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1、第四章盾构法隧道衬砌结构设计 设计 主讲 孟杏微 2010 05 28 本章重点 难点 1 盾构法衬砌设计流程和设计的主要内容 2 盾构隧道衬砌设计荷载 2010 05 28 2010 05 28 2010 05 28 盾构法开挖隧道通常适用于软土而不是岩石中 相关衬砌参数 如材料的尺寸及强度不仅取决于地层情况 也取决于施工状况 实际应用中 盾构法衬砌设计需要许多施工经验和理论知识 4 1盾构法概述 2010 05 28 4 1 1盾构法衬砌设计流程 盾构法隧道衬砌设计通常按照以下步骤进行 1 遵守相关规划 规范或标准 2 确定隧道的内部尺寸 设计的隧道内径应该由隧道功能所需要的地下空间决定
2、地铁隧道公路隧道 给 排水管道计算流量 普通管道 2010 05 28 3 荷载类型的确定 作用在衬砌上的荷载包括土压力 水压力 静荷载 超载及盾构千斤顶的推力等 4 衬砌条件的确定 设计者应该确定衬砌的条件 如衬砌的尺寸 厚度 材料的强度 加固的方法等 5 计算内力 设计者应该通过使用合适的计算模型及设计方法来计算弯矩 轴力 剪力等内力 4 1 1盾构法衬砌设计流程 2010 05 28 2010 05 28 8 设计的批准 设计者认为所设计的衬砌结构安全 经济且适用后 工程项目负责人就应该批准设计文件 6 安全性校核 设计者应该对照计算出的内力来校核衬砌的安全性 7 评估 如果设计的初衬砌
3、不满足设计荷载要求或设计衬砌安全但不经济 设计者应该改变衬砌的条件并且重新设计 4 1 1盾构法衬砌设计流程 2010 05 28 图4 1盾构隧道衬砌设计的流程图 2010 05 28 盾构隧道结构设计程序包括的主要内容如下 第一步 确定几何参数 基准线 开挖直径 衬砌直径 衬砌厚度 圆环的平均宽度 管片系统 接缝连接 第二步 确定岩土参数 特定处土的重力 内聚力 内摩擦角 弹性模量 变形模量 K0值 第三步 选择危险断面 如超载 地面荷载 地下水及邻近建筑物影响的地方 4 1 2盾构法隧道结构设计程序包括的主要内容 2010 05 28 第四步 确定TBM机的机械参数 总推力 推力装置的数
4、量 垫片数量 垫片形状 注浆压力 安装所需空间 第五步 确定材料的属性 混凝土标号及抗压强度 弹性模量 钢筋类型及抗拉强度 垫圈类型 宽度及弹性性能 裂缝允许宽度 4 1 2盾构法隧道结构设计程序包括的主要内容 2010 05 28 第六步 设计荷载 1 土压力 分析作用于衬砌管片上的荷载影响及土压力 图4 2 图4 6 2010 05 28 2010 05 28 2 千斤顶的推力荷载 分析由于推进器垫板压在不同类型管片上荷载的影响 图4 7 2010 05 28 3 拖车和其它服务设备的荷载主要包括单轮承载 图4 8 2010 05 28 4 附属注浆荷 载扩展的注浆压力 图4 9 2010
5、 05 28 5 静荷载 存储及装配荷载弯矩的影响 图4 10 2010 05 28 2010 05 28 1 分析模型 使用的公式必须符合国家标准与所选设计荷载叠加的原则 2 数值模型 使用符合国家标准的有限元程序来完成弹塑性状态下的应力及应变分析 并进行详细结构状态的仿真 图4 12 第七步 设计模型 三维条件须通过二维条件的抽象计算来仿真 如太沙基假设 2010 05 28 第八步 计算结果 剪力 弯矩和挠度一般以表格的形式来展现 以此确定设计荷载及接下来管片的加固 2010 05 28 4 1 3设计常用名词及图示符号 管片 盾构隧道最初衬砌的弧形构件 也适用于预制混凝土管片 2010
6、 05 28 常用管片形状 2010 05 28 2010 05 28 2010 05 28 2010 05 28 2010 05 28 管片衬砌 隧道衬砌由管片组成 每一环的衬砌由数个管片组成 盾构中完成的管片衬砌 在管片衬砌系统中所有的管片在盾构内组装 且衬砌在盾构内完成 2010 05 28 2010 05 28 扩大管片衬砌 在管片衬砌系统中 除去关键的管片外 其余管片均在盾构中安装 在盾构正后面 当关键的管片被插入时 衬砌随即也完成 厚度 隧道横截面上衬砌的厚度 宽度 管片沿隧道轴线方向上长度 2010 05 28 封顶管片形式小封顶块 拼装形式有两种 径向楔入 纵向插入 2010
7、05 28 连接缝 衬砌的间断处及管片之间的接触面 2010 05 28 连接缝的类型 2010 05 28 2010 05 28 2010 05 28 计算中使用的符号范例 2010 05 28 4 2盾构衬砌结构设计方法 软土的物理特征规定如下 2010 05 28 设计原理 设计原理是为检验盾构隧道衬砌的安全性 在隧道衬砌报告中 都应该阐述设计计算的必要性 设计概念的假设 设计寿命 检查永久安全性等问题 2010 05 28 1 荷载的种类 必须考虑的荷载 1 土压力 2 水压力 3 静荷载 4 超载 5 地基反作用力 如果必须的话 应该考虑的荷载 6 内部荷载 7 施工期间的荷载 8
8、地震效应 特别荷载 9 邻近隧道的影响 10 沉降的影响 11 其它荷载 4 2 2荷载 2010 05 28 2 土压力 土压力应该沿隧道断面径向作用于衬砌上 或者分解为水平和垂直方向的土压力 隧道的断面及周围的土体情况图 2010 05 28 2010 05 28 1 水平土压力 从隧道衬砌拱部至底部 作用于衬砌形心处的水平土压力 它的大小由垂直土压力乘以土的侧压力系数所确定 图4 16 2010 05 28 2 垂直土压力 将垂直土压力作为作用于衬砌顶部的均布荷载来考虑 2010 05 28 2 垂直土压力当覆土厚度较小 小于2倍的隧道外径时 2010 05 28 当覆土厚度H 2D时
9、地基中产生拱效应的可能性较大 可以考虑在设计计算时采用松弛土压力 图4 19 砂质 当H 1 2D D为管片外径 时多采用松弛土压力 粘性 硬质粘土 N 0 良好地基 H 1 2D时多采用松弛土压力中等固结的粘土 4 N 8 和软粘土 2 N 4 将隧道的全覆土重力作为土压力考虑实例比较常见 2 垂直土压力 2010 05 28 松弛土压力的计算 一般采用太沙基公式 垂直土压力的下限值虽然根据隧道使用目的的不同 但一般将其作为相当于隧道外径的2倍的覆土厚度的土压力值 当地层为互层分布时 以地层构成中的支配地层为基础 将地层假设为单一土层进行计算 或者就以互层的状态进行松弛土压力的计算 2 垂直
10、土压力 2010 05 28 2010 05 28 如果隧道位于潜水位以上 2010 05 28 2010 05 28 2010 05 28 2010 05 28 2010 05 28 2010 05 28 2010 05 28 2010 05 28 2010 05 28 水平土压力也能用五边形模型估计为均载或均匀可变荷载 2010 05 28 2010 05 28 一般情况下作用在衬砌上的水压力为静水压力 4 2 2 3水压力 2010 05 28 若采用静水压力 则管片上各点处的水压力为 2010 05 28 若采用垂直均布荷载和水平均匀变化的荷载组合 则衬砌顶部和底部的水压力分别为 20
11、10 05 28 2010 05 28 4 2 2 4静荷载静荷载 管片自重 是作用于隧道横断面形心上的垂直方向荷载 一次衬砌的静荷载按照等式 4 19 或 4 20 来计算 如果断面是矩形 2010 05 28 考虑自重对地基的反作用力 其中 2010 05 28 不考虑自重对地基的反作用力 2010 05 28 4 2 2 5地面超载 地面超载增加了作用于衬砌上的土压力 道路交通荷载 铁路交通荷载 建筑物的重量作用于衬砌上的力即为地面超载 地面超载及其参考值如下 公路车辆铁路车辆建筑物 2010 05 28 公路车辆荷载 10kN m2 2010 05 28 铁路车辆荷载 25kN m2
12、2010 05 28 建筑物的重量 10kN m2 2010 05 28 4 2 2 6地基反作用力 当计算衬砌中的内力时 必须确定地基反力的作用范围 大小及方向 地基反力通常分为两种 1 独立于地基位移而定的反力pe2 2 从属于地基位移而定的反力 2010 05 28 2010 05 28 地基反力是地基反作用力系数和衬砌位移的产物 由围岩韧度和管片衬砌刚度决定 而管片衬砌的刚度取决于管片刚度及接缝的数目和类型 2010 05 28 2010 05 28 设计实例 根据以下条件 设计基本荷载 考虑地基反作用力 2010 05 28 2010 05 28 4 2 2 7内部荷载 由于隧道拱部
13、悬挂设备或内部水压力而引起的荷载应该进行核查 4 2 2 8施工时期的荷载 以下荷载是施工时作用在衬砌结构上的荷载 1 盾构顶进推力 2 运输和装卸时的荷载 3 背后注浆压力 4 直立操作时的荷载 5 其它荷载盾构千斤顶推力是最主要的力 其它压力随着荷载条件的给定均取某一参考值 2010 05 28 4 2 2 9地震影响考虑地震的影响 进行抗震设计 4 2 2 10其它荷载如果需要 应该检查临近隧道对开挖的影响和不均匀沉降的影响 2010 05 28 4 2 3衬砌材料 适用于钢筋混凝土管片作为初衬支护材料和现浇混凝土作为二次支护的材料 4 2 3 1弹性模型 钢筋混凝土弹性模型如表4 3
14、P99 2010 05 28 4 2 3 2应力应变曲线 混凝土应力 应变采用图4 26的曲线模型 2010 05 28 2010 05 28 4 2 4安全系数 安全系数应该基于土的荷载 同时符合规定的建筑要求和标准 举例来说 对每一个工程来说 国家标准都对混凝土结构和构造作了具体说明 施工工艺和性能应该与安全系数相联系 2010 05 28 4 2 5管片结构设计计算 结构衬砌计算应采用SI国际标准单位 4 2 5 1设计原理 隧道断面的设计计算 应该选择以下的关键区段 如图4 28 2010 05 28 2010 05 28 4 2 5 2内力计算 4 2 5 2 1计算模型 隧道结构设
15、计计算中结构内力 M N S 的方法如图4 29所示 本文具体介绍如下几种盾构隧道结构内力计算模型 2010 05 28 3 弹性方程法 在没有计算机的情况下 弹性方程法是计算内力的简便方法 然而 它不能够评价图4 34所提到的情况 b 和 c 在这种方法里 水压力应该被认为是垂直均载和水平均载的组合 在水平方向上的地基反作用力 应被简化为三角形分布的可变荷载 见图4 23 2010 05 28 图4 23 2010 05 28 2010 05 28 抗弯刚度的有效率 2010 05 28 4 2 5 2 2连接缝的评价如果管片衬砌连接缝有或没有螺栓 它在连接缝的实际弯曲刚度小于管片的弯曲刚度
16、 如果管片是错开的 那么在连接缝的弯矩将比毗邻的管片所受的弯矩小 在设计中应该考虑连接缝的实际影响因素 2010 05 28 2010 05 28 4 2 6如何检验断面的安全性 根据构件受力的计算结果 必须用极限状态设计方法检验关键部位的安全性 或者用允许应力设计方法进行检验 以下是危险部位 1 有最大正弯矩的地方 2 有最大负弯矩的地方 3 有最大轴力的地方 衬砌抵抗盾构推力的安全性也应该被检验 2010 05 28 4 2 6 2允许应力设计方法 如果最大的混凝土压应力和钢筋应力小于它们的允许应力 那么管片衬砌在载荷作用下是安全的 见等式 4 31 和 4 32 2010 05 28 4 2 8校核抵抗盾构千斤顶推力的安全性 抵抗盾构千斤顶推力的衬砌安全性应该用下面的公式进行校核 2010 05 28 4 2 9管片构造 4 2 9 1管片的形状和尺寸 管片环的数量越少 制造和安装的效率就越高 然而 考虑到运输和操作 管片的弧长和重量也不能被忽视 2010 05 28 4 2 9 3处理管片和注浆的构造细节 如果对管片实施背部注浆 那么为了使灰浆能被连续注入 应该在每片管片上留有
