盾构衬砌荷载的确定(试讲稿)

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30～40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（1953—1957）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（ShieldtunnelingMethod）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，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→通过吊车将盾构机安装在井底→装配千斤顶→土层开挖→盾构推进与纠偏→衬砌拼装→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。24、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2000~5000万元。（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①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）②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）③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）311uiiiqh，或者表示成σv=γH；1）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H＞D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烋公式。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——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σh=K0γH，其中，K0为侧压力系数，1）早期，采用郎肯土压力理论计算侧压力系数200452Ktg将侧向土压力分为：均匀土压p1和三角形土压p2：211(45)2(45)22Pqtgctg222(45)2HPRtg解释：式中γ（容重）,c（粘聚力）,φ（内摩擦角）的含义，均为各土层的参数加权平均值。11niiiniihh，11niiiniichch，11niiiniihh2）对于比较完整的弹性体，可根据弹性力学理论推导得：K0=μ/（1-μ）μ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-sin（正常固结无粘性土层、砂土层）0K=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。44）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o土的塑性指Ip联系起来，建议采用下式计算：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0.3～0.5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0.6～1.0。（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。kPkyk——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）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p—S曲线，可以求得弹性抗力系数5式中：为围岩的弹性抗力系数，为比例界限压力，为与所对应的变形。比较完整岩体的弹性抗力系数一般在10~20GPa.m-1，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0.03~0.2GPa.m-1，并得到弹性抗力系数与隧道埋深关系经验公式：3）铁、公路规范4）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2222222()2(1)0.4344HHHhRQRRR一般将其化为均布荷载：220.430.21462hhhRqRR6Rh为衬砌圆环的计算半径。（5）静水压力顶部垂直向下水压力：'wwqH底部垂直向上水压力：''(2)wwHqHR侧向水平水压力：[(1cos)]wwHqHR（6）衬砌自重RcgRc——钢筋混凝土容重，一般取25kN/m3，——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，一般取20kN/m2，日本他们取值为10kN/m2，可以累积到竖向土力中去。（8）拱底部反力拱底部反力主要是由上部的竖向土压力、拱背压力、衬砌自重、以及抵消掉的一部分水压力组成。（9）施工阶段临时荷载（难以确定）1）管片拼装（局部应力集中荷载）拼装成环时，管片制作精度不高，端面不平，拧紧螺栓时往往使管片局部产生较大的应力，导致管片开裂。2）盾构推进（施工荷载）盾构千斤顶施加在环缝面上，特别是偏心作用时，会使管片顶裂、顶碎，一般采用错缝拼装也是较好的办法。PFK≤,P盾构总推力，F衬砌环缝面积，[σ]混凝土容许抗压强度，K安全系数，一般≥3。3）衬砌壁后压浆（施工荷载）管片压浆因局部凝集在一个区域内所造成的圆环变形和集中荷载，荷载大小难以确定（一般为0.1~0.3MPa），只能通过采用附加安全系数，以保证衬砌结构的安全度。4）衬砌脱出盾尾衬砌管片脱出盾尾后，顶部土压迅速作用到衬砌上，侧向土压力具有滞后效应，此时衬砌的工作状态不利，通常采用笼统的附加安全系数，以保证衬砌结构的安全度。（10）特殊荷载阶段0.21462kHHpqgRR平均后的拱背压力抵消后的平均水压力平均后的竖向土压力平均后的自重压力7特殊荷载是一种瞬时性的动力荷载，如地震力作用，还有平行配置隧道的影响、接近施工的影响（临近建筑物的桩基施工、基坑开挖等）、其他荷载等。这种荷载难以确定，可适当提高材料强度和降低强度安全系数，一般需要有限元方法进行分析。本讲要点回顾首先是将盾构的发展概况、盾构的定义、盾构的工作原理做了一个简单的概述其次将盾构衬砌与一般的工法衬砌所受的荷载形式进行了对比；重点讲述了盾构衬砌的荷载计算方法好了，我今天的试讲完毕，请各位老师批评指正！谢谢！