地下结构工程盾构衬砌结构

地下结构工程第06章6盾构衬砌结构

本章介绍盾构构造和分类，盾构推进及衬砌拼装;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。掌握圆形衬砌结构设计方法和构造要求。6.1概述盾构（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。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。盾构推进主要依靠盾构内部设置的千斤顶。适用条件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，盾构隧道的历史用盾构法修建隧道开始于1818年，法国工程师布鲁诺尔；1825年在英国泰晤士河下首次用矩形盾构建造隧道；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；我国于1957年北京下水道工程中首次出现2.6m小盾构；上海市延安东路过江道路隧道使用11.0m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；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大致有圆形（又称半盾构）、矩形、马蹄形等几种。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。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

6.2.1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。切口环：开挖；上下宽度可以等值、也可以不等值，甚至是活动的。容纳各种专门的挖土设备。支承环：承受荷重的核心部分，刚性较好的圆环结构。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。盾尾：掩护工人在其内部安装衬砌。2）推进系统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。盾构千斤顶一般是沿支承环圆周均匀分布的；3）拼装系统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。举重臂能作旋转、径向运动，还能沿隧道中轴线作往复运动。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孔对齐，以便螺栓固定。4）出土系统出土方式一般有三种：（1）有轨运输：皮带运输机－矿车－洞口－垂直起吊至地面。（2）无轨运输：自卸卡车（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表6-1。1）人工开掘式、半机械式敞胸盾构全部敞开，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挤压式闭胸盾构在塑性粘土及淤泥中采用,盾构正面用胸板密闭起来。厚兰隧道、林肯隧道和打浦路隧道都采用过半挤压及全挤压推进的闭胸盾构施工.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。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（1）局部气压盾构（2）泥水加压式盾构

(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6.2.3盾构几何尺寸的选定及盾构千斤顶推力计算主要指盾构外径D和盾构长度L、盾构灵敏度L/D。最小建筑空隙值xx=mα=mD=d+2(x+δ)δ=0.02+0.01（D-4）2）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。3）盾构粗灵敏度L/D经验数盖值:小型盾饺构D=互2~忧3m，L/D积=1.剂5中型盾蛋构D=3钩~6m蔽,L叨/D=巡寿1.0奸0大型谅盾构D=6继~9m保,L娃/D=同0.7合5特大杠型盾优构D＞12m印,崖L/D酱=0.首45~站0.7格54）盾构总千斤顶兆推力计窗算阻力包植括：盾构凶外表究面与深四周丘地层用的摩铸阻力宅；盾尾尤内壳半与衬雅砌结顾构之乞间的宋摩阻眠力；盾构切酬口部分勒刃口切牢入土层优的阻力幅；盾构扑切口奋环切花入土环层时慰的正退面阻断力；开挖面助正面支篮撑阻力膊；以及换盾构顺自重叹引起奶的阻行力，胸纠偏忠时的乒阻力毯，局欣部气针压或置泥水沾压力栋，阻锁力板幕阻力唐等。日本盾欺构总推闻力经验占公式表6-扬2盾构总麻推力隧道名称直径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=12.7美Brooklyn-battery9.634.710.4931528644063=12.7美Queen-Midtown9.655.700.59285600比Antwerpen9.505.500.57627532640070Rotherhite9.355.490.586406700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本讲此要点盾构的愈组成；盾构寄的分队类；盾构环外形塔尺寸古的确港定和界推力霞的确江定。6.译3盾构免推进挥及衬茂砌拼带装6.3便.1盾构可推进已建隧只道所采却用过的枝大直径冤盾构，亮大部分耳都属于手掘式阔敞胸盾痛构或闭动胸挤压录盾构，或舌者是辈两者券兼有疏的盾他构。技术先命进的泥水饼盾构飞或土红压平仓衡盾蕉构很少采待用。本节纪将主劫要介鱼绍在扫松软未含水孙地层健中采用手链掘式敞版胸盾构布施工，辅东以气鹅压，况人工球井点违降水似及其外它地留层加冲固措骗施，稠盾构次开挖慈掘进堡时的涉几种痰施工版方法著。1）人屠工井琴点降取水加订手亮工掘拣式敞今胸盾撞构施徐工人工井机点降水归，经款济，适泡用于漏业气量大涨的砂性舱土。地下水恳位降低叨、疏干些地层，增加垂土体慰强度问，以保俗证开数挖面皱稳定经，盾喉构在赞地下挤水位晌以上洋通过烘，施肉工场狼地较干燥。一般都紫采用喷射读井点，深融度曾吨用到27拖m，使姜埋深库为25民m的隧道投能顺利此开挖。具体过睛程：（1）先借誓助盾构宅千斤顶使盾舞构推闸进，将切悄口环部类分切入炸地层，驻然后在切口环劈燕保护下极进行土翅体开挖助与运输，这池样对晨周围会地层暑扰动极较小饼。（2）分层欺开挖，旬施工工辆具为普初通手工溪工具或痒手持式内风动工惰具。（3）每仍环管蓬片可央分数些次开扛挖和肺推进港，盾指构纠压偏时诵可以根利用萄超挖定解决王。（4）可技借助潮支撑余千斤扛顶加壳撑板宰对开动挖面睬进行蜻临时疾支撑建；（5）当用梁网格式彻盾构时梨，防尚止盾构延后退。2）气压揉加手掘锋式敞胸诸盾构施钩工盾构顷施工合在含滤水松及软不辽稳定邪地层念中采嚼用气压索来疏编干和宁支护犯开挖烟面，以防贼止涌水段、开挖仅面崩坍壁，增强彩地层强锡度，是珠一种极驰古老，礼且行之墙有效的密施工方龄法。（1）气压皇大小及义耗气量能的确定理论上，每10右m水头涌必须昼用0.1止Mpa的气压屋力来平漏衡。实际上，仅甜为理译论压旗力的50%丝式~60泡%，空气董量仅为聚理论空和气量的10%叼~50叙%。愉。中小型锻盾构，适压力等快于离盾坦构上羽端约D/镰2处的乘地下脖水压刺力;大直径稳盾为2/队3守D处的地格下水压甘力;顶部凭均超惧压，甘需有伪足够岔的覆眨盖层施工时宾为了防堪止空气段泄出，却盾构顶代部必须雪有足够啦厚的覆耗盖层t即t值过大昨则直接括影响到悠隧道埋角置深度露，过伏小则覆脑盖不足捧，往往狠容易发刺生喷发让事故。国外隧福道规范规定；贝水底隧呆道的最小梦覆盖犹层必须伐大于复盾构浙直径病（日适本）眨或等汗于盾构巡寿直径，覆之盖层宽度应大于若或等于盾构织直径督的6倍。采用经举验公式裂计算耗乳气量：—土质系纠数，当开压力大鬼于0.续1M脊Pa时，君粘性宏土=3触.6摆5；砂性皆土=7.抓30。（2）气谋压盾生构施蓄工气压摘盾构四施工嫩中闸墙鸦和气序闸作用贷是将作业委区与常压容作业亩区隔开励。闸墙必纵须有足锤够的强度与气密益性.气闸是该钢板铆烫接或焊双接而成撕的圆筒添形结构伏，分人行闸和外闸两部霸分。人行闸的管优理是竹气压葬施工炒的重盆要环阀节，脂要严资格遵利守气娇压作刷业的边工作亭时间轰及进居出气义闸的径变压叛时间溉，以愿防减压病。3）泥水烦加压盾夺构施工用泥谁水加刺压盾具构代湿替上拐述气顺压盾香构施鞠工，差克服倡了气缩慧压施洪工的毛弊病牢。地面沉摧降，减瞒压病，覆土互深时，气压陈太高无湿法施工僵，覆土浅时，凝漏气茎等左。泥水哥加压裂盾构而是将截压力迟为垒的泥新水，处（霸式中H取2m）,压入盾感构前部妹密封舱坚内，使膜其压力群始终高抄于地下峰水压力转，这幕样就保芬持了开票挖面稳梦定的基技本条件冈。6.莫3.欢2衬砌蹈拼装隧道胃衬砌惩是在盾构尾队部壳保画护下的空雕间内袖进行淋拼装谢。组成遇：铸铁身、钢旋、钢怒筋混折凝土景或钢旗与钢趋筋混溪凝土诱的复纵合材捐料等唇制成去的管魄片或独砌块番。结构受这力及使塞用要求侵决定盾构及欠衬砌结源构形式并决定努其拼装府方法。拼装方呢法重臂拼贡装或拱傍托架拼拾装；通缝拼装（诸管片的药纵缝环柜对齐）布或错缝拼装唯；螺栓宏联结的管光片或无螺栓渡联结的砌块筒等。按其程罩序可分欧为“先纵香后环”和“先环低后纵”。采用饼举重即臂拼缴装管青片的记原则母应是掠自下尊而上之，左闹右交旧叉，誓最后女封顶辽成环孤。6.戴4装配串式圆除形衬筐砌构嫩造“管片”是建锹成隧井道后牙的永久菌性支怪撑结构陷，应压满足强度根要求芽、使卧用要搞求；施工棍阶段遇须装弹配简让便、容易替早换、承受盾构胶千斤贪顶顶圣力及恢其它施工分荷载。箱形管趣片平板桑形管停片带肋锤管片教的材假料长即期以廊来多流为铸转铁（瞧见图6-渗6c）和须钢。环宽蒜与厚逢度国内外门常用的医环宽是750笔~10库00m；曲线段观推进时森设有楔仍形管片拴，按隧歉道曲率累半径计惧算；管片解厚度撇一般脉为25章0~卧60清0m草m。分块大断面申隧道可厨分成6~8免~10块，小缠断面可舌分为4~6块。管片下的最拐大弧峡长一泄般不孕超过4m，管撒片愈糠薄其横长度养应越求短。拼装旧型式一般塘有通宽缝、剧错缝拍拼装共两种吊。纵缝揪环环友对齐金的称通缝，适额用于庭需要粘拆除何管片瓶修建茫旁侧芳通道枪或结陕构需彼要比糊较柔殃的情钞况下走，以数便于搞进行预结构剪处理部。纵缝互飘相错开春，对称错缝，其碍优点秘在于富能加别强圆卸环接眠缝刚龄度，版使圆羞形结刮构可近贩似地朵按均即质圆锐环等宽刚度研考虑，因甜此使语用较普遍的，缺松点是错抛缝拼装处容易使混管片顶细碎。环、踢纵向摔螺栓环向螺栓根陡据接缝持内力情栋况可设鸽置成单锐排或双翻排。双排：漏外排螺谎栓抵抗蛋负弯矩河，内排臭螺栓抵掩抗正弯腰矩。纵向损螺栓粱目的葱是使换隧道桃衬砌吴结构材具有抵抗隧体道纵向万变形的忍能力，一冶块管巴片设3~4个螺栓纯。螺栓凑材料踏一般叼采用洪高强粉度合狭金钢岛，直柏螺栓裹。本讲迅要点掌握气指压大小晓及耗气快量的计著算；了解圆该形衬砌防构造;6.5内力慰计算票与管佳片结伞构设蒸计6.掠5.京1设计谷原则隧道衬浸砌费用酬占40渣%~能50云%，安巡寿全可尚靠、么经济郊合理梨。本节重占点介绍缴装配式傲钢筋混炭凝土管兆片。1.满足结律构的强学度和刚溜度：房诚土层压构力、水铺压力以博及特殊宿荷载，剃按梁式模特型计算埋国在土中挡圆环的内力和俭位移，以怪及管搂片（椅如钢炉筋混真凝土万管片露）的裂缝宽佳度限制等蒜。覆土桑最深消、顶朵压与翠侧压相差最大处严：按施睁工阶段巧和使用赔阶段荷查载最不利脱组合情况椒下计算，同时按使用撤阶段与剪特殊荷驳载阶段齐组合情毙况下的积管片强拾度验算。覆土最浅浴处：断恨面仅进行使用阶肺段和特殊荷扯载阶段能组合将情况呼下的钞管强建度验咏算。不同点2.满足所齐提出的安全质迎量指标要求哗：裂搁缝开跃展宽撑度，秧接缝刚变形滚和直销径变治形的睬允许肚量，柳隧道风抗渗饼防漏淹指标帅，结案构安抖全度批，衬搁砌内饶表面肯平整扑度要斩求腥，满足惕使用要求域的工桂作环郊境，雹保持康隧道乖内部馒的干顷燥和形洁净僚。6.5饱.2内力衫计算迁法饱和含响水地层狡中，钓因内擦馅角φ值很小渠，主动宜与被动繁土压力垒几乎是信相等，结构姿变形足不能吉产生闯很大困抗力。假定：结构可普以自由夺变形，不厦受地捷层约防束，功认为树圆环堤只是牌处在音外部阅荷载狱及与锁之平肉衡的毁底部沙地层绩反力海作用肤下工留作.刚度先折减采用错缝彼拼装和通缝拼甜装，接促缝处欲的刚捷度远舌远小低于断盒面部北分的伍刚度佳，与整体式粉等刚度控圆形衬陈砌差异更娱大。日本资泻料，接啊头刚度疗折减速葱系数η，对洋铸铁斗管片η=0私.9~扔1.0；钢筋陪混凝土篮管片η=球0.蛛5~泳0.鼠7。总体轮上，呜在饱毫和含府水地么层中逆按整体改式自剥由变奔形匀帽质圆振环的计月算方饶法误决差可反以接秧受。特殊情闷况下：当土姓层较扛好，浸衬砌犁变形率后能已提供属相应是的地性层抗肚力，汪则可按有刃弹性威抗力告的整松体式降匀质财圆环进行伤内力疏计算敬。常用芹的有饿日本勇的和犹苏联慨的假仅定抗浙力法妥等。多铰圆院环方法将接售缝看刷作为甩一个“铰”，整送个圆任环变绿成一节个多志铰圆征环。基于姐：连接终方法虎由刚蛇性连择接向莲柔性老连接耽过渡。虽属检不稳情定结地构，排但因富有外开围土呢层提犯供的附加约温束和多铰幸圆环的剂变形而左提供了签相应的地层电抗力，促使删多铰圆推环仍处纵于稳定用状态。多铰健圆环咏计算冶图式6.5将.3荷载计庄算基本荷泰载（基堆本使用霸阶段）告、临时催荷载（啄施工阶三段）和纸特殊荷割载。1）基本沃荷载：（1）土买层压骨力：垂直渗土压理力、扎水平艰土压鲁力、（2）水压何力：（3）衬砌南自重竖向厕土压拱背婶土压(104N/伞m)地面略超载q3=1(鞋104N/烟m)（日本搭资料）（当点隧道郊埋深尸较浅庆时）拱背土坝压水平田荷重：即窄地层豆侧向事主动倚土压挨，由订均匀讯土压p1和三角针形土压p2组成:水压再力:顶部家垂直类向下惕水压叙力底部垂征直向上啦压力侧向腿水平灿水压虚力水压力艺的叠加衬砌沸自重(104N/昌m)匀布底猜部竖向困力平均后缴的拱被萝压力抵消放后的厚平均岸水压临力平均珠后的切竖向浆土压毒力平均对后的鞋自重的压力2）施麦工阶有段临帝时荷四载(1)自重引浸起的临补时荷载临时旋荷载虫随盾妇构推政进所笑产生用，一怕般来扫自千斤顶低顶力和壁后遵注浆凑压力。圆形隧霉道衬砌在到颠达基胳本使烦用阶志段前万，它银保留孝着装无配中旬由其自重作符用所产期生的芦受力任状态匆，它界与基本阶军段所产污生的百内力膏之和械，不能校超过胸容许夸值。由下向监上装配斜的衬砌亡环，拱顶截亲面产生率内力稍最大绕：½支承杠弧面笼所对末应的铅中心祝角1米宽衬耐砌自重衬砌泛内径（2）管闻片拼装及盾增构推进引起仇的临痕时集却中荷悔载拼装伴成环稼时，管片制录作精度不高般，端这面不闲平，狂拧紧桐螺栓恼时往纷往使科管片份局部远产生泥较大觉的应享力，导致管移片开裂。或因拼装管趁片误差累计，额当盾构锤千斤顶赌施加在凝环缝面象上，特歼别是偏心作执用时，董也会邮使管迟片顶秘裂、鄙顶碎增。铸铁凑管片，较薄并的外壳丹厚度加咐肋逐步付变到突扰缘处，倍承受约106N的盾构歼千斤顶毛顶力。改善蒙的方语法是艳合理笋选择寻管片拥型式剑，提高钢永模制作狠精度和鸦管片混才凝土强误度。在拼凝装管闷片时戏提高先拼装杨质量讽。采构用错缝拼蚊装也是肠较好溉的办顽法。管片斜压浆糟因局部凝恋集在一饮个区魂域内乒所造粥成的姿圆环正变形杨和集烤中荷帮载压。荷载大小涨难以稼确定，只能砍通过采用奔附加份安全左系数，以保穿证衬砌统结构的绳安全度茧。3）特殊扁荷载阶欣段特殊荷盖载是一民种瞬时忧性的，虚作用时咏间短的育动力荷痰载，罩往往是卵控制衬壁砌结构续设计的庄关键，良在某顽些地区撞还要考鼻虑地震嫁力作用彼。结构动认力计算宵一般可践用等静载顶法，按弹稻性或弹光塑性工古作阶段唤进行，招结构内贿力计算方不法与只趴承受防静载闭的结泽构相同。并可适呼当提走高材贷料强导度和股降低挣强度瓶安全锅系数摊。本讲可要点理解凳盾构堵计算堂的原研则；掌握魄盾构痒的荷库载计趁算方女法。6.5馆.4衬砌恭内力融计算1）自由变脾形的匀糊质圆环柜计算弹性中颂心法计楼算由于萝结构婆及荷筐载对帝称，浸拱顶钟剪力侧等于圈零，引属二次扣超静逮定结构奥。力法方孟程为：推导过悼程圆环划中任歼意截麻面上短的内踏力可绩由下爹式得窜到：设计蓬时可顿直接瓣利用糖这些陆公式恢，也百可详话见表6-3，2）考抚虑土层产负生侧向京弹性抗逃力的匀性质圆环丝式计算当外辽荷作座用在离隧道四衬砌疗上，驰一部膏分衬抹砌向参地层耀方向贞变形睁，使星地层黎产生弹性雀抗力。弹性抗搁力的分棵布规律怖很难确状定，采比用假定弹测性抗力位分布规爆律法，如日本泊的三甜角形牛分布，原苏脑联O·厉E、布加红耶娃的伪月牙形影分布（水带工隧叛洞中鸡常常园采用版），铲以及耀二次似、三坝次抛拖物线湖分布脱等方盯法。（1）日格本按厅三角咸形分筛布弹超性抗靠力的慰方法按温克梯列尔雀局部侨变形理论，血假定土层逝侧向遥弹性知抗力PK=K·y。实际变扫形量圆环武抗弯荷刚度接头刚余度折减饼系数，己取0.碗25师~0温.8。K为地喷层侧默向压廉缩系责数（2）前苏袖联布加顽耶娃法PK=-弊Kyacos医2PK=K营yasi的n2+Kybcos2起始位再置四个恨未知伯数x1、x2、ya和yb。各个截剂面上的M、N值为：Ma=Mq+MPK+x1-x2Rhco温sNa=N爬q+纽奉NPK+x2cos方法纱：常常将兄半个衬海砌环分绘成九个截肤面，即八段：分别化计算各爱点的弯栏矩和轴蜻力。内力计倚算通过查工移具表末格分别夕计算让土层接压力抚、水虑压力侄和自我重作牛用下哪的内舱力然肆后叠帮加。6.克5.厉5管片截枪面设计圆环削属于偏心受戏压构件(正、唐负弯常矩、贸轴向阀力)，它