第九章 盾构法隧道结构(2)ppt课件VIP

精选,1,地下结构工程,主讲教师：白哲,第9章盾构法隧道结构,精选,2,本章内容,9.1概述9.2盾构的基本构造9.3盾构机的类型及选择9.4盾构法隧道设计9.5盾构法隧道施工9.6工程实例,精选,3,9.4盾构法隧道设计,9.4.1总体设计,设计前期工作主要包括设计前期的调研、论证和筹备工作，其中最关键的是勘察，因为勘察是获取规划、设计、施工及维护管理各阶段所需基础资料的途径。勘察结果用途：选定隧道线路及平面位置，确定可否采用盾构法，进行环境保护措施的论证，决定工程的规模和内容，隧道竣工后还将成为维护管理的资料。,1)设计前期工作,精选,4,勘察工作主要有下列内容：(1)场地条件勘察(2)障碍物勘察(3)地形和土质勘察(4)周围环境勘察(5)以往施工实例的勘察,9.4盾构法隧道设计,9.4.1总体设计,1)设计前期工作,精选,5,盾构法隧道在进行隧道的平面布置时，要注意：隧道的线路应根据隧道的使用目的、使用条件等因素进行规划，应尽可能选用直线或缓曲线，同时必须考虑地表情况、障碍物条件、围岩条件等施工因素。,9.4盾构法隧道设计,9.4.1总体设计,2)平面设计,精选,6,对一般的曲线施工而言，盾构隧道的允许曲率半径R值，因盾构直径的不同而不同。,9.4盾构法隧道设计,9.4.1总体设计,2)平面设计,精选,7,(1)覆土厚度决定隧道的覆土厚度时，必须考虑地面和地下结构物的状况、围岩条件、开挖断面的大小、施工方法等。从施工效率看，隧道埋深小一些为好。但是埋深太浅易发生地层沉陷和爆喷等事故。通常选择H=(1-1.5D)，其中D为盾构机的外径。,9.4盾构法隧道设计,9.4.1总体设计,3)纵断面设计,精选,8,(2)坡度隧道的坡度不仅取决于使用目的，还取决于河流、地下构造物及障碍物的分布状况。从隧道使用目的考虑，原则上设计成渗漏水可以自流排放的平缓坡度，以不低于0.2%为宜。从施工方面考虑，为了使施工时的涌水能够自流排放，使坡度提高到0.2%0.5%为宜；坡度超过2%会降低盾构的推进以及出渣和运料等作业效率。,9.4盾构法隧道设计,9.4.1总体设计,3)纵断面设计,精选,9,4)横断面设计,横断面设计由隧道功能决定，同时考虑施工因素。铁路隧道，选择矩形断面较为理想。公路隧道的净空断面除依据对应于公路级别的建筑界限之外，一般还要加上规定的富余量和盾构施工误差。下水道隧道，一般采用圆形断面。共同沟隧道是在同一隧道内设置上水道、下水道、电力电缆和通信电缆以及煤气管道等多条管道的隧道，断面尺寸必须保证必要的空间，以满足各种用途。,9.4盾构法隧道设计,9.4.1总体设计,精选,10,9.4.2管片衬砌结构构造设计,基本情况,盾构隧道的衬砌通常分为一次衬砌和二次衬砌。把管环按周向分割成n(59)块弧状板块，该弧状板块即为管片。一次衬砌的作用：支承来自地层的水、土压力，承受盾构的推进力及各施工设备构成的内荷载。二次衬砌的作用：除进一步加强补充一次衬砌的作用外，通常还应具备良好的防渗、防腐蚀、防震，修正轴线起伏及内饰的作用。,9.4盾构法隧道设计,精选,11,管片环一般由数块标准块A、两块邻接块B和一块封顶块K组成，彼此之间用螺栓连接而成。从制作成本、防水、拼装速度方面考虑，分块数越少越好；从运输和拼装方便看，又希望分块数多些。环与环之间一般错缝拼装。,9.4.2管片衬砌结构构造设计,9.4盾构法隧道设计,管片的分块,精选,12,沿半径方向插入(径向插入)；沿轴方向插入(纵向插入)。,9.4.2管片衬砌结构构造设计,9.4盾构法隧道设计,封顶块的就位,精选,13,管片的长度由一环的分块数决定。直径D6m的地铁区间隧道，衬砌环以分46块为宜；直径为10m的隧道可分成810块。,9.4.2管片衬砌结构构造设计,9.4盾构法隧道设计,管片的尺寸-长度,精选,14,管片宽度的选择对施工、造价的影响较大。环宽较小时，虽然搬运组装方便，但接缝增多，加大防水难度，增加管片制作成本，而且不利于控制纵向不均匀沉降。环宽太大则施工不便，影响盾构灵活性。目前环宽控制在10001500mm之间。,9.4.2管片衬砌结构构造设计,9.4盾构法隧道设计,管片的尺寸-环宽,精选,15,管片厚度应根据隧道直径、埋深、承受荷载情况、衬砌结构构造、材质以及结构的刚度等因素确定。目前常用的衬砌厚度与直径的比值为4%6%。衬砌的材料通常有混凝土、钢筋混凝土、铸铁、钢、钢壳与钢筋混凝土复合等。,9.4.2管片衬砌结构构造设计,9.4盾构法隧道设计,管片的尺寸-厚度,精选,16,箱形管片：由主肋和接头板或纵向肋构成的凹形管片的总称；平板形管片：指具有实心断面的平板状管片；砌块形管片：无连接螺栓。管片的连接：沿隧道纵轴的纵向连接和与纵轴垂直的环向连接。,9.4.2管片衬砌结构构造设计,9.4盾构法隧道设计,管片的形状与连接,精选,17,连接方式：螺栓连接、无螺栓连接、销钉连接。,9.4.2管片衬砌结构构造设计,9.4盾构法隧道设计,管片的形状与连接,精选,18,管片运输,精选,19,管片就位安装,精选,20,管片钢筋制作,精选,21,模板清理、涂脱模剂,精选,22,钢筋笼入模就位,精选,23,混凝土浇注,精选,24,表面压实,精选,25,浇注后的管片静养,精选,26,成品管片水平运输,精选,27,管片养护水池,精选,28,管片堆场堆放,精选,29,销槽,销头,管片的快速拼装技术,精选,30,9.4.3设计计算方法,设计管片时的考虑因素：必须确保隧道构造的安全，一次衬砌能承受从开工到竣工后的长期使用阶段作用于隧道上的各种荷载；考虑降低成本；制作施工容易。管片结构计算中应满足以下原则：管片衬砌结构模型的正确使用，包括对管片和接头的正确模拟以及不同的拼装方式。荷载的计算正确，必须考虑到施工过程中的每个阶段和竣工后运营条件下的所有情况，以隧道区间内最不利荷载为基础进行管片衬砌结构内力和变形计算。隧道衬砌与围岩间相互作用的正确模拟。,9.4盾构法隧道设计,1)设计原则,精选,31,9.4.3设计计算方法,必须考虑的荷载：土压力，水压力，静荷载，超载，地基抗力；应该考虑的荷载：内部荷载，施工期荷载，地震效应；特别荷载：临近隧道的影响，沉降的影响，其它荷载。,9.4盾构法隧道设计,2)荷载,精选,32,9.4.3设计计算方法,（1）假定管片环是弯曲刚度均匀的环-均质圆环模型；（2）假定管片环是多铰环-多铰圆环模型；（3）梁-弹簧模型。,9.4盾构法隧道设计,3)管片结构模型,精选,33,9.4.3设计计算方法,不考虑管片接头抗弯刚度降低，把管环认为是具有和管片主截面同样刚度EI，且抗弯刚度均匀的环。（惯用法假定：垂直方向地基反力为均布荷载，而水平方向的围岩抗力为自顶部左右45-135范围内的三角形分布荷载。）,9.4盾构法隧道设计,3)管片结构模型,（1）均质圆环模型：,精选,34,9.4.3设计计算方法,考虑管片接头抗弯刚度降低，把管环认为是具有均匀抗弯刚度（为接头抗弯刚度）的环。（将整体圆环刚度折减，为EI，刚度折减系数通常取0.6-0.8。对于错缝拼装方式，则采用弯矩增大系数来模拟因错缝拼装引起的刚度增加，通常取为0.3-0.5。而对于通缝拼装方式，弯矩增大系数为。此法在世界各国都得到了广泛应用。）,9.4盾构法隧道设计,3)管片结构模型,（1）均质圆环模型,精选,35,9.4.3设计计算方法,铰接圆环模型，即将管片接头简化成理想的铰，不考虑其承受弯矩的能力。多铰圆环本身是一个非稳定结构，只有在隧道周围的围岩约束下才变成稳定结构。,9.4盾构法隧道设计,3)管片结构模型,（2）多铰圆环模型,精选,36,9.4.3设计计算方法,9.4盾构法隧道设计,3)管片结构模型,（3）梁-弹簧模型,梁-弹簧模型，该方法是将管片主截面简化为圆弧梁或者直线梁构架，将管片接头看成为旋转弹簧，将环接头看成为剪切弹簧的构造模型，将其弹性性能用有限元法进行构架分析，计算截面内力。,精选,37,9.4.3设计计算方法,根据构件受力的计算结果，必须用极限状态设计方法或者用允许应力设计方法检验关键部位的安全性。危险部位有：最大正弯矩的地方；最大负弯矩的地方；最大轴力的地方。(1)极限状态设计方法（绘出设计弯矩与设计轴力间的关系曲线；计算出实际的弯矩、轴力；判断与关系曲线的位置关系）。(2)允许应力设计方法（要求最大的混凝土压应力和钢筋应力小于允许应力）。,9.4盾构法隧道设计,4)断面安全度检验,精选,38,9.4.3设计计算方法,连接缝的螺栓和钢筋都需要校核。连接缝的安全性和管片的安全性一样，用同样的方法进行校核。,9.4盾构法隧道设计,5)连接缝构造计算,抵抗盾构千斤顶推力的衬砌安全性校核采用下面的公式：,6)衬砌安全性校核,精选,39,9.4.4二次衬砌,将一次衬砌作为隧道的主体结构，二次衬砌作为对此衬砌进行补强、防蚀、防渗、减糙、修正和校正中心线偏离所用的构件来考虑。将二次衬砌作为主体结构的主体，一次衬砌作为某一特定时期使用的临时结构物考虑。将二次初砌和一次衬砌合在一起看作是隧道的主体结构。一次衬砌承受外载荷，二次衬砌承受内载荷。,9.4盾构法隧道设计,二次衬砌结构设计思想有以下四种情况：,精选,40,9.4.4二次衬砌,9.4盾构法隧道设计,(1)层状框架模型法用层状框架模型计算二次衬砌的内力时，应采用双框架模型。在这个模型中，外环模拟成管片衬砌，内环模拟成二次衬砌。(2)弹性方程法这种方法假定作用于衬砌的荷载是由管片衬砌和二次衬砌承担的，并与最大抗弯刚度大小成正比。二次衬砌的荷载分担率计算公式：,精选,41,9.4.5相关结构设计,(1)始发竖井始发竖井即始发盾构机的竖井，故需从地表把盾构机的分解件及附属设备搬入始发竖井，然后在井内组装盾构，设置反力装置和盾构进发导口。始发竖井的另一个功能是运输、存放盾构掘削中需要的各种器械及材料。(2)到达竖井接受盾构机的竖井，可用作人孔、通风孔等。其大小不仅需要考虑接收盾构机的场地的大小，还应考虑安装各种设施的空间。(3)中间竖井路线中途改变掘进方向的竖井称为中间竖井，其功能是用来改变隧道的方向。,9.4盾构法隧道设计,1）竖井的分类,精选,42,9.4.5相关结构设计,竖井断面形状包括水平断面形状和竖直断面形状。竖井的形状与竖井的深度、大小、挡土墙的形式及支撑挡土墙的方式等因素有关。从内空利用率方面看，圆形最差，矩形最好；从构造物的刚性方面看，圆形最好。例如，深井的情形下，因优先考虑竖井整体结构的刚性，显然圆形最有利。总之竖井的形状应根据使用目的确定。,9.4盾构法隧道设计,2）竖井的设计,（1）竖井的断面形状,精选,43,竖井的断面形状,精选,44,竖井水平断面形状及优缺点比较,精选,45,9.4.5相关结构设计,（2）竖井的支护、埋深设计支护结构主要有横撑、锚杆支护结构和钢板桩以及连续墙式的无支护结构。在设计中，主要考虑水平方向的刚度，故挡土结构多使用连续墙和钢板桩，形状也多采用能发挥无支护结构优点的圆形或多边形形状。在竖井较深的场合，采用圆形连续墙的非常多。挡土结构物埋入深度常根据开挖底面稳定性或地下水处理方法决定。作为解决涌砂、地基膨胀问题的措施，在埋设深度不能达到不透水层时，常采用降低地下水位法，或形成人造不透水层的地基改良法。作为防止隆起的措施，在埋设深度不能达到良好的持力层时，必须进行地基改良。,9.4盾构法隧道设计,2）竖井的设计,精选,46,3）联络通道设计地铁列车运营中发生意外事故时需将旅客迅速、方便地疏散到另一区间或安全地带。这就需要在区间隧道中设置联络通道。一般联络通道设计在区间隧道中部最大埋深处，这样可以在联络通道内设置泵站，用于区间隧道内积水的汇集和排放。,9.4.5相关结构设计,9.4盾构法隧道设计,精选,47,在联络通道设计时，需注意以下几点：联络通道选址极为重要，不仅要考虑在两站端井中间以便集水和排放，而且应充分考虑地面环境和地下管线等条件。联络通道开挖前实施隧道支撑与上、下行线管片环纵缝焊接非常必要。临时支护采用钢拱架与木背板相结合形式较为经济、合理，施工易于操作，并可达到支护安全与控制变形的目的。联络通道的地基加固采用隧道内打水平孔旋喷或冻结法实施，以免地基加固受地面环境等诸多条件的限制，减少对地面正常秩序的干扰。特殊钢管片设计要充分考虑尽可能方便、简化开挖施工方案。,9.4.5相关结构设计,9.4盾构法隧道设计,3）联络通道设计,精选,48,9.5盾构法隧道施工,先在隧道某段的一端建造竖井或基坑，以供盾构安装就位。盾构从竖井或基坑的墙壁开孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的设计孔洞推进。盾构推进中所受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制衬砌，再传到竖井或基坑的后靠壁上。盾构是这种施工方法中最主要的独特的施工机具。它是一个能支承地层压力，又能在地层中推进的圆形的钢筒结构，钢筒的前面设置各种类型的支撑和开挖土体的装置，在钢筒中段周圈内安装顶进所需的千斤顶，钢筒尾部是具有一定空间的壳体，在盾尾内可以拼装数环隧道衬砌环。盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装一环衬砌，并及时向紧靠盾尾后面的衬砌环外周的空隙中压注浆体，以防止隧道及地面下沉，在盾构推进过程中不断从开挖面排出适量的土方。,构成盾构法的主要内容,精选,49,9.5.1盾构机的进发与到达,盾构机的进发：指在始发竖井内利用临时组装的管片、反力台架等设备，使台架上的盾构机推进，从井壁上的进发口处贯入地层，并沿着规定路线掘进的一系列作业。进发工法类型：掘削面自稳法；双重钢板桩法；开挖回填法；SMW拔芯法。这些方法既可以单独使用，也可以组合使用，具体选用哪种方法，取决于地质、地下水、覆土层、盾构机型、盾构直径、施工环境等因素，同时还要考虑安全性、施工性、成本、进度等要求。,9.5盾构法隧道施工,1)盾构机的进发,精选,50,进发施工方法,9.5.1盾构机的进发与到达,9.5盾构法隧道施工,1)盾构机的进发,精选,51,9.5.1盾构机的进发与到达,掘削面自稳法：指采取加固措施使掘削地层自稳，随后盾构机在加固过的自稳地层中掘进。加固方法采用较多的有：注浆加固法、高压喷射法、冻结法等。双重钢板桩法：把进发竖井的钢板桩挡土墙做成两层，拔除内层钢板桩后盾构机掘进，由于外层钢板桩的挡土作用，可以确保外侧土体不会坍塌，即确保盾构机稳定掘进。当盾构掘进到外层钢板桩前面时，停机并拔除外侧钢板桩，由于内、外钢板桩间的加固土体的自稳作用，完全可以维持盾构的继续掘进。,9.5盾构法隧道施工,1)盾构机的进发,进发工法,精选,52,9.5.1盾构机的进发与到达,开挖回填法：指构筑一个中间有隔墙的长方形竖井或两个并列竖井，一半作盾构机组装进发用，当盾构机掘进到另一半井内时回填土体，用回填土的隔离支承作用保障盾构安全地始发。SMW拔芯法：用SMW法挡土墙作竖井进发墙体里侧衬里，盾构机进发前拔除芯材H型钢，随后盾构进发掘削没有芯材的井壁。切削临时墙法：是用盾构刀具直接掘削进发的工法，它是用特殊材料做成进发口墙体，这种材料可用刀具直接掘削而且不会破损刀具。该法简单易行，无需辅助设备，安全可靠性好。,9.5盾构法隧道施工,1)盾构机的进发,进发工法,精选,53,进发设备,（）进发台进发台根据盾构机设置的位置和盾构机的重量，盾构机械作业的施工性来确定，用H型钢和钢轨等材料安装。（）反力座和临时拼装管环：根据管片的运进和出渣空间等来确定形状。（）进发入口：在井内进发口处构筑一个一定宽度、一定厚度、内径略大于盾构机外径的筒状物。其作用是限制盾构机的掘削摆动，确保盾构机的位置精度。（4）密封垫圈导口密封垫圈是填充在导口与盾构机或导口与管片环间隙中的垫圈，其作用是止水，以便确保施工的可靠性和安全性。,9.5.1盾构机的进发与到达,9.5盾构法隧道施工,1)盾构机的进发,精选,54,盾构机的到达：指盾构机推进到达竖井的井壁处，从井内侧把井壁上的到达口挡土墙拆除，随后盾构机推进进入井内台架上的一系列作业。盾构机的到达施工方法通常有两种。一种是盾构机到达后拆除到达竖井的挡土墙再推进；另一种是事先拆除挡土墙，再将盾构机推进到指定位置。,9.5.1盾构机的进发与到达,9.5盾构法隧道施工,2)盾构机的到达,精选,55,9.5.1盾构机的进发与到达,9.5盾构法隧道施工,2)盾构机的到达,精选,56,盾构机掘进必须根据围岩条件，保证工作面的稳定，适当调整千斤顶的行程和推力，沿所定线路方向正确的进行掘进。在掘进时，应该注意以下几点：1）正确选择盾构千斤顶的台数与位置，使之产生的推力按设计的线路方向行走，并能进行必要的纠偏。2）不应使开挖面的稳定受到损害。3）不能衬砌等后方结构受到损害。4）为使盾构在设计线路上正确推进，预防偏移、偏转及俯仰等现象的发生，施工前应在地表进行中线及纵断面量测，建立基准点。5）盾构掘进时，必须随时掌握盾构的位置和方向，在适当的位置施加推力。,9.5.2盾构机的掘进,9.5盾构法隧道施工,精选,57,9.5.3盾构掘进施工管理,9.5盾构法隧道施工,精选,58,9.5.3盾构掘进施工管理,9.5盾构法隧道施工,精选,59,9.5.4辅助工法,采用必要的辅助工法是保证施工顺利进行的关键。辅助工法：指在盾构隧道修建过程中稳定地层及保护环境的辅助措施，主要分为两类，即稳定地层的辅助工法和保护环境的辅助工法。常用的辅助工法：压气法；降水法；注浆法；冻结法。,9.5盾构法隧道施工,精选,60,9.5.4辅助工法,压气法：即对整条隧道或隧道的局部区段压气，以阻止盾构掘削面处的地下水涌入及掘削面土体坍塌，从而确保盾构机稳定、顺利地掘削地层、排出掘削弃土及推进构筑隧道的工法。压气的目的：稳定掘削面，为盾构掘进提供可靠的保障。压气法是通过在隧道内设置隔墙来完成的，隔墙上装有送、排水管，压气管，供电电缆线，通信电缆线等进出管线。根据隔墙设置位置的不同可将压气法分为三种：把隔墙设置在进发井附近，对整个隧道加压，称为全隧道压气法；把隔墙设置在隧道中的某一地点，只对隔墙至盾构掘削面的隧道区段加压，称为部分隧道压气法；把隔墙设置在盾构机的切口环和支承环之间，使整个切口环部位形成一个密封的气压舱，对该密封舱压气，称为局部压气法。,9.5盾构法隧道施工,1）压气法,精选,61,压气法的作用(1)止水效果：利用气压阻止掘削面涌水，防止掘削面坍塌；(2)挡土效果：气压自身具有较好的挡土作用，可使掘削面稳定；(3)加固地层效果：压气可使地层脱水，充分发挥土体的固有强度，使土体的抗剪强度提高，最后促使掘削面土体的自稳性提高。,9.5.4辅助工法,9.5盾构法隧道施工,1）压气法,精选,62,压气法中气压的设定设定气压的原则，通常按确保掘削面稳定和防止涌水所必需的最小气压设定。气压越高，掘削面越稳定，压气效果越好；但从作业效率和作业人员的健康方面考虑，气压越低越好。因此，必须综合考虑利弊，选择适合的气压。通常，压力的选择以掘削面上的地下水压为基准，再考虑其他因素综合确定。选择气压的方法，因覆土厚度、地质及隧道直径而异，一般多取气压等于从盾构隧道顶部算起D/2-2D/3位置的地下水压。,9.5.4辅助工法,9.5盾构法隧道施工,1）压气法,精选,63,防止漏气、喷涌的措施及注意事项考虑到压气空气的喷发和对水井的污染，需要调查距盾构推进部位半径为km以内的水井和地下室。推进现场附近存在其他地下工程施工时，压气有可能会影响到这些地下工程，所以事先应协商妥当，必要时采取一定的措施。另外，掘削面附近存在建筑物时，为避免盾构推进致使土体扰动，进而在这些部位发生漏气，故必须采取相应的加固措施。,9.5.4辅助工法,9.5盾构法隧道施工,1）压气法,精选,64,压气法适用范围压气法是敞开式盾构稳定掘削面的主要措施。在下列情况下，压气法占有主导地位：对于长距离掘进途中必须人工更换刀具的隧道。掘进途中必须人工进入舱室拆除障碍物的隧道。江底、河底、湖底、海底覆盖土层较薄和土质复杂等风险性大的隧道工程。大深度、高水压盾构隧道。,9.5.4辅助工法,9.5盾构法隧道施工,1）压气法,精选,65,压气法的缺点压气法的气压不能过大，以免对作业人员的身体造成伤害。工作效率低。与注浆等其他辅助工法相比，设备规模大、工序复杂、成本高。在较多情况下，只用压气法稳定掘削面较为困难，必须辅以其他工法（如注浆、降水等工法）一起使用才能使掘削面稳定。,9.5.4辅助工法,9.5盾构法隧道施工,1）压气法,精选,66,2)降水法,降低地下水位作用：防止滞水砂地层向掘削面滞水致使掘削面坍塌，而把地层中的地下水排除使地下水位降低。（1）井点法地表井点法的排水深度，被限制在从地表到隧道下底的距离为6-8m，所以只适用于覆土厚度较小的小直径隧道。多数隧道应采用深井点降水法。（2）深井法在隧道两侧布井，井的直径一般为4060cm，井深应比最终水面深35m。（3）先期隧洞法构筑先期隧洞的目的：排水和降低地下水位；便于注浆；用于地质勘察和施工测量。缺点：设备费用大；隧道掘削效率低；掘进工期长。,9.5.4辅助工法,9.5盾构法隧道施工,精选,67,3)注浆法,注浆加固工法：用压送的手段使浆液深入地层土体颗粒间隙或填充地层中的裂隙，浆液固结后地层的物理力学性质得到改善。注浆法是盾构隧道施工中使用最多的辅助工法。注浆浆液的种类：注浆浆液的种类很多，目前工程中应用较多的有：水泥浆液、水玻璃浆液和高分子浆液等。注入方式：从地表进行注入，不妨碍施工，不影响盾构掘进；从隧道内进行，必须停止盾构施工；利用导洞进行注浆，必须先进行导洞施工。注浆法的优点：施工设备简单；规模