土木工程毕业设计（论文）-上海地铁1号副线昌平路站-南京西路站区间隧道设计与施工.doc

全套图纸加扣3012250582编号：（ ）字 号本科生毕业设计设计题目：上海地铁1号副线昌平路站南京 西路站区间隧道设计与施工专 题：非均质土体剪切带的形成机制与捕捉方法姓 名：学 号：班 级： 土木工程地下2011-2班二一五年六月 中 国 矿 业 大 学本科生毕业设计姓 名：学 号：学 院：力学与建筑工程学院专 业：土木工程专业（地下工程方向）设计题目：上海地铁1号副线昌平路站南京西路站区间隧道结构设计与施工专 题：非均质土体剪切带的形成机制与捕捉方法指导教师：职 称：二一五年六月 徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院 力学与建筑工程学院 专业年级 土木工程地下2011学生姓名 任务下达日期： 2015年 1 月 19日毕业设计日期： 2015 年 1 月 19 日至 2015 年 6 月 8 日毕业设计题目：上海地铁1号副线昌平路站南京西路站区间隧道结构设计与施工毕业设计专题题目：非均质土体剪切带的形成机制与捕捉方法毕业设计主要内容和要求：设计要求：根据提供的上海地铁1号副线昌平路站南京西路站区间隧道工程的工程资料，完成隧道衬砌结构设计和施工组织设计。结构设计内容包括隧道施工方案的比选、衬砌方案的选取及内力计算等，并编制设计计算书。施工组织设计内容应包括隧道施工准备、施工方法及辅助施工技术、施工总平面布置、施工进度计划和施工管理等内容。提交的图纸应包括：区间隧道平面图，区间隧道纵断面与地质关系图，隧道施工总平面布置图，隧道断面配筋图。专题要求：通过查阅国内外相关文献，了解非均质土体剪切带形成机制与捕捉方法研究进展和发展方向，完成研究课题的综述。具有独立检索国内外科技文献的能力，完成一篇符合论文规范要求和毕业设计专题要求的论文。绘制图纸：1张。其它要求：翻译一篇与设计或专题内容相关的近3年外文文献，其中文字数不少于3千字，并且附英文原文。院长签字： 指导教师签字：中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）： 成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要本毕业设计一共有三个部分，第一部分是昌平路站至南京西路站区间隧道结构设计；第二部分是昌平路站至南京西路站区间隧道施工组织设计；第三部分是专题部分，非均质土体剪切带的形成机制与捕捉方法。在第一部分区间隧道结构设计中，根据隧道穿越地层的工程地质、水文地质条件和周边环境情况，通过施工方案的比选，确定采用盾构法施工及平板型钢筋混泥土的衬砌结构，确定了计算断面及断面所受的载荷，并进行了断面管片内力计算和接缝张开量计算，然后对其进行相应的抗浮验算和裂缝宽度计算。第二部分是区间隧道施工组织设计，根据隧道施工方法和隧道周边的环境情况，对施工前准备工作，施工场地布置，隧道开挖与衬砌结构施工等进行设计，并编制了工程进度计划，编写了相应的质量、安全、环境保护等措施。第三部分是专题部分，内容是根据非均质材料与土体剪切带的研究现状，针对非均质材料与剪切带的研究成果及方法进行分析总结，提出研究非均质土体剪切带的可行性方案并作出展望。关键词：盾构； 结构计算； 施工组织； 地表沉降； 隧道壁后注浆ABSTRACTThe design mainly includes three parts. The first part is the tunnel design of the section from Changping Road Station to Nanjing Xi Road Station in Shanghai； The second part is the design of the Changping Road Station to Nanjing Xi Road Station subway tunnel construction organization； The third part is special subject part which is the formation mechanism and capture method of the shear zone in heterogeneous soil.In the design of the first part ，flat concrete lining and shield construction has been decided through the scheme comparison and selection，according to the engineering geology， hydrogeological conditions and environment conditions，and then determine the load section and the section suffered，calculate the internal force of the segment and splaying amount of joints. After that， the anti-floating checking and crack width checking is made.The second part is the tunnel section construction arrangement design. According to the tunnel construction methods and the environment around，the preparation before the construction， construction site layout， tunnel excavation and lining construction is designed. The project schedule ，the quality ，the safety and the environment protection are made.The third part is special subject part，Content is according to the present situation of the study on the non homogeneous materials and shear band. For non homogeneous materials and shear zone research results and methods were analyzed and put forward the non homogeneous soil shear zone, the feasibility of the program and makes the forecast.Keywords: shield tunnelling； structure calculation； construstion arrangement； surface subsidence； tunnel backfilling grouting；shear zone目 录第一部分 上海地铁1号副线昌平路站南京西路站区间隧道结构设计1 工程概况11.1工程位置11.2工程规模12 设计依据22.1自然条件22.2沿路建（构）筑物、地下管线及障碍物42.3交通状况43 隧道施工方案与衬砌选型设计53.1隧道施工方案53.2区间隧道衬砌结构设计74 隧道计算94.1计算原则及采用规范94.2 断面的选择及内力计算94.3断面设计154.4千斤顶作用下局部承压计算204.5抗浮验算215 隧道主要技术经济指标225.1开挖土方量225.2管片用量225.3钢筋用量225.4人工费用23第二部分 上海地铁1号副线昌平路站南京西路站区间隧道施工组织设计1 隧道工程概况241.1工程简介241.2工程地质242 隧道施工准备242.1技术准备242.2物质准备242.3劳动力准备252.4施工现场准备263 施工现场总平面布置273.1围挡结构273.2场地硬化273.3生产和生活设施273.4施工便道273.5施工给排水273.6供电和照明283.7临时堆土场283.8消防设施284界定关键过程284.1施工测量控制要点284.2管片拼装控制要点294.3衬砌防水控制要点294.4地表沉降控制要点304.5关键过程控制人员落实305 施工方案及主要施工工序305.1盾构选型315.2掘进的施工准备325.3 出洞方案335.4进洞方案345.5正常段推进施工355.6管片拼装365.7同步注浆及壁后补浆375.8纠偏385.9洞门施工385.10隧道内运输和施工设施385.11工况监测405.12弃土处理406 施工主要技术措施406.1砂性土层施工技术措施406.2穿越地下管线的保护措施406.3邻近施工和既有建筑物的保护416.4减少地面变形控制措施416.5紧急预案措施427 施工进度计划427.1工程总体进度计划427.2工程总体施工方案427.3月进度计划安排427.4隧道工程总进度计划网络图428 质量、安全和环保措施管理448.1质量保证措施458.2施工质量控制458.3安全生产施工控制488.4文明施工措施498.5防汛、防台风施工措施498.6消防安全措施50第三部分 非均质土体剪切带的形成机制与捕捉方法1 前言502 非均质土体剪切带的定义512.1剪切带的定义512.2非均质土体的定义523 研究现状523.1非均质材料的研究523.2土体剪切带的研究604 影响剪切带形成的因素655 形成机制与捕捉方法665.1形成机制分析665.2捕捉方法分析676 总结697 展望70参考文献71翻译原文73致 谢88附 图89第一部分上海地铁1号副线昌平路站南京西路站区间隧道结构设计第 23 页全套图纸加扣3012250582 1 工程概况1.1工程位置上海地铁上海地铁一号副线工程东起浦东新区金海路，西至闵行区七莘路，途经闵行、徐汇、静安、闸北杨浦和浦东新区等5个重要城区，线路总长约35.28千米，地下线长31.5km，总共设置26个车站。此次隧道地下工程的设计范围为昌平路站南京西路站区间隧道，此区间是上海地铁轨道交通1号副线的一个区间段，长度约为1250米（双线），隧道顶埋深越9.119米。盾构由昌平路站东南端头井下井，沿江宁路向东南方向行进，到南京西路站西北端头井，途经博鸿大厦、时美大厦、达安大楼、顺泰小区、陕北小区、梅龙镇广场等，与新闸路、北京西路相交，其东南方位为地铁2号线路。1.2工程规模区间隧道设计成圆形隧道，外径为6200mm，内径5500mm。该部分区间圆状隧道总共有上行右线，下行左线这两条平行的隧道。上、下行线相距13.2m。隧道顶覆土9.119.0m左右。2 设计依据2.1自然条件2.1.1工程地质（1）地形、地貌昌平路南京西路地理位置地势平坦，地面标高大约在4.055.20m之间。计划拟建场地区间地貌形态单一，地貌类型为滨海平原。（2）地基土的特征与构成表2-1 土层特性一览表土层 编号土层名称层面标高范围值/m土层描述填土湿润松散的黄褐色或杂色土，上部多为混凝土地坪、碎石、煤渣等，下部由粘性土等成。该分布广泛，位于地表。粉质粘土2.720.86呈褐黄色或灰黄色，湿很湿，可塑软塑，中等压缩性，含氧化铁斑点及铁锰质结核，随深度增加土性渐变软。无摇震反应，土面较光滑，韧性中等高等，干强度中等高等。淤泥质粉质粘土-0.94-3.15淤泥质粉质粘土层，呈灰黑色，饱和、流塑，高压缩性。含云母、有机质，在46m夹较多量薄层粉性土，土质不均匀。摇震反应很慢，土面较粗糙，韧性中等，干强度中等。淤泥质粘土-10.2413.26 呈灰色，饱和、流塑，高压缩性。含云母、有机质及少量贝壳碎屑，夹少量薄层粉砂，土质均匀。无摇震反应，土面光滑有油脂光泽，韧性高，干强度高等。粉质粘土-10.9412.25呈褐灰色，很湿，软塑，高等压缩性，含云母、有机质，夹少量泥钙质结核、半腐芦苇根茎，在汶水路车站南侧分布。无摇震反应，土面光滑，韧性高等，干强度高等。砂质粘土-14.1817.26呈暗绿草黄，湿稍湿，可塑硬塑，压缩性中等。含氧化铁斑点及铁锰质结核，夹少量灰白色高岭土，下部夹粘质粉土。无摇震反应，土面较光滑，韧性中等高等，干强度中等高等。1-1黏土-18.0327.67呈灰色，饱和，中密，压缩性中等。含云母、少量氧化铁条纹，夹粉砂。摇震反应快，无光泽反应，土面粗糙，韧性低等，无干强度。1-2 粉砂-23.1827.12呈草黄灰，饱和，中密密实，压缩性中等低等。含云母，夹粉性土。1 粘土-38.7041.19呈灰色，很湿，可塑软塑，压缩性中等。含云母、有机质，夹少量薄层粉砂。一般上部夹较多量薄层粉性土。无无摇震反应，土面光滑有油脂光泽，韧性高，干强度高等。（3）地基土物理力学性质表2-2 地基土物理力学性质土层编号土层名称底层标高（m）含水量W（）重度g（kN/m）孔隙比e粘聚力C（kPa）内摩擦角（）1填土181粉质粘土2.720.8631.118.60.921822淤泥质粉质粘土-0.94-3.1537.917.61.101221淤泥质粘土-10.2413.2651.516.51.4214121粉质粘土-10.9412.2540.218.91.143516.5砂质粉土-14.1817.2624.718.00.731517.61-1黏土-18.0327.6740.417.21.1416151-2粉砂-23.1827.1231.418.40.920321粘土-38.7041.1938.817.31.062319.5（4）地下水施工场地地下水主要有浅部土层中的潜水和深部粉性土层中的（微）承压水。根据当地的资料表明出，一般情况下承压水位要比潜水位低，在浅部土层中，潜水位的埋深通常距离地表0.31.3m，每年的均匀地下水位距离地表约为0.50.7m，低水位的埋深大约为1.30m；第1层承压水位埋深为311m。因为季节、气候等各种因素的变化，潜水位、承水位会有一定的变化根据相关资料表明，埋置深度在4m左右的地下水温度会受到气温变化的影响，而在4m以下时，水的温度基本不发生变化，一般情况下是1618。根据上海市标岩土工程勘察规范（DGJ 08-37-2002）可以判定，当地的地下水对混凝土没有腐蚀性。因为计划建设的场地的地下水位相对来说比较高，根据以往的经验，当地下水（潜水）对于混凝土没有腐蚀性性的时候，那么其土对于混凝土也没有腐蚀性，因而可以判定将要建设的场地的地下水、土对混凝土没有腐蚀性。另据水质剖析报告和类同工程施工经验断定，场地地下水对钢结构有一定的腐蚀性。2.1.2气象（1）气温上海市年平均气温15.8，最高为39，最低-3.8。（2）降水全年无霜期约233天，全年雨量适中，年平均降雨量在1119.2毫米左右，年蒸发量882.4mm，在上海的一年之中有60的降雨量是集中分布在5月份到9月份期间，这个期间为上海的汛期，有三个雨期（春雨、梅雨、秋雨）。因为上海的城区面积很大，人口比重大，相同面积的人口密集程度比较高，所以上海城区气候有很明显的热岛效应。（3）日照全年平均日照时为1400小时。2.2沿路建（构）筑物、地下管线及障碍物（1）沿路建（构）筑物此段区间隧道工程沿线将要穿越以下一些建筑物：盾构施工从昌平路站出洞之后，就将经过新建商务大楼、博鸿大厦、时美大厦、达安大厦、顺泰小区、陕北小区、梅龙镇广场等文化民用建筑物。（2）地下管线穿越电话12孔/1.0缆、雨水/1000/1.9砼、电话12孔/1.5缆、电话18孔/3.8、污水/2000/7.0砼等一系列重要管线。2.3交通状况本标段工程主要沿着江宁路进行盾构施工，沿途将经过一片住宅区和商务区，隧道在掘进到这个范围的过程中，必须要增强监控意识，积极做好必要措施，能够保证再次区间安全顺利的通过。在本标段中部，有一通往顺泰小区的通道，按照招标文件里面的一些要求，工程在施工期间，必须为该小区留设5m宽的车辆和行人通道，并且确保让人车能够顺利安全的通行，减少不必要的扰动。3 隧道施工方案与衬砌选型设计3.1隧道施工方案根据水文地质条件和工程地质条件选择隧道的施工方法，同时结合隧道长度、断面尺寸、衬砌类型、施工技术水平和隧道的使用功能等因素进行综合考虑研究确定。所选择的施工方法应做到技术上的先进可行、经济上合理、管理科学、施工快速、容易保证质量和安全。总的原则应符合快速、优质、安全、经济及均衡生产的要求。根据如今掌握的施工方法与手段，在如今的施工条件之下，在现有的施工条件下，我们对本工程标段进行施工方案的比选，具体施工方法有这么3种：明挖法、盾构法、矿山法。现在对这3种施工法开始进行优缺点的比较，并制订施工计划。3.1.1明挖法明挖法的意思是说先对地面进行开挖，从上不往下挖，当挖到设计的标高的时候，从基础底部从下向上开始施工（顺作施工），将隧道的主体结构完成，最后将开挖的土石方回填，使地面得以恢复的方法。地下工程在施工时，如果在埋深比较浅的情况之下，就会选择明挖的方法，而在明挖法中，放坡开挖是首选。明挖法施工优点为：工程进度很快，技术比较成熟，施工的方法相对来说简单；根据工期等因素的需求能够分区段同一时间作业；在浅埋的条件下，工程的造价比较的低，维护运营的费用也较低，且能耗很少。缺点有：施工受外界气象条件的影响比较大；施工对居民的正常生活和城市的交通有较大影响，且易形成强烈的噪音、粉尘及废弃的泥浆等各种各样的污染；对于那些影响工程施工的建筑物、地下管线等，施工期间需要拆除；且在饱和的软土地层中，很难控制由于深基坑的开挖所引起的地面沉降，并且在施工范围内的边坡稳定性会成为施工过程中的一个威胁因子。3.1.2矿山法矿山法是暗挖施工方法的一种，主要是采用钻眼爆破的方法将整个断面分为一步步开挖，并在开挖后的一定距离及时地修筑衬砌（全断面开挖）或者借助辅助的巷道开挖大断面的洞石（导洞开挖）或者将工作面分为上下两个断面开挖（台阶法，分为正台阶法和反台阶法），开挖的同时修筑衬砌，以防止地层坍塌，然后在将几部分导通或连贯起来，形成欲开挖的大断面，并修筑衬砌。其特点为不影响地面正常交通与生产，地表下沉量小，比较适用于硬、软岩层中各类地下工程，特别是对于中硬度岩体。但是矿山法隧道施工的工作环境恶劣，超挖、欠挖量大，无用功多，对围岩的破坏性很大，并且施工进度较慢。3.1.3盾构法盾构法是一种钢制活动防护装置或活动支撑，是通过软弱含水层，特别是河底、海底，以及城市中心区修建隧道的一种机械开挖方法。在它的掩护下，头部可以安全地开挖地层，尾部可迅速地拼装成隧道永久衬砌，并将衬砌与土层之间的空隙压浆填实。盾构推进主要依靠盾构内部设置的千斤顶，如此不断开挖不断拼装，并不断推进，借助盾构这种施工机械可用较快的速度完成隧道施工基本作业循环，直至隧道建成。盾构法施工隧道是在地表以下土层中暗挖隧道的一种现代技术。盾构法的类型很多，按开挖方式不同可分为：手工挖掘式、半机械挖掘式和全机械挖掘式三种；按断面形状不同可分为：圆形、拱形、矩形和马蹄形四种；按前部构造可分为：敞胸式和闭胸式；按排除地下水与稳定开挖面的方式可分为：人工井点降水、泥水加压、土压平衡等。盾构法施工隧道的优点在与能适应各种复杂的工程地质与水文地质条件；安全的进行地下开挖与衬砌支护工作；施工时振动和噪声小，对周围居民几乎没有干扰；施工的时候不会影响到地面上的交通情况；对商店的正常营业不会产生影响，几乎没有任何经济损失，没有必要切断、搬迁地下管线等各种地下设施，因此可以节省搬迁费用；同时不受气候条件影响；无空气、噪音、震动污染等；施工的过程中不会受到地形、地貌以及江河水域等地表环境条件的束缚；挖出的土量和出土量较为少，对成本的降低很有利；盾构法构筑的隧道抗震性能好；对于软土、砂卵土、软岩甚至是岩层等地层均适用，范围极广。缺点：盾构法施工对于前期的投入比较大，因为对于盾构以及它的附属设备的设计与制造需要消耗大量的资金与时间，另外建造端头工作井等工程设施也耗时耗力。同时，盾构法施工对于围岩条件的依赖性较大。3.1.4方案确定明挖法施工施工受外界气象条件的影响比较大；施工受外界气象条件的影响比较大；施工对居民的正常生活和城市的交通有较大影响，且易形成强烈的噪音、粉尘及废弃的泥浆等各种各样的污染；对于那些影响工程施工的建筑物、地下管线等，施工期间需要拆除；且在饱和的软土地层中，很难控制由于深基坑的开挖所引起的地面沉降，并且在施工范围内的边坡稳定性会成为施工过程中的一个威胁因子。由于本工程位处地区附近有很多居民居住（如顺泰小区、陕北小区），地面交通复杂（江宁路，交通主干道，车流量较大）且隧道埋深较深，所以不适合选择明挖法施工。矿山法适用于硬、软岩层中各类地下工程，特别是对于中硬岩中，且超挖、欠挖较大，不经济，本标段工程工期要求工期较短，且地下水丰富，土层较软，故不选用矿山法施工。施工时振动和噪声小，对周围居民几乎没有干扰；施工的时候不会影响到地面上的交通情况；对商店的正常营业不会产生影响，几乎没有任何经济损失，没有必要切断、搬迁地下管线等各种地下设施，因此可以节省搬迁费用；同时不受气候条件影响；无空气、噪音、震动污染等；施工的过程中不会受到地形、地貌以及江河水域等地表环境条件的束缚；挖出的土量和出土量较为少，对成本的降低很有利；盾构法构筑的隧道抗震性能好；对于软土、砂卵土、软岩甚至是岩层等地层均适用，范围极广；在土质差、水位高、埋深大的隧道施工环境中，具有极大的长处和优越性。本区间工程的地质条件十分的复杂，地下水充沛，工程的工期较短，附近为闹市区，有大量的居民往来，商铺店面众多，办公大厦密集，往来的车流量大，地面交通环境十分复杂。采纳盾构法施工可以充分的发挥其的长处，满足工程的要求，且在上海地区，一般会采用盾构法施工，因此最终确定采用盾构法进行本段隧道区间的施工。3.2区间隧道衬砌结构设计盾构法隧道实施的核心为预制衬砌管片的设计，在施工阶段预制衬砌管片要承受外部土压力、千斤顶推力量、壁后注浆压力，在运营阶段还要成为地铁列车顺利通过的安全屏障，因此必须具备良好的前度、刚度与耐久性。3.2.1管片选型（1）隧道内径的确定隧道内径的确定取决于地下铁道的界限（包括车辆的界限、设备的界限、建筑界限等），还要考虑施工误差、测量误差、设计拟合误差、不均匀沉降等因素。由总体技术要求，圆形隧道区间的建筑界限为直径5100mm，综合考虑隧道轴线的施工误差为100mm，隧道的后期不均匀沉降为50mm，所以隧道的内径按照5400mm算，但考虑到上海地区地铁盾构设备的通用性，最终确定为5500mm内径，这对后面区间疏散通道设置带来极大的便利。衬砌圆环的拼装形式有这样两种：错缝和通缝。错缝拼接优点缺点：错缝拼接优点是能使衬砌圆环接缝刚度分布趋于均匀，使结构的变形减小，可以取得较好的区间刚度；缺点是若管片制作时的精度不够高，采用这种拼接形式会容易使管片在盾构推进过程中被顶碎。通缝拼接优缺点：优点是管片操作拼装简单，施工速度够快。缺点是精度不够高，变形相对较大，环向螺栓受力大。另外，在错缝拼装的时候，环缝和纵缝相交的地方是丁字形的，而通缝拼装时为十字型，从接缝防水的角度考虑，丁字缝处理起来比十字缝更容易。综上所述，结合当年国内盾构施工技术的成熟和丰富的经验，决定采用错缝拼接。（3）衬砌环厚度1）衬砌环厚度需要依据工程全线的隧道覆土深度，周围环境、工程地质和水文地质条件、结构特点、施工条件等综合因素，通过计算确定，目前国内较常用的是300mm、350mm两种。2）上海为软黏土地层地区，有粉土及砂层分布，土层具有高含水量，大孔隙比，塑性指数较高，强度低，衬砌厚度采用350mm。3）衬砌环分块与环宽衬砌环的分块与管片制作、运输、盾构机内起吊能力、拼装方式以及盾构千斤顶的行程密切相关。结合国内盾构隧道建设的经验，及上海地铁实际情况，衬砌环全环分为6块，一块小封顶、2块邻接块以及3块标准块。衬砌环的环宽度越是大，在同一区间内的衬砌环的接缝就越少，所以漏水的环节、所需螺栓的数量就相比来说越少，施工的速度也就越快，所需的费用也就会越低。但是随着环宽增加，相应盾构机千斤顶的行程就要变大，盾构机长度增加，施工难度以及设备投资相应均要增加，综合各种因素考虑，决定衬砌结构衬砌环的环宽度为1.2m。（4）衬砌环选型隧道衬砌用管片按材料可分为铸铁管片、复合管片、钢筋混凝土管片、钢管片。钢筋混凝土管片优点是：具备一定的强度，加工制作起来是比较容易的，耐腐蚀性好，造价比较低，管片形式最为常用；缺点是：体型较为笨重，在运输、安装施工过程中容易受到损坏。铸铁管片的强度较高，容易铸成薄壁状结构，质量相比其他衬砌来说较轻，搬运过程安装和安装方便，管片的精度高，防水性能极佳，外形精准。然而管片对于金属的消耗量大，机械加工量也很大，造价昂贵，一般工程不宜采用。且铸铁管片的破坏特性为脆性破坏，故不宜选作承受冲击荷载的隧道衬砌结构。钢管片的优点是强度高，重量轻、不太好进行修饰，材料刚度比较小，但是需要大量的加工，而且制作需要大量金属，造价昂贵。国外在使用钢管片一般会在其内浇注混凝土或钢筋混凝土内衬。复合管片是结合了钢管片和钢筋混凝土各自的特点，使用钢材作为外壳，在钢壳的内部进行配筋和浇灌混凝土。这样以来，其结构比钢筋混凝土要轻，比钢结构需要的金属量小，比钢的刚度大，但是耐腐蚀性差。制作起来比较复杂。因隧道的直径相比较小，埋深不是太深，并且还要考虑到经济性以及国内目前的使用情况，本段区间所采用的为钢筋混凝土管片。钢筋混凝土管片一般有两种形式：平板型管片、箱型管片。钢筋混凝土管片型式分为：箱型管片、平板型管片。箱型管片适用于大直径的隧道建设。在相同材料的情况下，箱型管片与平板型管片相比有如下优点：抗弯刚度大、管片之间容易连接等。所以，能够有效的把造价降低。不过当管片的背板厚度比较小、腔格比较大的时候，在盾构千斤项推力之下，混凝土剥落、压碎等情况时有发生。中小直径的隧道一般是采用平板管片，而且平板管片是最常见的管片型式，当平板型管片和箱型管片等厚度是时，平板型的刚度和强度都比箱型管片要大一些，而且在盾构千斤顶作用下，管片不容易破坏。在某些情况下，当穿越地面建筑群或者地面荷载比较大的大直径隧道施工时，也采用平板型管片，用来抵抗较大的外荷载。本段工程隧道的直径不算很大，并且从安全性因素的考虑，选择用平板型管片。3.2.2管片初步设计由盾构隧道埋置深度，工程地质条件，四周环境，并且综合以往上海地铁工程比较成熟的设计和施工经验，本段工程盾构隧道衬砌的选择是：初步确定衬砌厚度为350mm，外径为6200mm，环宽1200mm。根据上海以往盾构法隧道施工时衬砌施工的丰富实践经验，决定此隧道采用单层衬砌，衬砌采用预制平板型钢筋混凝土管片。混凝土强度为C55。隧道衬砌由六块预制钢筋混凝土管片拼装而成，成环形式为小封顶纵向全插入式。每环管片由一块封顶块，两块邻接块，两块标准块，一块封底块组成。错缝拼接，接缝分别设置在内力较小的22.5、45、67.5、90处。4 隧道计算4.1计算原则及采用规范计算原则：（1）主体结构使用年限100年； （2）结构安全等级按一级考虑； （3）用上覆土层厚最大的横断面计算； （4）满足施工阶段，正常运营阶段和特殊情况下强度计算要求；（5）接缝变形在接缝防水措施能够适应的范围内；（6）成型管片裂缝宽度小于等于0.2mm；（7）隧道最小埋深处需满足抗浮要求；采用规范：（1）混凝土结构设计规范（GB50010-2010）；（2）地下工程防水技术规范（GB50108-2008）；（3）地下铁道工程施工及验收规范（GB50299-1999）；（4）建筑工程施工质量验收统一标准（GB50300-2001）；（5）地下铁道、轻轨交通工程测量规范（GB50308-1999）；（6）盾构法隧道施工与验收规范（GB50446-2008）；（7）混凝土结构工程施工质量验收规范（GB50204-2002）。4.2 断面的选择及内力计算根据设计规范，盾构隧道衬砌的结构计算将会采用自由变形的弹性均质圆环法。选取隧道埋深最深的工况进行分析，根据昌平路站南京西路站区间隧道剖面图，工况里程为CK7+255.000，盾构隧道中心标高-13.010m、地面标高4.500m。结构设计时，考虑了基本使用阶段+特殊荷载组合阶段可能出现的最不利荷载组合进行结构强度、刚度和裂缝张开量等验算。4.2.1土层情况根据工程地质剖面图，可得工况的土层地质的分布情况，下图为工况隧道断面土层分布图。4.2.2荷载计算及组合区间隧道外径为6200mm，内径为5500mm。衬砌采用预制钢筋混凝土管片。混凝土强度为C55。荷载计算取b=1m的单位宽度进行计算，同时根据管片所处地层的特征及地基土的物理力学性质，在计算水土压力时用水土分算的方法。（一）基本使用阶段的荷载计算（1）衬砌自重： （4.1）式中 g衬砌自重，kPa；h钢筋混凝土容重，取为25kN/m3； 管片厚度，m。将已知数值带入计算可得：g =250.35=8.75 kN/m2。2）衬砌拱顶竖向地层压力：拱顶部： （4.2）式中 Pv1 衬砌拱顶竖向地层压力，kPa； i 衬砌顶部以上各个土层的容重，在地下水位以下的土层容重取其浮重度，kN/m3； hi衬砌顶部以上各个土层的厚度，m 。=101.529kPa拱背部： （4.3）式中 Pv2衬砌拱背竖向地层压力，kPa；Q拱背均布荷载，kN/m； （4.4）衬砌拱背覆土的加权平均容重，kN/m3； RH衬砌圆环计算半径，m。将已知数值带入计算可得： = kN/m kPa。（3）地面超载：由于本隧道埋深不是很深，故须考虑到地面超载的影响，取地面超载为20kPa，并将它叠加到竖向土压上去，故总的竖向土压力为126.712kPa。（4）侧向水平均匀土压力：=tan （45-）-2tan （45-） （4.5）式中 Ph1侧向水平均匀土压力，kPa；衬砌环直径高度内各土层内摩擦角加权平均值，（）；=15.84c衬砌环直径高度内各土层内聚力加权平均值，kPa；=15.75 kPa。将已知数值带入计算可得： kPa。（5）侧向三角形水平土压力： （4.6）式中 Ph2侧向三角形水平土压力，kPa；RH衬砌圆环计算半径，m； 0衬砌环直径高度内各土层重度的加权平均值，kN/m3； 将已知数值带入计算可得： =27.526kPa。（6）静水压力：水位高为14.01m。（7）衬砌拱底反力： （4.7）图 4-1隧道断面土层分布图 式中 PR衬砌拱底反力， kPa；Pv1衬砌拱顶竖向地层压力，kPa； Pv2衬砌拱背部荷载，kPa； g衬砌自重，kPa； w水的容重，取为10kN/m3。将已知数值带入计算可得： kPa（二）考虑特殊荷载作用本设计中特殊荷载指人防、地震荷载等。在设计中竖向特殊荷载取Pv1=100kPa，侧向特殊荷载取Ph1=40 kPa。本设计内力计算采用土层地下建筑结构和隧道工程中的计算工法。对基本使用阶段和特殊荷载阶段两种情况下可能出现的最不利荷载进行组合。取左半衬砌圆环进行分析，将其均分为九个部分，各部分分别为0、15、30、45、60、75、90、105、115、130、145、160、175、180，其中0表示衬砌圆环垂直直径处，15为0处向左量取15处，以此类推。计算中弯矩用M（i）表示，轴力用N（i）表示，终值由结构在各种荷载作用下得到的内力经过叠加得到。各断面内力系数表如下表4.1。表4-1 断面内力系数表荷载截面位置截面内力M（kNm）N（kN）自重0上部荷载0/2/2底部反力0/2/2水压0均布测压0测压0根据表4-1中内力计算公式，并运用Excel表格进行汇总计算，计算结果见表4-2：表4-2管片内力计算一览表截面位置特殊荷载阶段基本使用荷载M（kNm）N（kN）M（kNm）N（kN）0255.813187585.995237.5741695669.460910615226.982361998.80774057211.6403105684.903137730148.1801332134.0238824141.2837095726.85248034540.41903177182.826154246.52876243783.624497960-67.5894375233.1225-46020653875-147.1169122272.7190447-111.8765212882.059193590-177.1014375292.5-134.3734467900.9834207105-149.2774675298.3955026-110.3200809899.0082722120-65.04448453298.0649306-47.68384813883.550571213569.85717275287.252579238.77548289860.092568150246.2341793260.8511176131.420963834.192738165452.0667337214.8155871213.5700762810.3847955180673.3276875148.005272.6251741791.7862229由于本工程所采用的管片设计宽度为b=1.2m，而荷载计算是按管片宽度b=1m计算所得，所以最终荷载应在b=1m计算基础上乘以1.2的系数。将内力组合汇总如下表4-3：表4-3 管片内力组合一览表截面位置1.0m管片内力组合1.2m管片内力组合MNMN0493.387357755.4559106493.387357755.455910615438.6226723783.7108783438.6226723783.710878330289.4638426860.8763626289.4638426860.87636264586.94779421966.450652186.94779421966.450652160-113.76003251073.143154-113.76003251073.14315475-258.99343341154.778238-258.99343341154.77823890-311.47488421193.483421-311.47488421193.483421105-259.59754841197.403775-259.59754841197.403775120-11