盾構法隧道襯砌結構設計(設計).ppt

1、第四章 盾構法隧道襯砌結構設計 （設計）,主講：孟杏微,2010-05-28,本章重點、難點： 1、盾構法襯砌設計流程和設計的主要內容； 2、盾構隧道襯砌設計荷載；,2010-05-28,2010-05-28,2010-05-28,盾構法開挖隧道通常適用于軟土而不是巖石中。相關襯砌參數，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。實際應用中，盾構法襯砌設計需要許多施工經驗和理論知識。,4.1盾構法概述,2010-05-28,4.1.1盾構法襯砌設計流程,盾構法隧道襯砌設計通常按照以下步驟進行： （1）遵守相關規(guī)劃、規(guī)范或標準 （2）確定隧道的內部尺寸 設計的隧道內徑應該由隧道功能所

2、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； 普通管道,2010-05-28,（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、超載及盾構千斤頂的推力等 （4）襯砌條件的確定 設計者應該確定襯砌的條件，如襯砌的尺寸（厚度）、材料的強度，加固的方法等。 （5）計算內力 設計者應該通過使用合適的計算模型及設計方法來計算彎矩、軸力、剪力等內力。,4.1.1盾構法襯砌設計流程,2010-05-28,2010-05-28,（8）設計的批準 設計者認為所設計的襯砌結構安全、經濟且適 用后，工程項目負責人就應該批準設計文件。,（6）安全性校核 設計者應該對照計算出的內

3、力來校核襯砌的安全性。 （7）評估 如果設計的初襯砌不滿足設計荷載要求或設計襯砌安全但不經濟，設計者應該改變襯砌的條件并且重新設計。,4.1.1盾構法襯砌設計流程,2010-05-28,圖4-1 盾構隧道襯砌設計的流程圖,2010-05-28,盾構隧道結構設計程序包括的主要內容如下： 第一步：確定幾何參數 基準線、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 特定處土的重力、內聚力、內摩擦角、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盾構法隧道結構設計程序包括的主要內容,2010

4、-05-28,第四步：確定TBM機的機械參數 總推力、推力裝置的數量、墊片數量、墊片形狀、注漿壓力、安裝所需空間。 第五步：確定材料的屬性 混凝土標號及抗壓強度、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盾構法隧道結構設計程序包括的主要內容,2010-05-28,第六步：設計荷載 （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),2010-05-28,2010-05-28,(2) 千斤頂的推力荷載 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),2010-05-28,(3) 拖車和其它服務設備的荷載主要包括單輪承載(圖

5、4-8),2010-05-28,（4） 附屬注漿荷：載擴展的注漿壓力(圖4-9),2010-05-28,（5）靜荷載、存儲及裝配荷載彎矩的影響(圖4-10),2010-05-28,2010-05-28,（1）分析模型 使用的公式必須符合國家標準與所選設計荷載疊加的原則 （2）數值模型 使用符合國家標準的有限元程序來完成彈塑性狀態(tài)下的應力及應變分析，并進行詳細結構狀態(tài)的仿真(圖4-12)。,第七步：設計模型 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。,2010-05-28,第八步：計算結果 剪力、彎矩和撓度一般以表格的形式來展現，以此確定設計荷載及接下來管片的加固。,2010-05-

6、28,4.1.3設計常用名詞及圖示符號,管片： 盾構隧道最初襯砌的弧形構件，也適用于預制混凝土管片。,2010-05-28,常用管片形狀,2010-05-28,2010-05-28,2010-05-28,2010-05-28,2010-05-28,管片襯砌：隧道襯砌由管片組成，每一環(huán)的襯砌由數個管片組成。盾構中完成的管片襯砌：在管片襯砌系統(tǒng)中所有的管片在盾構內組裝，且襯砌在盾構內完成。,2010-05-28,2010-05-28,擴大管片襯砌：在管片襯砌系統(tǒng)中，除去關鍵的管片外，其余管片均在盾構中安裝，在盾構正后面，當關鍵的管片被插入時，襯砌隨即也完成。,厚度：隧道橫截面上襯砌的厚度。 寬度：

7、管片沿隧道軸線方向上長度。,2010-05-28,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。,2010-05-28,連接縫：襯砌的間斷處及管片之間的接觸面。,2010-05-28,連接縫的類型： ,2010-05-28,2010-05-28,2010-05-28,計算中使用的符號范例,2010-05-28,4.2 盾構襯砌結構設計方法,軟土的物理特征規(guī)定如下：,2010-05-28,設計原理： 設計原理是為檢驗盾構隧道襯砌的安全性。在隧道襯砌報告中，都應該闡述設計計算的必要性、設計概念的假設、設計壽命、檢查永久安全性等問題。,2010-05-28, 1、荷載的種類 必須考慮的

8、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）。 應該考慮的荷載： （6）內部荷載；（7）施工期間的荷載；（8）地震效應。 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,2010-05-28,2、土壓力 土壓力應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,2010-05-28,2010-05-28,（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壓力系數所確定(圖4-16）,2010-05-28,

9、(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。,2010-05-28,(2)垂直土壓力 當覆土厚度較小，小于2倍的隧道外徑時。,2010-05-28,當覆土厚度H2D時，地基中產生拱效應的可能性較大，可以考慮在設計計算時采用松弛土壓力（圖419）。 砂質,當H12D（D為管片外徑）時多采用松弛土壓力； 粘性, 硬質粘土（N0）良好地基，H12D時多采用松弛土壓力 中等固結的粘土（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較常見。,(2)垂直土壓力 ,2010-05-28,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隧道使用目的的不

10、同，但一般將其作為相當于隧道外徑的2倍的覆土厚度的土壓力值。當地層為互層分布時，以地層構成中的支配地層為基礎，將地層假設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 ,2010-05-28,2010-05-28,如果隧道位于潛水位以上,2010-05-28,2010-05-28,2010-05-28,2010-05-28,2010-05-28,2010-05-28,2010-05-28,2010-05-28,2010-05-28,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。,2010-05-28,2010-05-28,一般情況下作用在襯砌上的水壓力為靜

11、水壓力,4.2.2.3水壓力,2010-05-28,若采用靜水壓力，則管片上各點處的水壓力為,2010-05-28,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,2010-05-28,2010-05-28,4.2.2.4 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,2010-05-28,考慮自重對地基的反作用力：,其中：,2010-05-28,不考慮自重對地基的反作用力：,2010-05-28,4.2.2.5 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、

12、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。 地面超載及其參考值如下： 公路車輛 鐵路車輛 建筑物,2010-05-28,公路車輛荷載：10kN/m2；,2010-05-28,鐵路車輛荷載：25kN/m2,2010-05-28,建筑物的重量：10kN/m2,2010-05-28,4.2.2.6 地基反作用力,當計算襯砌中的內力時，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。,2010-05-28,2010-05-28,地基反力是地基反作用力系數和襯砌位移的產物，由圍巖韌度和管片襯砌剛度決定，

13、而管片襯砌的剛度取決于管片剛度及接縫的數目和類型。,2010-05-28,2010-05-28,設計實例： 根據以下條件，設計基本荷載(考慮地基反作用力）。,2010-05-28,2010-05-28,4.2.2.7 內部荷載 由于隧道拱部懸掛設備或內部水壓力而引起的荷載應該進行核查。,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構上的荷載： (1)盾構頂進推力；(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。,2010-05-28,4.2.2.9地震影響 考慮地震的影響

14、，進行抗震設計。 4.2.2.10 其它荷載 如果需要，應該檢查臨近隧道對開挖的影響和不均勻沉降的影響。,2010-05-28,4.2.3 襯砌材料 適用于鋼筋混凝土管片作為初襯支護材料和現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）。,2010-05-28,4.2.3.2 應力應變曲線 混凝土應力-應變采用圖426的曲線模型,2010-05-28,2010-05-28,4.2.4 安全系數 安全系數應該基于土的荷載，同時符合規(guī)定的建筑要求和標準。舉例來說，對每一個工程來說，國家標準都對混凝土結構和構造作了具體說明。施工工藝和性能應該與安全系數相聯(lián)

15、系。,2010-05-28,4.2.5 管片結構設計計算 結構襯砌計算應采用SI國際標準單位。 4.2.5.1 設計原理 隧道斷面的設計計算，應該選擇以下的關鍵區(qū)段，如圖428,2010-05-28,2010-05-28,4.2.5.2 內力計算 4.2.5.2 .1計算模型 隧道結構設計計算中結構內力 (M、N、S）的方法如圖429所示，本文具體介紹如下幾種盾構隧道結構內力計算模型。,2010-05-28,(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，水壓力應該被認為是垂直均載和水平均載的組合。在

16、水平方向上的地基反作用力，應被簡化為三角形分布的可變荷載（見圖423 ）。,2010-05-28,圖423,2010-05-28,2010-05-28,抗彎剛度的有效率,2010-05-28,4.2.5.2.2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，在設計中應該考慮連接縫的實際影響因素。,2010-05-28,2010-05-28,4.2.6 如何檢驗斷面的安全性 根據構件受力的計算結果，必須用極限狀態(tài)設計方法檢驗關鍵部位的安全性，或者用允許應力設計方法進行檢驗。以下是危險部位：

17、(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。 襯砌抵抗盾構推力的安全性也應該被檢驗。,2010-05-28,4.2.6.2允許應力設計方法 如果最大的混凝土壓應力和鋼筋應力小于它們的允許應力，那么管片襯砌在載荷作用下是安全的，見等式（4-31）和（4-32）。,2010-05-28,4.2.8 校核抵抗盾構千斤頂推力的安全性 抵抗盾構千斤頂推力的襯砌安全性應該用下面的公式進行校核：,2010-05-28,4.2.9管片構造 4.2.9.1 管片的形狀和尺寸 管片環(huán)的數量越少，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。,20

18、10-05-28,4.2.9.3 處理管片和注漿的構造細節(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，應該在每片管片上留有一個內徑為50mm的孔洞。,2010-05-28,4.2.9.4 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）。,2010-05-28,4.2.9.5錐形管片 錐形管片是用來曲線連接施工或盾構方向控制的K型管片，最大寬度和最小寬度的差異系數能夠用公式4-34來計算,4-34,2010-05-28,4.2.11 .1 概述,4.2.11 二次襯砌,二次襯砌是用混凝土現場澆注而成。它被

19、劃分成非結構部分和結構部分。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構部分。,2010-05-28,二次襯砌結構設計思想有以下四種情況： (1)將一次襯砌作為隧道的主體結構，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件來考慮。,4.2.11 .1 概述,4.2.11 二次襯砌,第1種思想的理由是，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，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。,2010-05-28,(2)將二次襯砌作為主體結構的主體，一次襯砌作為某一特定時間使用的臨時結構物考慮。,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構物。也就是說，一次襯砌只是在某一有限時間內使用的構件，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構物按增加了容許應力來設計。但是，這種折減荷載的方法和增加容許應力的方法，對作為臨時結構物使用時間的設計方法均極不明確，因而難以將第2種思想用于實際。,2010-05-28,(3)將二次襯砌和一次襯