盾構(gòu)法施工管片設(shè)計[技術(shù)課堂]

1、管片的設(shè)計和選型,材料課件,主要內(nèi)容,2、 設(shè)計計劃,3、管片模具設(shè)計,6、防水設(shè)計,4、結(jié)構(gòu)計算分析,1、特點(diǎn)和分類,5、管片配筋,7、異型盾構(gòu),8、發(fā)展趨勢,材料課件,預(yù)制構(gòu)件 形狀不標(biāo)準(zhǔn)。 需要組合拼裝，組合拼裝精度要求高。 組合拼裝后整體具有良好的防水性能。 能模擬空間曲線。 三維承載，受力復(fù)雜 加工精度高,1. 特點(diǎn)和分類 特點(diǎn),材料課件,鑄鐵管片：早期應(yīng)用多 鋼筋混凝土管片：占絕大多數(shù) 復(fù)合管片：SRC管片、MN管片、AS管片、鋼+混凝土、鑄鐵+混凝土等,1. 特點(diǎn)和分類 分類,矩形管片：占絕大多數(shù) 梯形或平行四邊形管片：CONEX系列 翼型管片： 六角形管片：雙重螺旋管片、蜂窩型

2、管片、螺旋形管片等,經(jīng)過多年的發(fā)展，管片的類型有30多種，有些是材料不同，有些是形狀差異，有些是接頭形式不同，有些為了增加管片的耐久性，有些為了降低制作費(fèi)用，下面簡單的根據(jù)材料和形狀進(jìn)行分類,材料課件,2. 設(shè)計計劃 基礎(chǔ)資料,邊界條件要清楚,地形地質(zhì)要全面、準(zhǔn)確,總體調(diào)查：土地的現(xiàn)狀和規(guī)劃、道路交通現(xiàn)狀及規(guī)劃、環(huán)境和文物保護(hù)、地表水體、工程用地、用電和供水等控制性工程環(huán)境條件,環(huán)境保護(hù)調(diào)查： 噪聲和振動、地基變形、地下水、缺氧氣體和沼氣等有害氣體、化學(xué)注漿等 、渣土處理及運(yùn)輸?shù)?障礙物勘察： 地上、地下結(jié)構(gòu)物；埋設(shè)物；水井和舊井；建筑物及臨時建筑物遺 跡；規(guī)劃建筑,使用功能應(yīng)明晰,原則標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)

3、確定,材料課件,2. 設(shè)計計劃 總體控制,隧道形狀和凈空,線 路,平面設(shè)計：線位、小曲線、近接施工 縱斷面設(shè)計：埋深和坡度,工法,主體隧道：盾構(gòu)法、礦山法或復(fù)合 附屬結(jié)構(gòu)：明挖法、礦山法、頂管法 輔助工法：注漿、冷凍、旋噴樁、攪拌樁、托換,襯 砌,經(jīng)驗(yàn)比較 計算分析,工程籌劃,環(huán)境保護(hù),工期控制 場地和交通,材料課件,2. 設(shè)計計劃 綜合,工程的技術(shù)可行性分析,工程的安全可靠性分析,工程綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,重點(diǎn)、難點(diǎn)、風(fēng)險點(diǎn)、亮點(diǎn),解決方案,材料課件,3. 管片模具設(shè)計 設(shè)計程序及過程控制,第一步：根據(jù)功能要求、周邊控制條件和既有設(shè)備情況等確定隧道的形狀和內(nèi)徑,材料課件,3. 管片模具設(shè)計 設(shè)計

4、程序及過程控制,第一步：根據(jù)功能要求、周邊控制條件和既有設(shè)備情況等確定隧道的形狀和內(nèi)徑,材料課件,3. 管片模具設(shè)計 設(shè)計程序及過程控制,第二步：根據(jù)功能要求、耐久性、受力等要求確定隧道采用單、雙層襯砌,一般情況下采用單層襯砌，但對于污水隧道、有內(nèi)壓隧道、或管片襯砌里鋼鐵等易腐蝕材料采用較多、或結(jié)構(gòu)受力十分復(fù)雜、或運(yùn)營條件對結(jié)構(gòu)腐蝕性較強(qiáng)等情況下，宜采用雙層襯砌,材料課件,3. 管片模具設(shè)計 設(shè)計程序及過程控制,第三步：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)比較、結(jié)構(gòu)受力分析，抗?jié)B要求等，再結(jié)合既有設(shè)備情況，確定管片的厚度，進(jìn)而確定管片外徑,一般為5%-6%D 結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)和管片直徑進(jìn)行判斷； 可以根據(jù)配筋量進(jìn)行調(diào)整； 必

5、須考慮設(shè)備供應(yīng)情況； 可以考慮地區(qū)管片的通用性，利于施工組織； 滿足抗?jié)B要求：250mm；（不盡合理，對于小型盾構(gòu)，厚度偏大） 根據(jù)荷載情況，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析驗(yàn)證,材料課件,3. 管片模具設(shè)計 設(shè)計程序及過程控制,第四步：根據(jù)機(jī)械情況、施工經(jīng)驗(yàn)、進(jìn)度要求、耐久性考慮，結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，判斷是否采用矩形管片，如果采用梯形、六邊形、翼型等管片，應(yīng)同步對管片的連接形式進(jìn)行考慮確定，最好在實(shí)施期間進(jìn)行管片和接頭的模型或?qū)嵨镌囼?yàn),無特殊要求或考慮，宜采用矩形管片，因?yàn)樵O(shè)備通用性強(qiáng)，施工經(jīng)驗(yàn)成熟； 矩形管片設(shè)計經(jīng)驗(yàn)成熟，而梯形、六邊形、翼型在國內(nèi)幾乎沒有應(yīng)用，在國外應(yīng)用相對也很少，如采用必須進(jìn)行充分的調(diào)研和準(zhǔn)

6、備，并進(jìn)行試驗(yàn)研究。 采用梯形、六邊形、翼型等管片，通常管片的連接形式采用銷釘、榫或插銷、取消螺栓選采用榫槽等形式，以達(dá)到簡化拼裝或邊掘進(jìn)邊拼裝的效果，加快施工進(jìn)度，因此對機(jī)械、施工組織、結(jié)構(gòu)受力分析都有一些特殊的要求，因此必須綜合考慮（不能僅僅考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計），同時對接頭的進(jìn)貨進(jìn)行考察； 采用梯形、六邊形、翼型等管片，對線路擬和需要專門進(jìn)行論證。 以下程序主要針對矩形管片設(shè)計進(jìn)行,材料課件,3. 管片模具設(shè)計 設(shè)計程序及過程控制,第五步：根據(jù)隧道直徑、地質(zhì)情況、受力和安裝要求，確定管片的連接方式，以及連接件的數(shù)量和分布,管片的連接通常采用螺栓連接，螺栓連接的數(shù)量塊間一般2-3個，環(huán)間考慮地質(zhì)情

7、況、抗震要求等設(shè)置，一般每塊不少于2根，一環(huán)對于中小直徑盾構(gòu)控制在10-16個。 為滿足錯縫拼裝要求，環(huán)間螺栓必須360度范圍內(nèi)均勻設(shè)置。 由于螺栓接頭需要人工操作，難以實(shí)現(xiàn)拼裝的自動化，快速化，因此不少工程環(huán)間開始采用鋼銷、CONEX接頭；塊間采用推入鎖定接頭、鋼制TC型零件接頭、設(shè)置榫槽取消接頭、銷子接頭等，開發(fā)出來CONEX系列管片、銷子. 快速接頭管片、一次成型管片、AS管片等。 國內(nèi)管片接頭的形式比較單一，呆板，很有必要結(jié)合工程情況進(jìn)行創(chuàng)新和試驗(yàn),材料課件,3. 管片模具設(shè)計 設(shè)計程序及過程控制,第六步：根據(jù)機(jī)械、運(yùn)輸系統(tǒng)、施工組織、平曲線情況等，綜合考慮確定管片寬度,如有條件，管片

8、盡可能寬點(diǎn)，以提高施工速度，節(jié)約造價。 管片寬度主要取決于掘進(jìn)機(jī)和隧道直徑，如果管片過寬，則機(jī)械過長，靈敏性差。而且管片運(yùn)輸困難。 管片的寬度必須與盾構(gòu)機(jī)相匹配：與盾構(gòu)機(jī)的千斤頂行程匹配；寬度大，管片重，需與管片拼狀機(jī)的能力匹配； 管片寬度必須考慮封頂塊的拼狀方式：千斤頂?shù)男谐?管片寬度B+（B-封頂塊拼狀搭接長度L）+150（200）余量； 管片寬度大，一次出渣量大，為提高掘進(jìn)效率，必須盡快把渣土運(yùn)輸出去，因此水平運(yùn)輸系統(tǒng)和垂直運(yùn)輸系統(tǒng)應(yīng)匹配合理，以利于發(fā)揮效率。 管片寬度還要考慮螺栓數(shù)量和管片分塊，譬如6m直徑的地鐵隧道，同樣2000mm的千斤頂行程的盾構(gòu)機(jī)，在10個環(huán)間螺栓條件下可以作成

9、小封頂塊，通過加大封頂塊拼狀搭接長度（1200mm）能夠作成1500mm寬管片；而在16個環(huán)間螺栓條件下，由于難以做成小封頂塊，為滿足拼狀要求，封頂塊拼狀搭接長度很難做到800mm，因此基本只能做1300mm的管片,材料課件,3. 管片模具設(shè)計 設(shè)計程序及過程控制,第七步：進(jìn)行管片的分塊設(shè)計,管片的分塊不宜過多，這樣拼狀時間長，材料用量也大；也不宜過少，這樣管片體量過大，不利于拼狀和運(yùn)輸。 對于中等直徑盾構(gòu)，一般采用六分塊或七方案：一塊封頂塊+二塊鄰接塊+三塊標(biāo)準(zhǔn)塊。 小直徑盾構(gòu)管片多采用5-6分塊；大型盾構(gòu)管片經(jīng)常分為7-9塊。 管片分塊必須重點(diǎn)考慮K塊的設(shè)計，是采用大封頂塊，還是采用小封頂

10、塊，需根據(jù)螺栓的設(shè)置、千斤頂?shù)男谐炭刂啤⑹挚椎牟贾靡约胺忭攭K的拼狀方式進(jìn)行總體綜合考慮。 封頂塊的設(shè)計需要考慮管片的拼狀條件，一般條件下，最后拼狀封頂塊時，k塊和兩側(cè)鄰接塊在任何部位兩者間的最小水平間隙不宜小于25mm，如果減少間隙，需要盾構(gòu)機(jī)制造商同意。為插入方便，K塊的水平投影線與中軸線的水平角度控制在8度左右；為保證K塊在注漿壓力下的穩(wěn)定，其中剖面處中心徑向的旋轉(zhuǎn)角度宜控制在3.5度左右,材料課件,3. 管片模具設(shè)計 設(shè)計程序及過程控制,第八步：進(jìn)行管片細(xì)部設(shè)計,管片手孔設(shè)計：滿足螺栓安裝的工藝要求；滿足管片的脫摸要求；螺栓盡可能通用；手孔間距不要過大，避免鋼筋不好布置，也不宜過小，脫摸

11、時易掉塊；手孔距離結(jié)構(gòu)邊不宜小于150mm，削弱結(jié)構(gòu)易于開裂等。 管片標(biāo)識設(shè)計： 模具編號、塊編號、直徑或半徑標(biāo)識、螺栓孔位置標(biāo)識等； 起吊孔或注漿孔設(shè)計，在中小直徑盾構(gòu)中，兩者經(jīng)常合一，注意起吊孔應(yīng)設(shè)置在管片的重心位置，避免拼狀時由于附加彎矩造成不穩(wěn)定。對于中小直徑盾構(gòu)，起吊孔或注漿孔應(yīng)優(yōu)先選用高分子材料，保證結(jié)構(gòu)的耐久性。對于大型盾構(gòu)，經(jīng)常采用真空吸盤起吊，定位孔和注漿孔需要結(jié)合機(jī)械進(jìn)行設(shè)計。 接觸面設(shè)計：是否設(shè)置榫槽；是否設(shè)置緩沖材料；防水槽位置和尺寸；嵌縫槽形狀等,材料課件,3. 管片模具設(shè)計 設(shè)計程序及過程控制,第九步：設(shè)計綜合，核定管片參數(shù)能否滿足機(jī)械要求、K塊設(shè)計是否滿足拼狀要求

12、；手孔設(shè)計能否滿足脫摸和受力、鋼筋布置要求；標(biāo)識是否全面等等,第十步：線路擬和和糾偏設(shè)計，主要通過設(shè)置轉(zhuǎn)彎環(huán)或設(shè)置墊片來解決,楔形環(huán)在不同的角度安裝，其水平向和豎向的楔形量發(fā)生變化,平面曲線擬合示意,材料課件,襯砌環(huán)組合形式,3. 管片模具設(shè)計 設(shè)計程序及過程控制,材料課件,楔形量的確定,3. 管片模具設(shè)計 設(shè)計程序及過程控制,楔形環(huán)可以采用單面楔形或雙面楔形皆可，國內(nèi)皆有應(yīng)用。 日本經(jīng)驗(yàn)：楔形量除應(yīng)根據(jù)管片種類、管片寬度、管片環(huán)外徑、曲線半徑、曲線區(qū)間楔形管片環(huán)使用比例、管片制作的方便性確定外，還應(yīng)根據(jù)盾尾操作空隙而定?？偨Y(jié)過去的使用經(jīng)驗(yàn)，由于配筋上的制約，絕大多數(shù)混凝土類管片的楔形量在75

13、mm以內(nèi)。 楔形量的確定除滿足現(xiàn)狀線路外，也應(yīng)考慮滿足盾構(gòu)機(jī)的最小使用半徑。 楔形量的確定需要考慮錯縫拼裝條件下，由于管片扭轉(zhuǎn)造成線路擬合的復(fù)雜性，需要有一定的余量。 楔形量的確定最好能夠較優(yōu)的滿足線路擬合需要，一般以在多種曲線半徑下，通過與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)的組合實(shí)現(xiàn)錯縫拼狀為宜。 由于管片拼裝的不可準(zhǔn)確預(yù)測性，楔形量的數(shù)值不是唯一的,材料課件,3. 管片模具設(shè)計 設(shè)計程序及過程控制,材料課件,4. 結(jié)構(gòu)計算分析 荷 載,在砂性土中，當(dāng)覆土厚度大于12倍隧道外直徑時多采用松弛土壓力； 在粘性土中，如果為硬質(zhì)粘性土（N8），當(dāng)覆土厚度大于12倍隧道外直徑時多采用松弛土壓力。對于中等固結(jié)的粘性土（4 N 8

14、或軟粘性土（2 N 4）將隧道的全覆土重量作為土壓力進(jìn)行計算。 對于軟流塑地層時，一般不考慮地基的成拱效應(yīng)，將隧道的全覆土重量作為土壓力 對于巖石地層，國內(nèi)無盾構(gòu)設(shè)計施工的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，可按普氏平衡拱理論結(jié)合Terzaghi土壓力理論進(jìn)行計算 土壓力的下限值：小型盾構(gòu)隧道可采用相當(dāng)于隧道外徑2.0倍的覆土厚度的土壓力值；中等直徑的盾構(gòu)隧道可采用相當(dāng)于隧道外徑11.5倍的覆土厚度的土壓力值或采用200kNm2,材料課件,4. 結(jié)構(gòu)計算分析 參數(shù),管片的設(shè)計斷面應(yīng)力會由于垂直方向荷載和水平方向荷載之間微妙的平衡關(guān)系而發(fā)生變化，側(cè)向土壓力系數(shù)(入)，地基抗力系數(shù)(k)要在充分考慮地基條件和隧道的用途之后

15、，慎重地進(jìn)行確定。 水壓力取值要考慮最不利情況。 彈性抗力取值最好結(jié)合N值和地層特征綜合考慮。 巖石地層的彈性抗力要考慮背后注漿材料的性能，不宜取值過高,側(cè)向土壓力系數(shù)（）地基抗力系數(shù)（k,材料課件,4. 結(jié)構(gòu)計算分析 計算方法,修正慣用法,管片環(huán)簡化為彈性勻質(zhì)的圓環(huán)。 不考慮豎向地層抗力的影響，豎向地基反力按隧道所承受的豎向荷載根據(jù)荷載平衡條件按均布荷載計算。 水平向地層抗力假定為分布在隧道中部90度范圍的水平向三角形荷載。 管片自重引起的地層變形所產(chǎn)生的水平地基抗力根據(jù)壁后注漿的方式和漿液的早期強(qiáng)度等情況確定是否考慮。 考慮由于管片接頭部位彎曲剛度的降低導(dǎo)致整個圓環(huán)的鋼度降低，引入剛度折減

16、系數(shù)（1），整個圓環(huán)的剛度變?yōu)镋I。 考慮錯縫拼裝環(huán)間剪力傳遞對管片受力的影響，對計算結(jié)果中的彎矩M、軸力N進(jìn)行調(diào)整，引入彎矩傳遞系數(shù)。主截面的計算內(nèi)力調(diào)整為（1+）M、N（01），管片接頭部位的計算內(nèi)力調(diào)整為（1-）M、N。 管片內(nèi)力可采用解析法計算,材料課件,4. 結(jié)構(gòu)計算分析 計算方法,梁-彈簧模型法,將管片簡化為曲梁（圓弧梁）或直梁，管片間的縱向接頭按能夠承受彎矩并傳遞剪力和軸力的旋轉(zhuǎn)彈簧模擬，旋轉(zhuǎn)剛度K宜根據(jù)試驗(yàn)確定，并考慮偏心率的影響。 管片環(huán)間接頭考慮錯縫拼裝的影響，按剪切彈簧模擬，其剪切剛度Ks考慮接頭構(gòu)造、緩沖墊的參數(shù)等宜根據(jù)試驗(yàn)確定。 地層抗力考慮隧道圍巖情況、隧道直徑、埋

17、深、荷載計算方法等因素采用局部彈簧模型或全周彈簧模型，一般按徑向彈簧模擬，不考慮切向彈簧的影響。 計算可取兩環(huán)或多環(huán)管片利用電算程序進(jìn)行分析,對于彎螺栓接頭的中等直徑的地鐵隧道，參照國內(nèi)外有關(guān)試驗(yàn)研究結(jié)果，環(huán)向接頭的抗彎剛度在隧道內(nèi)側(cè)受拉時取為5104kNmrad，隧道外側(cè)受拉時取為3104kNmrad?？v向接頭的徑向抗剪剛度Kr和切向抗剪剛度Kt為安全計常取為無窮大。 北京地鐵五號線試驗(yàn)段工程進(jìn)行的接頭試驗(yàn)資料表明：位于正彎矩范圍內(nèi)的管片接頭剛度為28500kn.m/rad/m，位于負(fù)彎矩范圍內(nèi)的管片接頭剛度為13900kn.m/rad/m,材料課件,5. 結(jié)構(gòu)配筋 管片配筋量,材料課件,6

18、. 防水設(shè)計 防水等級和措施,材料課件,6. 防水設(shè)計 防水等級和措施,材料課件,6. 防水設(shè)計 防水等級和措施,防水混凝土設(shè)計抗?jié)B等級,抗?jié)B檢驗(yàn)：按設(shè)計抗?jié)B壓力，恒壓時間大于等于2小時，滲水最大深度不得超過管片厚度的1/5,材料課件,6. 防水設(shè)計 接縫防水設(shè)計,彈性密封墊設(shè)計,設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：接縫張開量、錯位量、設(shè)防水壓、襯墊道數(shù),防水材料：氯丁橡膠、三元乙丙橡膠密封橡膠墊、遇水膨脹橡膠密封墊，或后者與前二者的復(fù)合型密封墊,試驗(yàn)曲線 （包含耐久性方面,防水試驗(yàn),形狀和尺寸（包括管片溝槽,材料課件,6. 防水設(shè)計 接縫防水設(shè)計,材料課件,設(shè) 計 建 議,高水壓條件下防水設(shè)計需要總結(jié):抗?jié)B設(shè)計、接縫

19、設(shè)計,管片接縫張開量和拼狀錯位量的統(tǒng)計和論證,彈性密封墊的標(biāo)準(zhǔn)化、商業(yè)化設(shè)計,6. 防水設(shè)計 設(shè)計建議,復(fù)合彈性密封墊的研究,大型、異型盾構(gòu)的進(jìn)出洞防水,材料課件,7. 異型盾構(gòu) 多圓盾構(gòu)（MF工法,雙圓盾構(gòu),上海地鐵M7線雙圓盾構(gòu),都營地下鐵道12號線（大江戶線）飯?zhí)飿蚪徊纥c(diǎn)至文京區(qū)后樂一段的飯?zhí)飿蜍囌竟^(qū)，采用三連型的MF盾構(gòu)工法,材料課件,7. 異型盾構(gòu) 多圓盾構(gòu)（MF工法,營團(tuán)南北線白金臺車站、大阪地下鐵7號線OBP車站和都營地下鐵大江戶線飯?zhí)飿蜍囌?，采用?cè)部突前、中央擺動型三連盾構(gòu)施工，球墨鑄鐵或者鋼管片襯砌 ； 清澄三連盾構(gòu)工程：先施工清澄車站的停車場（長度為143.6m）穿過中間豎井（移動約75m ），再施工存車線（長度229.1m），采用鋼筋混凝土管片襯砌。 盾構(gòu)機(jī)寬16.44m高7.44m ；襯砌7.2m寬度16.2m，管片寬1.2m，厚度350mm，由A型塊10、D型塊（與圓交叉部分）4共計14塊組成。隧道覆土約為17m，筑造在軟弱的粘性土層下,材料課件,7. 異型盾構(gòu) 矩形盾構(gòu),世界最早的盾構(gòu)法隧道-泰晤士問底的公俏隧道，其隧道斷面為11.4mx6.8m的矩形，由于采用人工開挖和施工中涌水淹沒事故，長458m的矩形隧道掘進(jìn)了18年才完工。 從隧道的使用功能來分析，城市交通人行地道、地下共同溝、地鐵隧道的斷面形式以矩形最為合適，最為