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1、盾构衬砌荷载的计算各位领导、老师大家好，非常感谢各位给我这个试讲和学习的机会，我试讲的题目是 “盾构衬砌荷载的计算”。目前，随着城市化的进程，城市地铁正在迅速建设中，其中很大部分地铁都是采用盾 构法施工，那么由此产生的很多工程问题已经成为目前研究的热点，比喻说：对设计人员 来讲，盾构衬砌的设计问题，荷载的计算，此外盾构施工诱发的地表隆沉和对周围建筑物 的影响等问题，拿西安地铁为例，西安地铁主要建设在饱和黄土层中，其沿线有很多古建 筑物（钟楼、城墙）、高耸的大楼，地下管线，护城河，甚至还有地下埋藏的文物等，还有 一个主要问题就是地裂缝问题，等等，研究热点非常多，本节只对盾构衬砌的荷载计算问 题进
2、行探讨，首先对今天的试讲课程内容进行一个简单的总结：（1）简单回顾一下盾构技术的发展概况、盾构的定义及盾构的施工原理（2）盾构衬砌与一般工法的衬砌异同点（3）核心内容：讲述盾构衬砌荷载的计算方法、难点和问题（一）盾构系统概述1、盾构的发展概况首次发明：1818，法国工程师Brunel发明（这里还有一个典故：有一天Brunel和他的 儿子在英国伦敦泰晤士河上坐在木船里游荡，突然看到有一只小虫把木船底板钻了出来， 他仔细观察了小虫成洞的经过，发现小虫的爪子和嘴巴很锋利，也可能就是盾构机最初的 掘进和出渣系统，还看到空洞周围有遗留下来的白色的粘液，可能是最早的盾构注浆工艺 的原型，从而得到启示，在此
3、基础上提出了盾构工法，并取得了专利，然后就开始制造盾 构机，并于1825年，Brunel和他儿子在英国伦敦泰晤士河水底隧道修建了历史上第一条盾 构隧道，由于技术不成熟，多次被河水淹没，最终于1843年完工，总长402m，修完他已 经83岁高龄了。20世纪3040年代：美、英、日、法、前苏联、西欧等国家迅猛发展，修建道路隧 道、地下铁道隧道、煤气管道、电力、通信电缆管道和给水排水管道。中国于第一个五年计划（19531957）期间，才开始引进盾构施工，首先在辽宁阜新 煤矿，用直径2.6米的手掘式盾构进行了疏水巷道的施工。中国自行设计、制造的盾构， 直径最大为11.26米,最小为3.0米。目前，随着
4、城市的化进程，发达城市（北京、上海、广州、深圳）地铁隧道大量修建， 主要采用盾构法施工，随着西部大开发的进程，西安地铁也发展迅猛，地铁二号线正在投 入运营中，主要是在饱和黄土中进行的盾构施工，因此盾构衬砌的设计，盾构施工对周围 地表建筑物或构筑物和地下管线等的影响将成为研究的热点。2、盾构的定义（Shield tunneling Method）用带防护罩的特制机械（即盾构）在破碎岩层或土层中掘进隧洞的施工方法，是暗挖法施 工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四 周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土 机械运出洞外，
5、靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种 机械化施工方法。3、盾构法施工原理及步骤打竖井f通过吊车将盾构机安装在井底f装配千斤顶f土层开挖f盾构推进与纠 偏f衬砌拼装f衬砌背后注浆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。4、盾构法施工基本适用条件线位上允许建造用于盾构进出洞和出碴进料的工作井；隧道要有足够的埋深，覆土深度宜不小于6m ；相对均质的地质条件；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 ；从经济角度讲，连续的施工长
6、度不小于300m。5、盾构法施工的优缺点优点：安全、高效、不影响交通航运及周围环境、不受气候天气的影响，对于松软含水 地层具有技术和经济方面的优越性。安全开挖和衬砌，掘进速度快；（在盾构钢壳的掩护下进行开挖和衬砌作业，有足够的施工安全性）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。不影响地面交通与设施，同时不影响地下管线等设施；穿越河道时不影响航运，施工中不受季节、风雨等气候条件影响，施工中没有 噪音和扰动；在松软含水地层中修建埋深较大的长隧道往往具有技术和经济方面的优越性。缺点：断面尺寸多变的区段适应能力差；新型盾构购置费昂贵，对施工区段短的工程不太经济，一般价位在
7、20005000 万元。（二）盾构衬砌与一般衬砌异同点相同点：无论是盾构法，还是TBM、NATM（新奥法）、冻结法施工，衬砌都要作 为一种隧道的永久性支撑结构，应满足强度要求、刚度要求、安全质量要求、使用要 求、裂缝开展宽度、接缝变形和直径变形的允许量、抗渗防漏 指标等；如何才能满足 这些要求呢？故必须对衬砌进行内力的计算和结构安全度的验算，因此首先需要确定 衬砌所受的荷载大小。不同点：在施工推进阶段，盾构衬砌是给盾构机千斤顶提供反力的一种装置，是盾构机向 前推进的反力架，因此盾构衬砌还得承受相应的施工荷载，盾构蛇形或偏心引起的偏心 荷载等。在盾尾拼装管片阶段，还要承受一定的注浆荷载、管片拼装
8、时的应力集中荷载。因此，有必要对盾构衬砌的荷载进行专门的研究确定。那么盾构衬砌荷载如何确定呢？ 下面进行第三部分，也就是本节的核心内容。（三）盾构衬砌荷载的计算1、盾构衬砌荷载的分类 基本荷载：地层压力、水压力、自重、上覆荷载、地基抗力（共8种荷载） 附加荷载（临时荷载）：内部荷载、施工荷载（千斤顶顶力、注浆荷载） 特殊荷载：临近施工荷载、地震2、衬砌荷载的确定方法（1）竖向土压力（单位体积内土体的自重，然后将其平均分配在衬砌顶部）qi = E 7 ,或者表示成。尸Y H；i=11）按自重考虑的适用条件：埋深较浅，隧道围岩抗剪强度较低的软粘土地层全自重法缺点：不考虑两侧土体的侧摩阻力作用，但随
9、着埋深的增大及土质的变 好，不考虑侧摩阻力作用使得计算所的围岩压力偏大。2）当隧道围岩具有较大的抗剪强度，且埋深HD时，顶部土压力小于全部自重, 需要按照“松动高度”，采用松动土压力理论计算，目前松动土压力理论主要有基于 应力传递原理的太沙基公式、基于平衡拱理论的普氏公式和基于土体的极限平衡分析 法的比尔鲍曼公式和谢家然公式。这些理论方法比较复杂，由于时间关系，将不展开 讨论。（2）侧向土压力在隧道设计计算中，一个非常重要的荷载参数一一水平地应力系数（静止侧向土压力 系数）K0，对于黄土地区K0是一个影响很大、但又很难实际确定的地层参数。水平向地应力O h=K0Y H，其中，K0为侧压力系数，
10、1）早期，采用郎肯土压力理论计算侧压力系数K0 = tg 2 f450 -%将侧向土压力分为：均匀土压P1和三角形土压p2:P1 = qtg 2（45 -2） - 2ctg （45 -京P= 2 RHtg 2（45 - ?） 7hi i7 =，山ii=1解释：式中Y （容重），c （粘聚力）& （内摩擦角）的含义，均为各土层的参数 加权平均值。ch孔 hiiiic =， % =卞8工hhi =1i =12）对于比较完整的弹性体，可根据弹性力学理论推导得:K0=p / （1-M ）|J为岩体泊松比。3）对于完全散粒体，如砂土层、正常固结无粘性土层，侧压力系数取值，可按土力学 理论取值：K0=1-
11、sin% （正常固结无粘性土层、砂土层）K0=1-0.95sin% （Brwker 和 Treland-正常固结的粘性土）其中，%为土体有效内摩擦角。4）塑性指数Ip比有效内摩擦角更能反映细粒土的本质特征，所以1967年，Alpan将 正常固结粘性土的K。土的塑性指Ip联系起来，建议采用下式计算：、=0.19+ 0.2331 log/p实际上：侧向土压力与地层组成、施工方法、支护时机、衬砌结构的刚度密切相关，一般需要综合考虑多种因素，结合现场实测来修正设计参数。5）长安大学，以西安地铁二号线为研究背景，对非饱和原状黄土做了大量的K0固结 试验，得出非饱和原状黄土体静止侧压力系数的范围是在0.3
12、0.5之间。他们也通过现场荷载测试，确定饱和黄土隧道侧压力系数为0610。（3）弹性抗力弹性抗力概念：在围岩和支护的相互作用下，围岩不仅提供主动荷载，而且还对 支护结构施加被动反力。因为在非匀布主动荷载作用下，支护结构一部分将发生向着 围岩方向的变形。当围岩的刚度达到一定时，围岩就会对衬砌结构产生抗力来限制其 变形。根据温克尔（Winkler ）局部变形理论计算，抗力等等腰三角形分布，抗力范围按 照与水平直径上下呈45考虑。P = kykk衬砌圆环侧向地层弹性基床系数y衬砌在水平直径方向最终变形值1）弹性抗力系数k的计算方法，采用弹性力学的方法计算，理想弹性（塑性）模 型、裂隙岩体的弹性模型2
13、）实际工程中，通常是通过荷载板试验来确定弹性抗力系数，由荷载板试验的压 力和沉降关系pS曲线，可以求得弹性抗力系数荷载p/kPa式中:匕 为围岩的弹性抗力系数，孔为比例界限压力，&为与孔所对应的变形。比较完整岩体的弹性抗力系数一般在1020GPa.m-i，而对于西北黄土地区，有学者采 用武汉岩土力学所研制的RSM-JCIII型静载测试仪来确定弹性抗力系数推荐值黄土隧道的 弹性抗力系数为0.030.2GPa.m-i，并得到弹性抗力系数与隧道埋深关系经验公式：Jh = -92 + 77A018K坎=-84 + 1073) 铁、公路规范表A33602,178II25-271 200- 1 80020
14、-330.20.2550-601.5-2.170-78H123-25500- 1 2006200.25-0.339-500.7- 1.560-70rv2023200 -5001.3-60.3 0,3527-390.2-0,750 60V10020010.350.4520-20.05-0.240-50VI1710010,4 0.5200.230404) 根据隧道衬砌受力变形的特点可知，在荷载作用下，衬砌各点的变位是不同的， 因此围岩抗力分布也是不均匀的，其大小与实际接触状态、施工方法、衬砌结构类型 等多种因素有关。(4) 拱背土压力Q = 2(丫R 2 邛RH) = 2R 2(1-呈)=0.43丫R 22H 4H 4h一般将其化为均布荷载：0.43y R 2q l = 0.2146/ RhRh为衬砌圆环的计算半径。（5）静水压力顶部垂直向下水压力：q =丫 w w底部垂直向上水压力：q =y H + 2Rh）侧向水平水压力：qw =丫 JH + （1 -cos中）Rh（6）衬砌自重g = Rc -SYRc 钢筋混凝土容重，一般取25kN/m3，S 为管片厚度（m），箱型管片需要折算（7）地面超载当隧道埋深较浅时，必须考虑地面荷载，一般
