地下结构工程第六章-盾构衬砌结构

1、地地 下下 结结 构构 工工 程程 第06章 6 盾构衬砌结构盾构衬砌结构 n 本章介绍盾构构造和分类，盾构推进及衬砌 拼装; n圆形衬砌构造、内力计算与管片结构设计， 要求了解盾构隧道的功能和适用环境。 n掌握圆形衬砌结构设计方法和构造要求。 6.1 概述概述 n盾构（shield）是一种钢制的活动防护装置或 活动支撑，是通过软弱含水层，特别是河底、 海底，以及城市居民区修建隧道的一种机械。 n头部可以安全地开挖地层 ,尾部可以装配预制 管片或砌块，迅速地拼装成隧道永久衬砌。 n盾构推进主要依靠盾构内部设置的千斤顶。 适用条件 n在松软含水地层中修建隧道、水底隧道及 地下铁道时采用各种不同形

2、式的盾构施工 最有意义，特别是该施工方法属地表以下 暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、 潮汐、季节等条件的影响， 盾构隧道的历史 n用盾构法修建隧道开始于1818年 ，法国工程师布鲁 诺尔； n1825年在英国泰晤士河下首次用矩形盾构建造隧道 ； n近代，日本盾构法得到了迅速发展，用途越来越广， 并研制了大量新型盾构； n我国于1957年北京下水道工程中首次出现2.6m小盾 构 ； n上海市延安东路过江道路隧道使用11.0 m直径的大 盾构； 隧道剖面图 1-进风道；2-进风口；3-排风口；4-排风道；5-路面（下拉杆） 6-天棚（上拉杆）；7-吊杆；8-照明灯；9-灭火器；10-消防栓；

3、11-电缆；12-排水管；13-给水管；14-纵向螺栓；15-环向螺栓 按形状分类 n大致有圆形（又称半盾构）、矩形、马蹄形等 几种。 n圆形因其抵抗水土压力较理想，衬砌拼装简便， 构件可以互换，较为通用，数量最多。 n圆形盾构中，敞胸盾构和闭胸盾构两大类。 6.2 盾构构造和分类盾构构造和分类 6.2.1 盾构的基本构造盾构的基本构造 1-1 (切口环)；2-2 (支承环)；3-3 (纵剖面) 通常由盾构壳体、推进系统、拼装系统、出土系统等 四大部分组成。 1）盾构壳体 n盾构壳体由切口环、支承环、盾尾与竖直隔板、 水平隔板组成，并由外壳钢板连成整体。 n切口环 ：开挖 ；上下宽度可以等值、

4、也可以不等 值，甚至是活动的。 n容纳各种专门的挖土设备。 n支承环：承受荷重的核心部分，刚性较好的圆环 结构。 n水平隔板和竖直隔板：增加盾构刚度 ，水平承受 拉力，竖直承受压力。 n盾尾：掩护工人在其内部安装衬砌。 2）推进系统 n由盾构千斤顶和液压设备组成 ，上下左 右活塞杆伸出长度不同达到纠偏目的。 n盾构千斤顶一般是沿支承环圆周均匀分 布的 ； 3）拼装系统 n衬砌拼装器又称举重臂，是拼装系统的 主要设备，以油压系统为动力，一般举 重臂均安装在支承环上。 n举重臂能作旋转、径向运动，还能沿隧 道中轴线作往复运动。 n完成这些运动的精度应该保证待装配的 管片上的螺栓孔能和已装配好的螺栓

5、孔 对齐，以便螺栓固定。 4）出土系统 n出土方式一般有三种 ： n（1）有轨运输：皮带运输机矿车洞 口垂直起吊至地面。 n（2）无轨运输：自卸卡车 n（3）管道运输：混合泥浆，压力输出， 出土连续化 6.2.2 盾构分类及其适用范围盾构分类及其适用范围 n表6-1。 n1）人工开掘式、半机械式敞胸盾构 n全部敞开，随时观察地层变化情况，并 配备简便的液压、风动挖掘，机具、人 工挖掘，当开挖面难以保持稳定时可以 采用气压等人工措施及正面支撑、支撑 千斤顶等随挖随撑 。 2挤压式闭胸盾构 n在塑性粘土及淤泥中采用,盾构正面用胸板密闭起 来 。 n厚兰隧道、林肯隧道和打浦路隧道都采用过半挤 压及全

6、挤压推进的闭胸盾构施工. n衬砌结构常发生椭圆率的现象，先衬砌水平直径 缩小，竖向直径增大，继之，盾构离远时，竖向 直径减小，水平直径增大。 n主要是隧道上方土壤结构破坏、隆起，形成一个 卸载拱，而水平压力仍然保持着初始数值之故。 3）机械式闭胸盾构 n（1）局部气压盾构 n（2）泥水加压式盾构 n (3)土压平衡式盾构 表6-1 挖掘方式 构造类 型 盾构名称开挖面稳定措施适用地层附注 人工开挖 （手掘式） 敞胸 普通盾构临时挡板、支撑千斤顶 地质稳定或松软均 可 辅以气压、人工 井点降水及其它 地层加固措施 棚式盾构 将开挖面分成几层，利用砂的安息角和棚 的磨擦 砂性土 网格式盾构利用土和

7、钢制网状硌栅的磨擦粘土淤泥 闭胸 半挤压盾构 胸板局部开孔依赖盾构千斤顶推力土砂自 然流入 软可塑的粘性土 全挤压盾构胸板无孔、不进土淤泥 半机械式敞胸 反铲式盾构手掘式盾构装上反铲挖土机 土质坚硬稳定开挖 面能自立 辅助措施 旋转式盾构同上，装上软岩掘进机软岩 机械式 敞胸旋转刀盘式盾构单刀盘加面板多刀盘加面板软岩辅助措施 闭胸 局中气压盾构面板和隔板间加气压多水松软地层 不再另设辅助措 施 泥水加压盾构面板和隔板间加压力泥水 含水地层、冲积层、 洪积层 辅助措施 土压平衡盾构（加水 式、加泥式） 面板和隔板间充满土砂容积产生的压力与 开挖面处的地层压力保持平衡 淤泥、淤泥混砂辅助措施 6.

8、2.3 盾构几何尺寸的选定及盾构几何尺寸的选定及 盾构千斤顶推力计算盾构千斤顶推力计算 n主要指盾构外径D和盾构 长度L、盾构灵敏度L/D。 n最小建筑空隙值x nx=m=m nD=d+2(x+) n=0.02+0.01（D-4） d l 2）盾构长度L nL=L0+L1+L2+L3 nL0盾尾长度； nL1支承环长度； nL2切口环长度； nL3前檐长度。 3）盾构灵敏度L/D n经验数值 : n小型盾构D=23m，L/D=1.5 n中型盾构D=36m, L/D=1.00 n大型盾构D=69m, L/D=0.75 n特大型盾构D12m, L/D=0.450.75 4）盾构千斤顶推力计算 n阻

9、力包括： n盾构外表面与四周地层的摩阻力； n盾尾内壳与衬砌结构之间的摩阻力； n盾构切口部分刃口切入土层的阻力； n盾构切口环切入土层时的正面阻力； n开挖面正面支撑阻力； n以及盾构自重引起的阻力，纠偏时的阻力，局部气 压或泥水压力，阻力板阻力等。 日本盾构总推力经验公式 2 (70100)() 4 PDN 表6-2 盾构总推力 隧道名称 直径 D(m) 长度 L(m) 灵敏 度L/D 重量 W(t) 盾构千斤 顶（只数） (104N) 盾壳厚 度(mm) 附注 荷兰Vehicular9.175.730.6340030600070 美国林肯隧道9.634.710.4930428644063

10、=12.7 美Brooklyn- battery 9.634.710.4931528644063=12.7 美Queen- Midtown 9.655.700.59285600 比Antwerpen9.505.500.57627532640070 Rotherhite9.355.490.586406700 原苏联莫斯科 地铁 9.504.730.5340363500 中国上海打浦 路隧道 10.206.630.65400408000 中国上海延安 东路隧道 11.267.800.69480448800 本讲要点 n盾构的组成； n盾构的分类； n盾构外形尺寸的确定和推力的确定。 6.3 盾构推

11、进及衬砌拼装盾构推进及衬砌拼装 n6.3.1 盾构推进盾构推进 n已建隧道所采用过的大直径盾构，大部分都属于 手掘式敞胸盾构或闭胸挤压盾构，或者是两者兼 有的盾构。 n技术先进的泥水盾构或土压平衡盾构很少采用 。 n本节将主要介绍在松软含水地层中采用手掘式敞 胸盾构施工，辅以气压，人工井点降水及其它地 层加固措施，盾构开挖掘进时的几种施工方法。 1）人工井点降水加 手工掘式敞胸盾构施工 n人工井点降水 ，经济，适用于漏气量大的 砂性土。 n地下水位降低、疏干地层，增加土体强度， 以保证开挖面稳定，盾构在地下水位以上 通过，施工场地较干燥。 n一般都采用喷射井点，深度曾用到27 m， 使埋深为2

12、5 m的隧道能顺利开挖。 具体过程 ： n（1）先借助盾构千斤顶使盾构推进，将切口环部分切入地 层，然后在切口环保护下进行土体开挖与运输，这样对周 围地层扰动较小。 n（2）分层开挖，施工工具为普通手工工具或手持式风动工 具。 n（3）每环管片可分数次开挖和推进，盾构纠偏时可以利用 超挖解决。 n（4）可借助支撑千斤顶加撑板对开挖面进行临时支撑 ； n（5）当用网格式盾构时 ，防止盾构后退。 2）气压加手掘式敞胸盾构施工 n盾构施工在含水松软不稳定地层中采用气压来疏干和 支护开挖面，以防止涌水、开挖面崩坍，增强地层强 度，是一种极古老，且行之有效的施工方法。 n（1）气压大小及耗气量的确定 n

13、理论上，每10m水头必须用0.1Mpa的气压力来平衡。 n实际上 ，仅为理论压力的50%60%，空气量仅为理 论空气量的10%50%。 。 n中小型盾构，压力等于离盾构上端约D/2处的地下 水压力; n大直径盾为2/3 D处的地下水压力 ; n顶部均超压，需有足够的覆盖层 n施工时为了防止空气泄出，盾构顶部必须有足 够厚的覆盖层t即 nt值过大则直接影响到隧道埋置深度 ，过小则 覆盖不足，往往容易发生喷发事故。 n国外隧道规范规定；水底隧道的最小覆盖层必 须大于盾构直径（日本）或等于盾构直径，覆 盖层宽度应大于或等于盾构直径的6倍。 p tK 土 n采用经验公式计算耗气量： n 土质系数，当压

14、力大于0.1MPa时， 粘性土=3.65；砂性土=7.30。 2 QD （2）气压盾构施工 n气压盾构施工中闸墙和气闸作用是将作 业区与常压作业区隔开 。 n闸墙必须有足够的强度与气密性. n气闸是钢板铆接或焊接而成的圆筒形结 构，分人行闸和外闸两部分。 n人行闸的管理是气压施工的重要环节， 要严格遵守气压作业的工作时间及进出 气闸的变压时间，以防减压病。 3）泥水加压盾构施工 n用泥水加压盾构代替上述气压盾构施工，克服 了气压施工的弊病 。 n地面沉降，减压病，覆土深时，气压太高无法 施工，覆土浅时，漏气等 。 n泥水加压盾构是将压力为 的泥水， （式中H取2m）,压入盾构前部密封舱内，使其

15、 压力始终高于地下水压力 ，这样就保持 了开挖面稳定的基本条件。 ()yH 泥 H 水 6.3.2 衬砌拼装衬砌拼装 n隧道衬砌是在盾构尾部壳保护下的空间 内进行拼装。 n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。 n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 n重臂拼装或拱托架拼装 ； n通缝拼装（管片的纵缝环对齐）或错缝拼 装 ； n螺栓联结的管片或无螺栓联结的砌块等。 n按其程序可分为“先纵后环”和“先环后 纵”。 n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。 6.4 装配式圆形衬砌构造装配式圆形衬砌构造

16、 n“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； n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 n带肋管片的材料长期以来多为铸铁 （见图6-6c）和钢。 环宽与厚度 n国内外常用的环宽是7501000m； n曲线段推进时设有楔形管片，按隧道曲 率半径计算； n管片厚度一般为250600mm。 分块 n大断面隧道可分成6810块，小断面可分 为46块。 n管片的最大弧长一般不超过4 m，管片愈薄 其长度应越短。 拼装型式 n一般有通缝、错缝拼装两种。 n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

17、下，以 便于进行结构处理。 n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 n环向螺栓根据接缝内力情况可设置成单排或双排。 n双排：外排螺栓抵抗负弯矩，内排螺栓抵抗正弯 矩。 n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34个螺栓。 n螺栓材料一般采用高强度合金钢，直螺栓 。 本讲要点 n掌握气压大小及耗气量的计算； n了解圆形衬砌构造; 6.5 内力计算与管片结构设计内力计算与管片结构设计 n6.5.1 设计原则设计原则 n隧道衬砌费用占40%50

18、%，安全可靠、 经济合理 。 n本节重点介绍装配式钢筋混凝土管片 。 n1.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。 n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 。 n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。 不同点 n2.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

19、的工作环 境，保持隧道内部的干燥和洁净。 6.5.2 内力计算法内力计算法 n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 。 n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 n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。 n日本资料，接头刚度折减速系数，对铸铁管片 =0.91.0；钢筋混凝土管片=0.50.7。 n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： n当土层较好，衬砌变形后能

20、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。 n常用的有日本的和苏联的假定抗力法等。 多铰圆环方法 n将接缝看作为一个“铰”，整个圆环变成一 个多铰圆环。 n基于： n连接方法由刚 性连接向柔性连接过渡。 n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 6.5.3 荷载计算荷载计算 n基本荷载（基本使用阶段）、临时荷载 （施工阶段）和特殊荷载。 n1）基本荷载： n（1）土层压力： n垂直土压力、水平土压力、 n（2）水压力： n（3）衬砌自重 1 1 u ii i qh 竖向土

21、压 拱背土压 (104N/m) 22 222 2 2()2(1)0.43 44 H HHh R qRRR 地面超载 q3 =1(104N/m) （日本资料） （当隧道埋深较浅时） n拱背土压 4 (1cos )(10) wwH qHRN 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 : 2 11 24 2 (45)2(45) 22 2(45)(10) 2 H Pq tgctg PR tgN 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 4 (10) ww qHHN 4 (2)2(10) wwHH qHRHRN 水压力的叠加 衬砌自重 n (104N/m)

22、 4 0.2146(10/) 2 kHH pqgRRN m Rc g 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 n(1) 自重引起的临时荷载 n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。 n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。 n由下向上装配的衬砌环 ，拱顶截面产生 内力最大 ： (1cos )1.5sin 2 sin H WR M 0.5sincos 2 sin W N 支承弧 面所对应 的中心角 1

23、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 n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。 n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。 n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。 n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。 n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 。 n荷载大小难以确定，只能通过采用附加 安全系数，以保证衬

24、砌结构的安全度。 3）特殊荷载阶段 n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。 n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。 n并可适当提高材料强度和降低强度安全系数。 本讲要点 n理解盾构计算的原则； n掌握盾构的荷载计算方法。 6.5.4 衬砌内力计算衬砌内力计算 n1）自由变形的匀质圆环计算 n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。 n力法方程为： 11 11 2222 0 x + =0 p p x 推导过程 2 111

25、 00 3 22 222 00 1 1 (cos ) s s r M dsrd EJEI r M dsrrd EIEI 1 0 2 2 0 1 pP pP M rd EI r M rd EI 0 1 0 2 0 2 23 0 22 1 cos 2 cos 2 P P P p P M d EI xM d r EI r Md EI xMd rrr EI 圆环中任意截面上的内力可由 下式得到： n设计时可直接利用这些公式，也可详见 表6-3， P MrxxM cos 21 cos 2 XNN P 2）考虑土层产生侧向弹性抗力 的匀质圆环计算 n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

26、层产生弹性抗力。 n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OE、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=Ky。 4 12 4 (2) 24(0.0454 H H qPPg R y EIKR n实际变形量 n圆环抗 弯刚度 n接头刚度折减系 数，取0.250.8。 K为地层侧向压缩系数 （2）前苏联布加耶娃法 2 4 PK=-Kyacos2 2 PK=Kyasin2+Kybcos2 n起始 位置 四个未知数x1、x2、ya和yb。 1 1111K 22222K ak1 122 x+ + P =0 x+ q+ P =0 y = q+P 0 aa q xx y 2cos 1a y 22 2 cossin ba yy n各个截面上的M