盾构法隧道衬砌结构设计(设计)

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；2010-05-282010-05-282010-05-28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4.1盾构法概述2010-05-284.1.1盾构法衬砌设计流程（1）遵守相关规划、规范或标准（2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（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4.1.1盾构法衬砌设计流程2010-05-282010-05-28（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（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（7）评估如果设计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。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)2010-05-282010-05-28(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)2010-05-28（5）静荷载、存储及装配荷载弯矩的影响(图4-10)2010-05-282010-05-28（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2010-05-284.1.3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。2010-05-28常用管片形状2010-05-282010-05-282010-05-282010-05-282010-05-28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2010-05-282010-05-28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。2010-05-282010-05-28连接缝的类型：2010-05-282010-05-282010-05-28计算中使用的符号范例2010-05-284.2盾构衬砌结构设计方法•软土的物理特征规定如下：22502.5125MN/m/800.6MN/muNENqN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2010-05-281、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）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2010-05-282、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2010-05-282010-05-28（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)将垂直土压力作为作用于衬砌顶部的均布荷载来考虑。2010-05-2810eiijjppHHjiHHH(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，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H1～2D（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，H1～2D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)垂直土压力2010-05-28452破坏面与水平方向的夹角101cot()242BRvdvvdhhtandvh摩擦力：dCh黏聚力：对于单边v水平应力，也即法向应力：1112(2tan22)d0BBBChvvvv（+d）-20R重力摩擦力黏聚力摩擦力12dBh2010-05-2810eph0whH当100011100(1)[1exp(tan)]exp[tan]tanCHHBKpKBBBhK如果隧道位于潜水位以上10'eph2010-05-2800pHp当：不考虑的影响101100(1)[1exp(tan)]tanCHBKBBhK101100()[1exp(tan)]tanvCHBKBBhK2010-05-2802,wHHD当，不成拱10()'ewwppHHH1121(')2['(2)]2eeeectqptqpR拱顶表面压力tcR_2()2CDtDR衬砌外直径2010-05-2810()'ewwphHHtcR002,wHhDH当且成拱拱以上土对隧道压力不予考虑1121(')2['(2)]2eeeectqptqpR2010-05-2810'eph00;2wwHhHHD当;tcR1121(')2['(2)]2eeeectqptqpR2010-05-2810eppH02,cwRHHD当－2;不成拱1121()2['(2())()]2eeeecwwtqptqpRHHtcR2010-05-2810eph02,cwRHHD当－2;成拱tcR1121()2['(2())()]2eeeecwwtqptqpRHH2010-05-2810eppH2,wcHRHD当－2;不成拱1121()2[(2)]2eeeectqptqpRtcR2010-05-2810eph2wcHRHD当－2;1121()2[(2)],2eeeecwtqptqpRH不考虑tcR2010-05-28•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。2010-05-28122eeeqqq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[(1cos)]2若采用静水压力，则管片上各点处的水压力为2010-05-2812012[(22)](2)2()2[(2)]2衬砌侧向水压力：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02ctRR2010-05-28gpcRwp2wq2eq2010-05-284.2.2.4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2cWRgtgc2010-05-28考虑自重对地基的反作用力：2112wgweepppppweDgp1其中：gpg2010-05-28不考虑自重对地基的反作用力：2112wweeppppweDp12010-05-284.2.2.5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/m22010-05-28建筑物的重量：10kN/m22010-05-284.2.2.6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。2010-05-282010-05-28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qk2010-05-2844(2'π)24(0.045)ccpqqgREIkRh弹簧的侧向位移：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）。2010-05-282010-05-282(700~1000)π4sDF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(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。2010-05-284.2.2.9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2010-05-284.2.3衬砌材料适用于钢筋混凝土管片作为初衬支护材料和现4.2.3.1钢筋混凝土弹性模型如表4－3（P99）。2010-05-284.2.3.2混凝土应力-应变采用图4－26的曲线模型020000[2()]0.002;0.0035cuccuff当时当时2010-05-28,sysssyssbsyEf当时当时2010-05-284.2.4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2010-05-284.2.5管片结构设计计算结构衬砌计算应采用SI4.2.5.1设计原理隧道断面的设计计算，应该选择以下的关键区段