地鐵盾構(gòu)法施工管片襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、地 鐵 與輕 軌結(jié) 課論文學(xué)院：力建與建筑工程學(xué)院班級(jí)：土木09-9班姓名：梁智學(xué)號(hào)：02090417地鐵盾構(gòu)法施工管片襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要：隧道襯砌是承受隧道周圍的水、土等荷載,以保證隧道結(jié)構(gòu)凈空和平安 的地下結(jié)構(gòu).襯砌分為一次襯砌和二次襯砌.一次襯砌最常用的是管片拼裝式襯 砌.采用拼裝式襯砌時(shí),一次襯砌到隧道軸向縱向一定長(zhǎng)度通常為1000mm 2000mm的一段環(huán)狀物稱為管環(huán)；管環(huán)沿周向分割成 n塊弧狀板塊,該弧狀板 塊既稱為管片.管片的拼裝設(shè)計(jì)、管環(huán)的分塊設(shè)計(jì)等的合理性對(duì)隧道的承載水平、 穩(wěn)定性等性質(zhì)起到至關(guān)重要的作用.關(guān)鍵字：盾構(gòu)隧道管片分塊通縫拼裝和錯(cuò)縫拼裝1、設(shè)計(jì)思路管片設(shè)計(jì)是從隧道橫

2、斷面和縱斷面方向兩個(gè)方面進(jìn)行.通常,管片的斷面取 決于橫斷面方向的設(shè)計(jì),而地震、地基沉降帶來(lái)的影響等,一般根據(jù)需要在縱斷 面方向的設(shè)計(jì)中進(jìn)行研究.2、設(shè)計(jì)需要考慮的因素管片從隧道施工開(kāi)始到施工完畢后的很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi),都要擔(dān)負(fù)著支撐各種荷載 和保證隧道平安的使命.管片襯砌的設(shè)計(jì)目的就是確認(rèn)覆蓋整個(gè)隧道的襯砌的安 全性,同時(shí)找出最合理最經(jīng)濟(jì)的襯砌結(jié)構(gòu).但隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力由于施工條件、地質(zhì)條件、環(huán)境條件等因素的不同,復(fù)雜多 樣、并且作用荷重也是一個(gè)不確定因素,所以正確把握這些現(xiàn)象是非常困難的.因此在設(shè)計(jì)襯砌時(shí),首先應(yīng)對(duì)各種條件做充分勘察,然后再?gòu)慕?jīng)驗(yàn)和理論兩個(gè)方 面去設(shè)定去設(shè)定荷重及選擇計(jì)算方法.管片設(shè)計(jì)時(shí)

3、需要考慮的因素如下：2.1 保證隧道構(gòu)造的平安必須保證能夠承受從開(kāi)工到竣工后的長(zhǎng)期使用階段作用于隧道上的各種荷 載靜、動(dòng)荷載作用.2.2 降低本錢(qián)就盾構(gòu)隧道而言,管片制作本錢(qián)通常占盾構(gòu)法隧道總造價(jià)的 30%50%,合 理的設(shè)計(jì)管片就是降低盾構(gòu)隧道造價(jià)的關(guān)鍵環(huán)節(jié).2.3 制作及施工容易管片設(shè)計(jì)時(shí),還應(yīng)考慮管片制造制作工藝、養(yǎng)護(hù)方法、管片拼裝成管環(huán), 直至用接成一次襯砌施工的方便性,并考慮對(duì)其他施工工序的影響小等因素.3、管片設(shè)計(jì)原那么3.1 邊界條件確定按施工工藝及工程水文地質(zhì)特點(diǎn)確定設(shè)計(jì)荷載及邊界條件,從結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)兩方面做出符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì).3.2 構(gòu)造形式的選擇根據(jù)隧道的用途、土質(zhì)條件及

4、施工方法等因素選擇管片的種類、構(gòu)造、形 式及強(qiáng)度.中小直徑的上下水隧道,電力電信隧道多采用鋼筋混凝土管片和鋼管片； 對(duì) 鐵路、公路等大直徑隧道而言,已選擇鋼筋混凝土管片為主,偶爾也會(huì)使用鐵鑄 管片和鋼管片.無(wú)論什么地層都應(yīng)先對(duì)鋼筋混凝土箱型和平板型管片的適應(yīng)性進(jìn) 行論證.當(dāng)存在特殊荷載作用時(shí)也可考慮鐵鑄管片和鋼管片的適用性.在計(jì)算管環(huán)的斷面應(yīng)力時(shí),應(yīng)根據(jù)管片的種類、接頭方式、接頭的位置組合 產(chǎn)生的接頭效應(yīng)等因素確切的評(píng)價(jià)襯砌構(gòu)造特征.計(jì)算管環(huán)斷面應(yīng)力時(shí),是把管環(huán)看作具有均質(zhì)剛度的環(huán)還是看做多錢(qián)支環(huán),或是看做具有轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧和剪切彈簧 環(huán)來(lái)考慮,應(yīng)根據(jù)隧道的用途、地質(zhì)土層、襯砌構(gòu)造特征決定.3.3

5、按允許應(yīng)力法設(shè)計(jì)計(jì)算管片設(shè)計(jì)須在充分滿足與用途相對(duì)應(yīng)的構(gòu)造平安性的根底上,進(jìn)而在選用 合格材料、合理施工方法的前提下,按允許應(yīng)力法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算.技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比擬全面考慮工程造價(jià)、使用年限、長(zhǎng)期維修費(fèi)用及運(yùn)營(yíng)中的經(jīng)濟(jì)效益,對(duì)設(shè) 計(jì)做經(jīng)濟(jì)技術(shù)性比選.4、主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1 管片的外徑盾構(gòu)發(fā)隧道中由于一次襯砌是采用管片拼裝而成, 因此習(xí)慣把隧道的外徑稱 為管片的外徑,管片的外徑取決于隧道凈空和襯砌厚度管片厚度、二次襯砌厚 度等.對(duì)于地鐵區(qū)間單線隧道,管片的外徑一般為 6.0米左右.4.2 管片的厚度與幅寬管片的厚度是指盾構(gòu)隧道一次襯砌的厚度.對(duì)于箱型管片,那么為管片的主 梁高.管片幅寬是指一環(huán)管片在隧

6、道縱向的寬度.管片的厚度與隧道斷面大小的比,取決于土質(zhì)條件、覆蓋層的厚度等,最主 要的是取決于荷載條件.一般情況下.管片厚度為管片外徑的 4%左右,但對(duì)于 大直徑的隧道,尤其是箱型管片,約為 5.5%左右.管片的幅寬應(yīng)根據(jù)隧道的斷面,結(jié)合實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn),選擇在經(jīng)濟(jì)性、施工性 方面較合理的尺寸.從便于搬運(yùn)、組裝以及出于對(duì)隧道曲線段上施工時(shí)盾尾長(zhǎng)度 的考慮,管片幅寬是小一些為好.但是,從降低管片制造本錢(qián),減少易出現(xiàn)漏水 等缺陷的接頭部數(shù)量、提升施工速度等方面考慮,那么幅寬大一些為好.根據(jù)目前 經(jīng)驗(yàn),是隧道斷面大小而異,幅寬一般在3001500mm范圍之內(nèi).采用鋼管片時(shí), 多為7501200mm；采用

7、混凝土管片時(shí),多為 9001200mm.4.3 管片的分塊盾構(gòu)隧道的襯砌有多塊預(yù)制管片在盾尾內(nèi)拼裝而成,管片環(huán)的分塊主要由 管片制作、運(yùn)輸、安裝等方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定,但應(yīng)滿足受力要求.從過(guò)去 的經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際運(yùn)用情況來(lái)看.地鐵隧道分塊為 68塊較多.上下水道、電力 通信等隧道一般分為57塊.管片A型管片、兩塊B型管片和一塊封頂?shù)腒型管片組成,如下列圖所示.K型管片有從隧道內(nèi)側(cè)插入的半徑方向插入型,也有從隧道軸方向插入的軸方向插入型.4.4 管片的接頭角與插入角由于K型管片插入方式分兩種,沿半徑方向插入的角度稱為接頭角r,沿軸方向插入的那0一A角度稱為插入角1o K型管片的接頭角和插入角即h界面內(nèi)力

8、傳遞、組裝作業(yè)施工條件和管片生產(chǎn)條淤u32r件確定.E?C如果是半徑方向插入型管片,對(duì)于其中的 K型管片的接頭角,以下式計(jì)算r= k/2+ w,上式中的 川是為便于K型管片的插入所需要的富裕角度,般采用2°5°,但在不阻礙操作的前提下,小一些為好同沿宇校方向痂入審h斛軸向播入刑圖沿半徑方向尚人槃音片圖3-3一5 K型管片的種奘如果是軸向插入型管片,其中K型管片一般不需要接頭角度r0但是,考慮到包括盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)度在內(nèi)的施工條件和管片接頭與管片環(huán)之間的干擾, 還是需要設(shè)定管片 的插入角度1 .管片的插入角度多取決于施工條件,但是取170240的居多.4.5 管片的楔形量盾構(gòu)在曲線段

9、施工和蛇形修正時(shí),需要使用一種幅寬不等的管片環(huán),稱為楔 形管片環(huán).當(dāng)其寬度特別小呈窄板狀時(shí)稱為楔形墊板環(huán).楔形管片環(huán)中最大寬度 與最小寬度稱為楔形量.通常,蛇形修正用楔形管片環(huán)數(shù)量大概是直線區(qū)間所需管片環(huán)數(shù)量3%5%.如果是可以將蛇形修正楔形管片環(huán)作為緩曲線用楔形管片環(huán)使用,而且可以使用的緩曲線線區(qū)間比擬長(zhǎng)時(shí),楔形管片環(huán)的數(shù)量應(yīng)為直線區(qū)間和這些緩曲線區(qū)間所 需環(huán)數(shù)之和的3%5%.楔形量出了根據(jù)管片種類、管片寬度、管片環(huán)外徑、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)盾尾操作間隙而定.總結(jié)過(guò)去的使 用經(jīng)驗(yàn),絕大多數(shù)混凝土管片環(huán)的楔形量在 75mm以內(nèi).對(duì)于口徑大于10m的 或

10、特殊形狀的隧道,楔形量確實(shí)定還需進(jìn)一步計(jì)算校核.4.6 管片的拼裝盾構(gòu)隧道的拼裝方式有兩種,通縫拼裝和錯(cuò)縫拼裝.通縫拼裝時(shí),管片襯砌 結(jié)構(gòu)的整體剛度較小,導(dǎo)致變形較大、內(nèi)力較小.而采用錯(cuò)縫拼裝時(shí),管片襯砌 結(jié)構(gòu)的整體剛度較大,導(dǎo)致變形較小、內(nèi)力較大.同時(shí)錯(cuò)縫拼裝時(shí),要求縱向螺栓的布置能夠進(jìn)行一定角度的錯(cuò)縫拼裝, 因此,對(duì)于管片的分塊設(shè)計(jì)要求比通縫 拼裝條件下要高.錯(cuò)縫拼裝的偏轉(zhuǎn)角度根據(jù)縱向螺栓的布置而定,可以兩環(huán)一組 錯(cuò)縫拼裝,也可以三環(huán)一組錯(cuò)縫拼裝,通常將 K型管片放在隧道拱頂900范圍以 內(nèi).一般情況下,一條線上需要三種管片環(huán)來(lái)模擬直線和曲線線形,但是為了減少管片模具,降低工程造價(jià),而且方

11、便管片的生產(chǎn)、運(yùn)輸和吊裝等,因此提出了 管片通用環(huán)的概念,將直線段上的管片環(huán)直接設(shè)計(jì)成楔形環(huán), 用兩楔形環(huán)一組錯(cuò) 縫拼裝來(lái)模擬直線線形.其中根本拼裝方式是：第一環(huán)K型管片在左側(cè)水平位置指的是K型管片的中央位置；第二環(huán)K型管片在右側(cè)水平位置相當(dāng)于第 二環(huán)在第一環(huán)的根底上又轉(zhuǎn)180°.同時(shí)還可以模擬曲線線形和用于蛇形修正.5、小結(jié)在通縫和錯(cuò)縫式拼裝的情況下,管片內(nèi)力總體分布規(guī)律大致相同,但受錯(cuò)縫 式拼裝影響,縱向和環(huán)向接頭相互作用所產(chǎn)生的附加內(nèi)力使得相同地質(zhì)和埋深條 件下的錯(cuò)縫式拼裝管片環(huán)最大彎矩值較通縫式拼裝約大20%,而相應(yīng)軸力卻較通縫式拼裝約小10%,由此說(shuō)明錯(cuò)縫式拼裝所引起的管片附加內(nèi)力較為明顯,這雖然對(duì)管片環(huán)的整體承載較為不利,卻提升了結(jié)構(gòu)的整體性,使得錯(cuò)縫式拼裝管片 環(huán)最大位移值較通縫式拼裝約小 20%.對(duì)我國(guó)現(xiàn)行地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道地質(zhì)和埋深條件而言,即使管片結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了細(xì) 小裂縫,襯砌結(jié)構(gòu)還能承受較大荷載,從而使得實(shí)際工程中盾構(gòu)隧道出現(xiàn)坍塌的 可能性極小,因此在相關(guān)設(shè)計(jì)中應(yīng)將管片環(huán)的最大