構(gòu)使用較多強(qiáng)度好、耐久性好、制作精度高、重量輕、可用作特殊管片成本低、使用最多、耐久性好、可構(gòu)建實(shí)用、無障礙物襯砌混凝土和鋼板有效復(fù)合構(gòu)造，與鋼筋混凝土管片相比厚度小存在問題容易變形、耐腐蝕性差成本較高、焊接困難厚度較大、重量大、易損傷抗腐蝕性差、接頭構(gòu)造復(fù)雜實(shí)例用于小、中斷面。用于開口部位及小半徑曲線部位。用于中、大斷面。用于開口部位及小半徑曲線等特殊部位。用于中、大口徑斷面。用于中、大口徑斷

5、面。用于特殊部位。止水性接合精度高，止水性好結(jié)合處加工精度高，止水性好。如果考慮到接頭表面的制作精度，則止水性好截面變形量小，故止水性比較好。耐久性必須對板等采取防腐措施必須采取防腐措施當(dāng)雖有一定的耐久性（抗腐蝕性、耐熱性）必須對鋼板等采取防腐措施加工制作性加工場地較小、材質(zhì)均勻，成品可靠性好厚度受到限制、加工精度高、材質(zhì)均勻，成品可靠性好制作精度依靠模板精度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間長混凝土必須有養(yǎng)護(hù)時(shí)間。為了防止?jié)仓炷恋淖冃?，必須設(shè)簡易的構(gòu)件。施工性對于千斤頂?shù)耐屏?qiáng)度與剛度要求都比較小、不易損傷、焊接性好，現(xiàn)場維修及加固等容易。重量比較輕，不用擔(dān)心破損，搬運(yùn)及拼裝容易。對于千斤頂?shù)耐屏Γ蛴凶銐虻臄?/p>

6、面在抵抗，故易于確保承載力。在搬運(yùn)、拼裝及推進(jìn)時(shí)轉(zhuǎn)角處等有開裂或破損等。對于千斤頂?shù)耐屏?，有足夠的承載力。由于采用鋼管包覆，可以在搬運(yùn)、拼裝時(shí)不易產(chǎn)生缺損或損傷。接頭形式直螺栓直螺栓直螺栓直螺栓，曲螺栓、插頭、鉸接接頭直螺栓斷面形式箱型箱型箱型平板型平板型雙圓盾構(gòu)隧道的襯砌結(jié)構(gòu)橫向雙連形的MF盾構(gòu)施工法豎向雙連形的DOT施工法第三節(jié) 盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般原則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先應(yīng)確保隧道結(jié)構(gòu)的安全性，即能夠承受從開工到竣工后的長期使用荷載（靜、動(dòng)荷載）的作用，在施工和正常使用階段，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算，對于混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)進(jìn)行抗裂驗(yàn)算或裂縫寬度驗(yàn)算。管片設(shè)計(jì)時(shí)可將其視為單純承受彎矩、軸力及剪力的線性梁來

7、處理。為了取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，在工程地質(zhì)條件好、周圍土層能提供一定抗力的前提下，襯砌結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)得柔和一些，但圓襯砌環(huán)變形的大小對結(jié)構(gòu)受力、接縫張角、接縫防水和地表變形等均有影響，設(shè)計(jì)時(shí)需對襯砌結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行驗(yàn)算，作必要的控制。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)按照隧道的橫斷面及縱斷面方向分別進(jìn)行。通常情況下，按相對于橫斷面方向的設(shè)計(jì)來決定管片的斷面，根據(jù)地震及地基沉降的影響等來研究隧道縱斷面結(jié)構(gòu)的合理性。設(shè)計(jì)條件的設(shè)定荷載的計(jì)算構(gòu)件詳圖的設(shè)計(jì)對于特殊荷載的設(shè)計(jì)繪圖構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算截面內(nèi)力的計(jì)算彎矩及軸向力的單位應(yīng)力的計(jì)算 剪應(yīng)力的計(jì)算單位應(yīng)力的校核 管片的制作隧道的線性必要的內(nèi)空斷面土質(zhì)條件 管片的種類 管片的分塊數(shù)主

8、要荷載計(jì)算 附加荷載的計(jì)算荷載及結(jié)構(gòu)模型的選定慣用計(jì)算方法修正慣用計(jì)算方法梁彈性模型計(jì)算方法部分地基彈簧模型，全周地基彈簧模型管片主斷面的假定對于主要荷載的主斷面的單位應(yīng)力的校核對于主要荷載及附加荷載作用下的構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算接頭的計(jì)算（螺栓、接頭板、錨筋等）縱肋的計(jì)算地震的影響地基沉降的影響鄰接施工的影響對相鄰建（構(gòu)）筑物的影響注入孔吊具接頭角度錐形襯環(huán)nooknook荷載計(jì)算荷載分類主要荷載備注主荷載垂直和水平土壓力；水壓力；自重；上覆荷載的影響；地基反力設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的基本荷載附加荷載內(nèi)部荷載；施工荷載；地震影響施工中或竣工后的荷載，根據(jù)隧道用途、施工條件及周圍環(huán)境考慮的荷載特殊荷載并設(shè)隧道

9、的影響；臨近施工的影響；地基沉降的影響；其它荷載的影響考慮地層條件和隧道用途特殊性的荷載垂直土壓力上覆土厚度小于隧道外徑時(shí)，因地層無拱效應(yīng)，垂直土壓力為上覆土的水土重量。上覆土厚度大于隧道外徑時(shí)，應(yīng)根據(jù)地層性質(zhì)判斷其是否存在拱效應(yīng)，進(jìn)而決定是否采用松弛土壓力。松弛土壓力的計(jì)算方法一般采用太沙基公式式中： -Terzaghi的松動(dòng)土壓力；松弛層的換算高度；水平土壓力與垂直土壓力之比（一般取 =1）；土的內(nèi)摩擦角；上覆荷載；土的重度；土的粘聚力；但是，小于 時(shí)可使用下式： 水平土壓力作用于管環(huán)上的側(cè)面水平土壓力，可按下式估算： 式中：水平土壓力（KN/m2） 側(cè)向土壓系數(shù)（無量綱）， 可以考慮為靜

10、止土壓力、主動(dòng)土壓力或者按略小于靜止土壓力的值考慮；此外， 還與土質(zhì)、設(shè)計(jì)計(jì)算方法及施工方法有關(guān)，所以很難高精度設(shè)定 ；側(cè)向土壓力系數(shù)（ ）和地層反力系數(shù)（ K）土與水的考慮土的種類 K（kn/m3）N值得大致范圍土水分離非常密實(shí)的砂性土密實(shí)的砂性土松散的砂性土0.35-0.450.45-0.550.50-0.6030-5010-300-10固結(jié)粘性土硬的粘性土中硬粘性土0.35-0.450.45-0.550.50-0.6530-5010-300-10土水一體中硬粘性土軟粘土超軟粘土0.55-0.650.65-0.750.70-0.855-100-50- 自重荷載自重荷載是沿襯砌軸線分布的豎直

11、荷載，一次襯砌的自重荷載可按下式計(jì)算： 式中： 一次襯砌的自重單位長度襯砌的重力（KN/m）； 襯砌形心半徑（m）； 重力加速度（9.8/s2）； 一次襯砌的體密度（T/m3）上覆荷載地層反力施工荷載內(nèi)部荷載地震荷載 橫截面的結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算目前，單圓盾構(gòu)隧道有以下幾種管片環(huán)的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型及方法：不考慮管片接頭抗彎剛度降低，把管環(huán)視為具有和管片主截面同樣剛度EI，且剛度均勻的環(huán)，采用彈性勻質(zhì)圓環(huán)法或慣用計(jì)算法進(jìn)行計(jì)算；考慮管片接頭抗彎剛度降低，把管環(huán)視為是具有均勻抗彎剛度EI的環(huán)（4.518m荷載的計(jì)算土反力和位移 假定作用于兩側(cè)的水平土反力是隨著襯砌向地基內(nèi)位移產(chǎn)生的，在襯砌水平直徑的上下 中心

12、角范圍內(nèi)呈三角形（以水平直徑上的點(diǎn)為頂點(diǎn)）分布。水平直徑上點(diǎn)的土反力與襯砌向地基內(nèi)的水平位移成正比，考慮了土反力的位移 ：（7-29）式中： 土水壓力引起的 點(diǎn)位移； 土反力引起的與上述方向相反的 點(diǎn)位移0.00016374m作用于管片襯砌體的外荷載的計(jì)算土反力和位移土質(zhì)條件土反力荷載分布松動(dòng)高度管片環(huán)截面內(nèi)力計(jì)算管片的主截面管片環(huán)截面內(nèi)力計(jì)算外荷載在管片環(huán)上產(chǎn)生的截面力，采用常規(guī)計(jì)算法計(jì)算：（104N.m/m）（104N/m）（104N/m）00.65227.8000.000100.59627.906-0.393200.43928.202-0.705300.21228.636-0.87740

13、-0.03929.131-0.876500.26529.605-0.71260-0.42929.988-0.43670-0.50730.244-0.11880-0.49830.3780.16890-0.42030.4290.368100-0.30030.4250.4761100.16130.3880.500120-0.02630.5950.4491300.08730.3650.3461400.16830.4140.2261500.21530.5010.1171600.23730.5990.0431700.24330.6760.0091800.24430.705-0.000截面內(nèi)力的計(jì)算最大截面力一覽表（104 Nm/m ）主體應(yīng)力承受正彎矩和軸向力應(yīng)力分布（正彎矩）管片接頭螺栓的設(shè)計(jì) 假設(shè)單塊管片的阻力矩（絕對值得最小值）的60%以上為管片街頭的容許阻力矩。單塊管片的阻力矩中心軸的位置：3.711cm管片的接頭參數(shù)混凝土應(yīng)力達(dá)容許應(yīng)力 15MPa時(shí)的力矩：2.224104N.m/環(huán)鋼筋應(yīng)力達(dá)容許應(yīng)力c時(shí)的容許阻力矩為：1.387104N.m/環(huán)由于則 ，單快管片的容許阻力矩為：1.387104N.m管片接頭螺栓的設(shè)計(jì)管片接頭的容許彎矩中心軸的位置：3.011cm接頭的容許彎矩為管片的容許彎矩的60%