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1、建筑工程学院建筑工程学院地下建筑结构课件第六章盾构法装配式圆形衬砌结构2 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life, there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望建筑工程学院建筑工程学院（三）按多铰圆环计算圆环内力（三）按多铰圆环计算圆环内力（1 1）日本山本稔法）日本山本稔法 计算方法计算方法结构按静定结构分析结构按静定结构分析衬砌各个截面处地层抗力衬砌各个截面处地层抗力四、衬砌内力计算四、衬砌内力计算 建筑工程学院建筑工程学院解解1-21-2杆杆 日本山本稔法日本山本稔法建筑工程学院建筑工程学院解解
2、2-32-3杆杆 日本山本稔法日本山本稔法建筑工程学院建筑工程学院解解3-43-4杆杆 日本山本稔法日本山本稔法建筑工程学院建筑工程学院q计算注意点计算注意点q衬砌圆环各个截面上的值与侧向或底部的作用荷载叠加后衬砌圆环各个截面上的值与侧向或底部的作用荷载叠加后的数值要求有一定的控制，不能超越一容许值。的数值要求有一定的控制，不能超越一容许值。q圆环除强度计算外，还得计算其变形及稳定要求。圆环除强度计算外，还得计算其变形及稳定要求。q圆环破坏条件圆环破坏条件q以非约束铰为中心的三个铰（以非约束铰为中心的三个铰（i-1i-1）、（）、（i i）、（）、（i+1i+1）的座的座标系统排列在一直线上，
3、由结构丧失稳定。标系统排列在一直线上，由结构丧失稳定。（三）按多铰圆环计算圆环内力（三）按多铰圆环计算圆环内力建筑工程学院建筑工程学院（2 2）苏联的多铰圆环内力计算）苏联的多铰圆环内力计算 苏联的这种多铰圆环设计计苏联的这种多铰圆环设计计算方法与日本山本方法最大的算方法与日本山本方法最大的差异在于苏联方法认为衬砌与差异在于苏联方法认为衬砌与地层之间不产生相对的位移，地层之间不产生相对的位移，而山本法则认为衬砌环与地层而山本法则认为衬砌环与地层间能完全自由滑移，而忽视了间能完全自由滑移，而忽视了地层土抗力的切线部分。地层土抗力的切线部分。 （三）按多铰圆环计算圆环内力（三）按多铰圆环计算圆环内
4、力建筑工程学院建筑工程学院（2 2）苏联的多铰圆环内力计算）苏联的多铰圆环内力计算 内力计算结果比较内力计算结果比较（三）按多铰圆环计算圆环内力（三）按多铰圆环计算圆环内力建筑工程学院建筑工程学院衬砌结构在各个工作阶段内力计算完成后，就可衬砌结构在各个工作阶段内力计算完成后，就可分别或组合几个工作阶段的内力情况进行断面选择。分别或组合几个工作阶段的内力情况进行断面选择。断面选择在各个不同工作阶段具有不同内容和要求，断面选择在各个不同工作阶段具有不同内容和要求，在基本使用荷载阶段，需进行抗裂或裂缝限制，强度在基本使用荷载阶段，需进行抗裂或裂缝限制，强度和变形等验算，而在组合基本荷载阶段和特殊荷载
5、阶和变形等验算，而在组合基本荷载阶段和特殊荷载阶段的衬砌内力时，一般仅进行强度的检验，变形和裂段的衬砌内力时，一般仅进行强度的检验，变形和裂缝开展可不予以考虑。缝开展可不予以考虑。 五、衬砌断面选择五、衬砌断面选择 建筑工程学院建筑工程学院抗裂计算抗裂计算 偏压构件断面上的内力分别为弯矩偏压构件断面上的内力分别为弯矩M M、轴向力轴向力N N。 混凝土抗拉极限应变值混凝土抗拉极限应变值 （一）抗裂及裂缝限制的计算（一）抗裂及裂缝限制的计算 受拉钢筋的应变值受拉钢筋的应变值 混凝土最大压应变混凝土最大压应变 受压钢筋的应变值受压钢筋的应变值 建筑工程学院建筑工程学院求出裂缝出现前的中和轴的位置求
6、出裂缝出现前的中和轴的位置 （一）抗裂及裂缝限制的计算（一）抗裂及裂缝限制的计算对偏心距对偏心距e e0 0 建筑工程学院建筑工程学院隧道衬砌结构的强度计算往往是先假定衬砌的混隧道衬砌结构的强度计算往往是先假定衬砌的混凝土横断面尺寸：宽度及厚度，根据使用上的要求，凝土横断面尺寸：宽度及厚度，根据使用上的要求，给定混凝土标号（一般装配式构件的标号大都选用在给定混凝土标号（一般装配式构件的标号大都选用在400400号以上）和钢筋种类（目前国内用得较多的是号以上）和钢筋种类（目前国内用得较多的是1616MnMn）要求选择钢筋面积。要求选择钢筋面积。当当构构件件承承受受瞬瞬时时荷荷载载时时，建建筑筑材
7、材料料的的强强度度指指标标可可按特殊规定适当提高。按特殊规定适当提高。强度计算和配筋选择可按一般钢筋混凝土偏压构强度计算和配筋选择可按一般钢筋混凝土偏压构件计算件计算 。 （二）、衬砌断面强度计算（二）、衬砌断面强度计算 建筑工程学院建筑工程学院首先判断偏压截面的偏心距首先判断偏压截面的偏心距 （二）、衬砌断面强度计算（二）、衬砌断面强度计算 属于大偏心受压 属于小偏心受压 先假定中和轴 计算出 的为负值时，说明混凝土受压区强度已够，按构造需要配设钢筋 建筑工程学院建筑工程学院混凝土受压区高度混凝土受压区高度x x已不等于已不等于0.550.55h h，必须重行计算必须重行计算 （二）、衬砌断
8、面强度计算（二）、衬砌断面强度计算 在计算出中和轴x后，再代入下式建筑工程学院建筑工程学院 时时，应应按按受受压压钢钢筋筋 为为矩矩心心的的力力矩矩平平衡衡公公式式计计算算，并并假假定定混混凝凝土土应应力和受压钢筋应力作用点重合力和受压钢筋应力作用点重合 （二）、衬砌断面强度计算（二）、衬砌断面强度计算 为偏于安全计，计算公式中常不采 用 而采用 建筑工程学院建筑工程学院 时，属于小偏心受压。时，属于小偏心受压。（二）、衬砌断面强度计算（二）、衬砌断面强度计算 时时，受受压压筋筋配配得得较较多多，而而破坏可能发生在破坏可能发生在 一侧一侧 建筑工程学院建筑工程学院衬砌圆环的水平直径变形计算衬砌
9、圆环的水平直径变形计算 （三）、衬砌圆环的直径变形计算（三）、衬砌圆环的直径变形计算 建筑工程学院建筑工程学院各种荷载条件下的圆环水平直径变形系数各种荷载条件下的圆环水平直径变形系数 ( (三三) )、衬砌圆环的直径变形计算、衬砌圆环的直径变形计算 编编 号号 荷荷 重重 形形 式式 水平直径处（半径方向）水平直径处（半径方向） 图图 示示 1 1铅直分布荷重铅直分布荷重 2 2水平均布荷重水平均布荷重 3 3等边分布荷重等边分布荷重 0 04 4等腰等腰分布荷重分布荷重 5 5自自 重重 建筑工程学院建筑工程学院（一）接缝张开的验算（一）接缝张开的验算 管片拼装之际由于受到螺栓预应力管片拼装
10、之际由于受到螺栓预应力的作用，在接缝上产生预压应力的作用，在接缝上产生预压应力( (四四) )、纵向接缝计算、纵向接缝计算 当接缝受到外荷后的应力状态当接缝受到外荷后的应力状态 建筑工程学院建筑工程学院（一）接缝张开的验算（一）接缝张开的验算 最终接缝应力最终接缝应力 ( (四四) )、纵向接缝计算、纵向接缝计算 接缝变形量接缝变形量 裂缝不张开裂缝不张开q无拉应力无拉应力q拉应力小于涂料的粘结力拉应力小于涂料的粘结力q伸长量小于涂料的弹性变形量伸长量小于涂料的弹性变形量建筑工程学院建筑工程学院（二）纵向接缝强度计算（二）纵向接缝强度计算 接缝强度计算时接缝强度计算时，近似地把螺栓看作受拉钢筋
11、按钢筋混凝土截面进行。近似地把螺栓看作受拉钢筋按钢筋混凝土截面进行。一般先假定螺栓直径、数量和位置，然后对接缝强度的安全度进行验算。一般先假定螺栓直径、数量和位置，然后对接缝强度的安全度进行验算。( (四四) )、纵向接缝计算、纵向接缝计算 计算中和轴计算中和轴 x x建筑工程学院建筑工程学院( (四四) )、纵向接缝计算、纵向接缝计算 属于大偏心受压属于大偏心受压 属于大偏心受压属于大偏心受压 满足满足K1.55 K1.55 建筑工程学院建筑工程学院纵向接缝中环向螺栓位置纵向接缝中环向螺栓位置a a（高度）的设置高度）的设置管片厚度大于管片厚度大于400400mmmm设双排螺栓设双排螺栓，内
12、外排螺栓孔的位置离管片内外二侧不小于内外排螺栓孔的位置离管片内外二侧不小于100100mmmm管片厚度小于管片厚度小于400400mmmm设有单排螺栓，则螺栓孔位置大致为管片厚度的设有单排螺栓，则螺栓孔位置大致为管片厚度的1/31/3处。处。( (四四) )、纵向接缝计算、纵向接缝计算 建筑工程学院建筑工程学院环缝的综合伸长量环缝的综合伸长量 ( (五）、环缝的近似计算五）、环缝的近似计算 管片伸长量管片伸长量 纵纵向螺栓伸向螺栓伸长长量量 环缝环缝的合成的合成刚刚度度 环缝的合成抗弯强度环缝的合成抗弯强度 建筑工程学院建筑工程学院例例 1 1）1616只纵向螺栓的抗弯强度（不按合成断面考虑）
13、，只纵向螺栓的抗弯强度（不按合成断面考虑），M30M30纵向螺栓，纵向螺栓，4545钢钢 ( (五）、环缝的近似计算五）、环缝的近似计算 建筑工程学院建筑工程学院2 2 2 2） 钢筋混凝土管片的纵向抗弯强度，配纵向钢筋钢筋混凝土管片的纵向抗弯强度，配纵向钢筋钢筋混凝土管片的纵向抗弯强度，配纵向钢筋钢筋混凝土管片的纵向抗弯强度，配纵向钢筋7979797910101010， ( (五）、环缝的近似计算五）、环缝的近似计算 混凝土面积混凝土面积按环形横断面计算按环形横断面计算 建筑工程学院建筑工程学院3 3）钢筋混凝土管片和纵向螺栓的合成纵向抗弯强度）钢筋混凝土管片和纵向螺栓的合成纵向抗弯强度管片
14、宽度：管片宽度：9090cmcm，螺栓长度螺栓长度18.518.5cmcm， ( (五）、环缝的近似计算五）、环缝的近似计算 弹性模量：弹性模量：混凝土混凝土 钢钢 断面模量：混凝土断面模量：混凝土 断面模量：螺栓断面模量：螺栓 建筑工程学院建筑工程学院3 3）钢筋混凝土管片和纵向螺栓的合成纵向抗弯强度）钢筋混凝土管片和纵向螺栓的合成纵向抗弯强度( (五）、环缝的近似计算五）、环缝的近似计算 螺栓应变值螺栓应变值 混凝土应变值混凝土应变值 建筑工程学院建筑工程学院纵向螺栓（或环缝上的凹凸椎槽）的纵向传递能力的估算纵向螺栓（或环缝上的凹凸椎槽）的纵向传递能力的估算( (五）、环缝的近似计算五）、
15、环缝的近似计算 环缝面上的摩阻力环缝面上的摩阻力 环缝内纵向螺栓纵向传递能力环缝内纵向螺栓纵向传递能力 建筑工程学院建筑工程学院例管片厚例管片厚 ，弦长，弦长 ，环缝面积，环缝面积 ，1616只只M30M30纵向螺栓纵向螺栓 ，螺栓预压应力取，螺栓预压应力取10001000kg/cmkg/cm2 2 ( (五）、环缝的近似计算五）、环缝的近似计算 环缝面上的预压应力环缝面上的预压应力 环缝面上的摩阻力环缝面上的摩阻力 两侧纵向螺栓可传递纵向弯矩两侧纵向螺栓可传递纵向弯矩4.4.8 8t-mt-m 建筑工程学院建筑工程学院一隧道的外径为一隧道的外径为11.211.2m m，内径为内径为10.11
16、0.1m m，覆土深度为覆土深度为21.221.2m m。地下水地下水位考虑在地面以下位考虑在地面以下1 1m m处。隧道内设处。隧道内设置一道下拉杆，以加强抵抗特殊荷置一道下拉杆，以加强抵抗特殊荷载的结构能力。隧道两侧土壤介质载的结构能力。隧道两侧土壤介质的内摩擦角的内摩擦角 。隧道在基本使。隧道在基本使用阶段不考虑下拉杆的结构作用；用阶段不考虑下拉杆的结构作用；当在承受基本使用阶段荷载和特殊当在承受基本使用阶段荷载和特殊荷载组合阶段时，则考虑下拉杆作荷载组合阶段时，则考虑下拉杆作用用 ( (六）、算例六）、算例 建筑工程学院建筑工程学院衬砌结构尺寸：衬砌结构尺寸：基本使用阶段基本使用阶段
17、重心重心z z( (六）、算例六）、算例计算半径计算半径 r r基本使用荷载基本使用荷载+ +特殊荷载组合阶段：特殊荷载组合阶段：考考虑虑在在外外层层管管片片内内部部再再行行敷敷设设200200厚厚内内衬衬钢钢筋混凝土层筋混凝土层 计算半径计算半径 r r建筑工程学院建筑工程学院计算过程黑板演示计算过程黑板演示阶段结果需要重新设计阶段结果需要重新设计( (六）、算例六）、算例建筑工程学院建筑工程学院一、衬砌的抗渗一、衬砌的抗渗q合理提出衬砌本身的抗渗指标合理提出衬砌本身的抗渗指标q经过抗渗试验的混凝土的合适配合比；严格控制水灰比，经过抗渗试验的混凝土的合适配合比；严格控制水灰比，一般不大于一般
18、不大于0.40.4，另加塑化剂以增加混凝土的和易性。，另加塑化剂以增加混凝土的和易性。q衬砌构件的最小混凝土厚度和钢筋保护层。衬砌构件的最小混凝土厚度和钢筋保护层。q管片生产工艺：振捣方式和养护条件的选择。管片生产工艺：振捣方式和养护条件的选择。q严格的产品质量检验制度。严格的产品质量检验制度。q减少管片在堆放、运输和拼装过程中的损坏率。减少管片在堆放、运输和拼装过程中的损坏率。二、管片制作精度二、管片制作精度较大的初始接隙较大的初始接隙 ，合适的，合适的防水密封垫防水密封垫 管管片片制制作作精精度度的的不不够够，在在盾盾构构推推进进过过程程中中造造成成管管片片的的顶顶碎碎和和开裂，同样造成了
19、漏水的现象。开裂，同样造成了漏水的现象。六、隧道防水及其综合处理六、隧道防水及其综合处理 建筑工程学院建筑工程学院三、接缝防水的基本技术要求三、接缝防水的基本技术要求三、接缝防水的基本技术要求三、接缝防水的基本技术要求qq保持永久的弹性状态和具有足够的承压能力，使之适应隧道长期处于保持永久的弹性状态和具有足够的承压能力，使之适应隧道长期处于保持永久的弹性状态和具有足够的承压能力，使之适应隧道长期处于保持永久的弹性状态和具有足够的承压能力，使之适应隧道长期处于“ “蠕动蠕动蠕动蠕动” ”状态而产生的接缝张开和错动。状态而产生的接缝张开和错动。状态而产生的接缝张开和错动。状态而产生的接缝张开和错动
20、。qq具有令人满意的弹性期龄和工作效能。具有令人满意的弹性期龄和工作效能。具有令人满意的弹性期龄和工作效能。具有令人满意的弹性期龄和工作效能。qq与混凝土构件具有一定的粘结力。与混凝土构件具有一定的粘结力。与混凝土构件具有一定的粘结力。与混凝土构件具有一定的粘结力。qq能适应地下水的侵蚀。能适应地下水的侵蚀。能适应地下水的侵蚀。能适应地下水的侵蚀。环缝密封垫环缝密封垫环缝密封垫环缝密封垫 需需需需要要要要有有有有足足足足够够够够的的的的承承承承压压压压能能能能力力力力和和和和弹弹弹弹性性性性复复复复原原原原力力力力，能能能能承承承承受受受受和和和和均均均均布布布布盾盾盾盾构构构构千千千千斤斤斤
21、斤顶顶顶顶顶顶顶顶力力力力，防防防防止止止止管管管管片片片片顶顶顶顶碎碎碎碎。并并并并在在在在千千千千斤斤斤斤顶顶顶顶顶顶顶顶力力力力往往往往复复复复作作作作用用用用下下下下，密密密密封封封封垫垫垫垫仍仍仍仍保保保保持持持持良良良良好的弹性变形性能。好的弹性变形性能。好的弹性变形性能。好的弹性变形性能。纵缝密封垫纵缝密封垫纵缝密封垫纵缝密封垫 具具具具有有有有比比比比环环环环缝缝缝缝密密密密封封封封垫垫垫垫相相相相对对对对较较较较低低低低的的的的承承承承压压压压能能能能力力力力，能能能能对对对对管管管管片片片片的的的的纵纵纵纵缝缝缝缝初初初初始始始始缝缝缝缝隙进行填平衬齐，并对局部的集中应力具
22、有一定的缓冲和抑制作用。隙进行填平衬齐，并对局部的集中应力具有一定的缓冲和抑制作用。隙进行填平衬齐，并对局部的集中应力具有一定的缓冲和抑制作用。隙进行填平衬齐，并对局部的集中应力具有一定的缓冲和抑制作用。在在在在环环环环、纵纵纵纵缝缝缝缝沿沿沿沿隧隧隧隧道道道道内内内内侧侧侧侧设设设设置置置置嵌嵌嵌嵌缝缝缝缝槽槽槽槽，在在在在槽槽槽槽内内内内填填填填嵌嵌嵌嵌密密密密封封封封防防防防水水水水材材材材料料料料 ，嵌嵌嵌嵌缝缝缝缝材材材材料最好在隧道变形已趋于基本稳定的情况下进行施工。料最好在隧道变形已趋于基本稳定的情况下进行施工。料最好在隧道变形已趋于基本稳定的情况下进行施工。料最好在隧道变形已趋
23、于基本稳定的情况下进行施工。 六、隧道防水及其综合处理六、隧道防水及其综合处理 建筑工程学院建筑工程学院四、二次衬砌四、二次衬砌 在目前隧道接缝防水尚未能完全满足要求情况下，在地铁区间隧道在目前隧道接缝防水尚未能完全满足要求情况下，在地铁区间隧道内较多的是用双层衬砌。在外层装配式衬砌已趋基本稳定的情况下，进内较多的是用双层衬砌。在外层装配式衬砌已趋基本稳定的情况下，进行二次内衬浇捣，在内衬混凝土浇筑前应对隧道内侧的渗漏点进行修衬行二次内衬浇捣，在内衬混凝土浇筑前应对隧道内侧的渗漏点进行修衬堵漏，污泥以高压水部浇、清理。堵漏，污泥以高压水部浇、清理。 双层衬砌的做法不一，有在外层衬砌结构内直接浇
24、捣两次内衬混凝双层衬砌的做法不一，有在外层衬砌结构内直接浇捣两次内衬混凝土的，也有在外层衬砌的内侧面先喷注土的，也有在外层衬砌的内侧面先喷注2020mmmm厚的找平层，再铺设油毡或厚的找平层，再铺设油毡或合成橡胶类的防水层，在防水层上浇注内衬混凝土层的。合成橡胶类的防水层，在防水层上浇注内衬混凝土层的。 内衬混凝土一般者采用混凝土泵再加钢模台车配合分段进行，也有用内衬混凝土一般者采用混凝土泵再加钢模台车配合分段进行，也有用喷射混凝土进行二次衬砌。喷射混凝土进行二次衬砌。 五、其它五、其它 隧道防水还有其它的一些附加措施可以采用，诸如隧道外围的压隧道防水还有其它的一些附加措施可以采用，诸如隧道外围的压浆，以及地层注浆等，视不同情况予以采用。浆，以及地层注浆等，视不同情况予以采用。六、隧道防水及其综合处理六、隧道防水及其综合处理
