地下工程第三篇第三章

1、第二篇第二篇 盾构法修建的地下工程盾构法修建的地下工程第一章第一章 概述概述第二章第二章 盾构法隧道施工盾构法隧道施工第三章第三章 盾构法隧道设计盾构法隧道设计第四章第四章 盾构法在不同地下工程中的应用盾构法在不同地下工程中的应用第一节第一节 盾构几何尺寸的选定盾构几何尺寸的选定主要指盾构外径主要指盾构外径D和盾构长度和盾构长度L、盾构灵敏度、盾构灵敏度L/D。 最小建筑空隙值最小建筑空隙值x ：x=m=mD=d+2(x+ )=0.02+0.01（D-4）dl盾构长度LL=L0+L1+L2+L3L0盾尾长度；L1支承环长度；L2切口环长度；L3前檐长度。 盾构灵敏度L/D 经验数值 :小型盾构

2、D=23m，L/D=1.5中型盾构D=36m, L/D=1.00大型盾构D=69m, L/D=0.75特大型盾构D12m, L/D=0.450.75第二节 盾构千斤顶推力计算阻力包括：盾构外表面与四周地层的摩阻力；盾尾内壳与衬砌结构之间的摩阻力；盾构切口部分刃口切入土层的阻力；盾构切口环切入土层时的正面阻力；开挖面正面支撑阻力；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)()4PDN第三节 装配式圆形衬砌设计“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

3、工荷载。 国内外常用的环宽是7501000m；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250600mm。 环宽与厚度分块 大断面隧道可分成6810块，小断面可分为46块。 管片的最大弧长一般不超过4 m，管片愈薄其长度应越短。 拼装型式一般有通缝、错缝拼装两种。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

4、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34个螺栓。螺栓材料一般采用高强度合金钢，直螺栓 。第四节 衬砌内力计算与管片结构设计4.1 设计原则设计原则 隧道衬砌费用占40%50%，安全可靠、经济合理 。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片

5、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。 4.2 内力计算法1不考虑弹性反力饱和含水地层中 ，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.不考虑弹性反力的计算方法，也称为自由变形圆环计算方法。（1 1）围岩压力作用下自由变形圆环的计算）围岩压力作用下自由变形圆环的计算 采用弹性中心法。采用弹性中心法。 由于结构和荷载对称，

6、拱顶剪力为由于结构和荷载对称，拱顶剪力为0 0，整个圆环为二次超静定结构。，整个圆环为二次超静定结构。 根据弹性中心处的相对角变和相对水平位移等于零的条件，列出力法典根据弹性中心处的相对角变和相对水平位移等于零的条件，列出力法典型方程：型方程：（2 2）装配阶段自重作用下自由变形圆环的计算）装配阶段自重作用下自由变形圆环的计算 4.2 内力计算法2假定弹性反力的计算方法假定弹性反力的计算方法 （1 1）日本惯用方法）日本惯用方法 假定弹性反力为三角形分布。假定弹性反力为三角形分布。（2 2）布加耶娃法）布加耶娃法 假定圆环受到竖向荷载后，其顶部变形是朝衬砌内的，不产假定圆环受到竖向荷载后，其顶

7、部变形是朝衬砌内的，不产生弹性抗力，形成顶拱生弹性抗力，形成顶拱9090范围的脱离区。其余部分产生朝向范围的脱离区。其余部分产生朝向地层的变形，因此产生了弹性反力。弹性反力分布图形呈一新地层的变形，因此产生了弹性反力。弹性反力分布图形呈一新月形。假定水平直径处的变形为月形。假定水平直径处的变形为ya，底部变形为，底部变形为yb。4.3 内力计算法3多铰圆环法将管片接缝看作为一个“铰”，整个圆环变成一个多铰圆环。基于：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。 适用于装配式衬砌结构，构造接缝螺

8、栓可作为铰处理。适用于装配式衬砌结构，构造接缝螺栓可作为铰处理。 （1 1）日本山本稔（）日本山本稔（rn ）法）法假定：1）适用于圆形结构；2）管片作刚体处理；3）弹性反力按均布形式分布，方向指向圆心；4）不计圆环与地层之间的摩擦；5）地层弹性反力和变形间的关系按温克尔假定计算。 （2 2）前苏联多铰圆环）前苏联多铰圆环 假定衬砌与地层之间不产假定衬砌与地层之间不产生相对位移，弹性反力分布形生相对位移，弹性反力分布形式不同于日本法。式不同于日本法。4.4 内力计算法4有限单元法盾 构 隧 道 所 处 地 层 参 数 平 均 化l 衬砌自重工况位移、破坏区分布图 自重作用下，衬砌的最大变形为3

9、.78mm，上部与围岩产生张开脱离现象，最大脱离间距为1.453mm。 l 衬砌自重工况应力矢量及云图l 衬砌自重工况弯矩、轴力、安全系数图l 衬砌受内水压力工况位移、破坏区分布 内水压力作用下，衬砌上部最大变形为3.105mm，上部与围岩脱离间距减小为0.286mm，底部最大变形为4.890mm。衬砌基本被拉坏。l 衬砌受内水压力工况应力矢量、云图l 衬砌受内水压力工况弯矩、轴力、安全系数图l 衬砌受外水压力工况位移、破坏区分布 在外水压力及自重作用下，衬砌的最大变形为4.25mm，上部与围岩产生张开脱离现象，最大脱离间距为4.62mm。在外水压力作用下，衬砌主要受压力作用，衬砌及附近围岩产

10、生了卸荷回弹和剪切破坏，没有拉裂区。 l 衬砌受外水压力工况应力矢量、云图l 衬砌受外水压力工况弯矩、轴力、安全系数图l 衬砌开裂裂缝宽度计算内水压力作用下裂缝宽度分布图（mm）内水压力的影响较其他荷载大得多，因此裂缝开展较均匀，平均宽度为0.12mm， 小于最大裂缝宽度允许值。l 衬砌结构配筋内水压力作用下环向配筋率分布图（%）断面环向配筋率为0.95%1.04%，可以采用525225钢筋配置。R 5 . 0 2 0 mR 5 . 5 0 0 m1 1 . 2 5 0 5 . 6 2 5 y盾构隧道设计与分析算例盾构隧道设计与分析算例 盾构衬砌环，内径10.040m,外径11.000m,衬砌

11、宽度1.0m,受到垂直压力p=226.3KN/m，顶部水平侧压力q1 =90.5KN/m，底部水平侧压力q2 =162.5KN/m ，自重g=12.0KN/m，管片截面的计算参数如下：弹性模量E=3.5107KPa，转动惯量I=9.21610-3m4 ，面积A=0.48m2 ，地层反力系数为K=1.5104KN/m3 。第五节 荷载计算（1）荷载分类日本盾构隧道规范的分类方法土柱理论（H=2D）1010/tan0/tan011)1 (tan)/(BHKBHKvepeKBcB)22/4/cot(01 RB水压力计算cDwHwH+cDwwwHP1)(2cwwwDHP1wP2wPwHwHcDwwwH

12、P1)(2cwwwDHPcD整体坐标系施加局部坐标系施加（3）自重cRWg211gg修正惯用法对自重反力的假设 g梁弹簧模型对自重反力的假设 惯用计算法中的地层抗力假设4545maxpmaxpPmaxPmax 地层弹簧法约 束 弹 簧 采 用单 一 刚 度 系 数1k2k2k3kPgPg 局部地层弹簧模式 全周地层弹簧模式 局部地层弹簧与全周地层弹簧nnnUKFsssUKFsKnK0nnUK0nnUK0nsUK0nsUK（5）、注浆荷载最 大 注 浆 压 力注 浆 孔平 均 注 浆 压 力注 浆 孔单孔注浆压力分布模式xy1p122p注 浆 孔整环注浆压力分布模式（6）、地震荷载21e21F22e21F21e22e拟静法（7）、荷载分布模式假设Px2Py3Px4Px1Py1Px3Py4Py2YXX向矩形分布y向梯形分布P y 3P y 1P y 4P y 2P x 2P x 4P