盾构施工技术 6 盾构衬砌

(1
K0H tan
Ae B1
)
K0H tan
P0e B1
相对埋深
H B1
深埋隧道
v

B1 c K0 tan
岩土锚固及支挡工程
（2）水平土压力
一般利用侧向土压力系数乘上垂直土压力计算
h v
水土压力计算
土类
水土分算 水土合算
密实砂性土 中密砂性土 松散、稍密砂性土
岩土锚固及支挡工程
管片宽度主要取决于掘进机和隧道直径。 与盾构机的千斤顶行程匹配； 需与管片拼状机的能力匹配；
岩土锚固及支挡工程
水平运输系统和垂直运输系统应匹配 管片宽度大，一次出渣量大，为提高掘进效率，必须尽快
把渣土运输出去，以利于发挥效率。
岩土锚固及支挡工程
4.管片厚度 一般按照（4％～6％）D（隧道外径）确定管片的厚度
z
V
c h tan
dz
h
V d V
变形可得：
dz

d
v

(c


h tan
B1
)dz
R0


42
岩土锚固及支挡工程
dz

d
v

(c


h tan
B1
)dz
又
h K v
z
dz
dz

d
v

(c

K v tan)dz
B1
2B1 P0
V
V d V
岩土锚固及支挡工程
图中
水平土体抗力
qr K
管环单位长度结构自重反力
W
Pg 2Rc
岩土锚固及支挡工程
1）土压力 （1）垂直土压力
计算时采用总覆土压力还是松动土压力，应根据隧道埋深及 地层条件决定。
对于浅埋隧道，不能获得土的成拱效应，采用总覆土压力 粘性土：水土合算，砂性土：水土分算。也可以渗透系数 10-4~10-3cm/s分界 水位以上用天然重度，以下浮重度。
350mm（上海，天津，杭州，南京） 300mm（北京，沈阳、广州、深圳、西安、成都） 250mm（台湾，新加坡）
hs （0.04 ~ 0.06）D
一般取0.05D，并可以根据配筋等条件进行适当的调整（保 护层的要求）
岩土锚固及支挡工程
5.管片接头 1）拼装形式 错缝、通缝两种
岩土锚固及支挡工程
岩土锚固及支挡工程
封顶块：径向插入，轴向插入，封顶块不一定拼装在隧道的 顶部，也常常出现在隧道的腰部，底部等位置。
岩土锚固及支挡工程
2.分块 分块不宜过多，这样拼状时间长，材料用量也大； 也不宜过少，这样管片体量过大，不利于运输和拼状。
岩土锚固及支挡工程
管片分割数
标准块 封顶块
n x21
单弯螺栓式接头
单直螺栓式接头
岩土锚固及支挡工程
刚性连接：通过增加连接螺栓的排数，力图使接缝处的刚度 与管片本身相同。
双直螺栓式接头
组合螺栓式接头
实践证明刚性连接拼装麻烦、造价高，而且会在衬砌环中产 生较大次应力，带来不良后果。
岩土锚固及支挡工程
常用的柔性连接有： a. 螺栓连接：按螺栓形状可分为：弯螺栓连接、直螺栓连接 和斜螺栓连接；
2B1 P0
v

B1 c K0 tan
(1
K0z tan
Ae B1
)
K0z tan
P0e B1
z dz
V
c h tan
h
B1

R0
cot 1（
24

）
2
V d V g
1（ ）
R0
24 2


42
岩土锚固及支挡工程
2B1 P0
v

B1 c K0 tan
c h tan
h
R0


42
岩土锚固及支挡工程
dz

d
v

(c

K v tan)dz
B1
由上式变化得一阶线性微分方程 z
dz
d v
dz

K
tan
B1
v



c B1
2B1 P0
V
V d V
c h tan
h
R0


42
岩土锚固及支挡工程
d v
3）允许应力法
满足与构件安全基础上，选用合格材料及施工方法，按容许
应力法设计
作用的基本 组合效应
0 Sd Rd
结构重要 性系数
结构抗力 设计值
4）技术经济比较 考虑工程造价、维修费用及运营中的经济效益。
岩土锚固及支挡工程
3.荷载计算 隧道所受荷载分：永久荷载、可变荷载、偶然荷载的，主要荷
载见下表
(1
K tan z
Ae B1
)
A P0K tan 1 B1 c
则：
v

B1 c K tan
[1
Fra Baidu bibliotek
( P0K tan B1 c
Kz tan
1)e B1
]
v

B1 c K tan
Kz tan
(1 e B1
)
Kz tan
P0e B1
岩土锚固及支挡工程
dz

K
tan
B1
v



c B1
一阶线性微分方程标准形式
dy P(x) y Q(x) dx
解的形式：
y Ce P(x)dx e P(x)dx
Q(

x)e

P(
x)dx
dx
令： 得到：
P(z) K tan
B1
Q(z) c
B1
d v
dz

P(z) v
水平向土体抗力
P1 q1
g
qr
45°
45°
qr
A
45°
45° A
q2 q1
q1 q2 P1
Pg 结构自重反力
岩土锚固及支挡工程
图中
盾构上部垂直方向压力
垂直土压
p1 pe pw
垂直水压
盾构上部水平方向压力
水平土压
q1 qe1 qw1
水平水压
盾构下部水平方向压力
q1 qe1 qw1 q2 qe2 qw2 q1
岩土锚固及支挡工程
b.销钉连接：销钉连接可用于纵向，环向接缝
C型金属件
H型金属件 HC销插式金属件
C型金属件 插销 OC销插式金属件
岩土锚固及支挡工程
c.无连接件：在稳定不透水地层中，衬砌的接缝也可不用任何 连接件连接。
榫槽式接头
无螺栓阴阳铰接头
岩土锚固及支挡工程
6.传力衬垫 粘贴在管片环、纵缝，起到缓冲应力，目前多采用丁腈橡胶
边岩土体自身具有刚度，会对衬砌产生相反的作用力，即地基反
2）管片连接 管片的连接通常采用螺栓连接。 螺栓连接的数量： 块间：一般2-3个 环间：考虑地质情况、抗震要求，对于中小直径10~16个。
岩土锚固及支挡工程
块间以及环间的连接，可分为柔性连接和刚性连接。 柔性连接：允许相邻管片间产生微小转动和压缩，使衬砌环能 产生相应的变形，改善受力状态。
榫槽式接头
30~50 10~30 0~10
30~50 10~30 0~10
5~10 0~5
0
相对埋深 N=H/B1 30＜N 15＜N≤30
N≤15
25≤N 8≤N＜25 4≤N＜8
4≤N＜8 2≤N＜4 N＜2
岩土锚固及支挡工程
2）水压力
一般按静水压力计算
3）土体抗力
荷载作用下，衬砌结构的一部分会发生向岩土体的变形，周
岩土锚固及支挡工程
②复合管片 比钢筋混凝土管片重量轻、强度高、抗渗性能好。但耐腐
蚀性差、造价较高。 常用于有特殊要求的泵房交界处或竖井交界处。
岩土锚固及支挡工程
岩土锚固及支挡工程
第二节 管片构造及设计
一、管片构造 1.构成 管片由A型管片（标准块B）、B型管片（临接块L）、K型管
片（封顶管片F）构成
岩土锚固及支挡工程
2.设计原则 1）边界条件 根据施工工艺、工程地质、水文地质确定荷载及边界条件，
保证能够承受开工到竣工后长期使用阶段各种荷载 2）构造形式 根据隧道用途、土质、施工方法选择
中小直径输水隧道、电力电信多采用钢筋混凝土和钢管片； 公路、铁路大直径采用钢筋混凝土为主
岩土锚固及支挡工程
软木垫。
岩土锚固及支挡工程
7.管片防水 管片接触面设沟槽，沟槽粘贴三元乙丙橡胶或遇水膨胀橡胶止
水，角部贴未硫化丁基橡胶。
岩土锚固及支挡工程
二、管片设计
1.考虑因素 设计目的：确定隧道衬砌安全的基础上，找出合理、经济的
衬砌结构 1）构造安全 保证能够承受开工到竣工后长期使用阶段各种荷载 2）降低成本 占总造价30~50%，合理设计有利于降低成本 3）制作及施工容易
岩土锚固及支挡工程
岩土锚固及支挡工程
荷载组合：
根据施工及使用阶段荷载的变化，选择荷载效应最大、工作
状态最不利的组合。
n
Sd
i Sik
i 1
式中：
Sd—荷载组合；
γi—分项系数；
Sid—荷载标准值。
岩土锚固及支挡工程
岩土锚固及支挡工程
盾构隧道主要荷载设计状况
岩土锚固及支挡工程
q1
岩土锚固及支挡工程
深埋隧道，砂质土或硬黏土易于成拱，采用松动土压力
2B1 P0
h0
H
V
B1
R
0

42
1（ ）
24 2
岩土锚固及支挡工程
松动土压力(太沙基公式）分析
取一微元体土条研究
2B1
P0 2B1 v 2B1dz 2B1( v d v ) 2(c h tan)dz
的。承受来自地层的水土压力、施工中盾构推力及各种设备荷载。 二次衬砌：进一步加强一次衬砌的荷载承受能力，改善隧道的
防水、防腐、抗震性能。同时，还有装饰作用。
岩土锚固及支挡工程
1）一次衬砌
拼装式管片 挤压混凝土
岩土锚固及支挡工程
岩土锚固及支挡工程
二、管片特点 （1）混凝土管片结构比较特殊；厚度通常为0.3～0.5m，宽度
Q(x)
岩土锚固及支挡工程
d v
dz

K
tan
B1
v


c B1
微分方程的一般解
v

B1 c K tan
(1
K tan z
Ae B1 )
A为常数
代入边界条件 z 0, v p0
A P0K tan 1 B1 c
岩土锚固及支挡工程
v

B1 c K tan
岩土锚固及支挡工程
一、衬砌结构 1.衬砌断面形式
第一节 概述
横断面
圆形 矩形 半圆形 马蹄形 眼镜形
岩土锚固及支挡工程
岩土锚固及支挡工程
岩土锚固及支挡工程
圆形盾构的优点 ①受力条件好 ②施工中易于盾构掘进 ③管片制作、拼装方便 ④掘进中发生偏移，纠偏方便
岩土锚固及支挡工程
2.衬砌构成 一次衬砌：用螺栓将管片连接起来，并注浆加固二次衬砌的目
固结粘性土 坚硬、硬塑性粘性土
可塑性粘性土
可塑性粘性土 软塑性粘性土 流塑性粘性土
侧向土压力系数λ
0.35~0.45 0.45~0.55 0.50~0.60 0.35~0.45 0.45~0.55 0.50~0.65 0.55~0.65 0.65~0.75 0.70~0.85
地基抗力系 数k（kN/m）
临接块
小直径盾构管片多采用4~6块 中等直径盾构采用6块或7块 大型盾构管片经常分为8~10块
岩土锚固及支挡工程
3.管片宽度 管片尽可能宽点，以提高施工速度，节约造价。但管片过宽，
则机械长，灵敏性差。
岩土锚固及支挡工程
早期常用750~900mm 一般在300~2000mm之间 目前1000~2000mm居多
三、管片分类 1）断面形式
断面形式
箱型 平板型 六角形
岩土锚固及支挡工程
岩土锚固及支挡工程
3）按材料分 ①钢筋混凝土管片 成本低，使用最多，耐久性好
岩土锚固及支挡工程
②钢管片 优点：重量轻、强度高、加工容易、运输安装方便， 缺点：耐腐蚀性差、成本高、金属耗量大。
具有更大的承受不均匀荷载和变形能力，常用于隧道通过 高层建筑或桥梁等局部荷载处。
为1～2m，圆弧形，且手孔位置深；
岩土锚固及支挡工程
（2）管片的使用年限长，作为盾构隧道的永久结构，设计年 限基本上都是100年；使用环境差，基本都在地下水位以下。
岩土锚固及支挡工程
（3）管片配筋特殊。管片配筋为弧形框架，连接点特殊，保 护层厚度保证比较难，蒸养膨胀系数不同；
专用焊接胎具
岩土锚固及支挡工程
（4）管片标准高。生产过程中对材料和环境要求高，混凝 土管片成品标准要求宽度（1000～2000mm）上的误差小于0.5mm。
（5）需要组合拼装，组合拼装精度要求高；
岩土锚固及支挡工程
（6）组合拼装后整体具有良好的防水性能。 （7）能模拟空间曲线。
岩土锚固及支挡工程
（8）三维承载，受力复杂。
岩土锚固及支挡工程
K0H tan
(1 e B1
)
则：
h0

B1
(1

c
B1
） (1

e

K0
H ta B1
n
K0 tan
)
2B1 P0
h0
H
V
B1
R0


42
1（ ）
24 2
岩土锚固及支挡工程
对于埋深很大的深埋硐室来说，地表面的荷载P0对隧道顶部 竖向压力已不产生影响。
v

B1 c K0 tan
(1
K0H tan
Ae B1
)
K0H tan
P0e B1
h0
H
B1

R0
cot
1（
24


2
）
V
B1
1（ ）
R0
24 2

42
岩土锚固及支挡工程
v

B1 c K0 tan
K0H tan
(1 e B1
)
K0H tan
P0e B1
v

h0

B1 c K0 tan