《潜盾隧道环片衬砌之设计方法与设计实例讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《潜盾隧道环片衬砌之设计方法与设计实例讲解（41页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、潜盾隧道环片衬砌之设计方法与设计实例中华顾问工程司何泰源陈卓然曾逸舟章节目录一、前言 二、潜盾隧道环片 三、应力分析模式 四、环片衬砌及接头设计 五、应用实例 【摘要】 本文详述潜盾隧道环片衬砌种类、组成配置模式、环片接头、防水措施及灌浆之设计与施工等，并据以提出符合上述施工顺序之环片衬砌应力数值模拟分析计算。环片衬砌设计时除根据数值模拟分析计算结果，亦须满足相关设计规范，为使潜盾隧道环片衬砌设计方法能够具体表达，本文附有国内常用之潜盾隧道尺寸的设计实例以供设计之参考。一、前言 潜盾机挖掘前进后为防止土层崩塌，于开挖完成坑道内架设支撑，此谓一次衬砌，使用之支撑材料称为环片 (Segment)
2、或称弓形支保。环片为潜盾工程中之重要结构，其强度必须能完全承受地表超载、土压、水压等载重，及潜盾机掘进千斤顶之反力，且须考虑运搬、组立等施工载重，以符合安全、经济及合理设计。一般环片均以永久性结构物办理设计。潜盾隧道的断面形状除圆形外，亦有采用其它形状者，惟本章系针对最常用之圆形而论 ( 详图 1.1) 。 环片之选择须依使用断面、使用场所、使用目的及施工条件等，考虑安全性、经济性、耐久性而定。 二、潜盾隧道环片 2.1 环片种类 环片可依使用材料分为混凝土系环片、钢环片、石墨铸铁环片等。 (1) 混凝土系环片 混凝土系环片又可分为钢筋混凝土环片、合成式混凝土环片及预力混凝土环片等 。 A.
3、钢筋混凝土环片钢筋混凝土环片可制作任意形状尺寸、材质均匀，且透水性低，挠性佳且经济。惟重量较钢制、铸铁制之环片重，抗张力小而施工性亦欠佳。搬运组合时衔接端容易破损。 B. 合成式混凝土环片合成式混凝土环片系以钢料与混凝土组合制作而成，兼有钢料之强韧性及混凝土之经济性等特征，其单价介于钢环片与钢筋混凝土环片间。 C. 预力混凝土环片预力混凝土环片系以高压力养护，成为具高弹性之环片，预力混凝土环片重量较钢筋混凝土环片轻，其优、缺点同钢筋混凝土环片。 (2) 钢环片钢环片 (Steel segment) 采用 CNS 2473 一般结构用轧钢料 SS 41 以上钢料，或 CNS2947 焊接结构用轧
4、钢料 SS41 以上钢料制作而成。钢环片之钢料材质均一、强度高、容易搬运、施工性佳、制作精度高等为其特点。惟较其它材质之环片劲度较小、易腐蚀，接头止水性较差，对大断面隧道之挠度大为其缺点，台湾地区因钢料贵，其制造费较钢筋混凝土环片约高一倍。惟因焊接补强及加工容易，一般常使用于人孔、连接管需开孔补强处或曲线段异形环片制作等。 (3) 石墨铸铁环片 石墨铸铁又称延性铸铁 (Ductile) ，重量较钢制环片重，强度高，且耐久性、制品精度、防水性、劲度等都非常优良，但制作加工较费时，价格较昂贵。目前台湾仍未曾使用，石墨铸铁环片适用于中间人孔及流入管渠直接与潜盾管渠接合时，或隧道穿过建物、铁道、河川等
5、情况。 2.2环片组成 隧道每环以数个 A 型环片， 2 个 B 型环片及 1 个 K 型环片分割而成，亦有采数个 A 片加一个 B 片及一个 K 片 ( 单斜 ) 者，惟后者施工性较差。 环片之分割数应考虑提高环片制作与组立速度、搬运方便及对渗漏水与结构劲度影响等。环片之分割数目愈少愈好，但应考虑搬运与组立之施工性，一般大断面为 710 分割，中小断面为 46 分割。 环片组立以一环为单位 ( 环片闭合 ) ，一般由隧道下方中央附近开始，左右依序组立，上部中央附近为最后一片，连结成一环。为考虑坑内有渗漏水时须于水中办理组立作业，接头不宜设于隧道仰拱中央附近，如图 2.1 。 2.3环片形状与
6、尺寸 环片形状分为标准形及异形二种，如图 2.2 所示，其尺寸及重量之选定，需适合设计与施工条件，一般环片宽度采 5001,200mm ，环片宽度大即须加长潜盾机，增加曲线施工、偏差修正之难度，宽度太小则增加环与环接头数目。环片重量过重除增加坑内运搬之作业困难外，且须增大环片组装机能量，小断面潜盾隧道如有采用人工组立环片之情形时，每片环片之重量宜在 60kg 以下， K 型环片应在 3040kg ，每片环片应设置直径 50mm 灌浆孔，并附有管盖及灌浆管套 (Socket) ，又使用环片组装机时应考虑吊装孔。 图 2.1 环片形状 环片断面图 异形环片使用于改变隧道方向 ( 横曲线或竖曲线 )
7、 ，即曲线段及修正偏差之施工，其渐变缩量、渐变缩角，依环片宽度、衬砌外径、隧道曲线半径、环片之分割数及盾尾空隙等决定，详图 2.2 。异形环片以曲线半径大小分为单侧渐缩、两侧渐缩两种型式，半径大时采用单侧渐缩，半径小时采用两侧渐缩。曲线段施工或修正偏差时，有单独使用异形环片或异形环片与标准环片混合使用，一般以标准环片宽度为异形环片最大宽度，其最大渐缩量为小断面 30mm 、大断面 50mm 。 异形量 可以下式表示之： R ：计算到隧道中心之曲率半径。 m ：异形环片数目。 n ：标准环片数目。 B ：标准环片宽度。 B T ：异形环片最大宽度。 D o ：隧道外径。 ：计算隧道中心线之曲线长
8、度。 由曲线长度、曲率半径、环片配置量 m 、 n 等订定合适之 值，一般 n ： m 以 1 ： 11 ： 2 最常用。2.4 环片之接头 环片接头须能满足设计所定之强度，考虑使接头不发生背填、灌浆液或压气泄漏、漏水等情形，于环片接合面设置止水条，螺栓接合面须设置止水垫圈。 (1) 螺栓配置环与环间及片与片间续接处，分别采用螺栓以接续环片形成环状。 螺栓直径一般在 1636mm 之间，螺栓孔尺寸须考虑有足够的余裕，以确保螺栓安装之施工性。 (2) 续接处结构 ( 螺栓盒 ) 环片续接处包括片与片间之接头、环与环间之接头。续接结构有螺栓、铰、栓销、栓等型式，目前以采用螺栓接头居多。必须考虑螺栓
9、和螺栓孔间组合误差所需之间隙，间隙太小则组立困难，间隙太大则可能因施工载重造成环片开裂导致漏水。 (3) K 环片接头角度 K 环片接头角度 之计算，可以下式表示之： 双斜 K 片： 单斜 K 片： 式中， ： K 片的中心角。 ： K 片能插入之必要余裕角度。 接头角度 大小影响接头剪力的大小，以小于 13 为宜，其关系式如下： ( 详图 2.3) ： 接头剪力 N ：环片断面轴力 Q ：环片断面剪力 f ：接头摩擦系数 ( 钢环片： 0.3 ，混凝土环片： 0.5) 接头剪力若超过接头螺栓之抗剪强度，则 K 片将有脱落之危险。通常 较大时， 值亦较大。余裕角度 一般为 2 5 ，在不影响施
10、工作业下愈小愈好。 耐剪性能方面，单斜 K 片效果比双斜 K 片好，若是采用轴向插入之 K 片代替径向插入型 K 片，则无剪力问题。 2.5 纵向肋钣钢环片隧道施工时，潜盾机千斤顶顶住纵向肋钣取得反力向前推进，因此，千斤顶中心线应尽量和肋钣的中心线一致，否则将产生偏心弯矩。 通常肋钣采等间距配置，相邻两环片接头钣配合邻环肋钣设置。一环之总肋钣数 ( 含接头钣 ) 通常是千斤顶数目的倍数。环片组立时，肋钣 ( 接头钣 ) 应形成连续，否则易使主梁和肋钣变形。 肋钣通常弯成丁字形，若有浇置二次衬砌于钢环片内，丁字形弯折处容易有空气滞留形成空隙，需设计排气孔。 2.5 防水 潜盾隧道防水分三阶段考虑
11、。第一阶段采背填灌浆防水，第二阶段采环片接头防水，第三阶段采一次衬砌与二次衬砌间之防水 ( 一般交通隧道不设二次衬砌 ) 。 第一阶段背填灌浆防水之可靠度较低。 第二阶段防水为潜盾隧道主要防水措施。环片的接头设置防水材槽，贴上止水条即可，水压高的地方可设两条止水条。另亦可设置填缝材槽作为备用。 常用之防水材之材质有两种，分别为弹性橡胶和水膨胀系橡胶。弹性橡胶为加硫之异丁烯橡胶或氨丁二烯橡胶等合成橡胶系材料，或聚氯脂橡胶的合成树脂系材料，适用于水压较低的地层。水膨胀系橡胶防水材由吸水性聚合物和氯丁二烯橡胶或聚氨脂橡胶混合制成，防水效果较好，目前使用以 3 倍膨胀率者居多，防水材槽与未膨胀前防水材
12、的体积比为 1.1 左右。 第三阶段防水，若因防蚀或其它需求需施作二次衬砌时，可于一、二次衬砌间铺设防水膜，防水膜厚度以 1.5mm 以上为宜，应小心施作以免破损而失去防水性，常用材质有 EVA( 乙烯醋酸脂共聚物 ) 、 ECB( 乙烯沥青共聚物 ) 、 PVC( 聚氯乙烯 ) 及 PE( 聚乙烯 ) 等四种。二次衬砌可采水密性混凝土，以增加防水效果。 2.7 灌浆孔及吊装孔 (1) 灌浆孔 灌浆孔是环片与土壤间之盾尾孔隙背填灌浆用，灌浆孔一般采用钢管，孔塞分成塞式或帽式两种。为防止土砂涌入，灌浆孔内一般均设有逆止阀。孔径依使用灌浆材料而定，一般采用 50mm 左右。 混凝土环片的灌浆孔常兼
13、作为环片的吊点使用，须考虑作业之安全性及施工性，以决定灌浆孔的位置、数量、直径、材质及强度等。另因灌浆孔和混凝土环片两者间可能因剥离而导致漏水，所以于灌浆孔加一圈状橡胶止水材以防漏水。 (2) 吊装孔 钢环片的吊装孔通常焊接于环片中点附近。混凝土环片则利用灌浆孔作为吊点用，考虑灌浆孔可能被拔出，因此设有锚定钢筋以增加安全性。 2.8 涂装 钢环片和混凝土环片接头金属铁件在储存期间施作简单的防锈、防蚀涂装。 (1) 防蚀、防锈涂装常用涂装材料，钢环片采 tar 环氧树脂，混凝土环片接头金属铁件采环氧树脂。 (2) 防水涂装 混凝土环片采用环氧树脂或其它材料作为防水涂装用。 三、应力分析模式 潜盾
14、隧道系一种在隧道轴向及环向均有接缝 (Joint) 的地下结构物，由于衬砌环片之结构设计法 ( 应力分析 ) 仍未确立，设计时必须适切地评估衬砌环片结构与地层之互制行为，以达设计之经济性及合理性。目前衬砌环片结构分析模式可区分为二大类： (1) 载重与地层分别考虑。 载重与地层分别考虑模式系认为地层对于潜盾隧道之作用只是产生作用于衬砌环片之载重，以计算衬砌环片在载重作用下产生之内力及变形。此种分析计算模式，按照各衬砌环片间接合模式假设，可再在细分为如 3.1 节所述之分析计算模式。 (2) 载重与地层合并考虑。 载重与地层合并考虑模式系认为地层与潜盾隧道衬砌环片共同构成受力变形之整体，并根据连
15、体力学原理计算衬砌环片与周边地层之受力及变形。载重与地层合并考虑模式由于地下结构物地层性质及边界变化复杂，目前大多数问题都赖有限元素法 (FEM) 数值分析解决。 3.1 载重与地层分别考虑之分析方法 (1) 潜盾隧道衬砌环片组成行为 由于构成潜盾隧道之衬砌系由环片 (Segment) 与螺栓 (Bolt) 组合而成之环状体，其接缝之劲度 ( 尤其弯曲劲度 ) 较单一环片之劲度低、较易产生变形，应考虑接缝效应之弯曲劲度折减，即环状体之弯曲劲度为 ，其中 定义为弯曲劲度效率，一般而言， 1 。 再者由于隧道轴向环与环间之接缝为交错配置 (Stagger) 安排，根据试验结果显示，当隧道环状体受压变形，此种轴向环与环间之接缝交错配置会产生弯矩分配及劲度提升之效果。弯矩 M 提升率以 表示，一般而言， 。 (2) 衬砌环片之结构分析模式 目前根据整环衬砌环片间接合模式之劲度考虑模式，可分为三类（图 3.1 ）： A. 整环弯曲劲度一致之环梁模式； B. 多铰接系统模式； C. 梁 - 旋转弹簧模式。图3.1 潜盾隧道衬砌环片之结构分析模式 3.2 整环弯曲劲度一致之环梁模式 本模式即日本所谓之惯用计算法及其修正方法，由于自潜盾工法发展初期至今，本模式之使用
