地铁盾构隧道毕设论文

地铁盾构隧道毕设论文 Prepared on 22 November 2020

石家庄地铁一号线北宋站~谈固站区间隧道土层的物理力学参数

表1 土层的物理力学参数

计算原则：

（1）设计服务年限100年；

（2）工程结构的安全等级按一级考虑；

（3）取上覆土层厚度最大的横断面计算；

（4）满足施工阶段，正常运营阶段和特殊情况下强度计算要求；

（5）接缝变形在接缝防水措施所能适应的范围内；

（6）成型管片裂缝宽度不大于；

（7）隧道最小埋深处需满足抗浮要求；

采用规范：

（1）《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）；

（2）《地下工程防水技术规范》（GB50108-2001）；

（3）《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299-1999）；

（4）《建筑工程施工质量验收统一标准》（GB50300-2001）；

（5）《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》（GB50308-1999）；

（6）《盾构法隧道施工与验收规范》（GB50446-2008）；

（7）《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）。

方案确定

明挖法施工对城市地面交通和居民的正常生活有较大影响，易造成噪音、粉尘及废弃泥浆等的污染，且工期较长。由于本工程位处地区附近有很多居民居住，地面交通复杂，故不适合选择明挖法施工。

矿山法适用于硬、软岩层中各类地下工程，特别是对于中硬岩中。本工程要求工期较短，且地下水丰富，矿山法堵水较为繁琐且占用较长工期；隧道穿过地层为砂土和砾石层，矿山法对围岩的破坏较严重。因此不选用矿山法施工。

本工程设计隧道内径为，内径较大，顶管法适宜中小尺寸管道，管道顶进困难，考虑到场地以及经济效益的影响不选用顶管法施工。

区间工程地质条件较为复杂，地下水丰富，工程的工期要求较紧，附近也有大量居民走动，地面交通复杂。采用盾构法施工可以很好的发挥它的优点，充分满足工程的要求，最终确定本隧道区间采用盾构法进行施工。

衬砌选型

盾构隧道衬砌用管片按材料可分为钢筋混凝土管片和铸铁管片、钢管片，复合管片。

钢筋混凝土管片有一定的强度，加工制作比较容易，耐腐蚀，造价低，是最为常用的管片形式，但是较为笨重，在运输、安装施工过程中易损坏。

铸铁管片强度高，易铸成薄壁结构，管片质量轻，搬运安装方便，管片精度高，外形准确，防水性能好。但是管片金属消耗量大，机械加工量也大，价格昂贵。由于铸铁管片具有脆性破坏的特性，不宜用作承受冲击荷载的隧道衬砌结构。

钢管片的优点是重量轻，强度高。缺点是刚度小，耐修饰性差，需要进行机械加工已满足防水要求。成本昂贵，金属消耗大。

复合管片外壳采用钢板制成，在壳内设钢筋，浇注混凝土，组成一个复合结构，这样其重量比钢筋混凝土管片轻，刚度比钢管片大，金属消耗量比钢管片小，缺点是钢板耐腐蚀性差，加工复杂冗繁。

钢筋混凝土管片型式中，有箱型管片和平板型管片。箱型管片常用于大直径的隧道。在等量材料的条件下，与平板型管片相比，箱型管片能做到抗弯刚度大、管片之间便于连接等。因而，可有效地降低造价。当然，当管片的背板厚度较小、腔格偏大时，在盾构千斤项作用下混凝土将会发生剥落、压碎等情况。平板管片是目前最常用的管片型式，常用于中小直径的隧道，在相等厚度条件下，其抗弯刚度及强度均大于箱型管片。

本次隧道穿过地层主要是中粗砂和砾石，地下水丰富，施工期间以及使用阶段对防水的要求比较高，铸铁管片、钢管片满足防水要求，但是价格昂贵，不宜选取；复合管片耐腐蚀性差，不适宜在地下水丰富的地层使用；钢筋混凝土管片中，箱型管片由于背板厚度较小，在施工期间容易损坏，而相同厚度的平板管片抗弯刚度和强度均大于箱型管片。通过比较，本区间采用平板型钢筋混凝土管片。

管片初步设计

圆环的拼装形式有通缝、错缝两种。错缝拼装的优点在于能加强圆环接缝刚度，约束接缝变形，圆环近似地可按均质刚度考虑。但当管片制作精度不够好时，采用错缝拼装形式容易使管片在盾构推进过程中顶碎。通缝拼装的优点是管片拼装简单，施工速度快。由于此工程接缝刚度要求易满足，为使管片安装方便快捷，施工进度快，采用通缝拼装的形式。

根据盾构隧道覆土深度，周围环境，工程地质条件，综合北京地铁工程成熟的设计、施工经验，本工程盾构隧道衬砌的选择为：初步确定衬砌厚度为350mm，外径为Φ6200mm，环宽1200mm。参考北京盾构法隧道的衬砌施工的实践经验，此隧道采用单层衬砌，衬砌采用预制平板型钢筋混凝土管片。混凝土强度为C55。隧道衬砌由六块预制钢筋混凝土管片拼装而成，成环形式为小封顶纵向全插入式。每环管片由一块封顶块，两块邻接块，两块标准块，一块封底块组成。接缝分别设置在内力较小的8°、73°、138°处。

土层情况

根据工程地质剖面图，可得工况的土层地质的分布情况，见图1工况隧道断面土层分布图。

图 1隧道计算断面土层分布图荷载计算及组合

图 2隧道计算断面荷载计算分布图

区间隧道外径为Φ6200mm，内径为Φ5500mm。衬砌采用预制钢筋混凝土管片。混凝土强度为C55。荷载计算取b=1m的单位宽度进行计算，同时根据管片所处地层的特征及地基土的物理力学性质，在计算水土压力时用水土分算的方法。

（一）基本使用阶段的荷载计算

（1）衬砌自重：

g（1）

=

γ

δ

h

式中 g —衬砌自重，kPa ；

γh —钢筋混凝土容重，取为25kN/m 3 δ—管片厚度，m 。

将已知数值带入上式计算可得：g =⨯=m 3。

（2）衬砌拱顶竖向地层压力：

（2）

式中 P v1 —衬砌拱顶竖向地层压力，kPa ；

γi —衬砌顶部以上各个土层的容重，在地下水位以下的土层容重取其浮重度，kN/m 3；

h i —衬砌顶部以上各个土层的厚度，m 。

1V P =⨯⨯⨯⨯⨯（）⨯

=

（3）拱背土压：

H v22/R Q P = （3）

式中 P v2—衬砌拱背竖向地层压力，kPa ；

Q —拱背均布荷载，kN/m ；

Q γπ-=2

H )4/1(2R （4） γ—衬砌拱背覆土的加权平均容重，kN/m 3；

R H —衬砌圆环计算半径，m 。 将已知数值带入式3及式4计算可得：

γ=09.11925.2/)2.15.10725.15.11(=⨯+⨯kN/m 3 2v P =4)⨯⨯。

（4）地面超载：由于本隧道埋深不是很深，故须考虑到地面超载的影响，取地面超载为20kPa ，并将它叠加到竖向土压上去，故总的竖向土压力为。

（5）侧向水平均匀土压力：

1h P =1v P tan 2(45°-2/ϕ)-2c tan(45°-2/ϕ) （5） 式中 P h1—侧向水平均匀土压力，kPa ；

φ—衬砌环直径高度内各土层内摩擦角加权平均值，（o ）；

∑=γ=n

1

i i i v1h P