盾构衬砌结构与顶管设计计算方法

盾构衬砌结构构与顶管设计计计算方法第一部分盾构衬砌结构构盾构是在钢壳壳体保护下掘掘进隧道的一一种设备。按掘进方式分分为人工、半半机械和机械械化形式；按按切削面上的的挡土方式，，分为开放型型和封闭型；；按向开挖面面施加压力的的方式，分为为气压、泥水水加压、削土土加压和加泥泥方式。目前机械化盾盾构发展较快快，应用较多多，它由刀盘盘、刀具旋转转切割地层，，采用螺旋输输送机或泥水水管道运送碴碴土，在壳体体内拼装预制制管片，依靠靠液压千斤顶顶推进，形成成掘进隧道的的机电一体化化高科技设备备。9.1盾构概述1806年,工程师Brunel针对松散饱和和软土层发明明了最早的网格式盾构并提出专利。。1818年,Brunel从蛆虫腐蛀船船底成洞得到到启发，提出出了全封闭螺旋式式盾构工法(土压平衡盾构构的原型)。1825～1843年，Brunel设计的方形铸铁框盾盾构贯通了泰晤士士河的第一条条隧道。1869年,Burlow和Great负责建造泰晤晤士河的第二二条隧道，Great采用新开发的的圆形盾构、扇扇形铸铁管片片。1886年,Great在南伦敦铁路路隧道施工中中使用了盾构和压气组组合工法，为现在的盾盾构工法奠定定了基础。4盾构工法盾构法视频9.2盾构衬砌分类类盾构隧道横断断面一般有圆圆形、半圆形形、矩形、马马蹄形等多种种形式，但衬衬砌最常用的的横断面形式式为圆形。圆圆形隧道衬砌砌断面作为隧隧道断面形式式有以下优点点：可以等同地承承受各方向外外部压力，尤尤其是在饱和和软土地层中中修建地下隧隧道，由于顶顶压、侧压较较为接近，更更可显示出圆圆形隧道断面面的优越性；；施工中易于盾盾构机的推进进，管片的制制作及拼装；；盾构即使发生生转动，也不不妨碍其断面面的利用。管片衬砌按其其材料分为钢钢筋混凝土、、铸铁、钢、、钢壳与钢筋筋混凝土复合合而成的几种种，除特殊需需要外，一般般都选用钢筋筋混凝土作为为衬砌管片的的材料。9.2.1管片的分类钢筋混凝土管管片按手孔成成形大小区分分，大致可分分为箱形管片片和平板形管管片。所谓箱箱形管片，就就是因手孔较较大而呈肋板板型结构的管管片。衬砌分类（1）预制装配式式衬砌装配式衬砌圆圆环一般是由由分块的预制制管片在盾尾尾拼装标准块块、邻接块和和封顶块的多多块预制管片片在盾尾内拼拼装而成。（2）双层衬砌为防止隧道渗渗水和衬砌腐腐蚀，修正隧隧道施工误差差，减少噪声声和振动以及及作为内部装装饰，可以在在装配式衬砌砌内部再做一一层整体式混混凝土或钢筋筋混凝土内衬衬。近年来采采用双层衬砌砌的必要性已已大为减少。。（3）挤压混凝土土整体式衬砌砌挤压混凝土衬衬砌是指不采采用常规管片片而通过在盾盾尾现场浇筑筑混凝土来进进行衬砌的隧隧道施工法，，是随着盾构构机向前掘进进，用一套衬衬砌施工设备备在盾尾同步步灌注的混凝凝土或钢筋混混凝土整体式式衬砌，因其其灌注后既承承受盾构千斤斤顶推力的挤挤压作用，故故有此称谓。。9.3管片结构设计计与内力计算算一、荷载的种种类1、主要荷载——必须经常考虑虑的荷载：（1）竖向与水平平土压力；（（2）水压力；（（3）自重（静载载）；（4）超载量；（（5）地基反力。。2、次要荷载——必要时考虑的的荷载（在施施工过程中和和竣工后作用用的荷载，是是根据隧道的的使用目的、、施工条件以以及周围环境境进行考虑的的荷载）：（1）内部荷载；；（2）施工期荷载载；（3）地震效应。。3、特殊荷载：：在特殊条件件下必须考虑虑的荷载。例例如：（1）相邻隧道的的影响；（2）地基沉陷的的影响；（3）瞬时动力荷荷载等。9.3.1荷载的设定二、荷载计算算当地层为互层层分布时，以以地层构成中中的主要地层层为基础，将将地层假设为为单一地层进进行计算，或或就以互层的的状态进行松松弛土压力的的计算都是常常用的方法。。对于圆形断面面以外的隧道道，只要合理理评价松动带带的宽度，也也可以采用太太沙基的公式式计算松弛土土压力。但是是由于荷载的的分布形状等等条件随隧道道的断面而发发生变化，应应慎重地进行行分析判断。。另外，在这种种情况下现场场实测值是评评价土压力的的重要参考，，希望能够根根据类似条件件时土压力和和水压力的实实际情况进行行判断。计算土压力时时，对于水的的影响应根据据地层条件，，按如下方法法计算：（1）砂性地层：：采用水土分分算，但实际际上，一般根根据地层性质质，砂土、粉粉土、粉质粘粘土等渗透系系数较大的地地层，采用水水土分算，计计算时土压时时采用有效重重度及有效抗抗剪强度指标标，如三轴排排水剪、三轴轴固结不排水水剪（测空隙隙水压力）、、直剪快剪等等强度指标；；（2）粘性性地层层：粘粘土层层采用用水土土合算算，重重度采采用天天然重重度，，其强强度指指标采采用在在土的的有效效自重重压力力下预预固结结的三三轴不不排水水不固固结强强度指指标。。1、垂直直及水水平土土压力力作用于于隧道道的土土压力力中，，垂直直和水水平压压力是是确定定设计计计算算用的的土压压力，，与隧隧道的的变形形无关关。此此外，，对于于隧道道底部部的土土压力力，考考虑为为反向向土压压力，，作为为地基基反力力处理理。（1）垂直直土压压力将垂直直土压压力作作为作作用于于衬砌砌顶部部的均均布荷荷载来来考虑虑，其其大小小宜根根据隧隧道的的覆土土厚度度、隧隧道的的断面面形状状、外外径和和围岩岩条件件来决决定。。但当覆覆土厚厚度大大于隧隧道的的外径径时，，地基基中产产生拱拱效应应的可可能性性比较较大，，可以以考虑虑在设设计计计算时时采用用松动动土压压力松弛土土压力力的计计算，，一般般采用用Terzaghi公式。。一般般来说说，当当垂直直土压压力采采用松松弛土土压力力时，，考虑虑到施施工时时的荷荷载以以及隧隧道竣竣工后后的变变动，，多设设定一一个土土压力力下限限值。。垂直直土压压力的的下限限值根根据隧隧道使使用目目的有有所不不同，，但一一般将将其作作为相相当于于隧道道外径径的2倍的覆覆土厚厚度的的土压压力值值。（2）水平平土压压力水平土土压力力考虑虑为作作用在在衬砌砌两侧侧，自自拱顶顶至隧隧底沿沿横断断面的的直径径水平平作用用的分分布荷荷载，，应根根据垂垂直土土压力力与侧侧向土土压力力系数数来计计算。。在难以以得到到地基基抗力力的条条件下下，可可以考考虑将将施工工条件件下的的静止土土压力力系数数作为为侧向向土压压力系系数。在可可以得得到地地基抗抗力的的条件件下，，使用用主动土土压力力系数数作为为侧向向土压压力系系数，或者者以上上述的的静止止土压压力系系数为为基础础考虑虑适当当地减减少进进行计计算，，都是是常用用的方方法，，设计计计算算中拟拟采用用的侧侧向土土压系系数的的值应应介于于静止止侧向向土压压系数数值与与主动动侧向向土压压系数数值之之间。。2、水压压力一般情情况下下，作作用在在衬砌砌上的的水压压力为为静水水压力力。但但为简简化计计算，，也可可以将将水压压力取取为拱拱顶以以上和和隧底底以下下，其其值分分别可可取为为与该该处静静水压压力相相等的的均布布竖向向水压压力以以及由由拱顶顶至隧隧底均均匀变变化的的水平平荷载载，其其值分分别取取与拱拱顶至至隧底底处的的静水水压力力相等等。若采用用垂直直均布布荷载载和水水平均均匀变变化的的荷载载组合合，则则衬砌砌水压压力计计算如如下：：3、管片片自重重一次衬衬砌自自重为为作用用在隧隧道横横断面面形心心线上上的竖竖向荷荷载二次衬衬砌的的施工工时间间一般般都在在管片片环已已具有有某种种稳定定性后后才进进行，，而且且二次次衬砌砌本身身也是是环形形或拱拱形的的，因因此二二次衬衬砌的的自重重有其其自身身承担担，故故在一一次衬衬砌设设汁时时可不不考虑虑二次次衬砌砌的重重力。。4、地面面超载载地面超超载增增加了了作用用于衬衬砌上上的土土压力力，道道路交交通荷荷载、、铁路路交通通荷载载、建建筑物物的重重量作作用于于衬砌砌上的的力即即为地地面超超载。。5、地基反反力计算衬砌砌构件内内力时，，必须确确定地基基反力作作用的范范围、大大小和方方向。地基反力力通常分分为两种种：一种种是独立立于地基基位移而而定的反反力，另另一种是是从属于于地基位位移而定定的反力力，具体体要结合合设计计计算方法法而定。。前者是作作为与给给定荷载载相平衡衡的反力力，预先先假定其其分布均均匀的；；后者认认为与衬衬砌的地地基内位位移相关关而产生生的，并并与地层层的位移移成比例例且该比比例因子子定义为为地基反反力系数数，此比比例因子子的取值值取决于于围岩韧韧度和衬衬砌尺寸寸。地基反作作用力是是地基反反作用系系数和衬衬砌位移移的产物物，由围围岩韧度度和管片片衬砌的的刚度决决定，而而管片衬衬砌的刚刚度取决决于管片片刚度及及接缝的的数目和和类型假定的地地基反力力计算模模型地基反力力的常用用计算法法中，对对垂直方方向的与与地基位位移无关关的地基基反力取取与垂直直荷载相相平衡的的均布反反力；另另一方面面，作用用在隧道道侧面的的水平方方向的地地基抗力力，则是是伴随衬衬砌向围围岩方向向的变形形而产生生的，故故在衬砌砌水平直直径上下下45°中心角范范围内，，采用以以水平直直径为顶顶点，三三角形分分布的地地基抗力力。与常用计计算法不不同，作作为伴随随地基的的位移确确定地基基抗力的的另一种种方法，，是将管管片环与与地基间间的相互互作用通通过地基基弹簧模模型进行行考虑，，这一方方法是将将地基抗抗力考虑虑为管片片向地基基方向变变形时所所产生的的反力。。常见的有有全周地地基弹簧簧模型和和部分地地基弹簧簧模型两两种，从从应用实实例来看看，多数数只考虑虑半径方方向弹簧簧，也有有一些考考虑切线线方向弹弹簧进行行设计的的例子。。6、内部荷荷载由悬挂于于隧道顶顶板上的的设备所所产生的的荷载以以及内部部水压力力而引起起的荷载载所致，，应进行行核查。。7、施工期期间荷载载施工期间间作用于于衬砌上上的荷载载有以下下各种：：①盾构千千斤顶的的推力。。当管片片生产时时，应测测试管片片抵抗盾盾构顶进进推力的的强度，，为了分分析盾构构千斤顶顶推力对对管片的的影响，，设计者者应该检检查由于于偏心而而引起的的剪力和和弯矩，，包括允允许极限限放置时时的情况况；②回填注注浆压力力；③运输和和装卸时时的荷载载；④管片举举重臂操操作的荷荷载；⑤衬砌环环刚出盾盾尾的初初期。衬衬砌顶部部土压即即迅速作作用到衬衬砌上，，而侧压压却因某某种原因因未能及及时作用用，这时时衬砌可可能处于于很不利利的工作作条件；；⑥其它荷荷载，如如后援的的自重、、管片矫矫正器的的千斤顶顶推力、、切削头头的扭矩矩。8、地震的的影响用于抗震震设计的的方法有有诸如地地震变形形法和地地震系数数法之类类的静力力分析法法以及动动力分析析法。地地震变形形法常用用以研究究隧道地地震反应应，这里里不做具具体讨论论。9、其它荷荷载主要是指指相邻隧隧道施工工以及沉沉降的影影响而产产生的荷荷载。9.3.2管片结构构计算模模型均质圆环环模型[1]完全等刚刚度圆环环惯用计计算模型型[2]平均等刚刚度圆环环修订惯惯用计算算模型管片环有有接头，，因而刚刚度有所所降低，，故在将将其作为为抗弯刚刚度均匀匀的圆环环处理的的情况下下，考虑虑接头影影响进行行计算，，这种模模型称为为修订惯惯用计算算模型。。多铰环模模型许多国家家，以隧隧洞周围围围岩状状况良好好作为对对象而采采用的计计算方法法，将管管片接头头作为铰铰结构来来计算梁－弹簧簧模型其中用梁梁来代替替管片，，组合弹弹簧来代代替接头头，壳－弹簧簧模型壳—弹簧模型型就是将将弧形管管片用壳壳单元来来模拟，，壳单元元分为平平板壳单单元和曲曲壳单元元，相似似于梁—弹簧模型型中用于于模拟管管片的梁梁单元可可以分为为直梁或或者曲梁梁单元，，当单元元划分的的较小时时，两者者的计算算结果趋趋于一致致9.4衬砌管片设设计实例一、设计条条件（1）管片条件件（2）场地条件件二、平板型型钢筋混凝凝土管片的的设计1、作用于管管片衬砌体体的外载荷荷的计算2、管片环截截面力计算算3、验算衬砌砌管片的安安全性4、管片接头头螺栓的设设计5、千斤顶推推力第2部分顶管技术9.5顶管结构顶管技术（PipeJacking）是一种具具体的非开开挖技术管管道铺设方方法，同时时也是以顶顶管施工原原理为基础础的一些非非开挖铺管管技术的总总称。顶管技术最最初主要用用于穿越路路基铺设保保护套管，，目前在该该领域仍被被广泛采用用。随着技技术的不断断进步，该该技术也可可直接应用用于管道铺铺设，而不不再需要保保护管道。。特别是顶顶管施工中中的沉降控控制技术，，在穿越建建筑密集区区、江河以以及各种地地下管道时时已得到广广泛应用。。顶管施工法法极大地减减少了对周周边的环境境和居民的的生活的影影响，有利利于在工程程中作好文文明施工。。现在顶管管法一般用用于修建中中小型地下下市政管道道。顶管动画视视频与明挖法相相比，顶管管施工具有有以下优点点：①减少开挖挖量和土石石方运输成成本；②顶管法相相比明挖法法更加环保保，除工作作井外的大大部分工程程都处于地地下，不会会污染外部部环境；③不影响交交通，特别别适于城市市内部的施施工；④在直径大大于900mm的管道中可可以进人施施工，而顶顶管施工操操作人员比比常规的隧隧道施工方方法容易培培训；⑤施工过程程中不会受受到天气情情况的影响响。基于以上原原因，顶管管技术在市市政管道工工程和地下下通道工程程中正被广广泛的运用用，在近30年中得到快快速的发展展，该技术术在许多国国家已取代代了传统方方法，成为为施工直径径小于3000mm管道的主要要方法。该该技术在我我国也有巨巨大的市场场需求，如如在我国西西气东输等等重大工程程的管道穿穿越长江和和黄河的控控制性工程程项目中该该技术已发发挥了至关关重要的作作用，并引引起了各级级政府和环环境部门的的高度重视视。顶管法是借借助于主顶顶油缸及管管道间中继继间等的推推力，把工工具管或掘掘进机从工工作坑内穿穿过土层一一直推到接接收坑内吊吊起，并把把紧随工具具管或掘进进机后的管管道埋设在在两坑之间间的一种修修建隧道和和地下管道道的施工方方法，目前，在顶顶管施工中中最为流行行的有三种种平衡理论论：气压平衡、、泥水平衡衡和土压平平衡理论。所谓气压平平衡又有全全气压平衡衡和局部气气压平衡之之分。全气气压平衡使使用得最早早，它是在在所顶进的的管道中及及挖掘面上上都充满一一定压力的的空气，以以空气的压压力来平衡衡地下水的的压力。而而局部气压压平衡则往往往只有掘掘进机的土土仓内充以以一定压力力的空气，，达到平衡衡地下水压压力和疏干干挖掘面土土体中地下下水的作用用。所谓泥水平平衡理论就就是以含有有一定量粘粘土的且具具有一定相相对密度的的泥浆水充充满掘进机机的泥水舱舱，并对它它施加一定定的压力，，以平衡地地下水压力力和土压力力的一种顶顶管施工理理论。按照照该理论，，泥浆水在在挖掘面上上能形成泥泥膜，以防防止地下水水的渗透，，然后再加加上一定的的压力就可可平衡地下下水压力，，同时，也也可以平衡衡土压力。。该理论用用于顶管施施工始于50年代末期。。所谓土压平平衡理论就就是以掘进从世界范围围来看，顶顶管施工有有以下趋势势：顶管连续顶顶进距离越越来越长；；顶管的精度度越来越高高，其上下下和左右偏偏差都能控控制在5～10mm的范围内；；施工水平越越来越高，，不仅能够够直线项管管，而且能能够进行三三维曲线顶顶管。另外顶管技技术除了向向大口径管管的顶进发发展以外，，也向小口口径管的顶顶进发展，，从顶管掘掘进机的口口径来看，，有小到75mm的超小口径径顶管到3～4m的大口径顶顶管，并且且几乎与所所有地质条条件都相适适应的顶管管掘进机。。顶管设计计计算顶管技术中中的顶进力力（JackingLoads）是在施工工中推进整整个管道系系统和相关关机械设备备向前运动动的力，需需要克服顶顶进中的各各种阻力（（摩阻力、、工具管前前端的迎面面阻力或称称为贯入阻阻力等），，同时在顶顶进过程中中还不断受受到各种外外界因素（（纠偏、后后背的位移移等）的影影响。在顶管施工工中，一旦旦施工的顶顶进长度确确定以后，，就可以据据此来确定定顶进力；；然后根据据所确定的的顶进力的的大小来分分别进行顶顶进管道、、顶进设备备和后背墙墙等的选择择和设计。。现浇后背背的修建费费用占总造造价的比率率很高，所所以尽可能能算出接近近实际顶力力值以便经经济合理地地选定后背背结构形式式。1、顶进力的影影响因素顶管施工中的的顶进力主要要用来克服迎迎面阻力和作作用于管线上上的摩阻力，，所以影响顶顶进力的主要要因素有顶进进管道的尺寸寸、形状、自自重和外表面面的性质；施施工管线的长长度；土层类类型及其在施施工过程中的的变化情况；；地下水位高高度；土体的的稳定性；覆覆土厚度以及及上部地层的的容重；地表表的荷载情况况。顶力值