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1、地铁盾构隧道设计Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望一一. .盾构简介盾构简介盾构法施工的概念盾构法施工的概念使使用用盾盾构构机机，一一边边保保持持开开挖挖面面及及围围岩岩稳稳定定，一一边边进进行行隧隧道道掘掘进进、出出渣渣，并并在在盾盾尾尾内拼装管片形成衬砌，及时实施注浆，尽可能不扰动围岩条件下修建隧道的方法。内拼装管片形成衬砌，及时实施注浆，尽可能不扰动围岩条件下修建隧道的方法。第一条盾构隧道第一条盾构隧道18181818年年，法法国国的的布布鲁鲁诺诺尔尔(M.I.B
2、rune1)(M.I.Brune1)，最最早早提提出出了了用用盾盾构构法法建建设设隧隧道道的的设设想想，并在英国取得了专利。并在英国取得了专利。18251825年年，他他第第一一次次在在伦伦敦敦泰泰晤晤河河下下开开始始用用一一个个断断面面高高6.8m6.8m、宽宽11.4m11.4m的的矩矩形形盾盾构构修修建隧道。建隧道。18431843年，经过年，经过1818年施工，完成了全长年施工，完成了全长458m458m的第一条盾构法隧道。的第一条盾构法隧道。盾构经过四代发展盾构经过四代发展一一. .盾构简介盾构简介 18181880年 敞口式手掘盾构一一. .盾构简介盾构简介 18801960年 机
3、械式盾构 、气压式盾构 一一. .盾构简介盾构简介 19601980年 闭胸式盾构一一. .盾构简介盾构简介 1980至今 大断面，大深度，长距离，高速化；断面的多样化；一一. .盾构简介盾构简介一一. .盾构简介盾构简介 盾构优点盾构优点 盾构施工优点盾构施工优点地面作业少，隐蔽性好，因噪音、振动引起的环境影响小。地面作业少，隐蔽性好，因噪音、振动引起的环境影响小。自动化程度高、劳动强度低、施工速度快；自动化程度高、劳动强度低、施工速度快；因隧道衬砌属工厂预制，质量有保证；因隧道衬砌属工厂预制，质量有保证；穿越地面建筑群和地下管线密集的区域时，周围受施工影响小；穿越地面建筑群和地下管线密集的
4、区域时，周围受施工影响小；对于地质复杂、含水量大、围岩软弱的地层可确保施工安全；对于地质复杂、含水量大、围岩软弱的地层可确保施工安全；在费用和技术难度上不受覆土深度影响。在费用和技术难度上不受覆土深度影响。一一. .盾构简介盾构简介 盾构缺点盾构缺点 盾构施工缺点盾构施工缺点一次性投入大，施工设备费用较高；一次性投入大，施工设备费用较高；覆土较浅时，地表沉降较难控制；覆土较浅时，地表沉降较难控制；用于施作小曲率半径（用于施作小曲率半径（R R20D20D）隧道时掘进较困难。）隧道时掘进较困难。一一. .盾构简介盾构简介 盾构组成盾构组成 刀盘盾体后配套设备前盾 中盾 尾盾 配套台车、管片运输设
5、备、出土设备、注浆系统、监控系统等。二二. .盾构机选型盾构机选型盾构机的选型及设计盾构机的选型及设计工程在前期准备时最重要的工作工程在前期准备时最重要的工作盾构机选型考虑因素盾构机选型考虑因素地层土质条件地层土质条件断面大小断面大小线路周边环境线路周边环境排土方式排土方式地铁盾构常用的机型地铁盾构常用的机型泥水平衡盾构泥水平衡盾构土压平衡盾构土压平衡盾构二二. .盾构机选型盾构机选型泥水平衡式盾构泥水平衡式盾构 土压平衡式盾构土压平衡式盾构 二二. .盾构机选型盾构机选型 泥水平衡式盾构泥水平衡式盾构 二二. .盾构机选型盾构机选型 土压平衡式盾构土压平衡式盾构 二二. .盾构机选型盾构机选
6、型泥水平衡式盾构泥水平衡式盾构 土压平衡式盾构土压平衡式盾构 比较项目比较项目 二二. .盾构机选型盾构机选型 土层地质土层地质 粉细砂粉细砂卵石层卵石层粗砂砾层粗砂砾层中细砂砾层中细砂砾层粉细砾层粉细砾层粗砂粗砂泥砂泥砂粘土粘土地层渗透性与盾构选型地层渗透性与盾构选型-10泥水盾构泥水盾构土压平衡盾构土压平衡盾构透透水水系系数数( (m m/ /s s) )-1-10-1-10-2-10-3-10-4-10-5-10-6-10-7-10-8-10-9-10-10三三. .地铁盾构结构设计地铁盾构结构设计主要设计原则主要设计原则抗震设防烈度：度，抗震设防烈度：度，结构设计按结构设计按7 7度采
7、取构造处理措施度采取构造处理措施结构设计使用年限：结构设计使用年限：100100年年结构的安全等级：一级结构的安全等级：一级消防要求：联络通道设置间距，沿隧道纵向方向不大于600m抗浮安全系数：抗浮安全系数：不考虑侧摩阻力时，大于等于不考虑侧摩阻力时，大于等于1.11.1三三. .地铁盾构结构设计地铁盾构结构设计 设计原则设计原则 单管大洞方案单管大洞方案内径内径1010米，外径米，外径1111米；米；双管小洞方案双管小洞方案内径内径5.45.4米，外径米，外径6.06.0米；米；三三. .地铁盾构结构设计地铁盾构结构设计 断面方案断面方案 管片类型管片类型钢管片钢管片钢筋混凝土管片钢筋混凝土
8、管片三三. .地铁盾构结构设计地铁盾构结构设计管片结构管片结构 衬砌环形式衬砌环形式普通环普通环左转弯环左转弯环+ +直线环直线环+ +右转弯环右转弯环通用环通用环一一种种楔楔形形环环管管片片的的不不同同角角度度的旋转拟合线路的旋转拟合线路 三三. .地铁盾构结构设计地铁盾构结构设计管片结构管片结构 管片拼装形式管片拼装形式通缝拼装通缝拼装拼装难度小，衬砌空间刚度稍差。拼装难度小，衬砌空间刚度稍差。 错缝拼装错缝拼装接接缝缝刚刚度度分分布布均均匀匀，整整体体性性较较好好，管片精度要求高，拼装难度较大。管片精度要求高，拼装难度较大。三三. .地铁盾构结构设计地铁盾构结构设计 管片结构管片结构 管
9、片接缝连接管片接缝连接弯螺栓连接弯螺栓连接斜螺栓连接斜螺栓连接直螺栓连接直螺栓连接三三. .地铁盾构结构设计地铁盾构结构设计 管片结构管片结构 管片环宽管片环宽管片环宽管片环宽 .5m.5m.5m.5m；外径；外径；外径；外径6.0m6.0m6.0m6.0m管片管片管片管片 楔形量楔形量楔形量楔形量45mm45mm45mm45mm； C50 C50 C50 C50通用环管片；通用环管片；通用环管片；通用环管片；管片厚度管片厚度管片厚度管片厚度 300mm 300mm 300mm 300mm；管片分管片分管片分管片分6 6 6 6块，块，块，块，5+15+15+15+1模式，模式，模式，模式，小
10、封顶小封顶小封顶小封顶三三. .地铁盾构结构设计地铁盾构结构设计 管片结构管片结构 武汉地铁管片武汉地铁管片三三. .地铁盾构结构设计地铁盾构结构设计 衬砌内力分析衬砌内力分析 地层结构法地层结构法（有限元法）（有限元法）二维平面分析二维平面分析三维空间分析三维空间分析荷载结构法荷载结构法弹性均质圆环法弹性均质圆环法弹性铰接圆环法弹性铰接圆环法 日本修正惯用法日本修正惯用法 二维平面分析二维平面分析三维空间分析三维空间分析弹性均质圆环法弹性均质圆环法弹性铰接圆环法弹性铰接圆环法三三. .地铁盾构结构设计地铁盾构结构设计 衬砌内力分析衬砌内力分析 日本修正惯用法日本修正惯用法考考虑虑管管片片接接
11、头头影影响响，进进行行刚刚度度折折减后按均质圆环进行计算；减后按均质圆环进行计算；地层抗力按三角形抗力考虑；地层抗力按三角形抗力考虑；计计算算结结果果考考虑虑管管片片环环间间错错缝缝拼拼装装影响进行内力调整。影响进行内力调整。管片内力管片内力MgMg：计算的弯矩为（：计算的弯矩为（1+1+）M M，轴力为，轴力为N N；接头内力接头内力MfMf：计算的弯矩为（：计算的弯矩为（1-1-）M M，轴力为，轴力为N N；：弯距调整系数，一般取：弯距调整系数，一般取0.30.30.50.5。三三. .地铁盾构结构设计地铁盾构结构设计 衬砌内力分析衬砌内力分析 计算结果示意计算结果示意三三. .地铁盾构
12、结构设计地铁盾构结构设计 衬砌内力分析衬砌内力分析 土压力计算土压力计算土柱理论（土柱理论（H2DH=2DH=2D）三三. .地铁盾构结构设计地铁盾构结构设计 变形分析变形分析 地面变形阶段地面变形阶段分五个阶段分五个阶段三三. .地铁盾构结构设计地铁盾构结构设计 变形分析变形分析 地面变形机理地面变形机理阶段阶段沉降类型沉降类型主要原因主要原因一一初始沉降初始沉降地下水位降低地下水位降低, ,二二开挖面前方隆陷开挖面前方隆陷隆起隆起: :盾构机推力过大盾构机推力过大沉降沉降: :盾构机推力过小出碴过量盾构机推力过小出碴过量三三盾构通过时地沉降盾构通过时地沉降施工震动扰动施工震动扰动, ,剪切
13、错动剪切错动四四盾尾沉降盾尾沉降土体失去盾构支撑土体失去盾构支撑, ,管片壁后注浆不及时管片壁后注浆不及时五五固结沉降固结沉降土体后续时效变形土体后续时效变形三三. .地铁盾构结构设计地铁盾构结构设计 变形分析变形分析 地面变形计算地面变形计算PeckPeck公式公式数值计算数值计算有有限限元元法法、有有限限差差分分法法进进行行隧隧道道开开挖挖施工过程模拟分析施工过程模拟分析应应用用于于盾盾构构施施工工对对周周边边构构筑筑物物影影响响分分析。析。三三. .地铁盾构结构设计地铁盾构结构设计 变形分析变形分析 施工对周边构筑物影响施工对周边构筑物影响桥梁、民建桩基础桥梁、民建桩基础桩顶位移小于6m
14、m铁路铁路任意10m范围内的最大沉降差5mm。铁路两条钢轨间的横向高差4mm地下车行、人行通道地下车行、人行通道变形控制：-20+10mm敏感构筑物敏感构筑物相关规范的允许范围地下管线地下管线相关规范的允许范围地铁地铁8号线穿越竹叶山高架立交桥桩号线穿越竹叶山高架立交桥桩地铁地铁8号线下穿友谊大道通道号线下穿友谊大道通道地铁地铁8号线下穿徐东平价人行通道号线下穿徐东平价人行通道三三. .地铁盾构结构设计地铁盾构结构设计 变形分析变形分析 变形控制变形控制盾构施工控制盾构施工控制严格控制开挖面的出土量严格控制开挖面的出土量提高施工的速度和连续性提高施工的速度和连续性及时同步注浆及时同步注浆,缩短
15、衬砌脱出盾尾的暴露时间缩短衬砌脱出盾尾的暴露时间地层改良地层改良高压旋喷桩、搅拌桩、灌浆高压旋喷桩、搅拌桩、灌浆隔离桩隔离桩四四. .隧道附属结构设计隧道附属结构设计四四. .附属结构设计附属结构设计 工作井工作井 工作井工作井盾构始发盾构始发盾构接受盾构接受盾构调头盾构调头盾构过站盾构过站站内过站、站外过站站内过站、站外过站四四. .附属结构设计附属结构设计 工作井工作井 洞门密封洞门密封洞圈与盾构外径有一定的间隙洞圈与盾构外径有一定的间隙防防止止盾盾构构出出洞洞时时及及施施工工期期间间土土体体及及浆液从该间隙中流失浆液从该间隙中流失在在洞洞圈圈周周围围安安装装由由橡橡胶胶帘帘布布、扇扇形形
16、压板等组成的密封装置。压板等组成的密封装置。四四. .附属结构设计附属结构设计端头加固端头加固目的目的控制地下水压力控制地下水压力防止盾构掘进时由超挖而引起的土砂流入。防止盾构掘进时由超挖而引起的土砂流入。方式方式高压旋喷桩、搅拌桩、灌浆高压旋喷桩、搅拌桩、灌浆 工作井工作井 四四. .附属结构设计附属结构设计 联络通道联络通道 联络通道设置联络通道设置距离距离间距不大于间距不大于600 m方式方式独立联络通道独立联络通道联络通道与泵房合建联络通道与泵房合建四四. .附属结构设计附属结构设计 联络通道联络通道 特殊衬砌环特殊衬砌环特殊钢管片特殊钢管片局部拆除局部拆除钢筋混凝土管片钢筋混凝土管片
17、 局部切割局部切割采用特殊的配筋设计采用特殊的配筋设计四四. .附属结构设计附属结构设计 联络通道联络通道 施工方法施工方法矿山法施工矿山法施工地基加固地基加固 冻结法冻结法高压旋喷高压旋喷地面注浆地面注浆五五. .盾构隧道防水设计盾构隧道防水设计五五. .盾构隧道防水设计盾构隧道防水设计 设计原则标准设计原则标准 设计原则设计原则以防为主，刚柔结合，多道设防，因地制宜，综合治理。以防为主，刚柔结合，多道设防，因地制宜，综合治理。以结构自防水为主，关键处理好环纵缝的防水。以结构自防水为主，关键处理好环纵缝的防水。 设计标准设计标准结构防水等级为二级结构防水等级为二级 五五. .盾构隧道防水设计
18、盾构隧道防水设计 防水设计防水设计 管片自防水管片自防水混凝土等级为混凝土等级为C50C50，抗渗等级，抗渗等级P10P10。接缝防水接缝防水海绵橡胶海绵橡胶弹性密封垫弹性密封垫嵌缝（聚硫密封胶嵌缝（聚硫密封胶 ）螺栓孔的防水螺栓孔的防水 采用遇水膨胀橡胶密封圈采用遇水膨胀橡胶密封圈 海绵橡胶嵌缝弹性密封垫六六. .地铁盾构设计重难点地铁盾构设计重难点六六. .地铁盾构设计重难点地铁盾构设计重难点注重与线路专业协调沟通注重与线路专业协调沟通平面设计平面设计 避绕构筑物避绕构筑物纵面设计纵面设计 地质选线地质选线 最低点控制最低点控制盾构始发、接收盾构始发、接收工作井洞门破除工作井洞门破除 端头加固端头加固临时防水临时防水 掌子面稳定掌子面稳定 联络通道联络通道与盾构隧道连接节点与盾构隧道连接节点加固方案加固方案施工配合施工配合增强现场分析解决问题的能力增强现场分析解决问题的能力
