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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,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。地
2、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。,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
3、的初衬砌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。,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。,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、推力装置的数量、垫
4、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。,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),2010-05
5、-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,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。,2010-0
6、5-28,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。,20
7、10-05-28,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
8、荷载；（7）施工期间的荷载；（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
9、道外径时。,2010-05-28,当覆土厚度H2D时，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419）。砂质,当H12D（D为管片外径）时多采用松弛土压力；粘性,硬质粘土（N0）良好地基，H12D时多采用松弛土压力中等固结的粘土（4N8）和软粘土（2N4）,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
10、以互层的状态进行松弛土压力的计算。,(2)垂直土压力,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,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
11、衬砌顶部和底部的水压力分别为,2010-05-28,2010-05-28,4.2.2.4 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；,20
12、10-05-28,铁路车辆荷载：25kN/m2,2010-05-28,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）。,2010-05-2
13、8,2010-05-28,4.2.2.7 内部荷载由于隧道拱部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,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
14、作为二次支护的材料。弹性模型 钢筋混凝土弹性模型如表43（P99）。,2010-05-28,4.2.3.2 应力应变曲线混凝土应力-应变采用图426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428,2010-05-28,2010-05-28,
15、4.2.5.2 内力计算4.2.5.2.1计算模型隧道结构设计计算中结构内力(M、N、S）的方法如图429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434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423）。,2010-05-28,图423,2010-05-28,2010-05-28,抗弯刚度的有效率,2010-05-28,连接缝的评价 如果管片衬砌连接缝有或没有螺
16、栓，它在连接缝的实际弯曲刚度小于管片的弯曲刚度。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,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（4-3
17、1）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,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一个内径为50mm的孔洞。,2010-05-28,4.2.9.4 K型管片的连接角 K型管片的类型分两种：(1)沿径向插入的K-管片（Kr-管片）(2)沿周长
18、方向插入的K-管片（Kl-管片）。,2010-05-28,锥形管片 锥形管片是用来曲线连接施工或盾构方向控制的K型管片，最大宽度和最小宽度的差异系数能够用公式4-34来计算,4-34,2010-05-28,4.2.11.1 概述,4.2.11 二次衬砌,二次衬砌是用混凝土现场浇注而成。它被划分成非结构部分和结构部分。前者用来加固管片，防止腐蚀和振动的影响，提高衬砌的承载力并纠正误差。后者被用作连接管片衬砌的结构部分。,2010-05-28,二次衬砌结构设计思想有以下四种情况：(1)将一次衬砌作为隧道的主体结构，二次衬砌作为对此衬砌进行补强、防蚀、防渗、减糙、修正和校正中心线偏离所用的构件来考虑
19、。,4.2.11.1 概述,4.2.11 二次衬砌,第1种思想的理由是，从一次衬砌完工后到二次衬砌施工前有一个较长的时段，在该时段内，来自地层的外部荷载将达到极限值，在这种情况下，二次衬砌可以不予考虑隧道的承载力，而只承受自重即可。,2010-05-28,(2)将二次衬砌作为主体结构的主体，一次衬砌作为某一特定时间使用的临时结构物考虑。,第2种思想的理由是，一次衬砌只是二次衬砌这一段时间的临时结构物。也就是说，一次衬砌只是在某一有限时间内使用的构件，在这种情况下，即可认为土压力之类的渐增荷载将减少部分极限荷载，也可将一次衬砌作为临时结构物按增加了容许应力来设计。但是，这种折减荷载的方法和增加容
20、许应力的方法，对作为临时结构物使用时间的设计方法均极不明确，因而难以将第2种思想用于实际。,2010-05-28,(3)将二次衬砌和一次衬砌合在一起看作是隧道的主体结构。,第3种思想认为，二次衬砌是继一次衬砌之后施工的，此时，由于地层形状方面的原因，在二次衬砌施工前作用于一次衬砌的荷载尚未达到极限荷载，当二次衬砌完成后，又增加诸如内水压力等新荷载。因此，设计时可将一次衬砌和二次衬砌均视为隧道主体结构的一部分。从二次衬砌的承载能力在隧道主体承载机理中得到充分反应这一点看，可以说这是盾构隧道衬砌设计的合理思想。但是，在这种情况下，二次衬砌荷载时地层荷载与极限荷载是否有关系目前不明确，一次衬砌与二次
21、衬砌联合作用机理对后期增加荷载的关系也不明确。,2010-05-28,(4)一次衬砌承受外荷载，二次衬砌承受内荷载。,按第4思想，结构的受力情况比较明确。在工程措施方面，一般需在一次衬砌与二次衬砌之间增设软垫层，减小两层变形之间相互约束的影响，以达到各自独立承受荷载的想法，但按这种思想设计的盾构隧道工程量必然是相对较大的。,2010-05-28,二次衬砌作为非结构部分的厚度通常在15cm30cm的范围。而作为二次衬砌结构部分的厚度则由设计计算的结构所决定。,4.2.11.2 厚度,2010-05-28,4.2.11.3 内力计算 如果二次衬砌作为结构部分被浇注的话，那么二次衬砌内力计算所使用的荷载就是在二次衬砌完成后作用在衬砌上的荷载。如果二次衬砌是非结构部分，那么为它的设计计算可忽略。然而，为了安全起见，也可能使用静荷载作为荷载条件进行验算。如果在浇筑二次衬砌之前防水层处没有排水系统，那么二次衬砌应该用完全水压力最大值进行设计。,
