地铁盾构隧道设计

三.地铁盾构结构设计
• 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
——变形分析
四.隧道附属结构设计
四.附属结构设计
• 工作井
– 盾构始发 – 盾构接受 – 盾构调头 – 盾构过站
——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
二维平面分析
三维空间分析
地面超载 垂直水土压力
自重Leabharlann Baidu
侧向水土压力
基底竖向反力
弹性均质圆环法
地面超载 垂直水土压力
自重 弹性铰
侧向水土压力
侧向水土压力
基底竖向反力
• 施工方法
– 矿山法施工
– 地基加固
• 冻结法 • 高压旋喷 • 地面注浆
——联络通道
五.盾构隧道防水设计
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
五.盾构隧道防水设计
侧向水土压力
弹性铰接圆环法
三.地铁盾构结构设计
• 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。
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。
• 站内过站、站外过站
——工作井
四.附属结构设计
• 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。
——工作井
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。
抗震设防烈度：６度， 结构设计按7度采取构造处理措施
消防要求：联络通道设置间距， 沿隧道纵向方向不大于600m
三.地铁盾构结构设计
• 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；
——断面方案
三.地铁盾构结构设计
• 管片类型
– 钢管片 – 钢筋混凝土管片
地铁盾构隧道设计
一.盾构简介
一.盾构简介
1880～1960年 机械式盾构 、气压式盾构
一.盾构简介
1960～1980年 闭胸式盾构
一.盾构简介
1980～至今 大断面，大深度，长距离，高速化；断面的多样化；
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；
——盾构缺点
一.盾构简介
——盾构组成
刀盘
前盾
盾体
后配套设备
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。
二.盾构机选型
二.盾构机选型
• 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
– 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。
一.盾构简介
• 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。
——管片结构
三.地铁盾构结构设计
• 管片接缝连接
– 弯螺栓连接 – 斜螺栓连接 – 直螺栓连接
——管片结构
三.地铁盾构结构设计
• 武汉地铁管片
——管片结构
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
——衬砌内力分析
三.地铁盾构结构设计
• 计算结果示意
——衬砌内力分析
三.地铁盾构结构设计
• 土压力计算
– 土柱理论（H<2D） – 压力拱理论（太沙基，普氏）（H>=2D）
——衬砌内力分析
v B 1 K (0 tc a /B 1 ) n ( 1 e K 0 ta H n /B 1 ) p 0 e K 0 ta H n /B 1
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
三.地铁盾构结构设计
• 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。
——变形分析
三.地铁盾构结构设计
• 施工对周边构筑物影响
– 桥梁、民建桩基础
• 盾构始发、接收
– 工作井洞门破除 端头加固 – 临时防水 掌子面稳定
• 联络通道
– 与盾构隧道连接节点 – 加固方案
• 施工配合
– 增强现场分析解决问题的能力
• 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
——防水设计
海绵橡胶 弹性密封垫
嵌缝
六.地铁盾构设计重难点
六.地铁盾构设计重难点
• 注重与线路专业协调沟通
– 平面设计 避绕构筑物 – 纵面设计 地质选线 最低点控制
B1R0cot/(4 2/2)
三.地铁盾构结构设计
• 地面变形阶段
– 分五个阶段
——变形分析
三.地铁盾构结构设计
• 地面变形机理
——变形分析
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
——管片结构
三.地铁盾构结构设计
• 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
——管片结构
三.地铁盾构结构设计
• 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。
-10 -1 -10-1 -10-2 -10-3 -10-4 -10-5 -10-6 -10-7 -10-8 -10-9 -10-10
泥水盾构 土压平衡盾构
三.地铁盾构结构设计
三.地铁盾构结构设计
——设计原则
主要设计原则
结构设计使用年限：100年 结构的安全等级：一级
抗浮安全系数： 不考虑侧摩阻力时，大于等于1.1
– 方式
• 高压旋喷桩、搅拌桩、灌浆
——工作井
四.附属结构设计
• 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
——联络通道
四.附属结构设计
• 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
——联络通道
四.附属结构设计
•
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
——变形分析
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 地铁8号线下穿徐东平价人行通道
– 泥水平衡盾构 – 土压平衡盾构
泥水平衡式盾构 土压平衡式盾构
二.盾构机选型
——泥水平衡式盾构
二.盾构机选型
——土压平衡式盾构
二.盾构机选型
比较项目
泥水平衡式盾构
土压平衡式盾构
二.盾构机选型
地层渗透性与盾构选型
——土层地质
卵石层 粗砂砾层 中细砂砾层 粉细砾层 粗砂 粉细砂 泥砂
粘土
透水系数(m/s)