隧道與洞室工程襯砌與管片設(shè)計.ppt

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,因為圓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，對斷面的利用也毫無妨礙。,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(yùn)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。,因此，應(yīng)根據(jù)線路上運(yùn)行的車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.車輛限界 車輛限界是在平、直線路上運(yùn)行中的車輛可能達(dá)到的最大運(yùn)動包跡線，就是車輛在運(yùn)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。,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。,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，造價貴，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，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。,四、襯砌分類 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 這是一類新工藝，盾尾后部設(shè)有相連接的滑模臺車，盾構(gòu)推進(jìn)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(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，造價也低。,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,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(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)到相對穩(wěn)定時進(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。,設(shè)計原則標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計原則 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)計標(biāo)準(zhǔn) 結(jié)構(gòu)防水等級為二級,防水設(shè)計,管片自防水 混凝土等級為C50，抗?jié)B等級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)。,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(qiáng)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。,箱形管片,平板形管片,帶肋管片的材料 長期以來多為鑄鐵和鋼。,環(huán)寬與厚度,國內(nèi)外常用的環(huán)寬是7501000m； 曲線段推進(jìn)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。,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。,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(jìn)行結(jié)構(gòu)處理。 縱縫互相錯開，對稱錯縫，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)襯砌的荷載計算方法,3.1 設(shè)計原則 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(qiáng)度驗算 。 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)度驗算。,2）.滿足所提出的安全質(zhì)量指標(biāo)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(biāo)，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。,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(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。,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“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)。,多鉸圓環(huán)計算圖式,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,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）,拱背土壓,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 :,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）施工階段臨時荷載,(1) 自重引起的臨時荷載 臨時荷載隨盾構(gòu)推進(jìn)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(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(dāng)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(qiáng)度。在拼裝管片時提高拼裝質(zhì)量。采用錯縫拼裝也是較好的辦法。,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。,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(jìn)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(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)。 力法方程為：,4 內(nèi)力計算與管片結(jié)構(gòu)設(shè)計,推導(dǎo)過程,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。,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(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,四個未知數(shù)x1、x2、ya和yb。,聯(lián)合四個方程，,其中，,各個截面上的M、N值為： Ma=Mq+MPK+x1-x2Rhcos Na=Nq+NPK+x2cos,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(diǎn)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。,4.2 管片截面設(shè)計,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、配筋計算與裂縫寬度限制計算，按照鋼筋混凝土基本構(gòu)件計算。,1）管片縱向接縫計算,結(jié)構(gòu)破壞大都開始于薄弱的接縫處。 （1）接縫張開的驗算,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)度計算,計算接縫強(qiáng)度時近似地把螺栓看作受拉鋼筋，并按鋼筋混凝土截面進(jìn)行計算； 一般先假定螺栓直徑、數(shù)量和位置，然后計算中和軸x，按偏心受壓構(gòu)件對接縫強(qiáng)度進(jìn)行驗算。,環(huán)向螺栓位置， 在只設(shè)單排螺栓時，其位置大致為管片厚度的1/3處； 設(shè)雙排螺栓時，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)縫計算,環(huán)縫屬空間結(jié)構(gòu)，受力復(fù)雜，較難計算，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)計和計算就是要滿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