盾構(gòu)法隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(設(shè)計)【內(nèi)容詳實】

1、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,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,2,課件類,3,課件類,4,課件類,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,5,課件類,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；

2、普通管道,6,課件類,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?（4）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,7,課件類,8,課件類,8）設(shè)計的批準(zhǔn) 設(shè)計者認為所設(shè)計的襯砌結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟且適 用后，工程項目負責(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，設(shè)計者應(yīng)該改變

3、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,9,課件類,圖4-1 盾構(gòu)隧道襯砌設(shè)計的流程圖,10,課件類,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,11,課件類,第四步：確定TBM機的機械參數(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

4、 混凝土標(biāo)號及抗壓強度、彈性模量；鋼筋類型及抗拉強度；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,12,課件類,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4-6,13,課件類,14,課件類,2) 千斤頂?shù)耐屏奢d 分析由于推進器墊板壓在不同類型管片上荷載的影響(圖4-7,15,課件類,3) 拖車和其它服務(wù)設(shè)備的荷載主要包括單輪承載(圖4-8,16,課件類,4） 附屬注漿荷：載擴展的注漿壓力(圖4-9,17,課件類,5）靜荷載、存儲及裝配荷載彎矩的影響(圖4-10,18,課件類,19,課件類,1）分析模型 使用的

5、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，并進行詳細結(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),20,課件類,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,21,課件類,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,22,課件類,常用管片形狀,23,課件類,24,課件類,25,課件類,26,課件類,27,課件類,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

6、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,28,課件類,29,課件類,擴大管片襯砌：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,30,課件類,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,31,課件類,連接縫：襯砌的間斷處及管片之間的接觸面,32,課件類,連接縫的類型：,33,課件類,34,課件類,35,課件類,計算中使用的符號范例,36,課件類,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,3

7、7,課件類,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,38,課件類,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,39,課件類,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,40,課件類

8、,41,課件類,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4-16,42,課件類,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,43,課件類,2)垂直土壓力 當(dāng)覆土厚度較小，小于2倍的隧道外徑時,44,課件類,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

9、較常見,2)垂直土壓力,45,課件類,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)為單一土層進行計算，或者就以互層的狀態(tài)進行松弛土壓力的計算,2)垂直土壓力,46,課件類,47,課件類,如果隧道位于潛水位以上,48,課件類,49,課件類,50,課件類,51,課件類,52,課件類,53,課件類,54,課件類,55,課件類,56,課件類,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,57,課件類,58,課件類,一般情況下作用在襯砌上的水壓

10、力為靜水壓力,4.2.2.3水壓力,59,課件類,若采用靜水壓力，則管片上各點處的水壓力為,60,課件類,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,61,課件類,62,課件類,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,63,課件類,考慮自重對地基的反作用力,其中,64,課件類,不考慮自重對地基的反作用力,65,課件類,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。

11、 地面超載及其參考值如下： 公路車輛 鐵路車輛 建筑物,66,課件類,公路車輛荷載：10kN/m2,67,課件類,鐵路車輛荷載：25kN/m2,68,課件類,建筑物的重量：10kN/m2,69,課件類,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,70,課件類,71,課件類,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,72,課件類,73,課件類,設(shè)計實例： 根據(jù)以下條件，設(shè)計

12、基本荷載(考慮地基反作用力,74,課件類,75,課件類,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)頂進推力；(2)運輸和裝卸時的荷載;(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,76,課件類,4.2.2.9地震影響 考慮地震的影響，進行抗震設(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,77,課件類,4.2.3 襯砌材料 適用于鋼筋混凝土管

13、片作為初襯支護材料和現(xiàn)澆混凝土作為二次支護的材料。 4.2.3.1彈性模型 鋼筋混凝土彈性模型如表43（P99,78,課件類,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,79,課件類,80,課件類,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,81,課件類,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428,82,課件類,83,課件類,

14、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,84,課件類,3) 彈性方程法 在沒有計算機的情況下，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423,85,課件類,圖423,86,課件類,87,課件類,抗彎剛度的有效率,88,課件類,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

15、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,89,課件類,90,課件類,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,91,課件類,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（4-32,92,

16、課件類,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)該用下面的公式進行校核,93,課件類,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，考慮到運輸和操作，管片的弧長和重量也不能被忽視,94,課件類,4.2.9.3 處理管片和注漿的構(gòu)造細節(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的孔洞,95,課件類,4.2.9.4 K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,96,課件類,4

17、.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,4-34,97,課件類,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,98,課件類,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行補強、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

18、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,99,課件類,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,100,課件類,3)將二次襯砌和一次襯砌合在一起看作是隧道的主體結(jié)構(gòu),第3種思想認為，二次襯砌是繼一次襯砌之后施工的，