盾構(gòu)法隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(設(shè)計)ppt精選課件

第四章盾構(gòu)法隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計（設(shè)計）,主講：孟杏微,.,2010-05-28,本章重點、難點：1、盾構(gòu)法襯砌設(shè)計流程和設(shè)計的主要內(nèi)容；2、盾構(gòu)隧道襯砌設(shè)計荷載；,.,2010-05-28,.,2010-05-28,.,2010-05-28,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。實際應(yīng)用中，盾構(gòu)法襯砌設(shè)計需要許多施工經(jīng)驗和理論知識。,4.1盾構(gòu)法概述,.,2010-05-28,4.1.1盾構(gòu)法襯砌設(shè)計流程,盾構(gòu)法隧道襯砌設(shè)計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、排水管道計算流量；普通管道,.,2010-05-28,（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）計算內(nèi)力設(shè)計者應(yīng)該通過使用合適的計算模型及設(shè)計方法來計算彎矩、軸力、剪力等內(nèi)力。,4.1.1盾構(gòu)法襯砌設(shè)計流程,.,2010-05-28,.,2010-05-28,（8）設(shè)計的批準(zhǔn)設(shè)計者認(rèn)為所設(shè)計的襯砌結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)且適用后，工程項目負(fù)責(zé)人就應(yīng)該批準(zhǔn)設(shè)計文件。,（6）安全性校核設(shè)計者應(yīng)該對照計算出的內(nèi)力來校核襯砌的安全性。（7）評估如果設(shè)計的初襯砌不滿足設(shè)計荷載要求或設(shè)計襯砌安全但不經(jīng)濟(jì)，設(shè)計者應(yīng)該改變襯砌的條件并且重新設(shè)計。,4.1.1盾構(gòu)法襯砌設(shè)計流程,.,2010-05-28,圖4-1盾構(gòu)隧道襯砌設(shè)計的流程圖,.,2010-05-28,盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計程序包括的主要內(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)計程序包括的主要內(nèi)容,.,2010-05-28,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)計程序包括的主要內(nèi)容,.,2010-05-28,第六步：設(shè)計荷載（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),.,2010-05-28,.,2010-05-28,(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),.,2010-05-28,(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),.,2010-05-28,（4）附屬注漿荷：載擴(kuò)展的注漿壓力(圖4-9),.,2010-05-28,（5）靜荷載、存儲及裝配荷載彎矩的影響(圖4-10),.,2010-05-28,.,2010-05-28,（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)計模型三維條件須通過二維條件的抽象計算來仿真，如太沙基假設(shè)。,.,2010-05-28,第八步：計算結(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)計荷載及接下來管片的加固。,.,2010-05-28,4.1.3設(shè)計常用名詞及圖示符號,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。,.,2010-05-28,常用管片形狀,.,2010-05-28,.,2010-05-28,.,2010-05-28,.,2010-05-28,.,2010-05-28,管片襯砌：隧道襯砌由管片組成，每一環(huán)的襯砌由數(shù)個管片組成。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。,.,2010-05-28,.,2010-05-28,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，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。,.,2010-05-28,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。,.,2010-05-28,連接縫：襯砌的間斷處及管片之間的接觸面。,.,2010-05-28,連接縫的類型：,.,2010-05-28,.,2010-05-28,.,2010-05-28,計算中使用的符號范例,.,2010-05-28,4.2盾構(gòu)襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,軟土的物理特征規(guī)定如下：,.,2010-05-28,設(shè)計原理：設(shè)計原理是為檢驗盾構(gòu)隧道襯砌的安全性。在隧道襯砌報告中，都應(yīng)該闡述設(shè)計計算的必要性、設(shè)計概念的假設(shè)、設(shè)計壽命、檢查永久安全性等問題。,.,2010-05-28,1、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,.,2010-05-28,2、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,.,2010-05-28,.,2010-05-28,（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）,.,2010-05-28,(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。,.,2010-05-28,(2)垂直土壓力當(dāng)覆土厚度較小，小于2倍的隧道外徑時。,.,2010-05-28,當(dāng)覆土厚度H2D時，地基中產(chǎn)生拱效應(yīng)的可能性較大，可以考慮在設(shè)計計算時采用松弛土壓力（圖419）。砂質(zhì),當(dāng)H12D（D為管片外徑）時多采用松弛土壓力；粘性,硬質(zhì)粘土（N0）良好地基，H12D時多采用松弛土壓力中等固結(jié)的粘土（4N8）和軟粘土（2N4）,將隧道的全覆土重力作為土壓力考慮實例比較常見。,(2)垂直土壓力,.,2010-05-28,松弛土壓力的計算，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，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)行計算，或者就以互層的狀態(tài)進(jìn)行松弛土壓力的計算。,(2)垂直土壓力,.,2010-05-28,.,2010-05-28,如果隧道位于潛水位以上,.,2010-05-28,.,2010-05-28,.,2010-05-28,.,2010-05-28,.,2010-05-28,.,2010-05-28,.,2010-05-28,.,2010-05-28,.,2010-05-28,水平土壓力也能用五邊形模型估計為均載或均勻可變荷載。,.,2010-05-28,.,2010-05-28,一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,.,2010-05-28,若采用靜水壓力，則管片上各點處的水壓力為,.,2010-05-28,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,.,2010-05-28,.,2010-05-28,4.2.2.4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）來計算,如果斷面是矩形,.,2010-05-28,考慮自重對地基的反作用力：,其中：,.,2010-05-28,不考慮自重對地基的反作用力：,.,2010-05-28,4.2.2.5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,.,2010-05-28,公路車輛荷載：10kN/m2；,.,2010-05-28,鐵路車輛荷載：25kN/m2,.,2010-05-28,建筑物的重量：10kN/m2,.,2010-05-28,4.2.2.6地基反作用力,當(dāng)計算襯砌中的內(nèi)力時，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。,.,2010-05-28,.,2010-05-28,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。,.,2010-05-28,.,2010-05-28,設(shè)計實例：根據(jù)以下條件，設(shè)計基本荷載(考慮地基反作用力）。,.,2010-05-28,.,2010-05-28,4.2.2.7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施工時期的荷載,以下荷載是施工時作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的荷載：(1)盾構(gòu)頂進(jìn)推力；(2)運(yùn)輸和裝卸時的荷載;(3)背后注漿壓力;(4)直立操作時的荷載;(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。,.,2010-05-28,4.2.2.9地震影響考慮地震的影響，進(jìn)行抗震設(shè)計。4.2.2.10其它荷載如果需要，應(yīng)該檢查臨近隧道對開挖的影響和不均勻沉降的影響。,.,2010-05-28,4.2.3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43（P99）。,.,2010-05-28,4.2.3.2應(yīng)力應(yīng)變曲線混凝土應(yīng)力-應(yīng)變采用圖426的曲線模型,.,2010-05-28,.,2010-05-28,4.2.4安全系數(shù)安全系數(shù)應(yīng)該基于土的荷載，同時符合規(guī)定的建筑要求和標(biāo)準(zhǔn)。舉例來說，對每一個工程來說，國家標(biāo)準(zhǔn)都對混凝土結(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。,.,2010-05-28,4.2.5管片結(jié)構(gòu)設(shè)計計算結(jié)構(gòu)襯砌計算應(yīng)采用SI國際標(biāo)準(zhǔn)單位。4.2.5.1設(shè)計原理隧道斷面的設(shè)計計算，應(yīng)該選擇以下的關(guān)鍵區(qū)段，如圖428,.,2010-05-28,.,2010-05-28,4.2.5.2內(nèi)力計算4.2.5.2.1計算模型隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計計算中結(jié)構(gòu)內(nèi)力(M、N、S）的方法如圖429所示，本文具體介紹如下幾種盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算模型。,.,2010-05-28,(3)彈性方程法在沒有計算機(jī)的情況下，彈性方程法是計算內(nèi)力的簡便方法。然而，它不能夠評價圖434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423）。,.,2010-05-28,圖423,.,2010-05-28,.,2010-05-28,抗彎剛度的有效率,.,2010-05-28,4.2.5.2.2連接縫的評價如果管片襯砌連接縫有或沒有螺栓，它在連接縫的實際彎曲剛度小于管片的彎曲剛度。如果管片是錯開的，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)計中應(yīng)該考慮連接縫的實際影響因素。,.,2010-05-28,.,2010-05-28,4.2.6如何檢驗斷面的安全性根據(jù)構(gòu)件受力的計算結(jié)果，必須用極限狀態(tài)設(shè)計方法檢驗關(guān)鍵部位的安全性，或者用允許應(yīng)力設(shè)計方法進(jìn)行檢驗。以下是危險部位：(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。,.,2010-05-28,4.2.6.2允許應(yīng)力設(shè)計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）。,.,2010-05-28,4.2.8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：,.,2010-05-28,4.2.9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。,.,2010-05-28,4.2.9.3處理管片和注漿的構(gòu)造細(xì)節(jié)如果對管片實施背部注漿，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內(nèi)徑為50mm的孔洞。,.,2010-05-28,4.2.9.4K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）。,.,2010-05-28,4.2.9.5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來計算,4-34,.,2010-05-28,4.2.11.1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。,.,2010-05-28,二次襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計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較長的時段，在該時段內(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。,.,2010-05-28,(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間使用的臨時結(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間的臨時結(jié)構(gòu)物。也就是說，一次襯砌只是在某一有限時間內(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結(jié)構(gòu)物按增加了容許應(yīng)力來設(shè)計。但是，這種折減荷載的方法和增加容許應(yīng)力的方法，對作為臨時結(jié)構(gòu)物使用時間的設(shè)計方法均極不明確，因而難以將第2種思想用于實際。,.,2010-05-28,(3)將