沈阳地铁沈新路站—黄海路站区间盾构隧道选线及结构设计(毕业设计正文)

1、北京交通大学毕业设计（论文）工作日志i题目： 沈阳地铁沈新路站黄海路站区间盾构隧道选线及结构设计 专业： 土木工程 学生姓名： 张子侃 学号： 06231276 时 间 2010年 3 月5日 至 2010 年 3 月19日 （一）工作重点开题报告、外文翻译3月5日上午会上，刘老师详细布置了毕业设计任务，并发给我们详细的毕业设计资料，从此我便开始了我的毕业设计之路。这两周的主要任务是熟悉资料、开题报告和外文翻译。在这紧张匆忙的两周时间里，我首先搜集了很多相关资料，在图书馆借阅到地下铁道设计与施工、盾构法隧道等书，并通过上网下载了许多相关的工程论文。通过阅读这些资料，我较为深入地理解了我所研究的

2、内容，并初步掌握了设计的研究步骤。我的毕业设计内容为区间盾构隧道选线及结构设计。由于缺乏对盾构感官的、全面的认识，我在网上下载了一些相关图片和视频，这些图片和视频使我更加感性地认识了盾构，并使我对盾构施工的原理有了较为深刻的认识，这对我后来的开题报告和外文翻译的书写大有裨益。博观而约取，厚积而薄发，我的开题报告书写地很顺利，只用了一周的时间。感谢我的同组好友冯山群，他对我的初稿提出了一些看法，同时我也感觉到我的初稿里较为繁重地介绍了盾构隧道的研究理论和方法，较为空洞，而我的论文属于设计类型而非理论类型。因此我便在研究方法上主要介绍了我国设计应用较为普遍的荷载结构法及其模型，增加了对盾构隧道主要

3、技术问题的研究，这使得我的报告更为充实和贴切。周三时，我将修改后的开题报告送予刘老师，恳请提出宝贵意见。刘老师对开题报告最后部分的研究意义和价值方面提出了一些独到的见解。通过对这些问题的修改，我顺利完成了开题报告。两周的时间里，我浏览了一下外文翻译，并初步掌握了此外文的研究内容和方法。我查阅了相关生词，相信我会较快地完成我的外文翻译。指导教师意见： 签字： 日期： 备注：此表每两周记录一次，将作为学生毕业设计成绩评价的依据。 如填写内容较多，此表可另附页。题目： 沈阳地铁沈新路站黄海路站区间盾构隧道选线及结构设计 专业： 土木工程 学生姓名： 张子侃 学号： 06231276 时 间 2010

4、年 3 月19日 至 2010 年 4月2日 （二）工作重点区间隧道选线设计（包括平面、纵断面、横断面）3月19日，刘老师布置了下一阶段的计划安排， 这一阶段，我需要初步完成盾构区间隧道的选线设计，包括平面、纵断面和横断面设计。老师提议我在平面设计中尽量选出多套方案以进行线路优化。考虑到线路设计的繁重，刘老师同意留给我三周的时间去完成这项任务。真是“书到用时方恨少，事非经过不知难”，刚开始设计的两天里，我毫无头绪，心里也是乱的一团糟，不知从何开始，尤其每当打开cad看到那些密密麻麻的线和点，心中不由得就生出几分抵触和懒惰。不过，令我庆幸的是，我自认为我还是一位意志刚强的战士。我觉得不管做什么事

5、情，首先要有充分的准备和扎实的基础，因此我决定首先从图纸和相关专业知识下手。我复习了相关的城市道路制图等方面的知识，并翻阅了大量的相关图纸，理解了区间选线设计的任务和技术要点。我复习了道路几何设计等方面的知识，非常庆幸的是，我从图书馆借到了地铁轻轨线路设计一书，这本书完全切合我的设计，并对我以后的选线设计帮助很大，堪称是我的第一本“如来神掌”。通过对选线知识的复习，我掌握了选线设计的基本步骤和方法。可谓是“读书破万卷，下笔如有神”，未免有点自夸，不过下起笔来确实很快，由于有了充分的专业知识，我只用了一天就将平曲线的几何要素计算出来。接下来就要开始曲线的绘制工作了，由于cad中没有专门绘制缓和曲

6、线的工具，怎样简单而又精确地绘制出缓和曲线成为了一个技术难题。为此，我查阅了大量的文献，绘制缓和曲线的方法有多种。大部分采用cad结合语言来拟合缓和曲线，结果精确但绘制繁琐，一般在大型设计院中才会采用。本设计采用了cad结合excel的绘制方法，步骤简单，精确度可以满足设计要求。在设计竖曲线时，由于没有掌握竖曲线设计的原则和盾构施工所需的地质环境，设计时主要考虑了防水的要求，即盾构施工尽量不要穿过承压水，而没有考虑其他的问题。在设计横断面时，通过查阅盾构法隧道、地下铁道设计规范、地铁轻轨线路设计等书，我了解了区间圆形隧道的建筑限界以及目前国内常见的盾构管片形式，由于目前盾构衬砌大都为单层钢筋混

7、凝土预制管片，因此在设计横断面时较为轻松。两周的时间里，我完成了一条平曲线、左线纵断面图、右线纵断面图和盾构区间隧道横断面图的绘制。短暂的两周使我觉得生活其实伴随着一个认知的过程，虽然起初有“事非经过不知难”，但事情过去了，也就觉得不难了。从不懂到懂，一直伴随着我们成长。指导教师意见： 签字： 日期： 备注：此表每两周记录一次，将作为学生毕业设计成绩评价的依据。 如填写内容较多，此表可另附页。题目： 沈阳地铁沈新路站黄海路站区间盾构隧道选线及结构设计 专业： 土木工程 学生姓名： 张子侃 学号： 06231276 时 间 2010年 4 月2日 至 2010 年 4月16日 （三）工作重点完成

8、线路选线设计，开始进行结构内力计算功夫不负有心人，4月2日，我把前两周的毕业设计成果汇报给刘老师，老师对我的设计进度较为满意，同时也提出了诸多建议，我也从中发现了不少问题。首先在进行区间线路平面设计时，未考虑车站站台的因素，由于列车从车站站台出发，设计出的线路应与车站站台衔接好。其次在设计竖曲线时，老师纠正了我的设计原则，盾构施工法地层适应能力强，并且地层越差越能显示盾构法的优越性，在沿海地区，如上海，为海相沉积地层，地下水位高，由此上海地铁区间全部采用了盾构法施工。老师建议我在设计竖曲线时，尽量设计成节能坡。由于区间盾构管片横断面设计非常简单，老师建议我设计出管片衬砌环各拼装块的形式和尺寸。

9、4月2日的例会上，老师布置了新一阶段的任务，下一阶段就需要进行结构的荷载和内力计算。例会上，老师详细地说明了地铁结构设计所应考虑的荷载及计算方法，老师建议我们应熟练掌握结构分析软件（ansys、sap2000等）的使用并提醒我们复习土力学等相关方面的专业知识。由于在前一阶段，我已完成了选线设计中的大部分成果，因此在进行平曲线优化设计和修改线路纵断面图设计时较为顺利。由于对管片结构及盾构的施工程序缺乏一个系统的理解，因此我在网上下载和实地观察了大量管片的构造形式，参阅了相关的图纸和规范要求，最后完成了管片衬砌环各拼装块结构图的设计。4月2日的例会上，刘老师在向我们介绍地铁结构计算所需考虑的荷载时

10、，由于我长时间未复习土力学等相关方面的知识，对于老师所讲的水土分算法、水土和算法、主动土压力计算以及容重按厚度加权等知识点印象不深刻，在这两周剩下的时间里，我着重复习了此方面的有关知识。由于我已初步掌握了结构分析软件ansys的使用方法，并且在学习地下铁道这门课程时，利用ansys软件做过相关的课程设计，因此，我相信，我会较为顺利地运用ansys来完成结构的受力分析。按照结构最不利原则的设计思想，在设计结构时，应选择结构可能遇到的各种作用效应组合中的对结构产生最不利影响的断面进行分析，在初步分析时，我选定了结构最大埋深处的断面为结构设计的所在断面，并以此断面来进行结构的荷载和内力计算。根据所选

11、断面，首先我利用cad绘制出了该断面处的土层及水文情况，土压力计算并不复杂，本设计采用水土分算法计算出结构各种所受荷载。然后绘制出结构荷载图，它清晰地表达了结构所受的荷载，这样有利于荷载的组合以及软件分析时的加载。接下来就应该利用ansys进行建模了，先做到此吧，毕业设计不是大四生活的全部。指导教师意见： 签字： 日期： 备注：此表每两周记录一次，将作为学生毕业设计成绩评价的依据。 如填写内容较多，此表可另附页。题目： 沈阳地铁沈新路站黄海路站区间盾构隧道选线及结构设计 专业： 土木工程 学生姓名： 张子侃 学号： 06231276 时 间 2010年 4 月16日 至 2010 年 4 月3

12、0日 （四）工作重点ansys建模进行结构受力分析及解析法计算结构内力4月16日，刘老师肯定了我的选线设计成果，我将结构荷载计算的选取断面汇报给刘老师，刘老师予以了否定，因为很明显，结构最大埋深处的所在断面有约9.0m厚的杂填土，而杂填土的容重比较小，因此尽管结构处在最大埋深处，但结构所受的荷载未必为最不利，因此通过仔细研究线路纵断面图和综合比较，我对结构设计断面重新做了选择，在进行荷载计算时发现，计算出的荷载确实要比第一次所选断面计算出的荷载大。由于我所研究的盾构管片结构分析时较为简单，刘老师建议我再用解析法计算一下结构的内力，然后通过对软件分析和解析法计算出的结果进行比较，同样按照最不利的

13、原则，取其中较大者作为结构设计时的设计内力。为了让我对解析法有更为深刻的认识，刘老师借给我盾构标准规范（盾构篇）及解说一书，这本书对我无论是运用解析法计算结构内力还是利用ansys软件进行加载还是以后的管片结构设计、施工设计编写等，都起到了至关重要的作用，我亲切地称它为我的第三本“如来神掌”，这本书令我爱不释手，因此我决定等我完成毕业设计后再还予刘老师吧。利用ansys进行结构分析的过程中，盾构管片建模非常简单，比较麻烦和令人头痛的是结构的加载。我们将作用在衬砌上的分布荷载置换为等效节点力，等效节点力分别取节点两相邻单元水平或垂直投影长度的一半衬砌计算宽度这一面积范围内的分布荷载的总和。由于一

14、个结构要划分为众多节点，节点力的施加比较费时和费力，为此可利用excel来计算等效节点力，这样对我以后的多次不同加载帮助很大。或许是天道酬勤吧，偶尔在图书馆查找资料时，我幸运地翻阅到了隧道及地下工程ansys实例分析一书，其中也有关于盾构管片的分析实例，这本书令我欣喜若狂，暂且封它为我的第二本“如来神掌”吧。在它的帮助下，我很快就完成了管片的建模与分析，并较早地绘制出了盾构管片的内力图和变形图，我及早地和刘老师进行了汇报和交流，刘老师指出我的结构变形图及内力图形状的是正确的，只是计算结果有些偏小，希望我能检查一下，查找出问题的原因。因此我又仔细地对结构进行了多次加载并查看了相关的书籍，最后终于

15、找到了问题的症结所在。由于自己的马虎和对问题理解地不够深刻，通常在设计时我们均匀地取纵向1m来对结构进行研究，但本设计管片环宽为1.2m，而管片均为钢筋混凝土预制类型，因此设计时长度应取1.2m来进行分析和研究。改正后的设计结果与实际情况较为相符。在利用解析法计算结构内力时，由于各公式中的荷载符号均有专门的含义，因此我仔细地翻阅了书籍和查看了公式中的荷载符号示意图，明白了各符号的含义，开始着手下一阶段的工作。指导教师意见： 签字： 日期： 备注：此表每两周记录一次，将作为学生毕业设计成绩评价的依据。 如填写内容较多，此表可另附页。题目： 沈阳地铁沈新路站黄海路站区间盾构隧道选线及结构设计 专业

16、： 土木工程 学生姓名： 张子侃 学号： 06231276 时 间 2010年 4月30日 至 2010 年 5 月14日 （五）工作重点解析法计算结构内力和管片结构设计4月30日的例会上，刘老师认可了我的ansys分析结果，询问了我在利用解析法计算结构内力时的进展和疑惑，并布置了结构设计的任务，希望我们积极查阅钢筋混凝土结构设计规范等相关资料。在运用解析法计算结构内力时，由于各公式均为关于角度的函数，因此需要选取较多数量的角度值进行计算，在此，利用excel编辑公式，计算出相应于各角度处的结构弯矩值和轴力值，然后利用cad绘制出结构的弯矩图和轴力图，通过解析法和ansys计算结果的比较，发现

17、利用解析法计算出的结构内力值偏大，因此在进行结构设计时，依据了解析法的计算内力。根据结构的受力特点，决定采用偏心受压的方法对管片进行配筋设计。配筋设计过程中，感谢同组好友周少斌同学的意见，他对我在设计时采用对称配筋还是非对称配筋的问题上进行了详细的解答，因此我在进行配筋设计时，同时采用了对称配筋和不对称配筋的方式，并对两者的计算结果进行了比较和分析，以对结构配筋形式进行优化设计。在具体配筋计算时，按照公式计算出的受压区钢筋面积总是小于0 ，起初只是觉得比较奇怪，通过多次检查、计算和分析后，我觉得出现这种情况是合理的和正常的，且管片结构截面受压区钢筋一般只需按照构造要求配筋设计即可，即截面配筋率

18、只需大于最小配筋率即可。最后对完成的截面主筋的设计进行了承载力的复核和裂缝的检算。根据相关的规范和技术标准，对结构配筋设计中的箍筋、横向加强筋、吊筋、螺旋筋等进行了设计。并对管片衬砌环标准块及全环含钢量进行了统计和计算。通过查阅大量的书籍和相关的技术资料、文献，对管片的形状、组合方式、接缝方式、封顶块的插入方法、楔形量、管片接头等进行了设计。指导教师意见： 签字： 日期： 备注：此表每两周记录一次，将作为学生毕业设计成绩评价的依据。 如填写内容较多，此表可另附页。题目： 沈阳地铁沈新路站黄海路站区间盾构隧道选线及结构设计 专业： 土木工程 学生姓名： 张子侃 学号： 06231276 时 间

19、2010年 5 月14日 至 2010 年 5月28日 （六）工作重点施工组织设计和资料整理盾构法对地层的适应能力较强，施工速度更快，施工安全度较高，防水效果好，地面沉降更容易控制，因此盾构施工法越来越多地受到了城市地铁工程建设者的青睐，本设计对于这一目前在国内方兴未艾、蓬勃发展的施工方法进行了详细地论述。本设计首先介绍了盾构施工法的原理和特点，包括土压平衡盾构和泥水平衡盾构各自的开挖原理及维持开挖面稳定的方法以及目前各种盾构机的类型等，结合盾构机的原理，介绍了盾构施工的主要步骤。通过对盾构机的构成及主要施工步骤的学习，我对盾构施工法有了更为全面和直观的认识。然后提出了本工程的施工方案设计，包

20、括前期准备工作、盾构机的组装与吊装、盾构机掘进施工技术、管片拼装、渣土运输、盾构机的到达与接收等主要环节，其中详细阐述了盾构施工过程中的技术要点和注意事项。本设计对于盾构机的姿态控制以及盾构始发掘进施工技术进行了专门的论述。对于盾构机姿势和线路控制问题，除建立动态控制系统以外，操作人员的熟练程度也是非常重要的因素。而盾构始发掘进施工技术是盾构法施工的一大关键环节，也是盾构法施工隧道的难点之一，始发掘进的成败将直接影响到施工的质量、进度、安全、工期以及经济效益。本设计详细介绍了盾构区间隧道的防水设计，包括管片防水的原则、衬砌自防水和管片接缝防水的方法等。本设计最后对盾构施工监测技术进行了详细的论

21、述，首先介绍了施工监测对于盾构施工的重要性，然后详细地提出了盾构施工过程中地表沉降的变形机理和地表沉降的一般过程。结合本工程的实际工程情况，提出了本工程监测的重点项目，分别对盾构施工过程中的地表沉降监测、管片变形监测、地面建、构筑物监测以及地下管线监测进行了详细的设计，对各监测项目中的监测方法、测点布置及沉降控制对策进行了详细地论述。最后对施工监测的要求提出了自己的看法和建议。指导教师意见： 签字： 日期： 备注：此表每两周记录一次，将作为学生毕业设计成绩评价的依据。 如填写内容较多，此表可另附页。题目： 沈阳地铁沈新路站黄海路站区间盾构隧道选线及结构设计 专业： 土木工程 学生姓名： 张子侃

22、 学号： 06231276 时 间 2010年 5 月28日 至 2010 年 6月11日 （七）工作重点整理资料、毕业设计修改和优化作为未来国家的栋梁之才，我们承载着中华民族复兴的伟大使命，我们任重而道远。当代的大学生需要有全方面地综合发展，我们需要有完美的语文能力、过硬的电脑知识及技巧、优秀的英语能力、良好的人际关系等等。在整理资料时，我深深地感受到了这一点。首先我希望我们每一个当代的大学生都具有完美的汉语能力，都能够说一口流利文明、语言通顺的汉语，都能够写下顺理成章、引人入胜的文章，洋洋洒洒，尽显中华文化之美。令人惋惜的是，我们当代的大学生远没有达到这样的标准和要求，句子中错别字比比皆是

23、，语言晦涩难懂，文章枯燥乏味，所写非所思。一篇好的文章，不但体现了作者的优雅和艺术，更体现了一个人的态度和工作作风。由于我的文章写得较为仔细和认真，语言通顺、合情合理，句子中也没有出现什么错别字，因此刘老师对我的初稿就给予了很高的评价，并对我毕业设计中的摘要和一些细节问题提出了建议和看法。计算机知识是我们当代大学生的必备，我们生活在一个充满了信息的世界里，我们需要及时地沟通才能了解身外事物的变化。而计算机则无疑是我们进行沟通的最好的工具，我们需要利用计算机把我们的所思所想记录下来，进而呈献给周围的人，并希望他们对我们有一个全面、客观的认识。因此，怎样将我们的想法尽情地表露在计算机里，就成为了一

24、个关键的问题。以前我对于word、excel、powerpoint等办公软件不重视，只是觉得它们只不过是用于写文字的纸张而已，只需在上面打字即可，而在我多次地做设计之后，我才发现它们却是那样的博大精深，而我这只井底之蛙也非常有幸地欣赏到了它们那如大海般的浩瀚和广阔。我们国家还处于发展中阶段，我们国家的很多高科技技术还欠发达，这就需要我们谦虚地去向一些发达国家学习，学习他们先进的管理经验和高科技技术。作为我们和世界人民相互交流的工具，英语显得日益重要，因此我们当代的大学生都需要拥有较好的英语水平以及和外国人沟通的能力。我自诩我的英语水平还算优秀，因此在做外文翻译时也较为轻松，并从中受益匪浅。“人

25、非生而知之者，孰能无惑？惑而不从师，其为惑也，终不解矣”。对于我们不懂的问题，我们需要及时地、谦虚地请教身边的人，孔子曰：“三人行，必有我师焉”，因此建立一个良好的人际关系对一个人的发展也是至关重要的。指导教师意见： 签字： 日期： 备注：此表每两周记录一次，将作为学生毕业设计成绩评价的依据。 如填写内容较多，此表可另附页-177-北京交通大学毕业设计（论文）工作日志ii题目： 沈阳地铁沈新路站黄海路站区间盾构隧道选线及结构设计 专业： 土木工程 学生姓名： 张子侃 学号： 06231276 责任指导教师： 刘卫丰 指导组组长意见：（重点考察学生的工作日志是否完整，内容是否翔实；责任指导教师的

26、指导工作是否到位等项目，明确是否同意学生参加毕业设计答辩。）是否同意参加答辩： 签字： 日期： 备注：学生毕业设计答辩前，土木工程专业（含铁道工程方向）至少需填报7份工作日志，环境工程专业学生至少需填报8份工作日志，否则不能参加答辩北京交通大学毕业设计（论文）任务书题 目：沈阳地铁沈新路站黄海路站区间盾构隧道选线及结构设计适合专业： 土木工程 指导教师（签名）： 刘卫丰 提交日期： 2010 年 1 月 5 日学院： 土建学院 专业：土木工程 学生姓名：张子侃 学号：06231276毕业设计（论文）基本内容和要求：主要内容：1 线路总平面设计2 线路纵断面设计3 盾构隧道结构形式设计与优化4

27、盾构隧道结构各工况内力组合计算5 管片结构截面检算及配筋设计6 盾构隧道施工方案设计基本要求：1 独立完成上述各项内容；2 线路平、纵断面设计应根据实际图纸情况，经多方案比选后确定；3 各项图纸应按制图标准进行绘制；4 论文写作规范化；5引用规范应注明。毕业设计（论文）重点研究的问题：1线路总平面设计2盾构隧道结构形式设计与优化3盾构隧道结构各工况内力组合计算毕业设计（论文）应完成的工作：1 中英文摘要；2 开题报告；3 设计正文；4 提交图纸：线路总平面布置图；线路纵断面设计图；盾构隧道结构形式横截面图；盾构管片设计图；盾构管片结构受力图、内力图及配筋图。5 外文翻译一篇，不少于40000字

28、符。参考资料推荐：（1）地下铁道设计规范（gb50157-2003）（2）混凝土结构设计规范（gb50010-2002）（2）施仲衡，张弥主编，地下铁道设计与施工其他要说明的问题：指导教师提供：区间所在地面环境总平面图一张、工程地质及水文地质条件。北京交通大学毕业设计（论文）开题报告题 目： 沈阳地铁沈新路站黄海路站区间盾构隧道选线及结构设计 学院： 土建学院 专业： 土木工程 学生姓名： 张子侃 学号： 06231276 一、 文献综述 （一）国内外研究现状及发展方向盾构隧道施工系指使用盾构机，一边控制开挖面使围岩不发生坍塌失稳，一边进行隧道衬砌，并及时向盾尾后面的开挖隧道周边与衬砌环外围之

29、间的空隙中压注足够的浆液，以防止围岩松驰和地面下沉。在盾构推进中可以从开挖面不断地排出适量的土体。自1841年世界第一座用盾构法修建英国泰晤士河水底隧道以来，盾构法迄今已有170余年历史。最早发明盾构法的思路是来自发明者的一个有趣的发现，他发现船的木板中，有一种蛀虫钻出孔道，并用它自己分泌的液体覆涂在孔壁上。l866年，莫尔顿在申请专利中第一次使用了“盾构(shield)”这一术语。1874年，在英国伦敦地铁隧道的施工中，格雷塞德(james henry greathead)综合了以往盾构施工和气压法的技术特点，首创了在盾尾后面的衬砌外围环形空隙中压浆的施工方法，为盾构施工法的发展起到重大推动

30、作用。18801890年间，在美国和加拿大间的圣克莱河下用盾构施工法建成一条直径6.4m，长1800m的水底铁路隧道。20世纪初，盾构施工法已在美、英、德、苏、法等国开始推广，3040年代这些国家已成功地使用盾构建成内径3.095m多条地铁及过河公路隧道，仅在美国纽约就采用气压法建成了19条重要的水底隧道，盾构施工的范围很广泛，有公路隧道、地下铁道、上下水道以及其他市政公用管道等。1939年，日本正式应用盾构施工法修建国铁关门隧道的海底部分，该盾构的外径7.182m，隧道总长为7258m，此工程奠定了日本盾构技术的基础。从20世纪60年代起，盾构施工法在日本得到迅速发展，70年代日本及德国针对

31、城市建设区的松软含水地层中因盾构施工引起的地表沉降，解决了预制高精度钢筋混凝土管片和接缝防水等技术问题，研制了各种新型的衬砌和防水技术及局部气压式、泥水加压式和土压平衡式等新型盾构及相应的工艺和配套设备。在我国，盾构(tbm)技术应用始于20世纪五六十年代，推广于20世纪90年代，到20世纪末，盾构已广泛应用于广州、北京、南京、深圳等大城市的地铁区间隧道施工中。新世纪以来，我国城市轨道交通、铁路、公路、输水、输气、排污等隧道建筑采用盾构的方法越来越多，盾构的型式多样，性能日益先进。令人兴奋的事情是盾构和tbm设备及其部件的研发和制造在我国已经形成了初步的能力和规模，这将为盾构(tbm)技术在我

32、国的运用和发展提供更加坚实的基础。如在上海、广州、大连、沈阳、德阳、新乡等地都已经生产和组装过盾构或tbm。国家“863”计划中的隧道掘进机项目落户上海隧道股份有限公司和中铁隧道集团公司，并给以资金支持。上海和新乡的工厂及其合作单位已经可以批量生产、组装盾构或tbm设备。盾构隧道施工技术最早是以穿越江河为目的而开发的,此后,在城市地下工程中得到了广泛的使用。随着地下空间的开发利用和城市市政综合管线的建设，盾构的断面尺寸具有向超大、微小两个方向发展的趋势。直径18m的盾构正在研制，而小到200mm的微型盾构已在工程中得到应用。近10年来，日本先后开发了双圆盾构、多圆盾构和球体盾构，使盾构隧道的截

33、面形式日趋多样化。由于圆形隧道具有结构受力好的优点，故95%以上的盾构隧道均采用圆形截面，但圆形截面存在空间利用率低的缺点，因此开发应用隧道截面更为合理的异形盾构隧道掘进技术成为一种新的发展趋势。盾构技术的发展趋势主要反应在以下三个方面：施工断面的多元化，从常规的单圆形向双圆形、三圆形、方形、矩形及复合断面发展；施工新技术，包括进出洞技术、地中对接技术、长距离施工、急曲线施工、扩径盾构施工法、球体盾构施工法等；隧道衬砌新技术，包括压注混凝土衬砌、管片自动化组装、管片接头等技术。在国外,盾构隧道施工技术已经发展、细化为大量、复杂的施工技术。而这种新技术的开发、产生有其必然的市场需求。在考虑引进、

34、吸收这些新型技术时必须根据我国的国情,进行仔细的论证。就目前我国盾构技术使用的情况而言,一些问题的解决、新技术的开发将成为当务之急。 1、盾构机的反复使用问题由于盾构机本身是一个非常昂贵的设备,以我国的工程造价水准,还不具备一项工程完全折旧的能力。因此,在购置设备时,一定要考虑到机械的反复使用问题,尽可能设计多功能、多用途的机械以充分发挥其作用。另外,也要开发比较系统的盾构改造、维修技术以满足市场的要求。 2、长距离施工一般认为盾构施工法在施工长度大于500m以后才能发挥较为显著的优势。由于盾构机造价昂贵,加上盾构竖井建造的费用和用地问题,长距离施工一直是一个重要的问题。 3、双圆形或眼镜形盾

35、构在盾构隧道形状向多元化发展的趋势中,最可能被国内接受的是双圆形或眼镜形盾构。我国的地铁隧道采用单圆双线隧道施工,容易出现后续隧道对先行隧道发生影响和超近距离施工的问题。如果采用双圆形或眼镜形盾构进行施工,这些问题将会得到解决。而这一新技术能否得到使用的另一个决定因素就是造价问题。也就是施工两个单圆隧道和施工一个双圆形或眼镜形隧道的经济性比较问题。 4、三圆形盾构由于地铁车站一般设置在城市繁华地区,很多工程已经遇到难以确保施工用地或施工用地拆迁费过高的问题。如果能够采用三圆形盾构施工地铁车站将会使这一难题得到解决。但是,相对于明挖、暗挖工程来说,采用三圆形盾构施工将会大大提高施工的直接费用。而

36、且,三圆形盾构机的造价也会远远高于单圆形盾构。从施工技术的角度,其要求也要高于单圆形盾构,在施工控制、管理方面尚需一些技术积累。5、管片技术目前为止,我国使用的管片种类比较单一,而且分块、接头也比较简单。由于管片技术的发展必须与管片设计理论相结合,而且需要相应的试验验证工作。这一方面尚需要进行大量的研究工作。但就现状而言,首先解决普通管片在使用中所遇到的问题,保证衬砌管片不发生裂缝、踏步、渗漏和长期耐久性极为重要。（二）盾构隧道衬砌结构基本研究方法目前我国常用的盾构隧道衬砌设计模型主要有经验类比法、荷载结构法。在工程可行性研究阶段一般可以采用经验类比法确定结构尺寸,在初步设计和施工设计阶段需要

37、用荷载结构模型对衬砌结构内力进行较为精确的计算。荷载结构模型中对结构及荷载的处理方法不止一种，常用的组合形式是如下三种:1、日本惯用法及修正惯用法日本惯用计算法即把管片环简化为与管片主截面具有相同刚度的弹性均质圆环, 并采用以三角形抗力为特征的惯用荷载系统进行计算的方法。日本修正惯用计算法中也将管片衬砌圆环考虑为弹性匀质圆环,并用小于1的刚度折减系数来体现环向接头的影响,不具体考虑接头的位置,即仅降低衬砌圆环的整体抗弯刚度。当采用通缝拼装方式时,其分析结果就作为设计值；而当为错缝拼装时,由于环与环间的纵向接头的咬合作用,出现附加弯矩值,用附加弯矩增大系数来表示,即用于管片主截面设计的弯矩为(1

38、)m, 用于接头设计的弯矩为(1)m。2、梁弹簧模型在一环管片衬砌内,用曲梁单元模拟管片的实际状况,用旋转弹簧来模拟接头,并用抗弯刚度来体现环向接头的实际抗弯刚度。这种模型在计算中可以具体考虑环向接头的位置以及由接头引起的管片环的刚度作用此时,除考虑计算目标环外,将对其有影响的前后二衬砌圆环也作为研究对象,并用径向抗剪刚度kr和切向抗剪刚度kt来体现纵向接头的环间传力效果。3、修正匀质圆环法与修正惯用法相同的是,也将管片衬砌圆环考虑为弹性匀质圆环,并用小于1的刚度折减系数来体现环向接头的影响,不具体考虑接头的位置,即仅降低衬砌圆环的整体抗弯刚度；当采用错缝拼装方式时,用附加弯矩增大系数来模拟由

39、于环间的纵向接头的咬合作用引起的附加弯矩值。与修正惯用法不同的是,其荷载系统中的地基抗力不采用三角形假定抗力,而是用地基弹簧模拟。（三）盾构技术的特点及存在的问题为了更好、更经济、更安全地使用盾构技术，我们需要对盾构技术在施工过程中遇到的常见问题进行总结，并指出解决相应技术问题的一般思路，明确今后盾构技术发展的方向。1、开挖面的稳定问题盾构法的主要原理就是尽可能在不扰动围岩的前提下完成施工,因此施工的关键就是维持开挖面的稳定性。泥水加压盾构与土压平衡盾构在维持开挖面稳定性方面机理稍有不同,主要区别在于其控制开挖面的压力时分别采用了泥浆和流塑性土体。 （1）泥水加压盾构泥水加压盾构是通过压力舱内

40、泥水的压力、泥水的特性来维持开挖面稳定的。泥浆对开挖面的稳定作用主要有: 通过一定压力注入到开挖面的泥浆会在开挖面上形成一个难透水的泥膜或渗透壁,在泥膜两侧围岩内的水压力、土压力通过泥浆压力得到平衡从而有效地维持开挖面的稳定性。泥浆微粒子向开挖面前方渗透可增加土的粘聚力,对开挖面的稳定有利。因此首先选择最佳的泥水压力对开挖面的稳定性是至关重要的。泥水压力过小时,开挖面在围岩土压力、水压力的作用下就会发生破坏。而压力过大时,泥水会在透水性良好的砂土中渗透逸散,泥水压力超过土的抗剪强度就会在地基中形成劈裂裂隙而造成冒浆。其次选择合适的泥浆特性也很重要,泥浆的比重、粘性、稳定性和过滤特性决定泥膜形成

41、的快慢和泥膜的质量。一般来讲泥浆的比重越大越有利于开挖面的稳定性。但是在长距离隧道开挖中,过大的比重不但会引起泥浆输送泵的超负荷,还会增加泥水处理的难度。比重过小就会出现大量逸泥而增加泥膜和渗透壁形成的难度。在透水性良好的饱和砂土中,泥水的过滤特性尤为重要,泥水中微粒子的大小与土中孔隙大小的相对关系直接决定了泥膜形成的难易程度。因此研究泥浆压力的控制和泥浆成膜机理是发展泥水加压盾构的重要问题。（2）土压平衡盾构土压平衡盾构需要在压力舱内充满开挖泥土,通过对开挖土体施加压力来平衡开挖面上的土压力和水压力。一般将压力舱内开挖土的状态称为“塑性流动状态”，从土力学的角度分析,这种状态包括三个方面的含

42、义: 土体不易固结排水。当推力通过隔板传递到压力舱内土体时,如果土体迅速排水固结,就会在压力舱内形成固结“土饼”,土水分离会影响压力舱内土体的循环和排土,因此土体要保持为不易固结排水的状态。土体处于流塑状态。压力舱内的土体应处于高含水率,土的强度较低而易于翼板的搅拌。这一流塑状态可保证土体受到挤压时向螺旋排土器内发生塑性流动,而顺利完成排土,就是所谓的“挤牙膏”效应。土体具有不透水性。只有压力舱的土体具有足够的不透水性,才能保证维持开挖面上的水压力, 同时也能防止从排土口发生喷涌现象。一些淤泥质粘土、粘土、粉质粘土在天然状态下通过开挖搅拌后即可满足以上三个条件,这是最为适合于土压平衡盾构的围岩

43、。但是在很多情况下,情况并非如此，此时则一般通过向刀盘、压力舱或螺旋式排土器内添加泥浆等添加材料改善土体的性质,以满足以上的三个条件。添加材料各种各样,需要根据地层的土质条件进行选择。2、盾构姿势和线路控制问题盾构机是一个由盾构千斤顶驱动、在地中运动的庞然大物。而隧道设计对盾构机行走轨迹的要求非常严格。这是由于盾构机的过大偏移会造成隧道的偏移而影响使用。盾构机的偏移会造成施工操作上的困难。由于围岩的不均匀性、曲线段施工、推力的偏心、刀盘旋转的反作用,盾构机的姿势易发生左右偏移、上下偏移(所谓的“抬头”和“磕头”)。盾构机姿势的偏移直接造成线路的偏移,同时造成管片拼装困难,有时也会由于不得不偏心

44、推进而对管片产生过大的施工荷载造成管片开裂。盾构机的偏移可以说是难以避免的,但是最重要的是要将偏移量始终控制在较小的范围之内。这就需要对千斤顶和推力进行合理的使用并且动态掌握盾构机姿态,因此对操作人员的培训尤为重要。3、盾构施工对环境的影响问题盾构施工时，一般会引起一定的地基变形,其发生原因可以分为以下几点: 开挖面上的土水压力不平衡导致开挖面失去稳定性。此时,压力舱压力大于开挖面土压力和水压力时出现地基隆起,相反会出现地基沉降。盾构推进对围岩的扰动。盾构壳板和围岩的摩擦、以及围岩的扰动会引起地基隆起和沉降。尤其在蛇曲修正、曲线推进时如采用超挖,会使围岩松动的范围变大加大地基的沉降量。盾尾空隙

45、的发生和壁后注浆的不足。盾构施工必然产生盾尾空隙,这一空隙会引起地基的应力释放而产生弹塑性变形。一般可通过实施壁后注浆来控制,但壁后注浆的材料、注浆时间、位置、压力、注浆量都会影响地基的变形量。管片的变形和变位。管片从盾尾脱出后,受到围岩荷载作用发生一些变形或变位,造成地基沉降,但其量一般较小。地下水位下降。由于漏水或降水引起的地基沉降。盾构施工期间由于上述各种原因引起的地表沉降对周围环境有一定的影响。因此，盾构施工时就必须对地基变形进行监测。现代盾构可广泛适用于软土、砂卵石、软岩直至硬岩等各类地层条件，施工不受地形地貌、江河水域等地表环境条件的限制，施工受天气影响小。既可用来修建小断面的区间

46、隧道，也可用来修建大断面的车站隧道。而且施工占地和征地费用少，施工速度快，对控制地面沉降有较大把握。但盾构隧道施工也存在一些不足之处：当隧道曲线半径过小时，盾构隧道施工较为困难，不适合应用于折返线等大断面工程；修建城市隧道时，若隧道覆土太浅则施工难度较大，水下施工时，若覆土太浅将导致施工安全性较低；施工中隧道上方一定范围内的地表沉降难以完全消除，特别是对于饱和含水松弛地层而言，施工中应采取严密的技术措施以将沉降控制在设计要求范围内；饱和含水地层和水下隧道施工过程中，该施工法所采用的拼装衬砌对达到整体结构防水性的技术要求较高；两盾构隧道之间的联络通道尚需用矿山法人工开挖，存在较大风险。因此，盾构

47、隧道施工仍存在施工风险，切不可掉以轻心，我们必须认真对待。盾构法施工在盾构与附属设备的设计和制造及建造端头工作井等工程设施上需要较多的时间和投资。同时，盾构法的施工技术方案和施工细节对岩层条件存在较大的依赖性，这就需要事先对沿线的工程地质和水文地质条件做细致的勘探工作，并要根据围岩的复杂程度做好各种准备。因此，只有在地面交通繁忙，地面建筑物和地下管线密集，对地面沉降要求严格的城区，不宜采用明挖法，且地下水发育，围岩稳定性差，或隧道很长而又工期要求紧迫，不能采用矿山法施工时，采用盾构法施工才是经济合理的。（三）本设计的意义和价值由于国家经济发展拉动内需的宏观大局，基础设施建设的投入空前加大，已经

48、迎来了铁路、公路、地铁、水电、输油、输气及环保等工程建设高潮，其中隧道项目占有十分突出的位置。隧道技术的发展正当其时。在这些工程项目的建设中盾构及掘进机的使用会越来越多，以目前所列的建设规模估计，至少在今后的35年内盾构和tbm设备会以每年上百台套的速度不断增长。盾构方法在城市隧道建设中一直发挥着重要的作用，而且潜力巨大。特别是在大城市，由于诸如施工场地不足，需要在毗邻重要建筑物处施工，深处施工和要求降低成本等一些原因，隧道施工预计会有更高的要求。盾构需要发挥更大的作用去解决这些问题。在即将参加工作之际，我希望能够认真顺利地完成此次设计。我相信，通过此次设计，我的专业知识将会更加丰富和牢固，从

49、而对我以后的工作打下一个坚实的基础。二、主要参考文献1刘建航，侯学渊.盾构法隧道m.北京:中国铁道出版社，19912朱伟，陈仁俊.盾构隧道施工技术现状及展望.岩土工程界，2002，4(11)：19213贺少辉等.地下工程.北京：清华大学出版社；北京交通大学出版社，2008.34吴笑伟.国内外盾构技术现状及展望.建筑机械，2008.85孙文昊.荷载结构模型在盾构管片内力计算中应用的探讨.铁道勘测与设计，2006(1)6郭陕云.盾构技术的应用及发展方向.建筑机械化.2009(07)7姜安龙，胡斌，郭云英.盾构隧道衬砌结构设计方法研究.南昌航空工业学院学报(自然科学版).2007(3)8崔玖江.盾构

50、隧道施工风险与规避对策.隧道建设.2009(08)9吕剑英.城市地铁盾构法区间隧道的设计.西部探矿工程.2004(08)10吕剑英.广州地铁越三区间盾构隧道的设计.现代隧道技术.2003(12)11朱世友.国内地铁盾构区间隧道管片结构设计的现状与发展.现代隧道技术.2002(12)12施仲衡等.地下铁道设计与施工.陕西科学技术出版社.1997(06)13陈丹，袁大军，张弥.盾构技术的发展与应用.现代城市轨道交通.2005(05)14赵成刚等.土力学原理.北京：清华大学出版社；北京交通大学出版社，2004.815夏永旭，王永东.隧道结构力学计算m.北京：人民交通出版社，200416张凤祥，傅德明

51、等.盾构隧道施工手册m.北京：人民交通出版社.200517刘维宁，刘卫丰等.盾构法与浅埋暗挖法结合建造车站技术的结构方案初步研究.现代隧道技术.2009(12)18陈丹，袁大军，张弥.盾构技术的发展与应用.现代城市轨道交通.2005(5)19吴鸿庆，任侠.结构有限元分析.北京：中国铁道出版社.2000.920陈超.城市地铁盾构法施工技术经济分析.施工技术.2005(09)21 barták, hrdina, romancov, zlámal. design and construction of a tunnel using the technology for contr

52、olling muck flow in the cutting chamber of an earth pressure balance shield of large cross section. underground space.200722 mitsutaka sugimoto, aphichat sramoon. theoretical model of shield behavior during excavation. m.asce三、研究方案1、本设计研究步骤：线路总平面设计、线路纵断面设计、盾构隧道结构形式设计与优化、盾构隧道结构各工况内力组合计算、管片结构截面检算及配筋设计、盾构隧道施工方案设计。2、本设计所用理论基础：混凝土结构设计原理、结构力学、土力学