盾構(gòu)法隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì))課件

第四章盾構(gòu)法隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)）主講：孟杏微本章重點(diǎn)、難點(diǎn)：1、盾構(gòu)法襯砌設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容；2、盾構(gòu)隧道襯砌設(shè)計(jì)荷載；2010-05-282可編輯課件PPT2010-05-283可編輯課件PPT2010-05-284可編輯課件PPT

盾構(gòu)法開挖隧道通常適用于軟土而不是巖石中。相關(guān)襯砌參數(shù)，如材料的尺寸及強(qiáng)度不僅取決于地層情況，也取決于施工狀況。實(shí)際應(yīng)用中，盾構(gòu)法襯砌設(shè)計(jì)需要許多施工經(jīng)驗(yàn)和理論知識(shí)。

4.1盾構(gòu)法概述2010-05-285可編輯課件PPT4.1.1盾構(gòu)法襯砌設(shè)計(jì)流程盾構(gòu)法隧道襯砌設(shè)計(jì)通常按照以下步驟進(jìn)行：

（1）遵守相關(guān)規(guī)劃、規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)

（2）確定隧道的內(nèi)部尺寸 設(shè)計(jì)的隧道內(nèi)徑應(yīng)該由隧道功能所需要的地下空間決定。地鐵隧道公路隧道；給、排水管道計(jì)算流量；普通管道2010-05-286可編輯課件PPT（3）荷載類型的確定

作用在襯砌上的荷載包括土壓力、水壓力、靜荷載、超載及盾構(gòu)千斤頂?shù)耐屏Φ龋?）襯砌條件的確定

設(shè)計(jì)者應(yīng)該確定襯砌的條件，如襯砌的尺寸（厚度）、材料的強(qiáng)度，加固的方法等。（5）計(jì)算內(nèi)力

設(shè)計(jì)者應(yīng)該通過使用合適的計(jì)算模型及設(shè)計(jì)方法來計(jì)算彎矩、軸力、剪力等內(nèi)力。

4.1.1盾構(gòu)法襯砌設(shè)計(jì)流程2010-05-287可編輯課件PPT2010-05-288可編輯課件PPT（8）設(shè)計(jì)的批準(zhǔn)

設(shè)計(jì)者認(rèn)為所設(shè)計(jì)的襯砌結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)且適用后，工程項(xiàng)目負(fù)責(zé)人就應(yīng)該批準(zhǔn)設(shè)計(jì)文件。（6）安全性校核

設(shè)計(jì)者應(yīng)該對(duì)照計(jì)算出的內(nèi)力來校核襯砌的安全性。（7）評(píng)估

如果設(shè)計(jì)的初襯砌不滿足設(shè)計(jì)荷載要求或設(shè)計(jì)襯砌安全但不經(jīng)濟(jì)，設(shè)計(jì)者應(yīng)該改變襯砌的條件并且重新設(shè)計(jì)。4.1.1盾構(gòu)法襯砌設(shè)計(jì)流程2010-05-289可編輯課件PPT圖4-1盾構(gòu)隧道襯砌設(shè)計(jì)的流程圖2010-05-2810可編輯課件PPT盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序包括的主要內(nèi)容如下：第一步：確定幾何參數(shù)

基準(zhǔn)線、開挖直徑、襯砌直徑、襯砌厚度、圓環(huán)的平均寬度、管片系統(tǒng)、接縫連接。第二步：確定巖土參數(shù)

特定處土的重力、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量、變形模量、K0值。第三步：選擇危險(xiǎn)斷面

如超載、地面荷載、地下水及鄰近建筑物影響的地方。

4.1.2盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序包括的主要內(nèi)容2010-05-2811可編輯課件PPT第四步：確定TBM機(jī)的機(jī)械參數(shù)

總推力、推力裝置的數(shù)量、墊片數(shù)量、墊片形狀、注漿壓力、安裝所需空間。第五步：確定材料的屬性

混凝土標(biāo)號(hào)及抗壓強(qiáng)度、彈性模量；鋼筋類型及抗拉強(qiáng)度；墊圈類型、寬度及彈性性能；裂縫允許寬度。4.1.2盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序包括的主要內(nèi)容2010-05-2812可編輯課件PPT第六步：設(shè)計(jì)荷載

（1）土壓力 分析作用于襯砌管片上的荷載影響及土壓力(圖4-2～圖4-6)2010-05-2813可編輯課件PPT2010-05-2814可編輯課件PPT(2)千斤頂?shù)耐屏奢d

分析由于推進(jìn)器墊板壓在不同類型管片上荷載的影響(圖4-7)2010-05-2815可編輯課件PPT(3)拖車和其它服務(wù)設(shè)備的荷載主要包括單輪承載(圖4-8)2010-05-2816可編輯課件PPT（4）附屬注漿荷：載擴(kuò)展的注漿壓力(圖4-9)2010-05-2817可編輯課件PPT（5）靜荷載、存儲(chǔ)及裝配荷載彎矩的影響(圖4-10)

2010-05-2818可編輯課件PPT2010-05-2819可編輯課件PPT（1）分析模型

使用的公式必須符合國家標(biāo)準(zhǔn)與所選設(shè)計(jì)荷載疊加的原則（2）數(shù)值模型

使用符合國家標(biāo)準(zhǔn)的有限元程序來完成彈塑性狀態(tài)下的應(yīng)力及應(yīng)變分析，并進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的仿真(圖4-12)。第七步：設(shè)計(jì)模型

三維條件須通過二維條件的抽象計(jì)算來仿真，如太沙基假設(shè)。2010-05-2820可編輯課件PPT第八步：計(jì)算結(jié)果

剪力、彎矩和撓度一般以表格的形式來展現(xiàn)，以此確定設(shè)計(jì)荷載及接下來管片的加固。2010-05-2821可編輯課件PPT4.1.3設(shè)計(jì)常用名詞及圖示符號(hào)管片：盾構(gòu)隧道最初襯砌的弧形構(gòu)件，也適用于預(yù)制混凝土管片。2010-05-2822可編輯課件PPT常用管片形狀2010-05-2823可編輯課件PPT2010-05-2824可編輯課件PPT2010-05-2825可編輯課件PPT2010-05-2826可編輯課件PPT2010-05-2827可編輯課件PPT

管片襯砌：隧道襯砌由管片組成，每一環(huán)的襯砌由數(shù)個(gè)管片組成。盾構(gòu)中完成的管片襯砌：在管片襯砌系統(tǒng)中所有的管片在盾構(gòu)內(nèi)組裝，且襯砌在盾構(gòu)內(nèi)完成。2010-05-2828可編輯課件PPT2010-05-2829可編輯課件PPT擴(kuò)大管片襯砌：在管片襯砌系統(tǒng)中，除去關(guān)鍵的管片外，其余管片均在盾構(gòu)中安裝，在盾構(gòu)正后面，當(dāng)關(guān)鍵的管片被插入時(shí)，襯砌隨即也完成。厚度：隧道橫截面上襯砌的厚度。寬度：管片沿隧道軸線方向上長度。2010-05-2830可編輯課件PPT封頂管片形式小封頂塊，拼裝形式有兩種：徑向楔入、縱向插入。2010-05-2831可編輯課件PPT連接縫：襯砌的間斷處及管片之間的接觸面。2010-05-2832可編輯課件PPT連接縫的類型：

2010-05-2833可編輯課件PPT2010-05-2834可編輯課件PPT2010-05-2835可編輯課件PPT計(jì)算中使用的符號(hào)范例2010-05-2836可編輯課件PPT4.2盾構(gòu)襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法軟土的物理特征規(guī)定如下：2010-05-2837可編輯課件PPT

設(shè)計(jì)原理：

設(shè)計(jì)原理是為檢驗(yàn)盾構(gòu)隧道襯砌的安全性。在隧道襯砌報(bào)告中，都應(yīng)該闡述設(shè)計(jì)計(jì)算的必要性、設(shè)計(jì)概念的假設(shè)、設(shè)計(jì)壽命、檢查永久安全性等問題。

2010-05-2838可編輯課件PPT

1、荷載的種類

必須考慮的荷載：（1）土壓力；（2）水壓力；（3）靜荷載；（4）超載；（5）地基反作用力（如果必須的話）。應(yīng)該考慮的荷載：（6）內(nèi)部荷載；（7）施工期間的荷載；（8）地震效應(yīng)。

特別荷載：（9）鄰近隧道的影響；（10）沉降的影響；（11）其它荷載。

4.2.2荷載2010-05-2839可編輯課件PPT2、土壓力

土壓力應(yīng)該沿隧道斷面徑向作用于襯砌上，或者分解為水平和垂直方向的土壓力。隧道的斷面及周圍的土體情況圖2010-05-2840可編輯課件PPT2010-05-2841可編輯課件PPT（1）水平土壓力

從隧道襯砌拱部至底部，作用于襯砌形心處的水平土壓力。它的大小由垂直土壓力乘以土的側(cè)壓力系數(shù)所確定(圖4-16）

2010-05-2842可編輯課件PPT(2)垂直土壓力將垂直土壓力作為作用于襯砌頂部的均布荷載來考慮。2010-05-2843可編輯課件PPT(2)垂直土壓力當(dāng)覆土厚度較小，小于2倍的隧道外徑時(shí)。

2010-05-2844可編輯課件PPT當(dāng)覆土厚度H＞2D時(shí)，地基中產(chǎn)生拱效應(yīng)的可能性較大，可以考慮在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)采用松弛土壓力（圖4－19）。砂質(zhì),當(dāng)H>1～2D（D為管片外徑）時(shí)多采用松弛土壓力；粘性,硬質(zhì)粘土（N≥0）良好地基，H>1～2D時(shí)多采用松弛土壓力中等固結(jié)的粘土（4≤N＜8）和軟粘土（2≤N＜4）,將隧道的全覆土重力作為土壓力考慮實(shí)例比較常見。(2)垂直土壓力

2010-05-2845可編輯課件PPT松弛土壓力的計(jì)算，一般采用太沙基公式。垂直土壓力的下限值雖然根據(jù)隧道使用目的的不同，但一般將其作為相當(dāng)于隧道外徑的2倍的覆土厚度的土壓力值。當(dāng)?shù)貙訛榛臃植紩r(shí)，以地層構(gòu)成中的支配地層為基礎(chǔ)，將地層假設(shè)為單一土層進(jìn)行計(jì)算，或者就以互層的狀態(tài)進(jìn)行松弛土壓力的計(jì)算。(2)垂直土壓力

2010-05-2846可編輯課件PPT2010-05-2847可編輯課件PPT如果隧道位于潛水位以上2010-05-2848可編輯課件PPT2010-05-2849可編輯課件PPT2010-05-2850可編輯課件PPT2010-05-2851可編輯課件PPT2010-05-2852可編輯課件PPT2010-05-2853可編輯課件PPT2010-05-2854可編輯課件PPT2010-05-2855可編輯課件PPT2010-05-2856可編輯課件PPT水平土壓力也能用五邊形模型估計(jì)為均載或均勻可變荷載。2010-05-2857可編輯課件PPT2010-05-2858可編輯課件PPT一般情況下作用在襯砌上的水壓力為靜水壓力4.2.2.3水壓力2010-05-2859可編輯課件PPT若采用靜水壓力，則管片上各點(diǎn)處的水壓力為2010-05-2860可編輯課件PPT若采用垂直均布荷載和水平均勻變化的荷載組合，則襯砌頂部和底部的水壓力分別為2010-05-2861可編輯課件PPT2010-05-2862可編輯課件PPT

4.2.2.4靜荷載靜荷載（管片自重）是作用于隧道橫斷面形心上的垂直方向荷載，一次襯砌的靜荷載按照等式（4-19）或（4-20）來計(jì)算如果斷面是矩形2cWRp=2010-05-2863可編輯課件PPT考慮自重對(duì)地基的反作用力：其中：2010-05-2864可編輯課件PPT不考慮自重對(duì)地基的反作用力：2010-05-2865可編輯課件PPT4.2.2.5地面超載地面超載增加了作用于襯砌上的土壓力，道路交通荷載、鐵路交通荷載、建筑物的重量作用于襯砌上的力即為地面超載。地面超載及其參考值如下：公路車輛鐵路車輛建筑物

2010-05-2866可編輯課件PPT公路車輛荷載：10kN/m2；2010-05-2867可編輯課件PPT鐵路車輛荷載：25kN/m22010-05-2868可編輯課件PPT建筑物的重量：10kN/m22010-05-2869可編輯課件PPT4.2.2.6地基反作用力當(dāng)計(jì)算襯砌中的內(nèi)力時(shí)，必須確定地基反力的作用范圍、大小及方向。地基反力通常分為兩種：(1)獨(dú)立于地基位移而定的反力pe2；(2)從屬于地基位移而定的反力。2010-05-2870可編輯課件PPT2010-05-2871可編輯課件PPT地基反力是地基反作用力系數(shù)和襯砌位移的產(chǎn)物，由圍巖韌度和管片襯砌剛度決定，而管片襯砌的剛度取決于管片剛度及接縫的數(shù)目和類型。2010-05-2872可編輯課件PPT彈簧的側(cè)向位移：2010-05-2873可編輯課件PPT設(shè)計(jì)實(shí)例：根據(jù)以下條件，設(shè)計(jì)基本荷載(考慮地基反作用力）。2010-05-2874可編輯課件PPT2010-05-2875可編輯課件PPT4.2.2.7內(nèi)部荷載

由于隧道拱部懸掛設(shè)備或內(nèi)部水壓力而引起的荷載應(yīng)該進(jìn)行核查。4.2.2.8施工時(shí)期的荷載以下荷載是施工時(shí)作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的荷載：(1)盾構(gòu)頂進(jìn)推力；(2)運(yùn)輸和裝卸時(shí)的荷載;(3)背后注漿壓力;(4)直立操作時(shí)的荷載;(5)其它荷載盾構(gòu)千斤頂推力是最主要的力，其它壓力隨著荷載條件的給定均取某一參考值。2010-05-2876可編輯課件PPT4.2.2.9地震影響考慮地震的影響，進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。4.2.2.10其它荷載如果需要，應(yīng)該檢查臨近隧道對(duì)開挖的影響和不均勻沉降的影響。2010-05-2877可編輯課件PPT4.2.3襯砌材料

適用于鋼筋混凝土管片作為初襯支護(hù)材料和現(xiàn)澆混凝土作為二次支護(hù)的材料。4.2.3.1彈性模型鋼筋混凝土彈性模型如表4－3（P99）。2010-05-2878可編輯課件PPT4.2.3.2應(yīng)力應(yīng)變曲線混凝土應(yīng)力-應(yīng)變采用圖4－26的曲線模型2010-05-2879可編輯課件PPT2010-05-2880可編輯課件PPT4.2.4安全系數(shù)

安全系數(shù)應(yīng)該基于土的荷載，同時(shí)符合規(guī)定的建筑要求和標(biāo)準(zhǔn)。舉例來說，對(duì)每一個(gè)工程來說，國家標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)造作了具體說明。施工工藝和性能應(yīng)該與安全系數(shù)相聯(lián)系。2010-05-2881可編輯課件PPT4.2.5管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

結(jié)構(gòu)襯砌計(jì)算應(yīng)采用SI國際標(biāo)準(zhǔn)單位。4.2.5.1設(shè)計(jì)原理

隧道斷面的設(shè)計(jì)計(jì)算，應(yīng)該選擇以下的關(guān)鍵區(qū)段，如圖4－282010-05-2882可編輯課件PPT上覆地層厚度最大的橫斷上覆地層厚度最小的橫斷面地下水位最高的橫斷面地下水位最低的橫斷面超載最大的橫斷面有偏壓的橫斷面表面有突變的橫斷面附近現(xiàn)有或?qū)頂M建新的隧道的橫斷面2010-05-2883可編輯課件PPT4.2.5.2內(nèi)力計(jì)算4.2.5.2.1計(jì)算模型隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中結(jié)構(gòu)內(nèi)力(M、N、S）的方法如圖4－29所示，本文具體介紹如下幾種盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算模型。2010-05-2884可編輯課件PPT(3)彈性方程法

在沒有計(jì)算機(jī)的情況下，彈性方程法是計(jì)算內(nèi)力的簡便方法。然而，它不能夠評(píng)價(jià)圖4－34所提到的情況(b)和(c)。在這種方法里，水壓力應(yīng)該被認(rèn)為是垂直均載和水平均載的組合。在水平方向上的地基反作用力，應(yīng)被簡化為三角形分布的可變荷載（見圖4－23）。2010-05-2885可編輯課件PPT圖4－232010-05-2886可編輯課件PPT不不2010-05-2887可編輯課件PPT彈簧的側(cè)向位移：抗彎剛度的有效率2010-05-2888可編輯課件PPT4.2.5.2.2連接縫的評(píng)價(jià)如果管片襯砌連接縫有或沒有螺栓，它在連接縫的實(shí)際彎曲剛度小于管片的彎曲剛度。如果管片是錯(cuò)開的，那么在連接縫的彎矩將比毗鄰的管片所受的彎矩小，在設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮連接縫的實(shí)際影響因素。2010-05-2889可編輯課件PPT2010-05-2890可編輯課件PPT4.2.6如何檢驗(yàn)斷面的安全性

根據(jù)構(gòu)件受力的計(jì)算結(jié)果，必須用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法檢驗(yàn)關(guān)鍵部位的安全性，或者用允許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法進(jìn)行檢驗(yàn)。以下是危險(xiǎn)部位：(1)有最大正彎矩的地方;(2)有最大負(fù)彎矩的地方;(3)有最大軸力的地方。襯砌抵抗盾構(gòu)推力的安全性也應(yīng)該被檢驗(yàn)。2010-05-2891可編輯課件PPT4.2.6.2允許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法如果最大的混凝土壓應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力小于它們的允許應(yīng)力，那么管片襯砌在載荷作用下是安全的，見等式（4-31）和（4-32）。2010-05-2892可編輯課件PPT4.2.8校核抵抗盾構(gòu)千斤頂推力的安全性抵抗盾構(gòu)千斤頂推力的襯砌安全性應(yīng)該用下面的公式進(jìn)行校核：2010-05-2893可編輯課件PPT4.2.9管片構(gòu)造4.2.9.1管片的形狀和尺寸

管片環(huán)的數(shù)量越少，制造和安裝的效率就越高。然而，考慮到運(yùn)輸和操作，管片的弧長和重量也不能被忽視。

2010-05-2894可編輯課件PPT4.2.9.3處理管片和注漿的構(gòu)造細(xì)節(jié)

如果對(duì)管片實(shí)施背部注漿，那么為了使灰漿能被連續(xù)注入，應(yīng)該在每片管片上留有一個(gè)內(nèi)徑為50mm的孔洞。2010-05-2895可編輯課件PPT4.2.9.4K型管片的連接角

K型管片的類型分兩種：

(1)沿徑向插入的K-管片（Kr-管片）(2)沿周長方向插入的K-管片（Kl-管片）。

2010-05-2896可編輯課件PPT4.2.9.5錐形管片

錐形管片是用來曲線連接施工或盾構(gòu)方向控制的K型管片，最大寬度和最小寬度的差異系數(shù)能夠用公式4-34來計(jì)算4-342010-05-2897可編輯課件PPT4.2.11.1概述4.2.11二次襯砌二次襯砌是用混凝土現(xiàn)場澆注而成。它被劃分成非結(jié)構(gòu)部分和結(jié)構(gòu)部分。前者用來加固管片，防止腐蝕和振動(dòng)的影響，提高襯砌的承載力并糾正誤差。后者被用作連接管片襯砌的結(jié)構(gòu)部分。2010-05-2898可編輯課件PPT二次襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想有以下四種情況：(1)將一次襯砌作為隧道的主體結(jié)構(gòu)，二次襯砌作為對(duì)此襯砌進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)、防蝕、防滲、減糙、修正和校正中心線偏離所用的構(gòu)件來考慮。4.2.11.1概述4.2.11二次襯砌第1種思想的理由是，從一次襯砌完工后到二次襯砌施工前有一個(gè)較長的時(shí)段，在該時(shí)段內(nèi)，來自地層的外部荷載將達(dá)到極限值，在這種情況下，二次襯砌可以不予考慮隧道的承載力，而只承受自重即可。2010-05-2899可編輯課件PPT(2)將二次襯砌作為主體結(jié)構(gòu)的主體，一次襯砌作為某一特定時(shí)間使用的臨時(shí)結(jié)構(gòu)物考慮。第2種思想的理由是，一次襯砌只是二次襯砌這一段時(shí)間的臨時(shí)結(jié)構(gòu)物。也就是說，一次襯砌只是在某一有限時(shí)間內(nèi)使用的構(gòu)件，在這種情況下，即可認(rèn)為土壓力之類的漸增荷載將減少部分極限荷載，也可將一次襯砌作為臨時(shí)結(jié)構(gòu)物按增加了容許應(yīng)力來設(shè)計(jì)。但是，這種折減荷載的方法和增加容許應(yīng)力的方法，對(duì)作為臨時(shí)結(jié)構(gòu)物使用時(shí)間的設(shè)計(jì)方法均極不明