盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)-地下建筑結(jié)構(gòu)

盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)_地下建筑結(jié)構(gòu)第1頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二2

1806年,工程師Brunel針對(duì)松散飽和軟土層發(fā)明了最早的網(wǎng)格式盾構(gòu)并提出專利。1818年,Brunel從蛆蟲腐蛀船底成洞得到啟發(fā)，提出了全封閉螺旋式盾構(gòu)工法(土壓平衡盾構(gòu)的原型)。1825～1843年，Brunel設(shè)計(jì)的方形鑄鐵框盾構(gòu)貫通了泰晤士河的第一條隧道。1869年,Burlow和Great負(fù)責(zé)建造泰晤士河的第二條隧道，Great采用新開發(fā)的圓形盾構(gòu)、扇形鑄鐵管片。1886年,Great在南倫敦鐵路隧道施工中使用了盾構(gòu)和壓氣組合工法，為現(xiàn)在的盾構(gòu)工法奠定了基礎(chǔ)。盾構(gòu)工法第2頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二本章主要內(nèi)容襯砌型式和構(gòu)造襯砌圓環(huán)內(nèi)力計(jì)算襯砌斷面設(shè)計(jì)隧道防水及其綜合處理盾構(gòu)新型管片襯砌形式

第3頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二10.1襯砌型式和構(gòu)造10.1.1襯砌斷面的型式與選型襯砌結(jié)構(gòu)在施工階段保護(hù)開挖面以防止土體變形、坍塌及泥水滲入，并承受盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)千斤頂頂力及其它施工荷載；在隧道竣工后作為永久性支撐結(jié)構(gòu)，并防止泥水滲入，同時(shí)支承襯砌周圍的水、土壓力以及使用階段某些特殊需要的荷載，以滿足結(jié)構(gòu)的預(yù)期使用要求。第4頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二依據(jù)隧道的使用目的、地層條件以及施工方法，合理選擇襯砌的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、形式和種類等。盾構(gòu)隧道橫斷面一般有圓形、矩形、半圓型、馬蹄形、橢圓形等多種型式，最常用的為圓型與矩型。在飽和含水軟土地層中修建隧道，由于頂壓和側(cè)壓較為接近，較有利的結(jié)構(gòu)型式是選用圓形結(jié)構(gòu)。第5頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（一）內(nèi)部使用限界的確定隧道內(nèi)輪廓的凈尺寸應(yīng)根據(jù)建筑限界或工藝要求并考慮曲線影響及盾構(gòu)施工偏差和不均勻沉降來決定。1.車輛限界車輛限界是指在平、直線路上運(yùn)行中的車輛達(dá)到的最大運(yùn)動(dòng)包跡線。在確定車輛限界的各個(gè)控制點(diǎn)時(shí)，除考慮車輛外輪廓橫斷面的尺寸外，還需考慮到制造上的公差，車輪和鋼軌之間及在支承中的機(jī)械間隙、車體橫向擺動(dòng)和在彈簧上顫動(dòng)傾斜等。2.建筑限界建筑限界是決定隧道內(nèi)輪廓尺寸的依據(jù)，是在車輛限界以外一個(gè)形狀類似的輪廓。任何固定的結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管線等都不得侵入這個(gè)限界以內(nèi)。建筑限界由車輛限界外增加適量安全間隙來求得，其值一般為150～200mm。第6頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（二）圓型隧道斷面的優(yōu)點(diǎn)可等同地承受各方向外部壓力。飽和含水軟土地層中頂壓、側(cè)壓較為接近，更顯示出圓形隧道斷面的優(yōu)越性；施工中易于盾構(gòu)推進(jìn)；便于管片的制作、拼裝；盾構(gòu)即使發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)斷面的利用也毫無妨礙。用于圓形隧道的拼裝式管片襯砌一般由若干塊組成，分塊的數(shù)量由隧道直徑、受力要求、運(yùn)輸和拼裝能力等因素確定。管片類型分為標(biāo)準(zhǔn)塊、鄰接塊和封頂塊三類。管片寬度一般為300mm～2000mm，厚度為隧道外徑的5%～6%，塊與塊、環(huán)與環(huán)之間用螺栓連接。第7頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（三）單雙層襯砌的選用隧道襯砌是直接支承地層，保持規(guī)定的隧道凈空，防止?jié)B漏，同時(shí)又能承受施工荷載的結(jié)構(gòu)。由管片拼裝的一次襯砌和必要時(shí)在其內(nèi)面灌注混凝土的二次襯砌所組成。一次襯砌為承重結(jié)構(gòu)的主體，二次襯砌主要是為了一次襯砌的補(bǔ)強(qiáng)和防止漏水與浸蝕而修筑的。由于防水或截水材料質(zhì)量的提高，可以考慮省略二次襯砌，采用單層的一次襯砌，既承重又防水。對(duì)于有壓的輸水隧道，為了承受較大的內(nèi)水壓力，需做二次襯砌。第8頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二10.1.2襯砌的分類及其比較(一)按材料及形式分類

1．鋼筋混凝土管片

1)箱形管片一般用于較大直徑的隧道。單塊管片重量較輕，管片本身強(qiáng)度不如平板形管片，特別在盾構(gòu)頂力作用下易開裂。

2)平板形管片用于較小直徑的隧道，單塊管片重量較重，對(duì)盾構(gòu)千斤頂頂力具有較大的抵抗能力，正常運(yùn)營時(shí)對(duì)隧道通風(fēng)阻力較小。第9頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二2．鑄鐵管片國外在飽和含水不穩(wěn)定地層中修建隧道時(shí)較多采用鑄鐵管片。管片較輕，耐蝕性好，機(jī)械加工后管片精度高，能有效地防滲抗漏。缺點(diǎn)是金屬消耗量大，機(jī)械加工量也大，價(jià)格昂貴。由于鑄鐵管片具有脆性破壞的特性，不宜用作承受沖擊荷重的隧道襯砌結(jié)構(gòu)。第10頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二3．鋼管片優(yōu)點(diǎn)是重量輕、強(qiáng)度高。缺點(diǎn)是剛度小，耐銹蝕性差，需進(jìn)行機(jī)械加工以滿足防水要求。成本昂貴，金屬消耗量大，國外在使用鋼管片的同時(shí)，再在其內(nèi)澆注混凝土或鋼筋混凝土內(nèi)襯。

4．復(fù)合管片外殼采用鋼板制成，在鋼殼內(nèi)澆注鋼筋混凝土，組成一復(fù)合結(jié)構(gòu)，其重量比鋼筋混凝土管片輕，剛度比鋼管片大，金屬消耗量比鋼管片小。缺點(diǎn)是鋼板耐蝕性差，加工復(fù)雜冗繁。第11頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二(二)按結(jié)構(gòu)型式分類根據(jù)不同的使用要求分成箱形管片、平板形管片等幾種結(jié)構(gòu)型式。鋼筋混凝土管片四側(cè)都設(shè)螺栓與相鄰管片連接。平板形管片在特定條件下可不設(shè)螺栓，稱為砌塊，砌塊四側(cè)設(shè)有不同幾何形狀的接縫槽口，以便砌塊間和環(huán)間相互銜接起來。

1.管片適用于不穩(wěn)定地層內(nèi)各種直徑的隧道，接縫間通過螺栓予以連接。由錯(cuò)縫拼裝的可視為一勻質(zhì)剛度圓環(huán)，接縫由于設(shè)置了一排或二排的螺栓可承受較大的正、負(fù)彎矩。環(huán)縫上設(shè)置縱向螺栓，具有抵抗隧道縱向變形的能力。管片拼裝進(jìn)度大為降低，增加工人勞動(dòng)強(qiáng)度，也相應(yīng)地增高了施工和襯砌費(fèi)用。第12頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二2．砌塊一般適用于含水量較少的穩(wěn)定地層內(nèi)。由于隧道襯砌的分塊要求，使由砌塊拼成的圓環(huán)(超過三塊以上)成為一個(gè)不穩(wěn)定的多鉸圓形結(jié)構(gòu)。襯砌結(jié)構(gòu)在通過變形后(變形量必須予以限制)地層介質(zhì)對(duì)襯砌環(huán)的約束使圓環(huán)得以穩(wěn)定。砌塊間以及相鄰環(huán)間接縫防水、防泥必須得到滿意的解決，否則會(huì)引起圓環(huán)變形量的急劇增加而導(dǎo)致圓環(huán)喪失穩(wěn)定，形成工程事故。砌塊由于在接縫上不設(shè)置螺栓，施工拼裝進(jìn)度可加快，隧道的施工和襯砌費(fèi)用也隨之而降低。第13頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二(三)按形成方式分類分為裝配式襯砌和擠壓混凝土襯砌。裝配式襯砌圓環(huán)是由分塊的預(yù)制管片在盾尾拼裝而成的，按照管片所在位置及拼裝順序不同可將管片劃分為標(biāo)準(zhǔn)塊、鄰接塊和封頂塊。有鑄鐵、鋼、混凝土、鋼筋混凝土管片和砌塊之分裝配式襯砌的特點(diǎn)在于：1.安裝后能立即承受荷載；2.管片生產(chǎn)工廠化，質(zhì)量易于保證，管片安裝機(jī)械化，方便快捷；3.其接縫處防水需要采取特別有效的措施。第14頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二盾尾后現(xiàn)澆混凝土的擠壓式襯砌工藝，即高壓作用下的盾尾處剛澆搗而未硬化的混凝土作為盾尾推進(jìn)的后座，盾尾在推進(jìn)的過程中，不產(chǎn)生建筑空隙，空隙由注入的混凝土填充。擠壓混凝土襯砌施工方法特點(diǎn)：1.自動(dòng)化程度高，施工速度快；2.整體式襯砌結(jié)構(gòu)可以達(dá)到理想的受力、防水要求，建成的隧道有滿意的使用效果；3.采用鋼纖維混凝土能提高薄形襯砌的抗裂性能；4.在滲透性較大的砂礫層中要達(dá)到防水要求尚有困難。第15頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二(四)按構(gòu)造型式分類可分為單層及雙層襯砌兩種型式。修建在飽和含水軟土地層內(nèi)的隧道，由于接縫防水問題，多選擇雙層襯砌結(jié)構(gòu)，外層是裝配式襯砌結(jié)構(gòu)，內(nèi)層是混凝土或鋼筋混凝土層。雙層襯砌問題：開挖斷面增大，增加了出土量；施工工序復(fù)雜，延長了施工期限，導(dǎo)致了隧道建設(shè)成本的增加。解決單層襯砌的防水技術(shù)和使用效果，以逐步取代雙層襯砌結(jié)構(gòu)。外層襯砌視作一施工臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了外層襯砌的要求。在內(nèi)層現(xiàn)澆襯砌施工前，對(duì)外層襯砌進(jìn)行清理、堵漏和必要的結(jié)構(gòu)構(gòu)造處理，然后再澆搗內(nèi)襯層，并使內(nèi)層襯砌與外層村砌連成一起視作一整體結(jié)構(gòu)(或近似整體結(jié)構(gòu))以共同抵抗外荷載。第16頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二10.1.3裝配式鋼筋混凝土管片環(huán)寬分塊封頂塊形式拼裝方式第17頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二根據(jù)國內(nèi)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，無論是鋼筋混凝土管片或金屬管片，環(huán)寬一般在300～2000mm之間。環(huán)寬過小會(huì)導(dǎo)致接縫數(shù)量的增加，加大隧道防水的難度；環(huán)寬過大雖對(duì)防水有利，但也會(huì)使盾尾長度增長而影響盾構(gòu)的靈敏度；單塊管片重量也增大。(一)環(huán)寬第18頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二(二)分塊單線地下鐵道襯砌分為6～8塊，雙線分為8～10塊。小斷面隧道可分為4～6塊。少數(shù)采用4等份管片，把管片接縫設(shè)置在內(nèi)力較小處，使襯砌環(huán)具有較好的剛度和強(qiáng)度，接縫構(gòu)造也可相應(yīng)得到簡(jiǎn)化。管片的最大弧、弦長一般較少超過4m，管片越薄其長度應(yīng)越短。

(三)封頂管片形式考慮到施工方便以及受力的需要，趨向于采用小封頂形式。封頂塊的拼裝形式有兩種：徑向楔入和縱向插入。后者封頂塊受力情況較好，在受荷后，封項(xiàng)塊不易向內(nèi)滑移，但缺點(diǎn)是需加長盾構(gòu)千斤頂行程。第19頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二(四)拼裝方式圓環(huán)的拼裝方式：通縫、錯(cuò)縫所有襯砌環(huán)的縱縫環(huán)環(huán)對(duì)齊的稱為通縫；而環(huán)間縱縫相互錯(cuò)開，猶如磚砌體一樣的稱為錯(cuò)縫。通縫拼裝時(shí)為十字型式，在接縫防水上丁字縫比十字縫較易處理。圓環(huán)襯砌采用錯(cuò)縫拼裝較普遍，其優(yōu)點(diǎn)在于能加強(qiáng)圓環(huán)接縫剛度，約束接縫變形，圓環(huán)近似地可按勻質(zhì)剛度考慮。當(dāng)管片制作精度不夠好時(shí)，采用錯(cuò)縫拼裝形式容易管片在盾構(gòu)推進(jìn)過程中頂碎；另外在錯(cuò)縫拼裝條件下，環(huán)、縱縫相交處呈丁字型式；第20頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二21通縫

1.甲型：環(huán)向短直螺栓、縱向?yàn)轭^尾相接的長螺栓

2.乙型：環(huán)向單頭螺栓、縱向?yàn)閺澛菟?/p>

3.丙型：環(huán)向、縱向?yàn)槎讨甭菟ㄥe(cuò)縫：A-B-A,A-B-C錯(cuò)逢拼裝形式第21頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二10.1.4管片接縫（頭）構(gòu)造管片間的接縫（頭）（下稱接頭）有兩類：沿縱向（接頭面平行于縱軸）的稱縱向接頭，沿環(huán)向（接頭面垂直于縱軸）的稱環(huán)向接頭。從其力學(xué)特性可分為柔性和剛性接頭

；前者要求相鄰管片間允許產(chǎn)生微小的轉(zhuǎn)動(dòng)與壓縮，后者則是通過增加螺栓數(shù)量等手段，力圖在構(gòu)造上使接頭剛度與構(gòu)件本身相同。基本的接頭結(jié)構(gòu)有螺栓接頭、鉸接頭、銷插入式接頭、楔形接頭、榫接頭等等。第22頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二彎螺栓直螺栓斜直螺栓暗銷接頭縱徑向銷接頭第23頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二24滑動(dòng)式銷釘管片滑動(dòng)式銷釘（C型金屬構(gòu)件）滑動(dòng)式銷釘ー（T型金屬構(gòu)件）快速接頭滑動(dòng)式銷釘管片安裝后隧道傳統(tǒng)的螺栓或銷釘管片常規(guī)的螺栓或銷釘管片安裝成型后隧道內(nèi)側(cè)完全光滑型?單向接觸組裝的管片的構(gòu)造（滑動(dòng)式銷釘管片）第24頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二10.1.5其它構(gòu)造（一）縱肋對(duì)鋼管片和鋼筋混凝土箱型管片，縱肋配置必須保證千斤頂推力均勻傳遞。鋼制管片上，縱肋必須考慮等間隔配置，其數(shù)量至少要按2條縱肋支承1塊壓力墊的比例配置，否則不可能均勻傳遞千斤頂推力。對(duì)箱型管片，縱肋的配置方法應(yīng)和鋼制管片的一樣，其數(shù)量一般和盾構(gòu)千斤頂數(shù)量相同。（二）注漿孔為均勻注漿，通常每個(gè)管片上設(shè)置一個(gè)或一個(gè)以上注漿孔。由于注漿孔數(shù)量的增加會(huì)增加可能的滲漏水通道，且目前廣泛采用盾尾同步壁后注漿方式，管片上的注漿孔往往用作二次注漿。因而，國內(nèi)采用較多的是每個(gè)管片上僅設(shè)置一個(gè)注漿孔。注漿孔直徑須依據(jù)使用的注漿材料確定，一般采用內(nèi)徑50mm左右。（三）起吊環(huán)必須考慮設(shè)置起吊環(huán)。混凝土平板型管片和球墨鑄鐵管片大多將壁后注漿孔同時(shí)兼作起吊環(huán)使用，而鋼管片則需另設(shè)置起吊配件。第25頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二10.2襯砌圓環(huán)內(nèi)力計(jì)算隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足兩個(gè)基本要求：滿足施工及使用階段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的要求，承受諸如水、土壓力及一些特殊使用要求的外荷載；滿足使用功能要求的環(huán)境條件，保持隧道內(nèi)部的干燥和潔凈，特別是在飽和含水軟土地層中采用裝配式鋼筋混凝土管片結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)襯砌防水的措施。第26頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二10.2.1鋼筋混凝土管片的設(shè)計(jì)要求和方法按照強(qiáng)度、變形、裂縫限制等需要分別驗(yàn)算。確定襯砌結(jié)構(gòu)的幾個(gè)工作階段——施工荷載階段，基本使用荷載階段和特殊荷載階段，提出各個(gè)工作階段的荷載和安全質(zhì)量指標(biāo)要求(襯砌裂縫寬度，接縫變形和直徑變形的允許量，隧道抗?jié)B防漏指標(biāo)，結(jié)構(gòu)安全度，襯砌內(nèi)表面平整度要求等)，進(jìn)行各個(gè)工作階段和組合工作階段的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。第27頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二10.2.2結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的選擇荷載—結(jié)構(gòu)法和地層—結(jié)構(gòu)法：下面著重介紹荷載—結(jié)構(gòu)法。荷載—結(jié)構(gòu)法：三要素（荷載模式，結(jié)構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)與地層共同作用）荷載模式：淺埋與深埋、水土合算和分算結(jié)構(gòu)模型:(1)飽和含水地層中，常采用勻質(zhì)(等剛度)圓環(huán)計(jì)算方法。(2)在不穩(wěn)定地層中，多鉸圓環(huán)結(jié)構(gòu)(鉸的數(shù)量大于8個(gè))處于結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定狀態(tài)。(3)在穩(wěn)定地層中，襯砌環(huán)按多鉸圓環(huán)計(jì)算是十分經(jīng)濟(jì)合理的。對(duì)圓環(huán)變形量要有一定的限制，并對(duì)施工要求提出必要的技術(shù)措施。結(jié)構(gòu)與地層共同作用：全周模式和局部模式第28頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二10.2.3荷載的確定第29頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二10.2.3荷載的確定荷載分類表10-2a基本荷載地層壓力水壓力自重上覆荷載的影響地基抗力附加荷載內(nèi)部荷載施工荷載地震的影響特殊荷載平行配置隧道的影響接近施工的影響其他第30頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二計(jì)算工況荷載種類荷載組合系數(shù)第一組合施工階段第二組合運(yùn)行階段第三組合地震驗(yàn)算地面超載1.4√√√結(jié)構(gòu)自重1.2√√√地層垂直土壓力1.2√√√地層水平土壓力1.2√√√外水壓力1.2√√√道路設(shè)計(jì)荷載1.4√√√盾構(gòu)千斤頂頂力1.2√不均勻注漿壓力1.2√地震荷載1.3√表10-2b計(jì)算工況荷載組合表第31頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二(一)基本使用階段(環(huán)寬按1m考慮)第32頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二第33頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二第34頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二第35頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二深埋地層豎向土壓：泰沙基公式以及蘇聯(lián)的普羅托季雅柯諾夫公式。第36頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二側(cè)向主動(dòng)土壓側(cè)向主動(dòng)士壓大都按朗金公式計(jì)算。但側(cè)壓常受地層、施工方法和襯砌結(jié)構(gòu)剛度的影響，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)很大的差異。例如在采用擠壓盾構(gòu)法施工時(shí)，剛開始時(shí)側(cè)壓很大、頂壓小于側(cè)壓，隧道出現(xiàn)“豎鴨蛋”現(xiàn)象。含水砂土層采用水土分算原則，含水粘土層中則采用水土合算原則。確定側(cè)壓系數(shù)時(shí)必須謹(jǐn)慎對(duì)待，日本隧道襯砌設(shè)計(jì)常對(duì)側(cè)壓系數(shù)選擇范圍大致在0.3～0.8之間，也有不超過0.7的做法。第37頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二(二)施工階段1．管片拼裝：鋼筋混凝土管片拼裝成環(huán)時(shí)，對(duì)縱向接縫擰緊螺栓，由于管片制作精度不高，環(huán)面接觸不平，往往在擰緊螺栓時(shí)，使管片局部出現(xiàn)較大的集中應(yīng)力，導(dǎo)致管片開裂和存在著局部?jī)?nèi)應(yīng)力。2．盾構(gòu)推進(jìn)：由于制作和拼裝的誤差管片的環(huán)縫面往往是參差不平的。當(dāng)盾構(gòu)千斤頂施加在環(huán)縫面上，特別是千斤頂頂力存在偏心狀態(tài)情況下，極易使管片開裂和頂碎。第38頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二3．襯砌背后壓注：襯砌背后的建筑空隙內(nèi)注以水泥漿或水泥砂漿等材料。軟土地層注漿材料不是均勻分布在襯砌四周，而僅是局部聚集在注漿孔的一定范圍內(nèi)，過高的注漿壓力常引起圓環(huán)變形和出現(xiàn)局部的集中應(yīng)力，封頂楔形塊管片也會(huì)向內(nèi)滑移。4．襯砌環(huán)剛出盾尾：襯砌頂部土壓即迅速作用到襯砌上，而側(cè)壓卻因某種原因未能及時(shí)作用，這時(shí)襯砌可能處于比基本使用階段更為不利的工作條件。不利工作條件的因素很多，難以事先估計(jì)襯砌結(jié)構(gòu)在施工階段引起的。目前一般的處理方法是除實(shí)地觀測(cè)和提出相應(yīng)改進(jìn)措施外，還常采用一個(gè)籠統(tǒng)的附加安全系數(shù)，以保證襯砌結(jié)構(gòu)的一定安全度。第39頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二(三)特殊荷載階段

根據(jù)使用需要還得進(jìn)行特殊荷載階段的驗(yàn)算；屬于瞬時(shí)性的荷載，且荷載作用時(shí)間又短，但往往是控制襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵?？赏咨坪侠磉x擇結(jié)構(gòu)的附加安全系數(shù)和適當(dāng)提高建筑材料的物理力學(xué)性能指標(biāo)。第40頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二荷載—結(jié)構(gòu)法自由變形與側(cè)向彈性抗力均質(zhì)模型日本修正的慣用法:等效剛度模型多鉸圓環(huán)結(jié)構(gòu)模型直(曲)梁—接頭連續(xù)模型（梁—彈簧模型）襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算模型：10.2.4襯砌內(nèi)力計(jì)算第41頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（1）自由變形均質(zhì)模型在飽和含水軟土地層中，主要由于工程上的防水要求對(duì)由裝配式襯砌組成的襯砌圓環(huán)，其接縫必須具有一定的剛度，以減小接縫變形量。由于相鄰環(huán)間接錯(cuò)縫拼裝，并設(shè)置一定數(shù)量的縱向螺栓或在環(huán)縫上設(shè)有凹凸榫槽，使縱縫剛度有了一定的提高。因此，圓環(huán)可近似地認(rèn)為一均質(zhì)剛度圓環(huán)。由于荷載的對(duì)稱性，故整個(gè)圓環(huán)為二次超靜定結(jié)構(gòu)。按結(jié)構(gòu)力學(xué)力法原理，可解出各千截面上的M、N值。(一)自由變形與側(cè)向彈性抗力均質(zhì)模型計(jì)算法第42頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二第43頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（2）側(cè)向彈性抗力均質(zhì)模型第44頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二第45頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二國際隧協(xié)推薦兩種估算方法，即

-

法法和旋轉(zhuǎn)彈簧（半鉸）K-（

法）。（1）

-

法圓環(huán)抗彎剛度為ηEJ（η為抗彎剛性的有效率，η≤1），計(jì)及圓環(huán)水平直徑處變位y，兩側(cè)抗力pk=ky后，考慮錯(cuò)縫拼裝管片接頭部彎矩的傳遞，結(jié)構(gòu)整體加強(qiáng)效果。接頭處

管片

式中

——彎矩調(diào)整系數(shù)0.6≤

≤0.8，

0.3≤

≤0.5

。如果管片環(huán)內(nèi)沒有接頭，則=1，

=0錯(cuò)縫拼裝彎矩傳遞及分配示意圖（二）日本修正慣用法第46頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（2）K-x法彈簧鉸模型用一個(gè)旋轉(zhuǎn)彈簧（半鉸）模擬接頭，且假定彎矩與轉(zhuǎn)角成正比管片環(huán)沒有接頭，則K=∞，x=0。若假定管片環(huán)的接頭為鉸接，則K=0，x=1第47頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二(三)多鉸圓環(huán)結(jié)構(gòu)模型計(jì)算法(1)日本山本稔法該原理在于圓環(huán)多鉸襯砌環(huán)在主和被動(dòng)土壓作用下產(chǎn)生變形，圓環(huán)由一不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，圓環(huán)變形過程中，鉸不發(fā)生突變。計(jì)算假定：

1)適用于圓形結(jié)構(gòu)。

2)襯砌環(huán)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，管片或砌塊視作剛體處理。

3)襯砌環(huán)外圍土抗力按均勻分布，土抗力的計(jì)算滿足對(duì)砌環(huán)穩(wěn)定性的要求，土抗力作用方向全部朝向圓心。

4)計(jì)算中不計(jì)及圓環(huán)與土壤介質(zhì)間的摩擦力。

5)土抗力和變形間關(guān)系按Winkler公式計(jì)算。第48頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二第49頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（四）直(曲)梁—接頭連續(xù)模型計(jì)算法（梁—彈簧模型）結(jié)構(gòu)力學(xué)方法：建立在線彈性理論基礎(chǔ)上，即接頭彈簧和管片本身均為彈性體。采用卡氏第二定理，先求得柔度陣，再對(duì)之求逆，即得到剛度陣。日本現(xiàn)行設(shè)計(jì)法：地層彈簧作用與否按平衡迭代方式進(jìn)行。對(duì)錯(cuò)縫式拼裝，將縱向連接螺栓作用模擬成接頭元。第50頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二以直梁－彈簧元為例，有:第51頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二縱向螺栓剪切模型其基本原理同上縱向螺栓剪切模型第52頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二或:第53頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二接頭材料模式及其剛度系數(shù)線性模式正負(fù)不對(duì)稱正負(fù)對(duì)稱正負(fù)不對(duì)稱第54頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二第55頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二雙線性模式正負(fù)不對(duì)稱正負(fù)對(duì)稱正負(fù)不對(duì)稱第56頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二地層抗力模式局部地層彈簧模式全周地層彈簧模式第57頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二地層彈性抗力由下式給出：其中第58頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二10.3襯砌斷面設(shè)計(jì)在基本使用荷載階段，需進(jìn)行抗裂或裂縫限制，強(qiáng)度和變形等驗(yàn)算。組合基本荷載階段和特殊荷載階段的襯砌內(nèi)力時(shí)，一般僅進(jìn)行強(qiáng)度檢驗(yàn)，變形和裂縫開展可不予以考慮。第59頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二10.3.1抗裂及裂縫限制的計(jì)算(一)抗裂計(jì)算(二)裂縫寬度驗(yàn)算第60頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二10.3.2襯砌斷面強(qiáng)度計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)根據(jù)不同工作階段的最不利內(nèi)力，分別進(jìn)行正負(fù)彎矩的偏壓構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算和截面選擇。接縫部位上的部分彎矩M值可通過縱向構(gòu)造設(shè)置，傳遞到相鄰環(huán)的截面上去(環(huán)縫面上的縱向傳遞能力必須事先估算并于事后通過結(jié)構(gòu)試驗(yàn)予以檢定)?？v向傳遞能力大致為20％～40％M，其彎矩M值應(yīng)乘以傳遞系數(shù)1.3，而接縫部位則乘以折減系數(shù)0.7。第61頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二10.3.3襯砌圓環(huán)的直徑變形計(jì)算第62頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二10.3.4縱向接縫計(jì)算(一)接縫張開的驗(yàn)算：管片拼裝之際由于受到螺栓預(yù)應(yīng)力的作用，在接縫上產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力第63頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二當(dāng)接縫受到外荷后的應(yīng)力狀態(tài)第64頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二(二)縱向接縫強(qiáng)度計(jì)算都采用一種近似的計(jì)算方法，實(shí)際的接縫承載能力必須通過接頭試驗(yàn)和整環(huán)試驗(yàn)求得。一般接縫強(qiáng)度的安全系數(shù)應(yīng)大于斷面強(qiáng)度安全系數(shù)。第65頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二10.3.5環(huán)縫的近似計(jì)算第66頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二第67頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二10.4隧道防水及其綜合處理必須從管片生產(chǎn)工藝，襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，接縫防水材料等幾個(gè)方面進(jìn)行綜合處理，其中尤以接縫防水材料的選擇為突出的技術(shù)關(guān)鍵。第68頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二10.4.1襯砌的抗?jié)B襯砌埋設(shè)在含水地層內(nèi)，承受著一定靜水壓力，必須具有相當(dāng)?shù)目節(jié)B能力，襯砌本身的抗?jié)B能力要求：（1）合理提出襯砌本身的抗?jié)B指標(biāo)。（2）經(jīng)過抗?jié)B試驗(yàn)的混凝土的合適配合比，嚴(yán)格控制水灰比，一般不大于0.4，另加塑化劑以增加混凝土的和易性。（3）襯砌構(gòu)件的最小混凝土厚度和鋼筋保護(hù)層。（4）管片生產(chǎn)工藝：振搗方式和養(yǎng)護(hù)條件的選擇。（5）嚴(yán)格的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)制度。（6）減少管片在堆放、運(yùn)輸和拼裝過程中的損壞率。第69頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二10.4.2管片制作精度管片制作精度對(duì)于隧道防水效果具有很大的影響。管片制作精度不夠引起隧道漏水。制作精度較差的管片，再加上拼裝誤差的累計(jì)，往往導(dǎo)數(shù)襯砌拼裝縫不密貼而出現(xiàn)了較大的初始接隙，當(dāng)管片防水密封墊的彈性變形量不能適應(yīng)初始接隙時(shí)就會(huì)漏水。管片制作精度的不夠，造成管片的頂碎和開裂，造成漏水。必須要有一個(gè)高精度的鋼模。第70頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二10.4.3接縫防水的基本技術(shù)要求

（1）保持永久的彈性狀態(tài)和具有足夠的承壓能力，使之適應(yīng)隧道長期處于“蠕動(dòng)”狀態(tài)而產(chǎn)生的接縫張開和錯(cuò)動(dòng)。（2）具有令人滿意的彈性期齡和工作效能。（3）與混凝土構(gòu)件具有一定的粘結(jié)力。（4）能適應(yīng)地下水的侵蝕。環(huán)縫密封墊需要有足夠的承壓能力和彈性復(fù)原力，能承受和均布盾構(gòu)千斤頂頂力，防止管片頂碎。并在千斤頂頂力往復(fù)作用下，密封