盾构毕业设计开题报告.doc

设计（论文）
题 目
上海地铁合川路至虹梅路区间隧道支护设计
设计（论文）
类型（划“√”）
工程实际
科研项目
实验室建设
理论研究
其 它
√

一、 本课题的研究目的和意义
随着中国城市化进程的加快，城市人口的增加给城市交通带来的压力日渐明显。传统的地上交通显然无法满足城市发展的需求，相对应的地下交通则成为缓解城市交通压力的新渠道。地铁与公交车、电车相比的优势显而易见：地铁单向运量每小时4万—6万人次，公交车、电车单向运量每小时1万人次。从运输方式看，地铁运输更具多方面的优点：舒适、准时、快捷、占地少，环保、节能、安全，而且不占用地面，街道等。毫无疑问，地铁交通是绿色工程，而且符合中国的可持续发展战略。但是地铁的发展主要依赖地下工程隧道开挖等相关技术的进步，了解相关的主要技术进步与革新就显得尤为重要。
本地段位于上海市合川路至虹梅路之间，处于繁华地段，沿线居民区和道路较多，汽车和公共交通工具为主要交通运输方式，在上下班高峰期车流量较大，经常造成交通堵塞，行车速度慢。公共交通系统难以满足城市大量的客流量的需求，为缓解交通压力可以采用耗能低、污染少的地铁，不但客运量大，还有速度快、安全正点、方便的特点。采用隧道的方式不占用地面上建、构筑物的面积，又能在施工期间不影响城市的正常交通。城市快速轨道交通的发展，对城市功能的合理布局如城市规划、交通、经济乃至社会环境等，能够起到重要的作用。而且地铁线路带动城市发展，合理优化城市资源，调整城市发展方向和布局，加速城市化进程。
考虑到施工工地周围环境条件，并通过方案的比选，本次开挖支护采用盾构法施工。合川路站～虹梅路站隧道沿宜山路，周边多为居民区，道路交通繁忙，车辆和人流众多，而盾构法施工不影响地面交通与设施，且噪音和扰动较小，对居民的影响小。该区间内分布有上水、煤气、电力、电话、污水等多种管线，其埋设深度在地面以下0～4.0m范围内，而盾构施工不影响地下管线等设施。本次施工工期紧，需要在短时间内完成施工，盾构法施工速度快，开挖和衬砌安全，盾构的推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现自动化作业，施工劳动强度低。区间隧道掘进范围内的地基土层具有以下性质：含水量高，孔隙比大，呈流塑状态；强度低，压缩性高且稳定时间长；渗透性弱，排水固结时间长。所以选用土压平衡式盾构, 使施工更加安全，实现全自动化操作，施工易于管理，施工人员也较少，劳动强度低，生产效率高。施工不受风雨等气候条件的影响。
二、 本课题的主要研究内容（提纲）
上海轨道交通9号线一期工程合川路站～虹梅路站区间起于合川路，单线全长1109.64m，沿线多为居民区和地上交通。对此单位施工，有如下内容：
1. 进行方案的比选
施工方法对结构型式的确定和地铁土建工程造价有决定性影响。施工方法的选定，受沿线工程地质条件、水文地质条件和环境条件（地面建筑物和地下构筑物的现状、道路宽度、交通状况）等多种因素的制约，同时也会对工程的难易程度、工期、造价，运营效果等产生直接的影响。常见的施工方法有明挖法、矿山法和盾构法。本次设计中选用盾构法施工
2. 区间隧道衬砌设计
首先进行盾构隧道断面的拟定，并根据隧道断面的大小进行管片衬砌形式的比选，然后确定管片拼装方式、厚度、分块及环宽。
3. 隧道衬砌结构计算
1）对隧道断面进行内力计算，再根据其围岩压力对管片设计。
2）根据计算结果及分析，计算管片的配筋，并进行简要的验算。
4. 结构防水设计
盾构隧道的渗漏一般出现在管片自身小裂缝、管片的接缝、注浆孔和手孔等处，其中以管片自身小裂缝和接缝处渗漏较多，因此盾构隧道的防水工作以一次衬砌部分的防水以及环片接缝的防水为重点。盾构隧道衬砌防水体系包括管片结构自防水、接头防水及隧道与工作井和联络通道连接处的防水。
5. 施工组织设计
确定施工方案以及相应的技术措施、确定施工进度计划、进行施工现场平面布置。根据施工组织设计编制依据，充分发挥各职能部门的作用，按照施工方案的要求进行隧道施工，保证工程质量和施工安全。
6. 隧道监测方案设计
包括隧道洞内外观察、隧道相对净空变化值的监测、隧道拱顶监测和地表沉降监测等。实行信息化施工，获得监测数据，反馈信息，指导施工。

三、 文献综述（国内外研究情况及其发展）
1. 盾构的研究情况与发展
盾构法施工隧道是在地表以下土层中暗挖隧道的一种现代技术。用此法修建地下隧道已有170余年历史。1818年，英国人布鲁诺尔从一种食船虫在船身上打洞一事受到启发，研究出了盾构施工技术，并获得专利[1]。19世纪末到20世纪中叶，盾构机技术取得较快的发展，主要以气压式、手掘式、半机械式、机械式盾构为主。20世纪60年代中期至80年代末，在软粘土中使用了挤压式盾构机，开发了闭胸式盾构机并得到广泛应用，形成了现代盾构技术的主流。20世纪90年代以来，闭胸式的泥水式盾构机和土压平衡式盾构机成为世界范围内的主流产品[2]。
20世纪初，盾构法施工已在美、法、英、俄等国开始推广，已用在水底公路隧道、地下铁道、上下水道、电力、通讯煤气等市政公用地下设施管道的施工中[3]。1917年人日本开始在铁羽越线的折返段隧道施工中引进盾构法，1938年正式在国铁关门隧道应用盾构法施工，为日本盾构技术的发展奠定了基础。1967年由英国提出的泥水加压系统在日本得到实施，日本研制成功第一台有切削刀盘、水力出土的泥水加压式盾构。1974年日本独创性的研制成功土压平衡盾构，同时德国Wayss&Freytag也研制成功颇具特点的膨润土悬浮液支撑开挖面的泥水平衡盾构。之后，盾构技术得到了迅猛发展，已成功应用于各种公路隧道、地铁隧道、引水隧道以及市政公用设施隧道等。几十年来，通过对土压平衡式、泥水式盾构机中的关键技术，如盾构机有效封闭、监测开挖面的稳定及控制盾构前进的方向、地表塌陷在安全范围内、刀具的使用寿命以及在封闭条件下更换刀具等方面的探索，通过对盾构施工新技术，如特殊断面盾构施工、复合盾构施工技术、球形盾构施工技术等研究，地铁盾构法施工技术有了长足发展[4]。
我国从五十年代开始使用、研制盾构，1966年上海采用网格式挤压盾构修建了直径达10m的打浦路过江隧道，至今，盾构法施工技术已广泛应用于我国城市的地铁建设。21世纪是我国隧道及地下工程大发展的世纪,据有关专家预测,到2020年,我国将要完成近6000km的地下隧道建设,平均每年约300km[5]。到2011年,国内各种地下工程建设约需岩石掘进机、盾构机约180台(不包括微型机),年均需求量约为30台。截至目前,使用的盾构总数约有200多台次。城市地铁快速发展,对盾构需求最多。我国城市地铁正处在高速发展期,地铁和轨道交通规划总长度已超过3000km。目前已建成和在建的数量仅占规划数量的10%左右,未来城市地铁建设仍将快速发展。越江隧道建设方兴未艾,对大直径和超大直径盾构的需求将有快速增长。至今有10个城市已建或在建20多座盾构法越江隧道。计划中的越江盾构隧道更多。城市各种地下管线隧道有待发展,对盾构的潜在需求大。有关专家预测,我国城市的给水、排水、电缆、电讯、热力、输气等隧道工程的长度将超过1000km,其对小型盾构、微型盾构或掘进机的需求量也相当大[6]。
2. 盾构衬砌土压力的研究现状
作用于陈其上的土压力实际上是周围土层与衬砌共同作用面上的接触应力，其大小与分布形式不仅与地层的物理力学性质、衬砌的刚度有关，而且与施工方法、隧道的埋深、直径、形状等几何参数有关[7]。目前隧道衬砌管片有钢制管片、混凝土管片、球墨铸铁管片和合成管片，其中以混凝土管片使用较多，管片之间可采用柔性连接或刚性连接，一般采用钢螺栓进行连接，对于特殊地质条件（液化地层和软硬地层的分界面等）和衬砌结构刚度突变位置，可采用特殊的柔性接头以适应变形需要[8]。
由于作用于衬砌上的土压力受诸多因素的影响，对其进行研究非常困难，迄今为止，有关这方面的论文及研究报道均不多见。从已有的文献来看，按其所采用的原理不同，可将衬砌上土压力的计算方法分为三种，即简化计算法、考虑衬砌与地层相互作用的分析方法、现场量测及模型试验方法等[9]。
3. 管片接头刚度的研究
由于盾构隧道一般是在盾构拼装由预制管片而成的，必然存在管片接头。这样使得管片环的整体弯曲刚度相对于现浇的混凝土管片环而言，有所降低。由于管片环整体弯曲刚度的降低，其变形必然有所增加，从而可导致被动地基抗力的增加，有利于减少管片截面的偏心应力，即弯矩。如何评价接头刚度对管片和变形的影响，是管片设计中的一个重要内容[10]。
接头刚度的确定一般分为两种，一是经验参考或模型研究，另一种为接头刚度数值模型。目前大多数重大地下工程都采用第一种方法确定，但是由于我国地铁工程起步较晚，隧道设计经验缺乏，同时由于足尺寸的管片接头或整体试验成本较高，目前这方面的成果很少见诸报道。为此很多学者非常重视接头刚度的整体研究，从而可以得到考虑主要影响因素的接头刚度计算理论，而且可以考虑接头刚度随外荷载的非线性关系，从而使得管片设计精度得以提高[11]。
4. 国内管片的发展趋势
国内的管片有以下几个趋势
（1） 通用管片：目前，国内通用管片的使用量不大，但国外已大量采用通用管片射中管片给设计，生产，施工都能带来方便较好的经济效益。通用管片不但能满足平面曲线的要求而且可以通过调整封顶块的位置，满足竖曲线的要求，不需采用以前使用的楔形片，大大提高防水效果[12]。
（2） 管片宽度增大，接头减小：盾构隧道衬砌管片的宽度有增加的趋势。通过增加衬砌管片的宽度在隧道方向上管片的接头数目减少，管片的生产费用降低，隧道防水情况得到改善，施工速度提高，工程造价也得以降低。需注意的是管片宽度的增加是有前提的，在采用高强度连接接头，管片边缘部位钢筋加密等相关措施，而且要经过试验验证后才可进行[13]。

四、 拟解决的关键问题
1. 管片的选择中遇到的问题
在管片的选择中会根据隧道的断面尺寸进行管片衬砌的选定，在选定当中会遇到许多的问题，如管片参数的选定更是其中的难点，需要对隧道断面进行分析后进行厚度、幅宽的选择。各个方面的验算要准确进行，不能出现差错，以免对其后的配筋、注浆中出现错误的判断。
2. 隧道断面内力的计算
隧道断面内力的计算是其中的重点，不能出现差错，要对其中的参数进行精密的选取并且进行精确的计算。在计算管片内力的时候要选取最大埋深处进行计算。
3. 管片的配筋及验算
管片的配筋是隧道盾构的重中之重，必须进行严密的配筋计算以及钢筋的布置，而计算是其中的难点，必须慎重对待，要对其最大埋深断面处进行计算并对其管片内外配筋。
4. 防水处理的问题
在饱和含水软土地层中采用装配式钢筋混凝土管片作为隧道衬砌，除应满足结构强度和刚度的要求外，另一重要的技术问题是完满解决隧道的防水问题，以获得一个干燥的使用环境。要能比较完美的解决隧道防水的问题，必须从管片生产工艺、衬砌结构设计、接缝防水材料等几个方面进行综合处理，其中尤以接缝防水材料的选择为突出的技术关键。
五、 研究思路和方法
1. 管片衬砌结构设计中，管片的外径取决于隧道净空和衬砌厚度，管片的厚度与隧道断面大小的比，取决于土质条件覆盖层厚度等，最主要是取决于何荷载条件。管片的幅宽应根据隧道的断面，结合施工经验，选择在经济型、施工性方面较合理的尺寸。采用钢管片时，多为750—1200mm；采用混凝土管片式，多为900—1200mm。
2. 隧道初衬砌荷载计算。
1）自重，
其中——钢筋混凝土重度（kN/m3），一般采用25kN/m3。
——管片厚度（m），当采用箱形管片时可考虑采用则算厚度。
2）竖向土压，
其中——衬砌顶部以上各个土层的容重，在地下水位以下的土层容重取土的浮重度（kN/m3）；
——衬砌顶部以上各个土层的厚度（m）。
3）拱背土压，
其中——土重度（kN/m3）；
——衬砌圆环计算半径（m）。
4）侧向均匀主动土压，
其中q——竖向土压（kN/m）；
γ，φ，c——衬砌圆环侧向各个土层的土壤的重度、内摩擦角、黏聚力的加权平均值。
5）侧向三角形主动土压，
6）侧向土壤抗力，

其中——衬砌圆环侧向土层（弹性）压缩（kN/m3）；
——衬砌圆环在水平直径处的变形量（m）
——衬砌圆环抗弯刚度（kNm2）
——衬砌圆环抗弯刚度的折减系数，=0.25~0.8。
7）拱底反力（假设拱底反力呈直线分布）

其中其他符号含义同前，为水的重度。
3. 截面计算、截面复核
1）截面设计：首先计算长细比，由钢筋混凝土轴心受压构件的稳定系数φ表，查得稳定系数φ。
令，为结构重要性系数，则可以得到：
其中——轴向组合设计值；
——构件毛截面面积；
——全部纵向钢筋截面面积；
——混凝土轴心抗压强度设计值；
0.9——可调整系数；
——纵向普通钢筋抗压强度设计值。
由计算值及构造要求选择布置钢筋。
2）截面复核：首先检查纵向钢筋及箍筋布置构造是否符合要求；由已知截面尺寸和计算长度计算长细比，由钢筋混凝土轴心受压构件的稳定系数φ表，查得稳定系数φ；计算轴心压杆正截面承载力，且应满足。
4. 对于隧道内防水，目前广泛采用弹性密封防水，密封材料要保证在设计水压下不漏水，并能承受千斤顶顶力、压浆压力、拧螺栓的扭力以及衬砌使用阶段的截面内力；应有相应的弹性，在承受往复压力后复原能力强；要有足够的粘结力和耐久性、稳定性、抗老化性及对压浆药液的耐药性；施工方便。不影响管片拼装精度，安装后能立即承受荷载等。常用的有接头密封条和弹性密封垫。
六、 本课题的进度安排
3.23—3.27查阅相关资料，根据设计内容，填写毕业设计开题报告。
3.30—4.3 对毕业实习收集的资料进行归纳，使其条理化，同时完成绪论部分的写作。
4.6—4.10 完成工程概况部分的写作。
4.13—4.17 分析实际工程具体情况，进行隧道断面的估算，根据估算结果， 对隧道施工方案和隧道盾构管片选型分析。
4.20—4.24，4.27—5.1 对隧道断面进行内力计算并组合内力。
5.4—5.8 根据已得出的内力组合值进行管片的配筋，并对管片以及配筋进行验算。
5.11—5.15 进行区间附属结构设计，包括洞门防水设计、盾构进出洞以及疏散平台的设计。
5.18—5.22对区间隧道进行防水设计，设计区间防水体系。
5.25—5.29由所做的管片设计及配筋计算进行施工组织设计以及施工监测。
6.1—6.5 进行专题设计，了解专题设计的相关内容。
6.8—6.13完成英文文献的翻译，并毕业设计打印、装订、准备答辩。

七、 参考文献
[1] Barbara Stack. Handbook of Mining and Tunnelling Machinery[M]，Great Britain：Pitman Ptess，1982(1)
[2] 贺永年,刘志强. 隧道工程[M]. 徐州：中国矿业大学出版社.
[3] 崔国华,王国强,等. 盾构机的研究现状及发展前景[C]. 吉林：吉林大学机械科学与工程学院.
[4] 王毅才. 隧道工程[M]. 北京：人民交通出版社.
[5] 王长柏，汪鹏程. 隧道工程[M]. 武汉大学出版社, 2014.
[6] 朱合华. 地下建筑结构（第二版）[M]. 中国建筑工业出版社，2011.
[7] 张庆贺，朱合华，庄荣等. 地铁与轻轨（第二版）[M]. 人民交通出版社，2002.
[8] 楼顺峰，刘嘉斌. 地铁施工用盾构机选型及施工组织[J]. 价值工程，2010.
[9] Masahiro Maeda，Kotaro Kushiyama. Use of Compact Shield TunnelingMethod in Urban Underground Construction. Tunnelling and Underground Space Technology，2005
[10] 张凤祥，朱合华，傅德明. 盾构隧道[M]. 北京：人民交通出版社，2004.
[11] 刘建航，候学渊. 盾构法隧道[M]. 北京：中国铁道出版社，1991.
[12] 朱合华.地下建筑结构（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.11
[13] 蒋洪生，侯学渊.软土地层中的圆形隧道载荷模式研究[J].岩石力学与工程学报，2003（4）
[14] 刘建航，候学渊.盾构法隧道[M].北京：中文铁道出版社，1991

指导教师意见

指导教师（签名）：
年 月 日
所在系（所）意见

负责人（签章）：
年 月 日

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