土木工程毕业设计（论文）-上海地铁1号副线长安路站～昌平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号副线长安路站昌平路站区间隧道设计与施工专 题：盾构隧道对邻近地下管线的影响分析姓 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号副线长安路站昌平路站区间隧道设计与施工专 题：盾构隧道对邻近地下管线的影响分析指导教师：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号副线长安路站昌平路站区间隧道设计与施工毕业设计专题题目：盾构隧道对邻近地下管线的影响分析毕业设计主要内容和要求：设计要求：根据提供的上海地铁长安路站昌平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：隧道选线平面图，区间隧道纵断面与地质关系图，隧道施工总平面布置图，管片剖面图。专题要求：根据盾构隧道施工对邻近地下管线的影响分析的研究现状，了解并充分掌握分析方法和主要观点，并根据研究现状提出自己的观点和前景展望。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 日全套图纸加扣3012250582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 要本毕业设计主要包括三个部分，第一部分是长安路站昌平路站区间隧道结构设计；第二部分是长安路站昌平路站区间隧道施工组织设计；第三部分是专题部分，盾构隧道对邻近地下管线的影响分析。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，内容是盾构施工对邻近地下管线的影响分析，了解掌握国内外相关研究方法和研究现状，提出盾构施工对邻近地下管线产生破坏时的保护措施，并根据研究现状提出不足之处提出自己的看法，并对该课题提出展望。关键词：盾构； 结构计算； 施工组织； 地下管线； 保护措施ABSTRACTThe design mainly includes three parts. The first part is the tunnel design of the section from Changan Road Station to Changping Road Station in Shanghai; The second part is its construction arrangement design; The third part is the analysis of how shield construction impact on adjacent underground pipeline.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， hydro-geological 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 methodologies and the environment conditions 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 the thematic section.its about the analysis of how shield construction impact on adjacent underground pipeline ， On the basis of knowing very well about the related research methodologies and the present status of domestic and overseas， the author proposed the safeguard for fear that shied construction might cause damage on adjacent adjacent underground pipeline.Meanwhile，this thesis points out inadequacies of existing literature and put forward the prospect of this project .Key Words: Shield Tunneling; Structure Calculation; Construction Arrangement; Underground Pipelines; Safeguard.目 录第一部分 上海地铁1号副线长安路站昌平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12.1 自然条件12.2 现场条件33 隧道施工方案与衬砌选型设计43.1 隧道施工方案43.2 衬砌选型63.3 管片初步设计74 隧道计算74.1 计算原则及采用规范74.2 断面的选择及内力计算84.3 断面设计134.4 千斤顶作用下局部承压计算164.5 抗浮验算175 隧道主要技术经济指标185.1 开挖土方量185.2 管片用量185.3 钢筋用量18第二部分 上海地铁1号副线长安站昌平路站区间隧道施工组织设计1 工程概况202 隧道施工准备202.1 技术准备202.2 施工现场准备212.3 施工物资的准备212.4 劳动力准备223 施工现场总平面布置233.1 施工总平面布置原则243.2 施工平面总体布置244 界定关键过程244.1 施工测量控制要点244.2 管片拼装控制要点254.3 衬砌防水控制要点264.4 地表沉降控制要点264.5 关键过程控制人员落实265 施工方案及主要施工工序265.1 施工方案的确定265.2 盾构掘进的施工准备285.3 出洞方案295.4 进洞方案305.5 掘进施工参数305.6 管片拼装315.7 同步注浆及壁后补压浆325.8 纠偏335.9 洞门施工335.10 隧道内运输346 施工主要技术措施346.1 砂土、卵石层施工技术措施346.2 穿越地下管线的保护措施356.3 邻近施工和既有建筑物的保护措施366.4 减少地面变形控制措施376.5 紧急预案措施377 施工进度计划388 质量、安全和环境保护措施管理388.1 质量管理388.2 施工质量控制398.3 安全生产施工控制408.4 文明施工措施418.5 消防安全措施418.6 消防安全措施42第三部分 盾构隧道对邻近地下管线的影响分析1 引言432 文献综述442.1 理论的研究472.2 数值模拟的研究512.3 工程实测方面的研究592.4 小结603. 治理方法604 结论及展望574.1 结论614.2 展望61参考文献59翻译部分61致 谢72第一部分上海地铁1号副线长安路站昌平路站区间隧道结构设计 全套图纸加扣3012250582 第 18 页 1 工程概况1.1 工程位置本次隧道工程的设计的区间隧道处在上海地铁一号副线中部位置，它的区间范围包括：地铁隧道长安路站昌平路站一段区间隧道。盾构从长安路站下井，沿汉中路推进，穿过苏州河，一直沿昌平路推进到达昌平路站，隧道80%左右的部分大致位于昌平路路面下方。1.2 工程规模隧道设计时，根据施工现场提供的地质条件与水文地质条件将隧道设计为方便施工与运营的圆形隧道，其内圈直径设计为5500mm，外圈直径设计为6200mm。为了方便地铁的运行与管理，该区间隧道采用两条平行隧道的设计，为方便施工与运营两隧道分别设计为下行左线隧道和上行右线隧道。隧道采纳的是站位设计较高隧道区间下部设计的形状设计较低。长安路站昌平路站的隧道里程为：K1+253.05K2+753.05，单线长1500.0 m。本工程坡度最大处为21，隧道上方顶层覆盖土层从东至西为21.4818.79 m。2 设计依据2.1 自然条件2.1.1 工程地质（1）地形、地貌长安路站昌平路站处在上海市内，隧道区间大部分处于昌平路面以下，地形相对来说较平坦，地面的海拔高度一般处在4.255.22 m范围之间。施工场地地形地貌相对较为稳定无太大变化，属于典型的滨海平原地形。（2）地基土的构成与特征根据工程地质条件和水文地质条件，确定出长安路站昌平路站区间沿线的地层情况，根据至上而下的顺序，该标段土层主要分布如下： 填土层，土质颜色呈杂黄褐色，含水量较高，土层强度较低，表现为松散土层，上部土层主要表现形式为混杂有大量碎石和少量煤渣等的混凝土地坪，下部存在大量粘性土等。该土层在地表分布较为普遍且很广泛。 粉质粘土层，颜色形状表现为褐黄灰黄色，含水量一般较高，土性较软，土层状态表现为可塑软塑（即0.25土层液性指数1），属中等压缩性，土性随着该土层所处深度增加会逐渐由可塑变为软塑，含扁平状、炉渣状黑褐色铁锰质多金属结核及三氧化二铁斑点。土层表面较为平滑，摇震反应很慢，基本为零，韧性与干强度均较高，属中等高等。该层总厚为0.36.4 m，层底标高为39.5050.95 m。淤泥质粉质粘土层，颜色呈灰色，部分偏黑色，含水量很高，水质流动性强，处饱和状态，土性较软，表现为流塑性、高压缩性。含有机质、云母等其他物质，有较多量薄层粉性土分布在46 m处，土质较复杂，分布不均匀。摇震反应较为缓慢，土层表面不光滑，韧性与干强度均表现为中等。粉质粘土1层：黄褐色，硬塑，Es为8.89.7 MPa，属中压缩性土，含云母、氧化铁、螺壳、有机质、砂粒，夹粘土透镜体。淤泥质粘土，土层颜色呈灰色-灰白色，含水量很大，处饱和状态，土层液性指数较大，表现为流塑性和高压缩性。含有有机物质、云母、蒙脱石、伊来石及少量贝壳类生物碎末等其他物质，土层中夹有少量薄层粉砂质岩层，土质简单分布较为平均。摇震反应几乎为零，土层表面有油脂光泽且十分平滑，韧性与干强度都属高等。粘土，呈褐灰色，含水量极高，土性表现为软塑性和高等压缩性，含有机质、云母和少量半腐芦苇根茎等物质，并有部分泥钙质结核混合其中，在长安路站车站南侧分布。摇震反应为极地，几乎为零，土层表面光洁平滑，土层的干强度和韧性均属高等3第四纪全新世冲洪积层 粉质粘土层，颜色形状主要表现为草黄色暗绿色，土层有较高的含水量，土性表现较软，液性指数介于0与0.75之间（即可塑与硬塑之间），压缩性中等。土层中可见球状、葡萄状铁锰质多金属结核及棕红色氧化铁斑点，夹少量灰白色高岭土，下部分布有少量粘质粉土。摇震反应为零，土面较为平滑，韧性较硬，干强度较高，均表现为中等高等。 砂质粉土，颜色呈草黄色，含水量高，亚饱和状态，土性中等密实，压缩性中等。含少量云母和棕红色条纹状氧化铁，并含有少量粉砂质。有较强的摇震反应，土层表面无光泽，土层表面不光滑，韧性很软，干强度很低。 粉砂，颜色形状表现为草黄灰，含水量高，土性介于中密与密实之间，压缩性处于中等与低等压缩性之间。含少量绢云母、水云母及少量的粉性土。 粘土，呈灰色，含水量极高，土层液性指数在0.25到1之间，表现为可塑软塑，压缩性中等。含有机质、细碎云母片，分布有少量薄层状粉砂质土层。有较多量薄层粉性土分布在其上部。摇震反应极其细微，几乎为零，土层表面相对平滑，且具明显的油脂光泽，土层的韧性与干强度均表现为高等，韧性很硬，干强度很高。（3） 地基土物理力学性质根据地质勘查，得土层的物理力学参数见表2-1。 表2-1 土层物理力学参数表 土体编号土名含水量(%)重度粘聚力（kPa）摩擦角()填土18粉质粘土32.018.41822淤泥质粉质粘土38.817.61221.5淤泥质粘土50.516.61411.0粘土40.617.41714.0粉质粘土24.519.34716.5砂质粉土30.418.5132粉砂31.418.3032.5粘土37.817.72219.5（4） 地下水 该工程中分布在施工场地的地下水主要是由两个相关的部分组成，这两部分包括潜水和（微）承压水，它们在地层中分别散布于浅部土层和深部粉性土层中。据上海地区相关水文地质资料所给出的结果显示，该区域两部分地下水中的潜水位一般而言要高于承压水的地下水位，这点从定义中也可了解到，根据资料显示，水蒸气的表面的浅层土壤层中的深度，通常是在0.3至1.5米，从表面上看，上海本地地下水位年平均值约0.5米至0.7米，通常1.50米约至地面，低它位于水位；第1层承压水位处于地面以下3至11m处。季节与气候等因素也是影响潜水位和承压水位的原因。另外，一些潜水位还会受到潮汐的影响，分布在江河边一定范围内的浅层粉性土层表现得较为明显。根据上海市当地岩土层的勘查规范指出，混凝土在受到地下水的腐蚀时表现出很强的抗腐蚀性，几乎不被地下水腐蚀。施工场地地下水水位，需要考虑土层对于根据多年的经验，在上海地区的建设，腐蚀性比较具体得出的一般规律显示，当混凝土受到该地层地下水的腐蚀性很小几乎可以忽略不计时，可以认为该土层中的土体对于混凝土的腐蚀性也为很小也可以忽略不计，故判定该工程施工时的拟建场地中所存在的混凝土是基本不会受到该土层及其地下水的腐蚀的。 另据与本工程类同工程经验的分析显示和相关地下水水质分析评估报告判定，钢将腐蚀性低的地下水的场地。2.1.2 气象（1）气温据统计，上海市每年的平均气温大约在18.4 左右，温度最高时可达到39 ，而最低时能低至-4 。 （2）降水上海市年每年的降雨量还是较多，平均降雨量大约在1200毫米左右，与大多数城市一样，上海市有大量的雨量集中在5月至9月，人们称之为春雨、梅雨、秋雨三大汛期。2.2 现场条件2.2.1 沿线建（构）筑物、地下管线及障碍物（1）沿线建（构）筑物有大量建筑物分布在长安路站昌平路站区间沿线，主要有苏州河、静安现代产业大厦、新建商务大厦、昌平大厦，平安大厦，在这些建筑物中主体结构为框架结构的建筑物占了绝大多数，同时在这些建筑物中距离地铁隧道设计轴线最近的高层建筑距地铁的距离大致为26m，它所受到的地铁的影响十分细微，所以其他建筑物也相对而言较为安全。（2）地下管线在本次隧道区间设计过程中，采用明挖框架施工的路段为：长安路站昌平路站区间K2+144166地段，需拆改的各类地下管线情况如下：K2+144166中500天然气（管内顶50.06）50 m，临时改移；K2+144166中300上水（管内顶50.48）50 m，临时改移；K2+144166中280照明（管内顶51.08）50 m，临时改移；K2+144166中1400上水（管内顶50.19）50 m，临时改移。在施工中，监测管理对重要的管线的沉降和位移十分重要，按照取得的相关监测信息内容来对施工组织进行及时的相应调整，确保能够取得严格控制地下管线的沉降和位移的目标，确保各类地下管线的安全。以上所述的各类管线需要调整的标段及具体调整方式见表2-2。 表2-2 长安路站昌平路区间明挖井段结构涉及的管线 编号名称及规格位置管内顶标高管内底埋深（m）处置方式A500天然气管K2+130+18050.062.0临时改移B300上水管K2+130+18050.481.4临时改移C280电力管线K2+130+18051.080.7临时改移D1400上水管K2+130+18050.192.8临时改移2.2.2 交通状况沿着整个昌平隧道开挖过程中投标主要道路基本上是线性排列，尤其是进入该路段时，要增强保护措施，加强监控，确保盾构掘进以及路面交通和生命安全，我会它传递到绿色通道。3 隧道施工方案与衬砌选型设计3.1 隧道施工方案 由于隧道施工方法较多选择起来也较为困难和麻烦，现主要思考已经掌握的土木工程地质条件方面的影响以及施工场地对应区域的水文地质条件方面的影响，别的方面还需要考虑隧道主要参数（断面尺寸、长度等）几何因素的影响还有隧道的用途、现有施工技术水平自身的局限性和衬砌类型的抉择方面等因素为辅综合考虑探讨确定。由于现有施工条件的限制，根据地下施工方法，本工程乃至国内所有隧道可选用的施工方案有：明挖法、盾构法、顶管法、矿山法。下面对于这四种施工法的优点和缺点进行比较，从而确定本工程施工的施工方案。3.1.1 明挖法明挖法是指由上而下逐步开挖土层，并将开挖土石方及时运出，当施工到工程设计底部的相应设计标高后，从工程设计底端为开端进行衬砌工程的施作，根据由下向上施工的顺序逐步完成衬砌工作，最后等到隧道主体结构全部施工完成后，再对地面交通、地面设施进行一定程度的恢复的施工方法。在埋深较浅的土层中施工时，大多采用明挖法进行地下工程施工，在诸多明挖法的具体施工过程中其中放坡开挖这一施工方法为明挖法中的典型施工措施。明挖法由于其施工方法的简便性，且对之具有较为丰富的施工经验，以至于其施工技术成熟，从而使得施工进度较快，另外此方法还可以根据需要分段同时作业，提高施工效率；此外，在浅土层明挖法的能耗较少，从而降低其工程造价和运营费用。明挖法也有其诸多限制性，该施工方法在恶劣的气候条件下难以继续施工受到的气候影响相对其他工法较大；同时因为明挖法施工会产生大量噪音、粉尘及废气泥浆等污染所以会对地面原有交通状况交通设施以及居民的正常日常生活都会产生较大影响；除此之外，明挖法施工在施工过程中需要拆除对工程影响较大的建筑物和地下管线等设施；在相对较为软弱的土层中选择采用明挖法施工较为不恰当，这种工法很难对地面的沉降进行有效的控制，边坡失稳等问题也非常严重。3.1.2 矿山法矿山法与明挖法不同是，矿山法所使用的是利用下地下暗挖的技术进行工程的施工，不会影响地面正常交通，可以将地面沉降控制在很小的范围内，在地质条件适用范围较广泛基本上在各类地下工程中都较为适用。矿山法可以适用于对于广泛的地质条件，并可在各种相对较为复杂的几何形状（如交叉点、横通道、渡线和洞室等处）进行相应的工程施工；矿山法工法中所使用的机械施工设备和施工工艺相较于其他工法而言较为简单，并不会给施工现场的工人造成技术掌握上的难度；施工运营费用及能耗较低。矿山法除了上述所说的种种好处之外，也无法避免得拥有诸多缺点，其中以开挖的超挖、欠挖造成的洞室内壁不平整尤为突出；同时围岩的超挖会需要更多混凝土的填充和维护从而增加混凝土的投入，从而使得施工经费发生了较大的提高；由于矿山法属于暗挖法，长期在土层中覆土下部进行施工作业使得施工工作周围条件十分恶劣，同时作业区也有较大的危险；由于这种施工方法对隧道周围岩土层产生的破坏和扰动影响较为剧烈，又从另一方面增加了作业区的危险性，同时因为对围岩的扰动需要相应要加强对围岩的支护；由于以上种种原因导致了矿山法施工作业速度较慢。3.1.3 顶管法顶管法运用直接将中、小型管道置于所需开挖的隧道中进行内部推进的一种施工方法，这种方法适用于松散土层或富水松软地层中。顶管法一般适用于中小型城市在市政工程中的各类地下管道的修建。顶管法与矿山法有许多相同的优点，顶管法的整个施工过程需要进行开挖出来的部分有且仅有工作坑，然后在地下铺设管道，这样既可以保障安全，又减小了对交通的影响，还不会对地面建筑物、构筑物等造成破坏；相较于明挖法，顶管法具有开挖土方小的明显优点，它只需开挖管道部分土方；顶管法更适于在地下水不是十分丰富且管线埋深较浅的城区内施工，这样更能体现出其经济性。顶管法施工只适用于曲率半径小的简单工程，无法对多种曲线工程进行施工；由于对土层要求较高，在软土层及可液化砂层中难以正常施工，在该地层中会产生较大的推进偏差，推进姿态发生改变引起围岩扰动从而发生不均匀的沉降现象，并且对纠偏工作的进行造成一定的困难；顶管法在推进过程中对于推进障碍物的处理十分困难。3.1.4 盾构法盾构法也是暗挖法的一种形式，利用盾构机在土层中使用前端刀盘进行切削土体并同步运出从而达到实现掘进目的的施工方法。盾构机通过盾构内部千斤顶不断提供推力，不断进行开挖，并集开挖与支护于一体的施工方法，利用盾构机这种施工机械所具有的这种一体化特性可以在相对较短的时间内完成隧道的开挖与支护的同步进行，保持这种同步循环过程直至隧道建成。盾构法施工与传统暗挖法相比完全性能有相当大的提高，开挖与支护工作连成一体进行施工，而且可在盾构设备的掩护下安全有效地进行；除了对于居民生活和路面交通影响较小的优点外，外部气候条件的变化难以有效地作用在盾构法施工过程中；由于盾构施工主体部分主要集中在盾构机主体上，在施工管理方面具有明显优势。同时，盾构机能够在更加恶劣的土层环境中施工。盾构施工法难以在覆土较浅、曲率半径小的曲线段进行有效的施工，它的特性决定了它的局限性；在具有较高含水率的饱和含水层中，隧道衬砌要求具有更高的防水技术来保证施工的安全性。3.1.5 方案确定由于本工程处在市区，居民较多，车流量较大，而明挖法施工会产生较大影响，且其工期相对较长，因为上述原因明挖法施工无法胜任这项工程的施工。另外，上海市内土层地下水含量丰富，具有诸多软弱土层，矿山法不适于在此类土层中进行施工，并且矿山法的开挖对周围围岩扰动较大，因此亦不选择矿山法。城市轨道交通中地铁隧道施工属于大管径施工工程，而顶管法的使用范围在前文中也已经提到主要在小管径的普通地下工程中进行，同时考虑到施工经费和其他各方面原因决定不采用顶管法对该标段进行施工。结合诸多因素，本文认为，盾构法因为具有方便、快捷、安全等各方面有点能够满足本工程的各项具体要求，能够在本工程中充分发挥其优点，所以最终决定选用盾构法对本隧道区间进行施工。3.2 衬砌选型盾构隧道衬砌用管片按材料可分为以下几类：钢筋混凝土管片：是一种最常见的管片形式，它具有一定的强度，且耐腐蚀性能较好，因其材料简单所以加工制作比较容易从而降低了管片造价，但是由于材料原因导致了它的笨重，在运输、安装施工过程中都比较容易损坏。钢筋混凝土管片又分为箱型管片和平板型管片，箱型管片常用于大直径隧道中，在等量材料条件下它的抗弯刚度较平板型管片大，管片与管片之间容易连接，且造价低廉，但由于管片背部较薄，在盾构推进千斤顶的作用下容易发生混凝土脱落的情况，在相同厚度的情况下，平板型管片的抗弯刚度大于箱型管片。铸铁管片：与钢筋混凝土管片相比，它的强度更高，且防水性能较好，因其材料原因管片质量较轻，方便运输与安装，且具有较好的精度，外形准确。但是由于其原料昂贵，材料消耗量大，加工困难导致价格昂贵。同时，铸铁抗脆性破坏能力较差，不宜用作承受冲击荷载衬砌结构。钢管片：因为材料原因，这种管片同样有着重量轻，强度高、成本大，加工困难的特点，同时，钢管片刚度较小，耐修饰性较差。复合管片：综合了钢筋混凝土管片与钢管片的优点，为了克服钢管片强度小的缺点采用钢板制作其外壳，在壳内设钢筋进行加固，同时浇注混凝土，这种复合结构增加了管片的刚度、减小了管片的重量，同时因为只有外壳采用钢板制作，其金属消耗量比钢管片小，但依然无法克服钢板耐腐蚀性差的缺点，而且这种管片加工起来非常复杂与繁琐。本次隧道穿过地层主要是含水丰富的中粗砂和砾石土层，施工期间以及使用阶段对管片的防水的要求和耐腐蚀性要求较高，所以本工程中不易采用铸铁管片、钢管片和复合管片。钢筋混凝土管片中，前面已经提到箱型管片因其管片背板厚度较小，在施工期间千斤顶产生的推力容易使其损坏，而且在相同厚度的情况下，箱型管片的抗弯刚度和强度与平板型管片相比相差很大。通过以上比较，本区间隧道施工决定采用平板型钢筋混凝土管片进行衬砌施工。3.3管片初步设计管片有通缝、错缝两种拼装形式。错缝拼装较为复杂，但能加强圆环接缝刚度，通过错缝的形式来达到约束接缝变形的目的，圆环通常认为为均质刚度。由于错缝拼装的要求较高，所以当管片制作精度不达标时，容易使管片在盾构推进过程中被千斤顶顶碎。通缝拼装相较于错缝管片拼装简单，所以其拼装施工速度也较快。由于此工程接缝刚度要求易于满足，决定采用通缝拼装形式来加快施工速度，同时也更便于管理。根据工程地质条件、水文地质条件确定出的盾构隧道覆土深度，综合考虑周围环境等影响因素，结合上海地铁工程此前设计的经验和施工管理经验，本工程盾构隧道衬砌的选择为：初步确定衬砌厚度为350 mm，外径为6200 mm，环宽1200 mm。参考上海市盾构法隧道的衬砌施工的实践经验，此隧道采用单层衬砌，衬砌采用经济性好、强度刚度较大的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，采用小封顶纵向全插入式的成环形式。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。接缝分别设置在内力较小的8、73、138处。4 隧道计算4.1 计算原则及采用规范计算原则：（1）设计服务年限100年； （2）工程结构的安全等级按一级考虑； （3）取上覆土层厚度最大的横断面计算； （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所能适应的范围内；（6）成型管片裂缝宽度不大于0.2 mm；（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（GB50010-2002）；（2）地下工程防水技术规范（GB50108-2001）；（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按照设计规范的规定，以此计算，因此决定采用弹性均匀环法的结构计算该盾构隧道衬砌的自由变形。投标来选择隧道最深的深度（即分行K2+330.00条件里程数）的工作条件，按照长安路站分析，中心昌平路盾构隧道海拔-24.58m隧道站剖面图，地面高程0.44m。不仅结构设计，最不利的荷载组合，一个特殊的负荷的结构强度相结合的阶段，每个参数的结构，如刚性，被显示以便检查，要考虑基本用法阶段可能的最坏负载的组合。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，见图4.1工况隧道断面土层分布图。4.2.2 荷载计算及组合本标段区间隧道外径设计为6200 mm，内径为5500 mm。根据以上衬砌选型中的对于各种类型衬砌优缺点的比较决定采用预制钢筋混凝土管片。混凝土强度为C55。在荷载计算的过程中，拟取b=1 m的单位宽度来进行计算，另一方面，根据地基土的物理力学性质及管片所处地层的特征，在本次计算中水土压力的计算选用水土分算的方法。（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25 kN/m 管片厚度，m。将已知数值带入上式计算可得：g =250.35=8.75 kN/m。（2）衬砌拱顶竖向地层压力： （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/m； hi衬砌顶部以上各个土层的厚度，m。=0.518+(2.54-0.5)8+1.568.4+2.027.6+3.566.6+2.127.4+3.799.3+5.568.5 =175.467 kPa（3）拱背土压： （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/m； RH衬砌圆环计算半径，m。图 4.1隧道计算断面土层分布图将已知数值带入式4.3及式4.4计算可得： =kN/m =(1-3.14/4)2.9258.4=5.282 kPa。（4）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200.749 kPa。（5）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，（）；衬砌环直径高度内各土层内聚力加权平均值，kPa；其中， 将已知数值带入上式计算可得： （6）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/m; 将已知数值带入式4.6计算可得： =22.694 kPa（7）静水压力：水位高为11.005 m。（8）衬砌拱底反力： （4.7）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10 kN/m。将已知数值带入式4.7计算可得： kPa（二）考虑特殊荷载作用本设计中特殊荷载包括人防工程荷载、地震荷载等。在设计中竖向特殊荷载取=120，侧向特殊荷载取=50。通过对土层地下建筑结构、隧道工程中的内力计算方法的引用，将使用阶段分为基本使用、特殊荷载两种阶段，并分别对这两种情况下可能会导致的不利荷载相应组合进行了分别的考虑和分析。其主要分析方法为：将所取左半衬砌圆环均匀分成九份，即从0开始每次向左量22.5记一个点，直至180。以此类推共计九个部分。 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 管片基本使用阶段及特载引起内力一览表截面位置基本使用阶段特殊荷载阶段M（kNm）N（kN）M（kNm）N（kN）0335.311064.045306.98109.0422.5257.201096.99239.08141.914571.151173.1371.90222.3267.5-108.921241.03-107.05306.7690-175.4641257.67-208.16350.97112.5-92.941211.56-188.15359.9213585.201171.35-38.07347.64157.5252.701158.90233.80293.51180309.791222.10601.02184.01由于本工程所采用的管片设计宽度为b=1.2 m，而荷载计算是按管片宽度b=1 m计算所得，所以最终荷载应在b=1 m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内力组合1.2m管片内力组合M（kNm）N（kN）M（kNm）N（kN）0642.291173.09770.751407.7022.5496.281238.90595.541486.6845143.051395.45171.661674.5467.5-215.971547.79-259.161857.3590-383.621608.64-460.351930.37112.5-281.091581.48-337.311897.7813547.131518.9956.56182.79157.5486.501452.41583.801742.89180910.811406.111092.9271687.332根据计算所得的内力（见表4-3）绘出衬砌的内力组合图，见图4.2。由内力组合值可知，弯矩在拱底处=180取得正的最大值（管片内侧受拉，M=1092.927），在=90的时候取得负的最大值（管片外侧受拉，M= -460.35 ）；轴力在=90时取得最大值N=1930.37 kN。图4.2 衬砌内力组合图4.3 断面设计4.3.1 管片断面管片配筋取衬砌结构承受弯矩最大值作为设计依据，在内力组合中得出的结果，在=180时截面内侧受拉弯矩最大，=90时截面外侧受拉弯矩最大。故按=180时的截面进行内排钢筋设计，按=90时的截面进行外排钢筋