地下结构工程施工技术第六章盾构衬砌结构

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-返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禁.3盾构佩几何侧尺寸驳的选尼定及怪盾构激千斤刷顶推想力计摇算主要指面盾构外椒径D和盾构拣长度L、盾狱构灵缓敏度L/D。最小建刮筑空隙绘值xx=膀mα淘=mD=峡d+涛2(款x+丸δ)δ=天0.待02议+0枪.0库1（D-蔑4）2）盾构愧长度LL=L0+L1+L2+L3L0—盾尾长取度；L1—支承体环长写度；L2—切口环轧长度；L3—前檐肤长度执。3）盾构钩灵敏度L/璃D经验矮数值:小型盾追构D=2无~3m，L/诱D=目1.计5中型欠盾构D=孩3~武6m妻,纽奉L/牌D=托1.禾00大型盾穷构D=劫6~寨9m言,集L/首D=断0.鸟75特大柜型盾勇构D＞12m士,脾L/D享=0.肿45~评0.7座54）盾父构千前斤顶链推力隙计算阻力包辩括：盾构外柱表面与套四周地捆层的摩餐阻力；盾尾州内壳昏与衬控砌结押构之挠间的告摩阻烟力；盾构切闲口部分副刃口切街入土层网的阻力视；盾构切棋口环切米入土层董时的正甲面阻力牢；开挖面杏正面支烘撑阻力右；以及观盾构稻自重盾引起倾的阻烂力，冤纠偏道时的盲阻力副，局脖部气奏压或握泥水唤压力惭，阻御力板炮阻力沙等。日本泻盾构冻总推铸力经豆验公栋式表6-2盾构松总推症力隧道名称直径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本讲胆要点盾构冶的组搭成；盾构陕的分蓝类；盾构郑外形诉尺寸斑的确翠定和戏推力贺的确披定。6.轻3盾构推披进及衬威砌拼装6.注3.柱1盾构腹推进已建旨隧道地所采浴用过书的大毕直径锋盾构近，大紧部分哑都属累于手掘式盗敞胸盾机构或闭丸胸挤压医盾构，或者表是两者怒兼有的袄盾构。技术先薯进的泥水盾描构或土财压平衡罗盾构很少青采用铜。本节将瞧主要介回绍在松毫软含水毫地层中采用绸手掘逐式敞膝胸盾咱构施雹工，辅浪以气耕压，炕人工匀井点疲降水衬及其剩它地偷层加城固措蛇施，月盾构凑开挖吐掘进钢时的纲几种蛙施工兽方法珍。1）人钢工井锄点降莲水加拼手齐工掘论式敞弹胸盾卵构施驴工人工日井点鸡降水耻，路经济伶，适误用于颤漏气也量大排的砂亦性土兰。地下疫水位槽降低针、疏斜干地膛层，增加架土体州强度户，以保哭证开宇挖面禾稳定肯，盾永构在某地下涌水位芒以上框通过嫁，施值工场嘱地较干燥。一般挑都采尝用喷射爹井点，深度咐曾用到27脱m，使埋兼深为25艰m的隧绍道能锦顺利系开挖歌。具体却过程狮：（1）先听借助苍盾构客千斤因顶使盾枕构推贺进，将半切口迹环部撞分切学入地膜层，挂然后塌在切口环述保护下弃进行土论体开挖及与运输，这样响对周围斩地层扰场动较小厅。（2）分层少开挖，旷施工工异具为普碎通手工软工具或铲手持式嚷风动工瓜具。（3）每茄环管熔片可拦分数映次开货挖和偿推进特，盾插构纠冲偏时传可以裹利用诱超挖正解决废。（4）可借丑助支撑南千斤顶孙加撑板剧对开挖膏面进行柴临时支患撑；（5）当占用网罚格式删盾构汤时断，防搅止盾倚构后尤退。2）气温压加坑手掘壳式敞法胸盾歉构施菜工盾构施安工在含共水松软愁不稳定占地层中粉采用气压杆来疏醒干和毙支护切开挖皆面，以鱼防止师涌水都、开香挖面瓶崩坍印，增松强地取层强牢度，屈是一吗种极拴古老陈，且敞行之辫有效塌的施拒工方帝法。（1）气品压大锄小及怨耗气克量的催确定理论上，每10m水头必久须用0.1夸Mpa的气压犯力来平煌衡。实际愈上，仅启为理摇论压诸力的50%症~60遍%，空堆气量达仅为叶理论世空气悠量的10%盯~50束%。帐。中小伏型盾联构，柴压力尝等于离盾泪构上择端约D/芒2处的地茶下水压砍力;大直径府盾为2/3鹿D处的地娃下水压邪力;顶部励均超常压，甘需有伶足够鞭的覆闪盖层施工放时为描了防域止空易气泄找出，雅盾构肝顶部游必须岗有足折够厚挠的覆帆盖层t即t值过大害则直接辽影响到证隧道埋芹置深度储，过剥小则覆搞盖不足肉，往往誉容易发谣生喷发届事故。国外隧厦道规范规定寄；水茂底隧陷道的最小覆局盖层必须递大于粱盾构墓直径冻（日妻本）仙或等寸于盾构直电径，覆盖紧层宽度应大缴于或桃等于盾构农直径宰的6倍。采用报经验腔公式双计算届耗气缸量：—土质忘系数煮，当储压力轰大于0.1薪MPa时，粘位性土=3.毯65；砂溜性土=7.校30。（2）气压台盾构施节工气压漂盾构纽奉施工巴中闸墙和证气闸作用跳是将作业喊区与常压始作业桃区隔开皆。闸墙煌必须唉有足选够的强度与气密性.气闸是释钢板铆丛接或焊想接而成驻的圆筒良形结构区，分人行谷闸和外闸两部葛分。人行闸的管理斧是气压袋施工的缺重要环跟节，要扔严格遵析守气压敲作业的蜡工作时接间及进捉出气闸校的变压站时间，澡以防减压桨病。3）泥水宪加压盾催构施工用泥水蔬加压盾解构代替纺上述气亏压盾构禾施工，亡克服了诊气压施砌工的弊艇病。地面蜜沉降适，减甚压病庭，覆土胶深时，气压雪太高无畏法施工溜，覆土凝浅时，使漏气挪等熊。泥水加嫂压盾构减是将压皆力为翅的泥漫水，拍（式中H取2m）,压入盾趣构前部街密封舱烘内，使抄其压力隐始终高似于地下重水压力码，这明样就保犬持了开犯挖面稳壤定的基镜本条件迫。6.3织.2衬砌拼老装隧道衬协砌是在盾构尾飘部壳保摔护下的空怨间内趟进行骄拼装除。组成：铸铁前、钢凑、钢涌筋混奇凝土静或钢卖与钢商筋混冒凝土隶的复渠合材随料等榨制成锹的管孟片或哥砌块吃。结构受忧力及使井用要求但决定盾构及蛙衬砌结叔构形式并决定酷其拼装帮方法。拼装视方法重臂拼阳装或拱活托架拼父装；通缝拼装透（管红片的累纵缝馒环对押齐）岗或错缝拼装薄；螺栓拦联结的管雅片或无螺栓暑联结的砌潜块等稼。按其程怒序可分扒为“先们纵后户环”和“先骑环后必纵”。采用举链重臂拼典装管片龄的原则壮应是自疫下而上腾，左右钟交叉，兆最后封左顶成环债。6.掀4装配式蹦圆形衬根砌构造“管片”是建俊成隧精道后恨的永久贪性支蓄撑结构，邮应满足强度要巷求、使参用要求；施工阶郑段须装新配简便缓、容易抬替换、承受盾构千煮斤顶顶布力及其绒它施工差荷载。箱形管哲片平板形选管片带肋废管片役的材迈料长普期以劳来多挨为铸筛铁（迹见图6-申6c）和滤钢。环宽与霜厚度国内畏外常鸟用的财环宽鞠是750适~10夺00m；曲线邮段推睛进时亡设有芬楔形门管片苍，按骂隧道址曲率托半径致计算帮；管片厚缘瑞度一般华为25闪0~锈60涛0m快m。分块大断面脑隧道可影分成6~眉8~棵10块，功小断纺面可嘉分为4~6块。管片的袋最大弧疗长一般辉不超过4m，管绝片愈虾薄其昼长度资应越安短。拼装糖型式一般俘有通漆缝、兄错缝喜拼装飘两种摸。纵缝按环环劈燕对齐软的称通缝，适用兰于需要极拆除管锣片修建我旁侧通说道或结宾构需要膝比较柔惠的情况翼下，以聚便于进咬行结构渣处理。纵缝互翠相错开野，对称错缝，其优恋点在于溉能加强棉圆环接疼缝刚度碎，使圆民形结构可近似神地按均站质圆环晶等刚度哲考虑，因岂此使国用较普遍的，缺蹄点是错遣缝拼装恳容易使各管片顶杀碎。环、纵缩慧向螺栓环向螺栓根塞据接缝阶内力情印况可设晴置成单欢排或双互排。双排：弱外排螺毁栓抵抗篮负弯矩倚，内排辉螺栓抵字抗正弯摸矩。纵向困螺栓潜目的析是使发隧道突衬砌元结构眠具有抵抗保隧道胞纵向扑变形素的能亮力，一猪块管烦片设3~妥4个螺右栓。螺栓材域料一般盘采用高块强度合见金钢，喷直螺栓割。本讲福要点掌握气竖压大小乌及耗气吃量的计废算；了解勾圆形宁衬砌梦构造;6.5内力计馒算与管狂片结构刷设计6.5侍.1设计原炒则隧道淡衬砌袭费用处占40贞%~钓50汉%，安订全可雷靠、壳经济明合理醋。本节重荣点介绍嫁装配式府钢筋混予凝土管允片。1.满足结骂构的强内度和刚栗度：仅土层压竞力、水泛压力以页及特殊久荷载，畅按梁式愉模型计算埋雕在土中桐圆环的内力择和位劲移，以及懂管片（思如钢筋钳混凝土治管片）独的裂缝崖宽度限制洽等。覆土最瘦深、顶榴压与侧胁压相差最大诉处：业按施僻工阶继段和乱使用论阶段曾荷载最不利若组合情况下计算，同时按使用故阶段与汉特殊荷叹载阶段遗组合情梨况下的慕管片强刻度验算。覆土最浅处：断捏面仅进行使用养阶段和特殊荷泳载阶段组界合情况宋下的管率强度验节算。不同点2.满足袍所提且出的安全质置量指标要求攀：裂灭缝开麻展宽度度，雷接缝焰变形醉和直筝径变榴形的即允许贱量，蔽隧道柜抗渗兔防漏录指标厉，结高构安峡全度偏，衬羞砌内梅表面挤平整参度要曲求之，满足使退用要求的确工作环廉境，保型持隧道盯内部的甘干燥和垒洁净。6.5后.2内力计散算法饱和捧含水己地层歪中呢，因微内擦境角φ值很小衫，主动坊与被动疤土压力躲几乎是室相等，结构变赌形不能村产生很际大抗力。假定：结构教可以每自由锻变形，不受遭地层约脱束，认滋为圆环巧只是处岭在外部妥荷载及弃与之平询衡的底慨部地层男反力作也用下工班作.刚度豆折减采用错缝拼纵装和通缝昆拼装，接缝婶处的刚炊度远远烛小于断剂面部分均的刚度菌，与整体式申等刚度粮圆形衬劳砌差异田更大赔。日本资忙料，接汗头刚度浴折减速钳系数η，对铸勤铁管片η=草0.宏9~晚1.煌0；钢筋吐混凝土影管片η=0野.5~锤0.7。总体上姻，在饱全和含水贝地层中薄按整体汽式自企由变拾形匀桃质圆腊环的计算挖方法误裤差可以定接受。特殊情叔况下：当土层块较好，记衬砌变样形后能送提供相舍应的地图层抗力努，则可按有弹晓性抗力吊的整体驶式匀质要圆环进行怖内力绞计算插。常用的屯有日本吴的和苏辣联的假棒定抗力桑法等。多铰圆结环方法将接浊缝看料作为常一个“铰”，整个福圆环变准成一个屠多铰圆妄环。基于：连接方差法由刚悼性连思接向凉柔性消连接柱过渡。虽属迎不稳的定结莫构，冒但因孤有外兼围土揭层提厚供的附加约吓束和多铰岸圆环的味变形而占提供了鹊相应的地层抗秧力，促挂使多胜铰圆御环仍文处于蔑稳定终状态教。多铰圆挥环计算所图式6.5测.3荷载享计算基本荷唐载（基愚本使用掠阶段）侨、临时剧荷载（满施工阶泪段）和蓬特殊荷览载。1）基本航荷载：（1）土层裹压力：垂直土疼压力、杏水平土尽压力、（2）水压斯力：（3）衬伐砌自保重竖向土圈压拱背赖土压(104N/m刑)地面超培载q3=1(徒104N/m法)（日辆本资肝料）（当隧故道埋深到较浅时驶）拱背赔土压水平荷怨重：即地昏层侧向找主动土认压，由纵均匀土属压p1和三亭角形魔土压p2组成:水压力:顶部垂叶直向下淹水压力底部协垂直哲向上己压力侧向纤水平杏水压眠力水压淹力的议叠加衬砌自捕重(1讯04N/喝m)匀布底监部竖向团力平均后岔的拱被顶压力抵消蜓后的要平均仔水压妨力平均戚后的季竖向到土压抬力平均后先的自重蕉压力2）施工雾阶段临裕时荷载(1灰)自重引捞起的临暗时荷载临时鸟荷载街随盾腊构推讽进所酒产生奖，一体般来晓自千斤贼顶顶蹲力和壁后现注浆茫压力。圆形塔隧道词衬砌在到掘达基揉本使挺用阶行段前晶，它资保留雅着装尼配中娇由其自重作巨用所产同生的您受力下状态耻，它匙与基本纷阶段所产术生的吉内力咬之和鲁，不能超卧过容许警值。由下悔向上张装配层的衬递砌环键，拱顶截拼面产生蛮内力胶最大步：½支承弧即面所对顷应的中例心角1米宽衬端砌自重衬砌停内径（2）管垒片拼装及盾构推进引起猾的临禾时集钓中荷澡载拼装赌成环爪时，管片制鬼作精度不高，浙端面不罗平，拧芹紧螺栓迹时往往绒使管片卖局部产做生较大将的应力耻，导致弹管片验开裂。或因拼装领管片爷误差累计，歪当盾构头千斤顶点施加在愧环缝面贞上，特衰别是偏心谈作用时，表也会菌使管恒片顶源裂、师顶碎沙。铸铁次管片，较胃薄的眉外壳鄙厚度泻加肋才逐步比变到美突缘荐处，处承受约106N的盾构拌千斤顶锻顶力。改善聚的方重法是望合理认选择农管片服型式府，提高钢座模制作样精度和纹管片混胡凝土强隐度。在拼装奶管片时肌提高拼滚装质量究。采用错缝蹦拼装也是较都好的办啊法。管片渣压浆点因局部腔凝集在一个框区域内薄所造成兰的圆环阁变形和私集中荷查载。荷载大小难铜以确定，只袍能通市过采用附弄加安全券系数，以扫保证惹衬砌公结构床的安薯全度棒。3）特殊确荷载阶算段特殊麻荷载纷是一勒种瞬与时性皱的，村作用岁时间磨短的察动力华荷载观，赠往往跪是控奇制衬传砌结按构设吸计的纺关键哪，征在某素些地翻区还辆要考浓虑地休震力缎作用欺。结构勒动力角计算诱一般打可用等静载吊法，按抱弹性寻或弹眼塑性裹工作满阶段听进行亿，结进构内猎力计算方睁法与只承爹受静载聪的结构相同。并可适帖当提弯高材脾料强宝度和派降低搏强度顺安全主系数翅。本讲疗要点理解盾晒构计算膨的原则娇；掌握思盾构悉的荷正载计西算方宪法。6.并5.摆4衬砌强内力座计算1）自由变贿形的匀削质圆环微计算弹性中肯心法计然算由于结诞构及荷滴载对称涛，拱顶乳剪力等啦于零，时属二次仓超静撒定结构懂。力法左方程款为：推导蝇过程圆环抵中任膀意截皂面上露的内晶力可岩由下测式得半到：设计企时可皇直接惩利用暖这些帅公式丑，也楼可详家见表6-书3，2）考虑土层乖产生努侧向很弹性船抗力腊的匀站质圆斯环计明算当外荷谣作用在海隧道衬牵砌上，校一部分乖衬砌向鸦地层方慕向变形林，使地谷层产生弹性旦抗力。弹性抗宰力的分法布规律邪很难确缎定，采奏用假定丘弹性晴抗力枣分布胀规律妨法，如日本的霞三角形倾分布，原苏辈联O·E、布羞加耶催娃的潮月牙四形分饱布（水工歉隧洞中狼常常采控用），史以及二钳次、三妄次抛物芝线分布电等方法促。（1）日包本按卸三角邻形分疮布弹锁性抗是力的恩方法按温克列趴尔局部膊变形理论翅，假得定土层侧览向弹性宣抗力PK=K·y。实际陷变形端量圆环银抗弯哨刚度接头刚遍度折减洗系数，迟取0.2循5~0粥.8。K为地层决侧向压蜂缩系数（2）前趁苏联俭布加贵耶娃替法PK=-低Kyacos挠2PK=K乒yasin馅2+Kybcos2起始位钩置四个闭未知犬数x1、x2、ya和yb。各个截分面上的M、N值为：Ma=Mq+MPK+x1-x2Rhco驶sNa=Nq历+NPK+x2cos方法铲：常常将穗半个衬涨砌环分连成九个截扶面，即八段：分别吸计算各滤点的弯娃矩和轴搅力。内力计决算通过查工具绿表格分别计农算土层贝压力、司水压力买和自重绪作用下垄的内力补然后叠庙加。6.尿5.瞧5管片截故面设计