地铁盾构隧道设计

盾构机的选型及设计 工程在前期准备时最重要的工作 盾构机选型考虑因素 地层土质条件 断面大小 线路周边环境 排土方式 地铁盾构常用的机型 泥水平衡盾构 土压平衡盾构
二.盾构机选型
泥水平衡式盾构
土压平衡式盾构
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四.隧道附属结构设计
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四.附属结构设计
——工作井
工作井 盾构始发 盾构接受 盾构调头 盾构过站 站内过站、站外过站
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四.附属结构设计
——工作井
洞门密封 洞圈与盾构外径有一定的间隙 防止盾构出洞时及施工期间土体及浆液从该间隙中流失 在洞圈周围安装由橡胶帘布、扇形压板等组成的密封装置。
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地铁8号线下穿徐东平价人行通道
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三.地铁盾构结构设计
——变形分析
变形控制 盾构施工控制 严格控制开挖面的出土量 提高施工的速度和连续性 及时同步注浆,缩短衬砌脱出盾尾的暴露时间 地层改良 高压旋喷桩、搅拌桩、灌浆 隔离桩
二.盾构机选型
——泥水平衡式盾构
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二.盾构机选型
——土压平衡式盾构
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二.盾构机选型
泥水平衡式盾构
管片类型 钢管片 钢筋混凝土管片
三.地铁盾构结构设计
——管片结构
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衬砌环形式 普通环 左转弯环+直线环+右转弯环 通用环 一种楔形环管片的不同角度的旋转拟合线路
三.地铁盾构结构设计
——管片结构
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管片拼装形式 通缝拼装 拼装难度小，衬砌空间刚度稍差。 错缝拼装 接缝刚度分布均匀，整体性较好，管片精度要求高，拼装难度较大。
三.地铁盾构结构设计
——管片结构
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施工对周边构筑物影响 桥梁、民建桩基础 桩顶位移小于6mm 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 变形控制：-20~+10mm 敏感构筑物 相关规范的允许范围 地下管线 相关规范的允许范围
地铁8号线穿越竹叶山高架立交桥桩
地铁8号线下穿友谊大道通道
三.地铁盾构结构设计
——变形分析
地面变形计算 Peck公式 数值计算 有限元法、有限差分法进行隧道开挖施工过程模拟分析 应用于盾构施工对周边构筑物影响分析。
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三.地铁盾构结构设计
——变形分析
五.盾构隧道防水设计
——设计原则标准
设计原则 以防为主，刚柔结合，多道设防，因地制宜，综合治理。 以结构自防水为主，关键处理好环纵缝的防水。 设计标准 结构防水等级为二级
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五.盾构隧道防水设计
三.地铁盾构结构设计
——衬砌内力分析
土压力计算 土柱理论（H<2D） 压力拱理论（太沙基，普氏）（H>=2D）
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三.地铁盾构结构设计
——变形分析
地面变形阶段 分五个阶段
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二维平面分析
三维空间分析
弹性均质圆环法
弹性铰接圆环法
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三.地铁盾构结构设计
——衬砌内力分析
日本修正惯用法 考虑管片接头影响，进行刚度折减后按均质圆环进行计算； 地层抗力按三角形抗力考虑； 计算结果考虑管片环间错缝拼装影响进行内力调整。
三.地铁盾构结构设计
——变形分析
地面变形机理
阶段
沉降类型
主要原因
一
初始沉降
地下水位降低,
二
开挖面前方隆陷
隆起:盾构机推力过大
沉降:盾构机推力过小出碴过量
三
盾构通过时地沉降
施工震动扰动,剪切错动
四
盾尾沉降
土体失去盾构支撑,管片壁后注浆不及时
五
固结沉降
土体后续时效变形
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一.盾构简介
——盾构组成
刀盘
盾体
后配套设备
前盾 中盾 尾盾
配套台车、管片运输设备、出土设备、注浆系统、监控系统等。
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二.盾构机选型
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三.地铁盾构结构设计
——设计原则
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单管大洞方案 内径10米，外径11米； 双管小洞方案 内径5.4米，外径6.0米；
三.地铁盾构结构设计
——断面方案
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管片内力Mg：计算的弯矩为（1+ξ）M，轴力为N； 接头内力Mf：计算的弯矩为（1-ξ）M，轴力为N； ξ：弯距调整系数，一般取0.3～0.5。
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三.地铁盾构结构设计
——衬砌内力分析
计算结果示意
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三.地铁盾构结构设计
——管片结构
武汉地铁管片
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三.地铁盾构结构设计
——衬砌内力分析
地层－结构法（有限元法） 二维平面分析 三维空间分析 荷载－结构法 弹性均质圆环法 弹性铰接圆环法 日本修正惯用法
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——联络通道
特殊衬砌环 特殊钢管片 局部拆除 钢筋混凝土管片 局部切割 采用特殊的配筋设计
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一.盾构简介
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1960～1980年 闭胸式盾构
一.盾构简介
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1980～至今 大断面，大深度，长距离，高速化；断面的多样化；
四.附属结构设计
端头加固 目的 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。 方式 高压旋喷桩、搅拌桩、灌浆
——工作井
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四.附属结构设计
——联络通道
联络通道设置 距离 间距不大于600 m 方式 独立联络通道 联络通道与泵房合建
四.附属结构设计
——联络通道
施工方法 矿山法施工 地基加固 冻结法 高压旋喷 地面注浆
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五.盾构隧道防水设计
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一.盾构简介
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盾构法施工的概念 使用盾构机，一边保持开挖面及围岩稳定，一边进行隧道掘进、出渣，并在盾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。 第一条盾构隧道 1818年，法国的布鲁诺尔(M.I.Brune1)，最早提出了用盾构法建设隧道的设想，并在英国取得了专利。 1825年，他第一次在伦敦泰晤河下开始用一个断面高6.8m、宽11.4m的矩形盾构修建隧道。 1843年，经过18年施工，完成了全长458m的第一条盾构法隧道。 盾构经过四代发展
一.盾构简介
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一.盾构简介
——盾构优点
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。 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； 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； 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。
管片接缝连接 弯螺栓连接 斜螺栓连接 直螺栓连接
三.地铁盾构结构设计
——管片结构
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管片环宽 １.5m；外径6.0m 管片 楔形量45mm； C50通用环管片； 管片厚度 300mm； 管片分6块，5+1模式，小封顶
三.地铁盾构结构设计
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主要设计原则
抗震设防烈度：６度， 结构设计按7度采取构造处理措施
结构设计使用年限：100年 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： 不考虑侧摩阻力时，大于等于1.1
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一.盾构简介
——盾构缺点
盾构施工缺点 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； 用于施作小曲率半径（R＜20D）隧道时掘进较困难。
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——防水设计
管片自防水 混凝土等级为C50，抗渗等级≥P10。 接缝防水 海绵橡胶 弹性密封垫 嵌缝（聚硫密封胶 ） 螺栓孔的防水 采用遇水膨胀橡胶密封圈
土压平衡式盾构
比较项目
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二.盾构机选型
——土层地质
粉细砂
卵石层
粗砂砾层
中细砂砾层
粉细砾层
粗砂
泥砂
粘土
地层渗透性与盾构选型
泥水盾构
土压平衡盾构
透水系数(m/s)
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一.盾构简介
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1818～1880年 敞口式手掘盾构
一.盾构简介
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1880～1960年 机械式盾构 、气压式盾构