7 隧道与洞室工程 衬砌与管片设计

一 断面形式根据隧道的使用要求 施工技术的可能 外围土层的特性 隧道受力等因素其断面一般有圆形 矩形 半圆形 马蹄形等多种形式最常用衬砌的断面形式是圆形 1概述 因为圆形隧道衬砌断面有以下优点 1 可以等同地承受各方向的外部压力 尤其是在饱和含水软土地层中修建地下隧道 由于顶压 侧压较为接近 更可显示出圆形隧道断面的优越性 2 施工中易于盾构推进 3 便于管片的制作 拼装 4 盾构即使发生转动 对断面的利用也毫无妨碍 二 内部使用限界的确定隧道内部轮廓的净尺寸应根据建筑限界或工艺要求并考虑曲线影响及盾构施工偏差和隧道不均匀沉降来决定 对于地铁 为了确保列车安全运行 凡接近地铁线路的各种建筑物 隧道衬砌 站台 及设备 管线 必须与线路保持一定距离 因此 应根据线路上运行的车辆在横断面上所占有的一定空间 正确决定内部使用限界 1 车辆限界车辆限界是在平 直线路上运行中的车辆可能达到的最大运动包迹线 就是车辆在运行中横断面的极限位置 车辆任何部分都不得超出这个限界 2 建筑限界建筑限界是决定隧道内轮廓尺寸的依据 是在车辆限界以外一个形状类似的限界 任何固定的结构 设备 管线都不得侵入这个限界以内 建筑限界是由车辆限界外增加适量安全间隙来求得的 其值一般为150 200mm 三 单双层衬砌的选用应根据隧道的功能 外围土层的特点 隧道受力等条件 分别选用单层装配式衬砌 或在单层装配式衬砌内再浇筑整体式混凝土 钢筋混凝土内衬的双层衬砌 双层衬砌施工周期长 造价贵 且它的止水效果在很大程度上还是取决于外层衬砌的施工质量 渗漏情况 所以只有当隧道功能有特殊要求时 才选用双层衬砌 通常在满足工程使用要求的前提下 应优先选用单层装配式钢筋混凝土衬砌 单层预制装配式钢筋混凝土衬砌的施工工艺简单 工程施工周期短 节省投资 四 衬砌分类1 铸铁管片铸铁管片强度高 易铸成薄壁结构 管片重量轻 搬运安装方便 管片精度高外形准确 防水性能好 但加工设备要求高 造价大 该管片需翻砂成型后用大型金属切削机械加工 2 钢管片主要用型钢或钢板焊接加工而成 其强度高 延性好 运输安装方便 精度稍低于铸铁管片 但在施工应力作用下易变形 在地层内也易锈蚀 3 钢筋混凝土管片该种材料制作而成的管片有一定强度 加工制作比较容易 耐腐蚀 造价低 是最常用的管片形式 但较笨重 在运输 安装施工工程中易损坏 4 挤压混凝土衬砌这是一类新工艺 盾尾后部设有相连接的滑模台车 盾构推进时混凝土泵同时向盾尾连续压注混凝土 形成衬砌 并兼作盾构推进的后座 这类衬砌的施工速度比拼装衬砌快 防水效果更好 造价也低 五 衬砌防水问题1 衬砌管片自身防水管片自身防水主要靠提高混凝土抗渗能力和管片制作精度实现 钢筋混凝土管片的抗渗等级应根据隧道埋深及地下水压力确定 混凝土级配需选用干硬性密实级配 且可掺入塑化剂 调整级配 增加混凝土的和易性 严格控制水灰比 一般不大于0 4 浇筑 养护 堆放和运输中应严格执行质量管理 近年来研制成功的渗透型外防水涂料 可用于改善管片混凝土的抗渗性能 2 拼装接缝防水a 密封垫防水目前已普遍使用弹性密封橡胶条防水 并以粘结力强 延伸性好 耐久 能适应一定量变形的防水材料嵌缝 弹性密封垫防水条由天然橡胶 合成橡胶等制作 近年来又采用了防水性能好的遇水膨胀橡胶 防水条在管片拼装前粘贴于接缝面的预留沟槽内 b 嵌缝防水嵌缝防水作业一般在管片拼装完成和变形已达到相对稳定时进行 管片内弧面边缘留有嵌缝槽 嵌缝材料可选用乳胶水泥 环氧树脂和焦油聚氨酯材料等 最近研制成功的遇水膨胀嵌缝膏是一种较好的嵌缝材料 c 螺栓孔防水管片上的螺栓孔也易渗漏水 需要采取措施加以密封 常见的做法是在螺栓上穿上由合成树脂或合成橡胶类材料制作的圆环形密封垫 然后拧紧螺母 使其充填或覆盖螺孔壁与螺杆之间的空隙 堵塞漏水通道 设计原则标准 设计原则以防为主 刚柔结合 多道设防 因地制宜 综合治理 以结构自防水为主 关键处理好环纵缝的防水 设计标准结构防水等级为二级 防水设计 管片自防水混凝土等级为C50 抗渗等级 P10 接缝防水海绵橡胶弹性密封垫嵌缝 聚硫密封胶 螺栓孔的防水采用遇水膨胀橡胶密封圈 海绵橡胶 嵌缝 弹性密封垫 2衬砌拼装 隧道衬砌是在盾构尾部壳保护下的空间内进行拼装 组成 铸铁 钢 钢筋混凝土或钢与钢筋混凝土的复合材料等制成的管片或砌块 结构受力及使用要求决定盾构及衬砌结构形式并决定其拼装方法 拼装方法 重臂拼装或拱托架拼装 通缝拼装 管片的纵缝环对齐 或错缝拼装 螺栓联结的管片或无螺栓联结的砌块等 按其程序可分为 先纵后环 和 先环后纵 采用举重臂拼装管片的原则应是自下而上 左右交叉 最后封顶成环 装配式圆形衬砌构造 管片 是建成隧道后的永久性支撑结构 应满足强度要求 使用要求 施工阶段须装配简便 容易替换 承受盾构千斤顶顶力及其它施工荷载 箱形管片 平板形管片 带肋管片的材料长期以来多为铸铁和钢 环宽与厚度 国内外常用的环宽是750 1000m 曲线段推进时设有楔形管片 按隧道曲率半径计算 管片厚度一般为250 600mm 分块 大断面隧道可分成6 8 10块 小断面可分为4 6块 管片的最大弧长一般不超过4m 管片愈薄其长度应越短 拼装型式 通缝 错缝纵缝环环对齐的称通缝 适用于需要拆除管片修建旁侧通道或结构需要比较柔的情况下 以便于进行结构处理 纵缝互相错开 对称错缝 其优点在于能加强圆环接缝刚度 使圆形结构可近似地按均质圆环等刚度考虑 因此使用较普遍的 缺点是错缝拼装容易使管片顶碎 环 纵向螺栓 环向螺栓根据接缝内力情况可设置成单排或双排 双排 外排螺栓抵抗负弯矩 内排螺栓抵抗正弯矩 纵向螺栓目的是使隧道衬砌结构具有抵抗隧道纵向变形的能力 一块管片设3 4个螺栓 螺栓材料一般采用高强度合金钢 直螺栓 3盾构衬砌的荷载计算方法 3 1设计原则隧道衬砌费用占40 50 安全可靠 经济合理 重点介绍装配式钢筋混凝土管片 1 满足结构的强度和刚度土层压力 水压力以及特殊荷载 按梁式模型计算埋在土中圆环的内力和位移 以及管片 如钢筋混凝土管片 的裂缝宽度限制等 覆土最深 顶压与侧压相差最大处 按施工阶段和使用阶段荷载最不利组合情况下计算 同时按使用阶段与特殊荷载阶段组合情况下的管片强度验算 覆土最浅处 断面仅进行使用阶段和特殊荷载阶段组合情况下的管强度验算 2 满足所提出的安全质量指标要求裂缝开展宽度 接缝变形和直径变形的允许量 隧道抗渗防漏指标 结构安全度 衬砌内表面平整度要求 满足使用要求的工作环境 保持隧道内部的干燥和洁净 3 2内力计算法 饱和含水地层中 因内擦角 值很小 主动与被动土压力几乎是相等 结构变形不能产生很大抗力 假定 结构可以自由变形 不受地层约束 认为圆环只是处在外部荷载及与之平衡的底部地层反力作用下工作 刚度折减 采用错缝拼装和通缝拼装 接缝处的刚度远远小于断面部分的刚度 与整体式等刚度圆形衬砌差异更大 日本资料 接头刚度折减速系数 对铸铁管片 0 9 1 0 钢筋混凝土管片 0 5 0 7 总体上 在饱和含水地层中按整体式自由变形匀质圆环的计算方法误差可以接受 特殊情况下 当土层较好 衬砌变形后能提供相应的地层抗力 则可按有弹性抗力的整体式匀质圆环进行内力计算 常用的有日本的和苏联的假定抗力法等 多铰圆环方法 将接缝看作为一个 铰 整个圆环变成一个多铰圆环 连接方法由刚性连接向柔性连接过渡 虽属不稳定结构 但因有外围土层提供的附加约束和多铰圆环的变形而提供了相应的地层抗力 促使多铰圆环仍处于稳定状态 多铰圆环计算图式 3 3荷载计算 基本荷载 基本使用阶段 临时荷载 施工阶段 和特殊荷载 1 基本荷载 1 土层压力 垂直土压力 水平土压力 2 水压力 3 衬砌自重 竖向土压 拱背土压 104N m 地面超载 q3 1 104N m 日本资料 当隧道埋深较浅时 拱背土压 水平荷重 即地层侧向主动土压 由均匀土压p1和三角形土压p2组成 水压力 顶部垂直向下水压力底部垂直向上压力侧向水平水压力 水压力的叠加 衬砌自重 104N m 匀布底部竖向力 平均后的拱被压力 抵消后的平均水压力 平均后的竖向土压力 平均后的自重压力 2 施工阶段临时荷载 1 自重引起的临时荷载临时荷载随盾构推进所产生 一般来自千斤顶顶力和壁后注浆压力 圆形隧道衬砌在到达基本使用阶段前 它保留着装配中由其自重作用所产生的受力状态 它与基本阶段所产生的内力之和 不能超过容许值 由下向上装配的衬砌环 拱顶截面产生内力最大 支承弧面所对应的中心角 1米宽衬砌自重 衬砌内径 2 管片拼装及盾构推进引起的临时集中荷载 拼装成环时 管片制作精度不高 端面不平 拧紧螺栓时往往使管片局部产生较大的应力 导致管片开裂 或因拼装管片误差累计 当盾构千斤顶施加在环缝面上 特别是偏心作用时 也会使管片顶裂 顶碎 铸铁管片 较薄的外壳厚度加肋逐步变到突缘处 承受约106N的盾构千斤顶顶力 改善的方法是合理选择管片型式 提高钢模制作精度和管片混凝土强度 在拼装管片时提高拼装质量 采用错缝拼装也是较好的办法 管片压浆因局部凝集在一个区域内所造成的圆环变形和集中荷载 荷载大小难以确定 只能通过采用附加安全系数 以保证衬砌结构的安全度 3 特殊荷载阶段 特殊荷载是一种瞬时性的 作用时间短的动力荷载 往往是控制衬砌结构设计的关键 在某些地区还要考虑地震力作用 结构动力计算一般可用等静载法 按弹性或弹塑性工作阶段进行 结构内力计算方法与只承受静载的结构相同 并可适当提高材料强度和降低强度安全系数 4 1衬砌内力计算 1 自由变形的匀质圆环计算弹性中心法计算由于结构及荷载对称 拱顶剪力等于零 属二次超静定结构 力法方程为 4内力计算与管片结构设计 推导过程 圆环中任意截面上的内力可由下式得到 设计时可直接利用这些公式 也可详见有关表格 2 考虑土层产生侧向弹性抗力的匀质圆环计算 当外荷作用在隧道衬砌上 一部分衬砌向地层方向变形 使地层产生弹性抗力 弹性抗力的分布规律很难确定 采用假定弹性抗力分布规律法 如日本的三角形分布 原苏联O E 布加耶娃的月牙形分布 水工隧洞中常常采用 以及二次 三次抛物线分布等方法 1 日本按三角形分布弹性抗力的方法 按温克列尔局部变形理论 假定土层侧向弹性抗力PK K y 实际变形量 圆环抗弯刚度 接头刚度折减系数 取0 25 0 8 K为地层侧向压缩系数 2 前苏联布加耶娃法 PK Kyacos2 PK Kyasin2 Kybcos2 起始位置 四个未知数x1 x2 ya和yb 联合四个方程 其中 各个截面上的M N值为 Ma Mq MPK x1 x2RhcosNa Nq NPK x2cos 方法 常常将半个衬砌环分成九个截面 即八段 分别计算各点的弯矩和轴力 内力计算通过查工具表格分别计算土层压力 水压力和自重作用下的内力然后叠加 4 2管片截面设计 圆环属于偏心受压构件 正 负弯矩 轴向力 它的断面强度 配筋计算与裂缝宽度限制计算 按照钢筋混凝土基本构件计算 1 管片纵向接缝计算 结构破坏大都开始于薄弱的接缝处 1 接缝张开的验算 接缝处受到外荷后的应力状态 由于拼装螺栓预加应力 4 3接缝计算 上边缘 外边缘 可能受拉 可能受压 也可能不受力 若受拉 则需考量涂料强度及变形能力 2 接缝强度计算 计算接缝强度时近似地把螺栓看作受拉钢筋 并按钢筋混凝土截面进行计算 一般先假定螺栓直径 数量和位置 然后计算中和轴x 按偏心受压构件对接缝强度进行验算 环向螺栓位置 在只设单排螺栓时 其位置大致为管片厚度的1 3处 设双排螺栓时 内外排螺栓的位置离管片同外二侧各不小于100mm 2 管片环缝计算 环缝属空间结构 受力复杂 较难计算 故常按构造要求设置 纵向螺栓的选择要确保环间联接良好 并能将邻环纵向接缝上的部分内力传到对应的衬砌断面上 使衬砌圆环能达一匀质刚度的要求 在纵向发生较大变形 管片环缝构造设计和计算就是要满足隧道在纵向具有足够的抗弯强度 衬砌内力分析 地层 结构法 有限元法 二维平面分析三维空间分析荷载 结构法弹性均质圆环法弹性铰接圆环法日本修正惯用法 二维平面分析 三维空间分析 弹性均质圆