隧道盾构.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,隧道的定义,通常指用作地下通道的工程建筑物。,1970年，OECD(世界经济合作与发展组织)隧道会议从技术方面给隧道定义：以任何方式修建，最终使用于地表以下的条形建筑物，其内部空洞净空断面在2m,2,以上者均为隧道。,上海崇明越江隧道工程方案设计,用作地下通道的工程建筑物,什么是隧道？,工程起于上海市浦东新区的五好沟，经长兴岛到达崇明县的陈家镇，全长25.5公里。工程采用“南隧北桥“方案，即以隧道形式穿越长江口南港水域，长约8.95公里；以桥梁形式跨越长江口北港水域，长约16.65公里。工程按高速公路标准，双向六车道，设计荷载公路I级，设计车速80-100公里/小时.2004年12月28日正式启动.隧道整体断面设计为上下的双管隧道，两单管间净距约为16米，沿其纵向每隔800米左右设一条横向人行联络通道。单管外径为1500厘米，内径为1370厘米，内设三条（33.75米）车道，双向即六车道，设计车速为80公里/小时。隧道在浦东侧及长兴岛侧均设有敞开断矩形暗埋段及2248米深约25米的工作井。两台直径为1543厘米泥水加气平衡盾构，,用作地下通道的工程建筑物,什么是隧道？,方斗山隧道2009年中国建设工程鲁班奖,沪蓉国道主干线支线分水岭（鄂渝界）至忠县高速公路的方斗山隧道，是已建成的川渝地区第一公路长隧，隧道左线全长7600m，右线全长7562m.设计行车速度80km/h，双洞4车道.隧道限界宽10.5m，限界高5.0m。采用曲墙半圆拱断面，净空面积64.25m2.,隧道的分类及其作用,1、按,用途,分（常用分类方法）,(1)交通隧道：提供运输的孔道和通道，主要有：铁路隧道、公路隧道、水底隧道、地下铁道、人行地道。,什么是隧道？,什么是隧道？,二滩电站的大坝：高240米,二滩电站的引水隧道,(3)市政隧道：是城市中为安置各种不同市政设施的地下孔道。主要有：给水隧道、污水隧道、管路隧道、线路隧道、人防隧道。,(例如：综合管网、海底设施隧道等),(4)矿山隧道：其作用主要是为采矿服务的。主要有：运输巷道、给水隧道、通风隧道。,什么是隧道？,地下电缆隧洞,什么是隧道？,(4)矿山隧道：其作用主要是为采矿服务的。主要有：运输巷道、给水隧道、通风隧道。,什么是隧道？,2、按隧道,长度,分（公路隧道规范）：,(1)特长隧道：L3000 m,(2)长 隧 道：3000 m L1000 m,(3)中长隧道：1000 m L500 m,(4)短 隧 道：L500 m,什么是隧道？,3、按断面,面积,分：,(1)特大断面隧道：断面积在,100m,2,以上,(2)大断面 隧 道：断面积在,50100m,2,之间,(3)中等断面隧道：断面积在,2050m,2,之间,(4)小断 面 隧道：断面积,20 m,2,以下,什么是隧道？,4、按隧道所处的,地理位置,划分：,山岭隧道,水底隧道,城市隧道,什么是隧道？,隧道工程的,隐蔽性,隧道的特点,隧道工程的,施工环境差,隧道的特点,隧道工程的,大量涌水,隧道的特点,隧道施工方法,一、山岭公路隧道施工方法,矿山法（钻爆法）：,(1),传统矿山法；,(2),新奥法。,掘进机法。,二、浅埋及软土施工方法,1,、明挖法与浅埋暗挖法；,2,、地下连续墙法；,3,、盖挖法；,4,、盾构法或半盾构法。,三、水底隧道施工方法,1,、沉管法,2,、盾构法,10.1 概述,10 盾构衬砌结构,盾构,(shield),用钢板制成的、能支承地层荷载而又能在地层中推进的圆形、矩形、马蹄形等特殊形状的筒形结构物。是集开挖、支护衬砌等多种作业于一体的大型隧道施工机械。,盾构法,使用盾构修筑隧道的方法。,盾构法是在地面下暗挖隧道的一种施工方法.,盾构隧道,用盾构法修建的隧道。,南京地铁二号线盾构隧道,盾构机,，简称盾构，全名叫,盾构隧道,掘进机（Tunnel Boring Machine），,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。,盾构法shield method,采用盾构为施工机具，在地层中修建隧道和大型管道的一种暗挖式施工方法。施工时在盾构前端切口环的掩护下开挖土体，在盾尾的掩护下拼装衬砌（管片或砌块）。在挖去盾构前面土体后，用盾构千斤顶顶住拼装好衬砌，将盾构推进到挖去土体空间内，在盾构推进距离达到一环衬砌宽度后，缩回盾构千斤顶活塞杆，然后进行衬砌拼装，再将开挖面挖至新的进程。如此循环交替，逐步延伸而建成隧道,盾构法施工工序主要有土层开挖、盾构推进操纵与纠偏、衬砌拼装、衬砌背后压注等。这些工序均应及时而迅速地进行，决不能长时间停顿，以免增加地层的扰动和对地面、地下构筑物的影响。,盾构法施工的基本条件：,（1）线位上允许建造用于盾构进出洞和出碴进料的工作井；,（2）隧道要有足够的埋深，覆土深度宜不小于6m；,（3）相对均质的地质条件；,（4）如果是单洞则要有足够的线间距，洞与洞及洞与其它建（构）筑物之间所夹土（岩）体加固处理的最小厚度为水平方向1.0m，竖直方向1.5m；,（5）从经济角度讲，连续的施工长度不小于300m。,盾构法的主要优点,除竖井施工外，施工作业均在地下进行，噪音、振动引起的公害小，既不影响地面交通，又可减少对附近居民的噪音和振动影响。,盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，施工易于管理，施工人员也较少，劳动强度低，生产效率高。,土方量外运较少。,穿越河道时不影响航运。,施工不受风雨等气候条件影响。,隧道的施工费用不受覆土量多少影响，适宜于建造覆土较深的隧道。在土质差水位高的地方建设埋深较大的隧道，盾构法有较好的技术经济优越性。,当隧道穿过河底或其他建筑物时，不影响施工。,只要设法使盾构的开挖面稳定，则隧道越深、地基越差、土中影响施工的埋设物等越多，与明挖法相比，经济上、施工、进度上越有利。,世界上最大的土压平衡盾构机：海瑞克的S300，用于马德里公路隧道，直径15米,一组微型盾构,上海地铁盾构隧道施工内部照片,海瑞克国外的TBM隧道,海瑞克国外的TBM隧道,盾构进洞的解体图片,工作井负环管片的拆除,管片运输,盾构隧道,贯通的地铁隧道,盾构进洞,刀盘下井图,我国首条长江隧道武汉长江隧道贯通,（2008.4.20）,武汉长江隧道位于长江大桥、二桥之间，北接汉口大智路，南通武昌友谊大道，是解决主城过江交通的一条城市主干道，隧道全长约3.7公里，双向4车道，车道净高4.5米，设计车速50公里/小时。,武汉长江隧道,是国家批准的穿越,长江,的首座公路隧道，是世界上水压最大的隧道，也是国内采用大断面复合式泥水盾构机首次穿越长江修建的交通隧道，被誉为“万里长江第一隧”。隧道位于,武汉长江大桥,和,武汉长江二桥,之间，建筑总长3630米，隧道部分长3295米，按东西双洞双向车道公路隧道标准建设，设计车速为每小时50公里。工程概算20.486亿元人民币，设计使用年限为100年，可抗级地震和300年一遇的长江洪水。建成后日均车流量可达万辆。武汉长江隧道是长江上首条投入运营的公路隧道。武汉长江隧道全长3630米，其中由盾构机挖掘的两条圆隧道分别长约2250米、2499.2米。完全埋在长江水底下的部分长1400米。由两台大型盾构机开挖而成，每隔50米左右就兴建一处横向通道，在紧急状态下用来逃生和疏散人群。由盾构机开挖的地洞直径约11.37米，内部进行防渗、管壁处理后为10米，可容两辆车并排行驶，每条车道宽3.5米；另外，车道边还留有0.5米的路沿。,此项工程在武汉市首次采用“设计-采购-施工”总承包模式，中铁隧道集团有限公司联合体成为中标者。联合体铁道第四勘察设计院、中铁隧道集团、武汉市城市规划设计院、武汉市政建设集团有限公司和奥地利D2咨询有限公司组成。,武汉长江隧道工程是目前国内技术最为复杂的盾构隧道工程，实施中需攻克地质条件复杂，盾构需穿越3种地质：地层透水性强，盾构直径大，一次推进距离长，地面环境复杂，需穿越武九铁路、长江防洪堤和多幢建筑等多项难点。长江隧道从汉口竖井到武昌竖井之间，有2500米。盾构机丛竖井钻下去，只能一次成功，中间若要检修很困难，这将是中国盾构隧道一气呵成的最长距离。,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11.0 m直径的大盾构；,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。,在我国城市地铁，交通隧道等领域盾构已经成为十分普遍的工业设备。如何保证盾构机在地下长时间长距离的准确定向，直接影响施工项目的成败。VMT成功的盾构测量方案已经成为世界主要盾构工程的必备配套设备。,盾构（TBM）导向及测量,10.2 盾构构造,盾构壳体,基本构造,推进系统,拼装系统,出土系统,切口环,支承环,盾尾,竖直隔板,水平隔板,盾构千斤顶,液压设备,衬砌拼装器,(举重臂),油压系统动力,有轨运输,管道运输,无轨运输,衬砌的基本类型及管片拼装,衬砌,一次衬砌,二次衬砌,衬砌拼装方法,按施工机械分,举重臂拼装,拱托架拼装,按接缝形式分,通缝拼装,接缝拼装,按成环先后分,先环后纵,先纵后环,10.3 盾构隧道的设计与计算,盾构外径D,（一）盾构几何尺寸的选定及盾构千斤顶推力计算,几何尺寸的选定：,盾构外径D、盾构长度L、盾构灵敏度L/D,D=D,0,+2(,x,+,t,),D,0,管片外径,t=0.02+0.01(D-4),x,盾尾空隙,t,盾尾板厚度,L=L,0,+L,1,+L,2,+L,3,L,0,盾尾长度；,L,1,支承环长度；,L,2,切口环长度；,L,3,前檐长度。,盾构长度,L,切口环，设有刃口，施工时切入土层，具有开挖和支撑土体的功能,.,其长度在手掘式盾构中，应考虑掩护工人开挖地层的安全和方便,一般为,1.2,2.5,米左右。在机械化盾构中，只考虑容纳开挖机具。,中部为支承环,是盾构的主要受力结构,盾壳的外荷载均由其承受。在小盾构中是一个刚度较大的圆环结构，在大中型盾构中则是一个钢制构架。推动盾构前进的千斤顶均设置在支承环的内周。在大中型盾构中通常把液压动力设备、配电盘、盾构操纵台等均安装在支承环的空间内。支承环的长度决定于盾构千斤顶的长度，它又与衬砌环的宽度有关，一般比最大衬砌环宽度长,0.2,0.3,米，约为,1.8,2.2,米。,后部为盾尾，是由盾构外壳钢板延长构成，在盾尾的掩护下拼装隧道衬砌。盾尾末端设有盾尾密封装置，以防止泥水和注浆材料从盾尾与衬砌之间的空隙内流入。,L=L,0,+L,1,+L,2,+L,3,L,0,盾尾长度；,L,1,支承环长度；,L,2,切口环长度；,L,3,前檐长度。,盾构长度,L,盾构灵敏度,L/D,小型盾构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,它与盾构操纵的灵活性有着很大影响，其值越小，盾构操作越灵活，,（当隧道埋深较浅时）,拱背土压,水平侧向土压力,地层压力,拱上部土压,由均匀土压p,1,和三角形土压p,2,组成:,顶部垂直向下水压力,水压力,底部垂直向上压力,侧向水平水压力,衬砌自重,(10,4,N/m),匀布底部竖向力,平均后的拱被压力,抵消后的平均水压力,平均后的竖向土压力,平均后的自重压力,施工阶段临时荷载,自重引起的临时荷载,支承弧面所对应的中心角,1米宽衬砌自重,衬砌内径,由下向上装配的衬砌环，,拱顶截面,产生内力最大：,临时荷载随盾构推进所产生，一般来自,千斤顶顶力,和,壁后注浆压力,。,圆形隧道衬砌,在到达基本使用阶段前，它保留着装配中由其,自重作用,所产生的受力状态，它与,基本阶段,所产生的内力之和，,不能超过容许值,。,（2）管片,拼装,及盾构,推进,引起的临时集中荷载,拼装成环时，,管片制作精度,不高，端面不平，拧紧螺栓时往往使管片局部产生较大的应力，,导致管片开裂,。,或因,拼装管片误差,累计，当盾构千斤顶施加在环缝面上，特别是,偏心作用,时，也会使管片顶裂、顶碎。,铸铁管片,，较薄的外壳厚度加肋逐步变到突缘处，承受,约10,6,N,的盾构千斤顶顶力。,改善的方法是合理选择管片型式，,提高钢模制作精度和管片混凝土强度。,在拼装管片时提高拼装质量。采用,错缝拼装,也是较好的办法。,管片压浆因,局部凝集,在一个区域内所造成的圆环变形和集中荷载。,荷载,大小难以确定,，只能通过,采用附加安全系数,，以保证衬砌结构的安全度。,特殊荷载阶段,特殊荷载是一种瞬时性的，作用时间短的动力荷载，往往是控制衬砌结构设计的关键，在某些地区还要考虑地震力作用。,结构动力计算一般可用,等静载法,，按弹性或弹塑性工作阶段进行，结构内力,计算方法,与只承受静载的结构,相同,。,并,可适当提高材料强度和降低强度安全系数。,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x,x=m=m,D=d+2(x+),=0.02+0.01（D-4）,2）盾构长度L,L=L,0,+L,1,+L,2,+L,3,L,0,盾尾长度；,L,1,支承环长度；,L,2,切口环长度；,L,3,前檐长度。,3）盾构灵敏度L/D,经验数值:,小型盾构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=0.450.75,4）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,表6-2,盾构总推力,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）,(10,4,N),盾壳厚度(mm),附注,荷兰Vehicular,9.17,5.73,0.63,400,30,6000,70,美国林肯隧道,9.63,4.71,0.49,304,28,6440,63=12.7,美Brooklyn-battery,9.63,4.71,0.49,315,28,6440,63=12.7,美Queen-Midtown,9.65,5.70,0.59,28,5600,比Antwerpen,9.50,5.50,0.576,275,32,6400,70,Rotherhite,9.35,5.49,0.586,40,6700,原苏联莫斯科地铁,9.50,4.73,0.5,340,36,3500,中国上海打浦路隧道,10.20,6.63,0.65,400,40,8000,中国上海延安东路隧道,11.26,7.80,0.69,480,44,8800,6.2 衬砌形式和构造,衬砌结构在施工阶段作为隧道施工的支护结构，用于保护开挖面以防止土体变形，坍塌及泥水渗入，并承受盾构推进时千斤顶顶力及其他施工荷载。在隧道竣工后作为永久支撑结构，并防止泥水渗入，同时支撑衬砌周围的水土以及使用阶段和某些特殊需要的荷载。,盾构隧道横断面一般为圆形，矩形，半圆形，马蹄形,圆形隧道断面的优点,1 等同地承受各方面的外部压力,2 施工中易于盾构推进,3便于管片的制作拼装,4盾构发生转动，对断面无大碍,6.3 盾构推进及衬砌拼装,6.3.1 盾构推进,已建隧道所采用过的大直径盾构，大部分都属于,手掘式敞胸盾构或闭胸挤压盾构,，或者是两者兼有的盾构。,技术先进的,泥水盾构或土压平衡盾构逐渐,采用。,本节将主要介绍在松软含水地层中,采用手掘式敞胸盾构施工,，辅以气压，人工井点降水及其它地层加固措施，盾构开挖掘进时的几种施工方法。,1）人工井点降水加手工掘式敞胸盾构施工,人工井点降水，经济，适用于漏气量大的砂性土。,地下水位降低、疏干地层，,增加土体强度，,以保证开挖面稳定，盾构在地下水位以上通过，施工场地较,干燥。,一般都采用,喷射井点,，深度曾用到27 m，使埋深为25 m的隧道能顺利开挖。,具体过程：,（1）先借助盾构千斤顶,使盾构推进,，将切口环部分切入地层，然后在,切口环保护下进行土体开挖与运输,，这样对周围地层扰动较小。,（2）分层开挖，施工工具为普通手工工具或手持式风动工具。,（3）每环管片可分数次开挖和推进，盾构纠偏时可以利用超挖解决。,（4）可借助支撑千斤顶加撑板对开挖面进行临时支撑；,（5）当用网格式盾构时，防止盾构后退。,2）气压加手掘式敞胸盾构施工,盾构施工在含水松软不稳定地层中采用,气压来疏干和支护开挖面,，以防止涌水、开挖面崩坍，增强地层强度，是一种极古老，且行之有效的施工方法。,（1）气压大小及耗气量的确定,理论上,，每10m水头必须用0.1Mpa的气压力来平衡。,实际上,，仅为理论压力的50%60%，空气量仅为理论空气量的10%50%。,中小型盾构，压力等于,离盾构上端,约D/2处的地下水压力;,大直径盾为2/3 D处的地下水压力;,顶部均超压，需有足够的覆盖层,施工时为了防止空气泄出，盾构顶部必须有足够厚的覆盖层t即,t值过大则直接影响到隧道埋置深度，过小则覆盖不足，往往容易发生喷发事故。,国外隧道规范,规定；水底隧道的,最小覆盖层,必须大于盾构直径（日本）或等于,盾构直径,，覆盖层,宽度,应大于或等于,盾构直径的6倍,。,采用经验公式计算耗气量：,土质系数，当压力大于0.1MPa时，粘性土=3.65；砂性土=7.30。,（2）气压盾构施工,气压盾构施工中,闸墙和气闸,作用是将,作业区,与,常压作业区,隔开。,闸墙必须有足够的,强度,与,气密性.,气闸是钢板铆接或焊接而成的圆筒形结构，分,人行闸,和,外闸,两部分。,人行闸,的管理是气压施工的重要环节，要严格遵守气压作业的工作时间及进出气闸的变压时间，以防,减压病,。,3）泥水加压盾构施工,用泥水加压盾构代替上述气压盾构施工，克服了气压施工的弊病。,地面沉降，减压病，,覆土深时,，气压太高无法施工，,覆土浅,时，漏气等。,泥水加压盾构是将压力为 的泥水，（式中H取2m）,压入盾构前部密封舱内，使其压力始终高于地下水压力 ，这样就保持了开挖面稳定的基本条件。,6.3.2 衬砌拼装,隧道衬砌是在,盾构尾部壳保护下,的空间内进行拼装。,组成：,铸铁、钢、钢筋混凝土或钢与钢筋混凝土的复合材料等制成的管片或砌块。,结构受力及使用要求决定,盾构及衬砌结构形式,并决定其拼装方法。,拼装方法,重臂拼装或拱托架拼装；,通缝,拼装（管片的纵缝环对齐）或,错缝,拼装；,螺栓联结,的管片或,无螺栓联结,的砌块等。,按其程序可分为,“先纵后环”,和,“先环后纵”,。,采用举重臂拼装管片的原则应是自下而上，左右交叉，最后封顶成环。,6.4 装配式圆形衬砌构造,“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,施工荷载,。,箱形管片,平板形管片,带肋管片的材料长期以来多为铸铁（见图6-6c）和钢。,环宽与厚度,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。,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。,6.5 内力计算与管片结构设计,6.5.1 设计原则,隧道衬砌费用占40%50%，安全可靠、经济合理。,本节重点介绍装配式钢筋混凝土管片。,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强度验算。,不同点,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。,6.5.2 内力计算法,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.,刚度折减,采用,错缝拼装,和,通缝拼装,，接缝处的刚度远远小于断面部分的刚度，与,整体式等刚度圆形衬砌,差异更大。,日本资料，接头刚度折减速系数，对铸铁管片=0.91.0；钢筋混凝土管片=0.50.7。,总体上，在饱和含水地层中按,整体式自由变形匀质圆环,的计算方法误差可以接受。,特殊情况下：,当土层较好，衬砌变形后能提供相应的地层抗力，则可,按有弹性抗力的整体式匀质圆环,进行内力计算。,常用的有日本的和苏联的假定抗力法等。,多铰圆环方法,将接缝看作为一个“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。,多铰圆环计算图式,6.5.3 荷载计算,基本荷载（基本使用阶段）、临时荷载（施工阶段）和特殊荷载。,1）基本荷载：,（1）土层压力：,垂直土压力、水平土压力、,（2）水压力：,（3）衬砌自重,竖向土压,拱背土压,(10,4,N/m),地面超载,q,3,=1(10,4,N/m)（日本资料）,（当隧道埋深较浅时）,拱背土压,水平荷重,：即地层侧向主动土压，由均匀土压p,1,和三角形土压p,2,组成:,水压力,:,顶部垂直向下水压力,底部垂直向上压力,侧向水平水压力,水压力的叠加,衬砌自重,(10,4,N/m),匀布底部竖向力,平均后的拱被压力,抵消后的平均水压力,平均后的竖向土压力,平均后的自重压力,2）施工阶段临时荷载,(1)自重引起的临时荷载,临时荷载随盾构推进所产生，一般来自,千斤顶顶力,和,壁后注浆压力,。,圆形隧道衬砌,在到达基本使用阶段前，它保留着装配中由其,自重作用,所产生的受力状态，它与,基本阶段,所产生的内力之和，,不能超过容许值,。,由下向上装配的衬砌环，,拱顶截面,产生内力最大：,支承弧面所对应的中心角,1米宽衬砌自重,衬砌内径,（2）管片,拼装,及盾构,推进,引起的临时集中荷载,拼装成环时，,管片制作精度,不高，端面不平，拧紧螺栓时往往使管片局部产生较大的应力，,导致管片开裂,。,或因,拼装管片误差,累计，当盾构千斤顶施加在环缝面上，特别是,偏心作用,时，也会使管片顶裂、顶碎。,铸铁管片,，较薄的外壳厚度加肋逐步变到突缘处，承受,约10,6,N,的盾构千斤顶顶力。,改善的方法是合理选择管片型式，,提高钢模制作精度和管片混凝土强度。,在拼装管片时提高拼装质量。采用,错缝拼装,也是较好的办法。,管片压浆因,局部凝集,在一个区域内所造成的圆环变形和集中荷载。,荷载,大小难以确定,，只能通过,采用附加安全系数,，以保证衬砌结构的安全度。,3）特殊荷载阶段,特殊荷载是一种瞬时性的，作用时间短的动力荷载，往往是控制衬砌结构设计的关键，在某些地区还要考虑地震力作用。,结构动力计算一般可用,等静载法,，按弹性或弹塑性工作阶段进行，结构内力,计算方法,与只承受静载的结构,相同,。,并,可适当提高材料强度和降低强度安全系数。,本讲要点,理解盾构计算的原则；,掌握盾构的荷载计算方法。,上一讲要点,理解盾构计算的原则；,掌握盾构的荷载计算方法。,6.5.4 衬砌内力计算,1）,自由变形的匀质圆环计算,弹性中心法计算,由于结构及荷载对称，拱顶剪力等于零，属,二次超静定,结构。,力法方程为：,推导过程,圆环中任意截面上的内力可由下式得到：,设计时可直接利用这些公式，也可详见表6-3，,2）考虑,土层产生侧向弹性抗力的匀质圆环计算,当外荷作用在隧道衬砌上，一部分衬砌向地层方向变形，使地层产生,弹性抗力,。,弹性抗力的分布规律很难确定，采用,假定弹性抗力分布规律法,，如,日本的三角形分布,，,原苏联OE、布加耶娃的月牙形分布,（水工隧洞中常常采用），以及二次、三次抛物线分布等方法。,（1）日本按三角形分布弹性抗力的方法,按,温克列尔局部变形,理论，假定,土层侧向弹性抗力P,K,=Ky。,实际变形量,圆环抗弯刚度,接头刚度折减系数，取,0.250.8,。,K为地层侧向压缩系数,（2）前苏联布加耶娃法,P,K,=-Ky,a,cos2,P,K,=Ky,a,sin2,+Ky,b,cos,2,起始位置,四个未知数x,1,、x,2,、y,a,和y,b,。,各个截面上的M、N值为：,M,a,=M,q,+M,PK,+x,1,-x,2,R,h,cos,N,a,=Nq+N,PK,+x,2,cos,方法：,常常将半个衬砌环分成,九个截面,，即,八段,：分别计算各点的弯矩和轴力。,内力计算通过,查工具表格,分别计算土层压力、水压力和自重作用下的内力然后叠加。,6.5.5 管片截面设计,圆环属于,偏心受压构件(,正、负弯矩、轴向力)，它的断面强度、配筋计算与裂缝宽度限制计算，按照钢筋混凝土基本构件计算。,接缝计算方面的内容。,1）管片纵向接缝计算,结构破坏大都开始于薄弱的,接缝,处。,（1）接缝张开的验算,接缝处受到外荷后的应力状态,由于拼装螺栓预加应力,上边缘（外边缘）可能受拉、可能受压、也可能不受力，若受拉，则需考量,涂料强度及变形能力,。,（2）接缝强度计算,计算接缝强度时近似地把,螺栓看作受拉钢筋，,并按钢筋混凝土截面进行计算；,一般先假定螺栓直径、数量和位置，然后计算中和轴x，按偏心受压构件对接缝强度进行验算。,环向螺栓位置,，,在只设,单排螺栓,时，其位置大致为管片厚度的1/3处；,设双排螺栓时，内外排螺栓的位置离管片同外二侧各,不小于100mm,。,2)管片环缝计算,环缝属空间结构,，受力复杂，较难计算，故常按,构造要求设置,。,纵向螺栓的选择要确保,环间联接良好,，并能将,邻环纵向接缝上的部分内力,传到对应的衬砌断面上，使衬砌圆环能达一匀质刚度的要求。,在纵向发生较大变形，管片环缝构造设计和计算就是要满足隧道,在纵向具有足够的抗弯强度。,本讲要点,掌握自由变形计算方法；,理解自由变形和非自由变形情况下，考,虑地层弹性抗力的处理方法；,理解纵向接缝和环向接缝的强度计算。,本章要点,1.了解各种盾构的工艺原理。,2.掌握气压式盾构的计算方法；,3.掌握自由变形圆形衬砌的计算方法；,4.理解弹性抗力的处理方法。,5.了解构造措施和施工工艺。,盾构的地表变形和隧道的沉降问题应在实际工程中重视。,上一讲要点,了解各种盾构的工艺原理;,掌握气压式盾构的计算方法；,掌握自由变形圆形衬砌的计算方法；,理解弹性抗力的处理方法;,了解构造措施和施工工艺。,第7章 顶管法,顶管法,是修建地下管道的重要方法。,7.1 概述,7.1.1 顶管法简介,采用液压千斤顶,或具有顶进、牵引功能的设备，,以顶管工作井作承压壁,，将管子按设计高程、方位、坡度逐根顶入土层直至达到目的地.,顶管法施工示意图,主要用于,特殊地质条件下的管道工程中：,穿,越江河、湖泊、港湾,水,体下的供水、输气、输油管道工程；,穿,越城市建筑群、繁华街道,地下,的上下水、煤气管道工程；,穿,越重要公路、铁,路,路基下的通讯、电力电缆管道工程；,水库坝体,涵管重建,工程等。,发展趋势,中继环接力顶推,装置、触变,泥浆减阻,顶进技术，,自动测斜纠偏,技术、,泥水平衡,技术、,土压平衡,技术、,气压保护,技术和,曲线顶管,技术。,7.1.2 顶管法的关键技术,1）,方向控制：,与设计轴线一致，对顶力的影响，保证中继环正常工作；,2）,顶力大小及方向,：管尾顶进方式，顶进距离必然受到限制，一般采用中继环接力；,3）工具管开挖面,正面土体的稳定性,；,4）承压壁,后靠结构及土体的稳定性,7.1.3 顶管法的工程地质勘察,勘察要点,：,土层类别、埋深,各土层土体的物理、力学性质,地下水位、压力,地下水和土的腐蚀性,土层冻结深度,地下管线,地下洞室,临近建筑物基础,地面动载,7.2 顶管工程设计,工作井设置，顶管顶力估算以及承压壁后靠结构及土体的稳定问题。,7.2.1 顶管工作井设置,1）供顶管机头安装用的,顶进工作井,（称顶进井）；,2）供顶管工具管进坑和拆卸用的,接收工作井,（称接收井）。,（a）双向顶进；（b）单向顶进,工作井,实质上是方形或圆形的,小基坑,，其支护类型同普通基坑，其平面尺寸较小，支护经常,采用钢筋混凝土沉井和钢板桩。,管径1.8m或顶管埋深5.5m时普遍采用钢筋混凝土沉井作为顶进工作井。,沉井作为工作井时，一般采用,双向顶进,；,采用钢板桩支护工作井时，一般采用,单向顶进。,一井多用,工作井在施工结束后，一部分将,改为阀门井、检查井。,工作井地面影响范围,一般按井深的1.5倍计算，在此范围内的建筑物和管线等均应采取必要的技术措施加以保护。,顶管工作井的深度,（1）顶进工作井,h,1,地表至导轨顶的高度（,m,）；,h,2,导轨高度（,m,）；,h,3,基础厚度（包括垫层）（,m,）。,（2）接收工作井,H,2,地表至基底的高度（,m,）；,h,1,地表至支承垫顶的高度（,m,）；,h,3,基础厚度（包括垫层）（,m,）,h,4,支承垫厚度（,m,）；,防水构造,工作井的,洞口,应进行防水处理，设置,挡水圈和封门板，,进出井的一段距离内应进行井点降水或地基加固处理，以防土体流失，保持土体和附近建筑物的稳定。,工作井的,顶标高,应满足防汛要求，坑内应设置集水井，在暴雨季节施工时应防止地下水流入工作井，事先在工作井周围设置挡水围堰。,7.2.2 顶管顶力估算,克服顶管管壁与土的摩阻力及前刃脚切土时的阻力：,N,1,管顶以上的荷载；,N,2,全部管道自重；,E,顶管两侧的土压力；,R,土对钢刃脚正面的单位面积阻力,k,系数，一般采用1.2。,7.2.3 顶管承压壁后靠土体的稳定验算,1）沉井支护工作井承压壁后靠土体的稳定验算,各分量计算,计算示例,无绝对把握的前提下，,F,1,及,F,2,均不予考虑。,若不考虑,F,1,及,F,2,，一般采用下式进行沉井承压壁后靠土体的稳定性验算：,S,为沉井稳定系数，一般取,S,1.01.2。土质越差，,S,的取值越大。,本讲要点,了解顶管法的工作原理；,理解顶管阻力的计算方法；,掌握沉井支护工作井承压壁后土体的稳定验算。,上一讲要点,了解顶管法的工作原理；,理解顶管阻力的计算方法；,掌握沉井支护工作井承压壁后土体的稳定验算。,2）钢板桩支护工作井承压壁后靠土体的稳定验算,首先,可以假定不存在板桩。,板桩的参与作用，便出现了一条类似于,板桩弹性曲线的荷载曲线,两段支护情况,只有最下面的一段参与,承受和传递来自承压壁的反作用力；,要用混凝土将下段板桩与上段板桩之间的,空隙填充,起来，以构成封闭的传力系统。,否则,，需将,h,3,缩短到上段板桩的下沿。,单双段支护下的顶管工作井,当,A,点在后靠土体被动土压力线,上,或在其左侧,时，则后靠土体是稳定的，,双段支护下的顶管工作井,留有孔口时,则平均压力应修改为：,S,1,用缩小,h,3,的办法来增大,h,2,，或者增大,b,，直至,S,达到1为止，直至降低,P,的数值。,即增加承压面积。,7.3 常用顶管工具管,顶管工具管有,手掘式、挤压式、泥水平衡式、三段两铰型水力挖土式和多刀盘土压平衡式,等。,手掘式,顶管工具管为正面全敞开，采用人工挖土，如图所示。,手掘式顶管工具管：,正面全敞开,挤压式顶管工具管：,网格切土装置或刃脚放大,泥