城市軌道交通結構設計與施工之盾構法隧道設計

1、城市軌道交通結構設計與施工Structural Design and Construction of Urban Rail Transit主講：周順華 教授同濟大學交通運輸工程學院第七章 盾構法隧道設計 目 錄第一節(jié) 盾構法隧道的基本原理第二節(jié) 盾構法隧道襯砌結構第三節(jié) 盾構隧道的結構設計第四節(jié) 聯(lián)絡通道結構設計第五節(jié) 平板形鋼筋混凝土管片設計實例盾構隧道的基本原理 盾構法（Shield）隧道，是指在地表以下土層或松軟巖層中采用盾構機掘進施工的隧道，主要用于當明挖隧道施工對城市生活干擾較大或隧道埋深、地質條件不適合于用明挖法或其他方法建造隧道的情況，具有不影響地面交通、減少對附近居民的噪聲和振

2、動影響、施工易于管理和施工不受風雨等氣候條件影響等優(yōu)點。 盾構法隧道是1823年由布魯諾爾首創(chuàng)于英國倫敦泰晤士河的水底隧道。經過近二百年的發(fā)展，其施工機械和施工控制技術等越來越趨于成熟，已成為隧道建設特別是城市隧道建設中的主要施工方法。盾構類型 為保證圍巖不發(fā)生坍塌失穩(wěn)或控制施工引起的周圍土體或建筑物的變形，盾構法隧道施工過程中通過盾構機體主動控制圍巖的應力釋放和變形，根據(jù)面板與前方土體的平衡形式的不同，可以分為不同平衡系統(tǒng)的盾構機。 各種類型盾構掘進的支護面板盾構隧道斷面形式就斷面型式而言，大部分盾構法隧道的斷面型式為單圓形。 受城市既有地下構筑物的限制及適應不同工程的需要，近年來出現(xiàn)了雙圓

3、、三圓、矩形等多種斷面型式，相應開發(fā)了雙圓、三圓、矩形、球型盾構和子母盾構等。第二節(jié) 盾構法隧道襯砌結構盾構隧道襯砌是直接支撐地層，防止?jié)B漏，同時又能承受施工荷載的結構。一次襯砌二次襯砌預制裝配式襯砌環(huán)的分塊與拼裝襯砌環(huán)分塊形式襯砌環(huán)的拼裝形式錯縫拼裝通縫拼裝封頂塊的拼裝形式徑向插入型軸向插入型管片間及環(huán)間的連接柔性連接相鄰管片間產生微小的轉動和壓縮，使襯砌環(huán)能按內力分布狀態(tài)產生相應的變形，以改善襯砌環(huán)的受力狀態(tài)。剛性連接通過增加連接螺栓的排數(shù)，力圖在構造上使接縫處的剛度與管片的剛度相同。管片種類及特點按截面形式分類箱型中子型平板型曲線地段或修正蛇行施工時用到的管片為楔形管片，楔形管片是具有錐

4、度的管片環(huán)，當其寬度特別小呈窄板狀時稱為楔形墊板環(huán)。 種類特征鋼鐵管片混凝土類管片鋼管片球墨鑄鐵管片鋼筋混凝土（RC）管片復合型管片平板形中子形SC結構SRC結構特點重量輕、可以任意完整加固材料、中小盾構使用較多強度好、耐久性好、制作精度高、重量輕、可用作特殊管片成本低、使用最多、耐久性好、可構建實用、無障礙物襯砌混凝土和鋼板有效復合構造，與鋼筋混凝土管片相比厚度小存在問題容易變形、耐腐蝕性差成本較高、焊接困難厚度較大、重量大、易損傷抗腐蝕性差、接頭構造復雜實例用于小、中斷面。用于開口部位及小半徑曲線部位。用于中、大斷面。用于開口部位及小半徑曲線等特殊部位。用于中、大口徑斷面。用于中、大口徑斷

5、面。用于特殊部位。止水性接合精度高，止水性好結合處加工精度高，止水性好。如果考慮到接頭表面的制作精度，則止水性好截面變形量小，故止水性比較好。耐久性必須對板等采取防腐措施必須采取防腐措施當雖有一定的耐久性（抗腐蝕性、耐熱性）必須對鋼板等采取防腐措施加工制作性加工場地較小、材質均勻，成品可靠性好厚度受到限制、加工精度高、材質均勻，成品可靠性好制作精度依靠模板精度、養(yǎng)護時間長混凝土必須有養(yǎng)護時間。為了防止?jié)仓炷恋淖冃?，必須設簡易的構件。施工性對于千斤頂?shù)耐屏姸扰c剛度要求都比較小、不易損傷、焊接性好，現(xiàn)場維修及加固等容易。重量比較輕，不用擔心破損，搬運及拼裝容易。對于千斤頂?shù)耐屏?，因有足夠的?/p>

6、面在抵抗，故易于確保承載力。在搬運、拼裝及推進時轉角處等有開裂或破損等。對于千斤頂?shù)耐屏?，有足夠的承載力。由于采用鋼管包覆，可以在搬運、拼裝時不易產生缺損或損傷。接頭形式直螺栓直螺栓直螺栓直螺栓，曲螺栓、插頭、鉸接接頭直螺栓斷面形式箱型箱型箱型平板型平板型雙圓盾構隧道的襯砌結構橫向雙連形的MF盾構施工法豎向雙連形的DOT施工法第三節(jié) 盾構隧道的結構設計一般原則結構設計首先應確保隧道結構的安全性，即能夠承受從開工到竣工后的長期使用荷載（靜、動荷載）的作用，在施工和正常使用階段，進行結構強度的計算，對于混凝土結構，應進行抗裂驗算或裂縫寬度驗算。管片設計時可將其視為單純承受彎矩、軸力及剪力的線性梁來

7、處理。為了取得較好的經濟效益，在工程地質條件好、周圍土層能提供一定抗力的前提下，襯砌結構可設計得柔和一些，但圓襯砌環(huán)變形的大小對結構受力、接縫張角、接縫防水和地表變形等均有影響，設計時需對襯砌結構的變形進行驗算，作必要的控制。結構設計應按照隧道的橫斷面及縱斷面方向分別進行。通常情況下，按相對于橫斷面方向的設計來決定管片的斷面，根據(jù)地震及地基沉降的影響等來研究隧道縱斷面結構的合理性。設計條件的設定荷載的計算構件詳圖的設計對于特殊荷載的設計繪圖構件的設計計算截面內力的計算彎矩及軸向力的單位應力的計算 剪應力的計算單位應力的校核 管片的制作隧道的線性必要的內空斷面土質條件 管片的種類 管片的分塊數(shù)主

8、要荷載計算 附加荷載的計算荷載及結構模型的選定慣用計算方法修正慣用計算方法梁彈性模型計算方法部分地基彈簧模型，全周地基彈簧模型管片主斷面的假定對于主要荷載的主斷面的單位應力的校核對于主要荷載及附加荷載作用下的構件的設計計算接頭的計算（螺栓、接頭板、錨筋等）縱肋的計算地震的影響地基沉降的影響鄰接施工的影響對相鄰建（構）筑物的影響注入孔吊具接頭角度錐形襯環(huán)nooknook荷載計算荷載分類主要荷載備注主荷載垂直和水平土壓力；水壓力；自重；上覆荷載的影響；地基反力設計時必須考慮的基本荷載附加荷載內部荷載；施工荷載；地震影響施工中或竣工后的荷載，根據(jù)隧道用途、施工條件及周圍環(huán)境考慮的荷載特殊荷載并設隧道

9、的影響；臨近施工的影響；地基沉降的影響；其它荷載的影響考慮地層條件和隧道用途特殊性的荷載垂直土壓力上覆土厚度小于隧道外徑時，因地層無拱效應，垂直土壓力為上覆土的水土重量。上覆土厚度大于隧道外徑時，應根據(jù)地層性質判斷其是否存在拱效應，進而決定是否采用松弛土壓力。松弛土壓力的計算方法一般采用太沙基公式式中： -Terzaghi的松動土壓力；松弛層的換算高度；水平土壓力與垂直土壓力之比（一般取 =1）；土的內摩擦角；上覆荷載；土的重度；土的粘聚力；但是，小于 時可使用下式： 水平土壓力作用于管環(huán)上的側面水平土壓力，可按下式估算： 式中：水平土壓力（KN/m2） 側向土壓系數(shù)（無量綱）， 可以考慮為靜

10、止土壓力、主動土壓力或者按略小于靜止土壓力的值考慮；此外， 還與土質、設計計算方法及施工方法有關，所以很難高精度設定 ；側向土壓力系數(shù)（ ）和地層反力系數(shù)（ K）土與水的考慮土的種類 K（kn/m3）N值得大致范圍土水分離非常密實的砂性土密實的砂性土松散的砂性土0.35-0.450.45-0.550.50-0.6030-5010-300-10固結粘性土硬的粘性土中硬粘性土0.35-0.450.45-0.550.50-0.6530-5010-300-10土水一體中硬粘性土軟粘土超軟粘土0.55-0.650.65-0.750.70-0.855-100-50- 自重荷載自重荷載是沿襯砌軸線分布的豎直

11、荷載，一次襯砌的自重荷載可按下式計算： 式中： 一次襯砌的自重單位長度襯砌的重力（KN/m）； 襯砌形心半徑（m）； 重力加速度（9.8/s2）； 一次襯砌的體密度（T/m3）上覆荷載地層反力施工荷載內部荷載地震荷載 橫截面的結構內力計算目前，單圓盾構隧道有以下幾種管片環(huán)的結構計算模型及方法：不考慮管片接頭抗彎剛度降低，把管環(huán)視為具有和管片主截面同樣剛度EI，且剛度均勻的環(huán)，采用彈性勻質圓環(huán)法或慣用計算法進行計算；考慮管片接頭抗彎剛度降低，把管環(huán)視為是具有均勻抗彎剛度EI的環(huán)（4.518m荷載的計算土反力和位移 假定作用于兩側的水平土反力是隨著襯砌向地基內位移產生的，在襯砌水平直徑的上下 中心

12、角范圍內呈三角形（以水平直徑上的點為頂點）分布。水平直徑上點的土反力與襯砌向地基內的水平位移成正比，考慮了土反力的位移 ：（7-29）式中： 土水壓力引起的 點位移； 土反力引起的與上述方向相反的 點位移0.00016374m作用于管片襯砌體的外荷載的計算土反力和位移土質條件土反力荷載分布松動高度管片環(huán)截面內力計算管片的主截面管片環(huán)截面內力計算外荷載在管片環(huán)上產生的截面力，采用常規(guī)計算法計算：（104N.m/m）（104N/m）（104N/m）00.65227.8000.000100.59627.906-0.393200.43928.202-0.705300.21228.636-0.87740

13、-0.03929.131-0.876500.26529.605-0.71260-0.42929.988-0.43670-0.50730.244-0.11880-0.49830.3780.16890-0.42030.4290.368100-0.30030.4250.4761100.16130.3880.500120-0.02630.5950.4491300.08730.3650.3461400.16830.4140.2261500.21530.5010.1171600.23730.5990.0431700.24330.6760.0091800.24430.705-0.000截面內力的計算最大截面力一覽表（104 Nm/m ）主體應力承受正彎矩和軸向力應力分布（正彎矩）管片接頭螺栓的設計 假設單塊管片的阻力矩（絕對值得最小值）的60%以上為管片街頭的容許阻力矩。單塊管片的阻力矩中心軸的位置：3.711cm管片的接頭參數(shù)混凝土應力達容許應力 15MPa時的力矩：2.224104N.m/環(huán)鋼筋應力達容許應力c時的容許阻力矩為：1.387104N.m/環(huán)由于則 ，單快管片的容許阻力矩為：1.387104N.m管片接頭螺栓的設計管片接頭的容許彎矩中心軸的位置：3.011cm接頭的容許彎矩為管片的容許彎矩的60%