盾构法隧道衬砌结构设计(设计)(内容详实)
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第四章 盾构法隧道衬砌结构设计
（设计）
主讲：孟杏微
本章重点、难点： 1、盾构法衬砌设计流程和设计的主要内容； 2、盾构隧道衬砌设计荷载；
课件类
2
课件类
3
课件类
4
4.1盾构法概述
盾构法开挖隧道通常适用于软土而不是岩石中。 相关衬砌参数，如材料的尺寸及强度不仅取决于地 层情况，也取决于施工状况。实际应用中，盾构法
如超载、地面荷载、地下水及邻近建筑物影响的
课件类
11
4.1.2盾构法隧道结构设计程序包括的主要内容
第四步：确定TBM机的机械参数
总推力、推力装置的数量、垫片数量、垫片形 状、注浆压力、安装所需空间。
第五步：确定材料的属性
混凝土标号及抗压强度、弹性模量；钢筋类
型及抗拉强度；垫圈类型、宽度及弹性性能；裂
课件类
46
v dh
v d v 2B1 dh
h 对于单边
水平应力，也即法向应力： v
摩擦力： v tan dh
黏聚力：C dh
1
R0
B1
R0
cot
（4） 附属注浆荷：载扩展的注浆压力(图4-9)
课件类
17
（5）静荷载、存储及装配荷载弯矩的影响(图4-10)
课件类
18
课件类
19
第七步：设计模型
三维条件须通过二维条件的抽象计算来仿真，如太沙基假设。
（1）分析模型 使用的公式必须
符合国家标准与所选 设计荷载叠加的原则 （2）数值模型
使用符合国家标 准的有限元程序来完 成弹塑性状态下的应 力及应变分析，并进 行详细结构状态的仿 真(图4-12)
课件类
28
课件类
29
扩大管片衬砌：在管片衬砌系统中，除去关键的管片 外，其余管片均在盾构中安装，在盾构正后面，当
厚度：隧道横截 面上衬砌的厚度。 宽度：管片沿隧 道轴线方向上长
课件类
30
封顶管片形式 小封顶块，拼装形式有两种：径向楔入、 纵向插入。
课件类
31
课件类
32
连接缝的类型：
课件类
33
• 粘性, 硬质粘土（N≥0）良好地基，H>1～2D时多 采用松弛土压力
• 中等固结的粘土（4≤N＜8）和软粘土（2≤N＜4）, 将隧道的全覆土重力作为土压力考虑实例比较常见。
课件类
45
(2)垂直土压力
• 松弛土压力的计算，一般采用太沙基公式。垂 直土压力的下限值虽然根据隧道使用目的的不 同，但一般将其作为相当于隧道外径的2倍的 覆土厚度的土压力值。当地层为互层分布时， 以地层构成中的支配地层为基础，将地层假设 为单一土层进行计算，或者就以互层的状态进 行松弛土压力的计算。
课件类
5
4.1.1盾构法衬砌设计流程
（1）遵守相关规划、规范或标准 （2
设计的隧道内径应该由隧道功能所需要的地 下空间决定。
地铁隧道 公路隧道； 给、排水管道计算流量； 普通管道
课件类
6
4.1.1盾构法衬砌设计流程
（3）荷载类型的确定 作用在衬砌上的荷载包括土压力、水压力、静荷
载、超载及盾构千斤顶的推力等 （4）衬砌条件的确定
课件类
38
4.2.2 荷载
1、荷载的种类
必须考虑的荷载： （1）土压力；（2）水压力；（3）静荷载；（4）超载； （5）地基反作用力（如果必须的话）。
应该考虑的荷载： （6）内部荷载；（7）施工期间的荷载；（8）地震效应。
特别荷载： （9）邻近隧道的影响；（10）沉降的影响；（11）其它荷
载。
课件类
课件类
43
(2)垂直土压力 当覆土厚度较小，小于2倍的隧道外径时。
pe1 p0 iHi j H j H Hi Hj
课件类
44
(2)垂直土压力
• 当覆土厚度H＞2D时，地基中产生拱效应的可能性 较大，可以考虑在设计计算时采用松弛土压力（图 4－19）。
• 砂质,当H>1～2D（D为管片外径）时多采用松弛土 压力；
（8）设计的批准 设计者认为所设计的衬砌结构安全、经济且适
课件类
9
图4-1 盾构隧道衬砌设计的流程图
课件类
10
4.1.2盾构法隧道结构设计程序包括的主要内容
第一步：确定几何参数 基准线、开挖直径、衬砌直径、衬砌厚度、圆环
第二步：确定岩土参数
特定处土的重力、内聚力、内摩擦角、弹性模量、 变形模量、K0 第三步：选择危险断面
设计者应该确定衬砌的条件，如衬砌的尺寸（厚
（5）计算内力 设计者应该通过使用合适的计算模型及设计方法
课件类
7
课件类
8
4.1.1盾构法衬砌设计流程
（6）安全性校核 设计者应该对照计算出的内力来校核衬砌的安
（7）评估 如果设计的初衬砌不满足设计荷载要求或设计
衬砌安全但不经济，设计者应该改变衬砌的条件并 且重新设计。
课件类
20
第八步：计算结果 剪力、弯矩和挠度一般以表格的形式来展现，以此确定设计荷
课件类
21
4.1.3设计常用名词及图示符号
管片： 盾构隧道最初
衬砌的弧形构件， 也适用于预制混 凝土管片。
课件类
22
常用管片形状
课件类
23
课件类
24
课件类
25
课件类
26
课件类
27
管片衬砌：隧道衬砌由管片组成，每一环的衬砌由数个 管片组成。盾构中完成的管片衬砌：在管片衬砌系统中
Байду номын сангаас39
2、土压力
土压力应该沿隧道断面径向作用于衬砌上，或者分解 为水平和垂直方向的土压力。
隧道的断面及周围的课土件体类 情况图
40
课件类
41
（1）水平土压力 从隧道衬砌拱部至底部，作用于衬砌形心处的水 平土压力。它的大小由垂直土压力乘以土的侧压 力系数所确定(图4-16）
课件类
42
(2) 将垂直土压力作为作用于衬砌顶部的均布荷载来考虑。
课件类
34
课件类
35
计算中使用的符号范例
课件类
36
4.2 盾构衬砌结构设计方法
• 软土的物理特征规定如下：
N 50 E 2.5N 125MN/m2 qu N / 80 0.6MN/m2
课件类
37
设计原理：
设计原理是为检验盾构隧道衬砌的安全性。在 隧道衬砌报告中，都应该阐述设计计算的必要性、 设计概念的假设、设计寿命、检查永久安全性等问
缝允许宽度。
课件类
12
第六步：设计荷载 （1 分析作用于衬砌管片上的荷载影响及土压力(图4-2～图4-6)
课件类
13
课件类
14
(2) 千斤顶的推力荷载 分析由于推进器垫板压在不同类型管片上荷载的影响
(图4-7)
课件类
15
(3) 拖车和其它服 务设备的荷载主要 包括单轮承载(图48)
课件类
16
（设计）
主讲：孟杏微
本章重点、难点： 1、盾构法衬砌设计流程和设计的主要内容； 2、盾构隧道衬砌设计荷载；
课件类
2
课件类
3
课件类
4
4.1盾构法概述
盾构法开挖隧道通常适用于软土而不是岩石中。 相关衬砌参数，如材料的尺寸及强度不仅取决于地 层情况，也取决于施工状况。实际应用中，盾构法
如超载、地面荷载、地下水及邻近建筑物影响的
课件类
11
4.1.2盾构法隧道结构设计程序包括的主要内容
第四步：确定TBM机的机械参数
总推力、推力装置的数量、垫片数量、垫片形 状、注浆压力、安装所需空间。
第五步：确定材料的属性
混凝土标号及抗压强度、弹性模量；钢筋类
型及抗拉强度；垫圈类型、宽度及弹性性能；裂
课件类
46
v dh
v d v 2B1 dh
h 对于单边
水平应力，也即法向应力： v
摩擦力： v tan dh
黏聚力：C dh
1
R0
B1
R0
cot
（4） 附属注浆荷：载扩展的注浆压力(图4-9)
课件类
17
（5）静荷载、存储及装配荷载弯矩的影响(图4-10)
课件类
18
课件类
19
第七步：设计模型
三维条件须通过二维条件的抽象计算来仿真，如太沙基假设。
（1）分析模型 使用的公式必须
符合国家标准与所选 设计荷载叠加的原则 （2）数值模型
使用符合国家标 准的有限元程序来完 成弹塑性状态下的应 力及应变分析，并进 行详细结构状态的仿 真(图4-12)
课件类
28
课件类
29
扩大管片衬砌：在管片衬砌系统中，除去关键的管片 外，其余管片均在盾构中安装，在盾构正后面，当
厚度：隧道横截 面上衬砌的厚度。 宽度：管片沿隧 道轴线方向上长
课件类
30
封顶管片形式 小封顶块，拼装形式有两种：径向楔入、 纵向插入。
课件类
31
课件类
32
连接缝的类型：
课件类
33
• 粘性, 硬质粘土（N≥0）良好地基，H>1～2D时多 采用松弛土压力
• 中等固结的粘土（4≤N＜8）和软粘土（2≤N＜4）, 将隧道的全覆土重力作为土压力考虑实例比较常见。
课件类
45
(2)垂直土压力
• 松弛土压力的计算，一般采用太沙基公式。垂 直土压力的下限值虽然根据隧道使用目的的不 同，但一般将其作为相当于隧道外径的2倍的 覆土厚度的土压力值。当地层为互层分布时， 以地层构成中的支配地层为基础，将地层假设 为单一土层进行计算，或者就以互层的状态进 行松弛土压力的计算。
课件类
5
4.1.1盾构法衬砌设计流程
（1）遵守相关规划、规范或标准 （2
设计的隧道内径应该由隧道功能所需要的地 下空间决定。
地铁隧道 公路隧道； 给、排水管道计算流量； 普通管道
课件类
6
4.1.1盾构法衬砌设计流程
（3）荷载类型的确定 作用在衬砌上的荷载包括土压力、水压力、静荷
载、超载及盾构千斤顶的推力等 （4）衬砌条件的确定
课件类
38
4.2.2 荷载
1、荷载的种类
必须考虑的荷载： （1）土压力；（2）水压力；（3）静荷载；（4）超载； （5）地基反作用力（如果必须的话）。
应该考虑的荷载： （6）内部荷载；（7）施工期间的荷载；（8）地震效应。
特别荷载： （9）邻近隧道的影响；（10）沉降的影响；（11）其它荷
载。
课件类
课件类
43
(2)垂直土压力 当覆土厚度较小，小于2倍的隧道外径时。
pe1 p0 iHi j H j H Hi Hj
课件类
44
(2)垂直土压力
• 当覆土厚度H＞2D时，地基中产生拱效应的可能性 较大，可以考虑在设计计算时采用松弛土压力（图 4－19）。
• 砂质,当H>1～2D（D为管片外径）时多采用松弛土 压力；
（8）设计的批准 设计者认为所设计的衬砌结构安全、经济且适
课件类
9
图4-1 盾构隧道衬砌设计的流程图
课件类
10
4.1.2盾构法隧道结构设计程序包括的主要内容
第一步：确定几何参数 基准线、开挖直径、衬砌直径、衬砌厚度、圆环
第二步：确定岩土参数
特定处土的重力、内聚力、内摩擦角、弹性模量、 变形模量、K0 第三步：选择危险断面
设计者应该确定衬砌的条件，如衬砌的尺寸（厚
（5）计算内力 设计者应该通过使用合适的计算模型及设计方法
课件类
7
课件类
8
4.1.1盾构法衬砌设计流程
（6）安全性校核 设计者应该对照计算出的内力来校核衬砌的安
（7）评估 如果设计的初衬砌不满足设计荷载要求或设计
衬砌安全但不经济，设计者应该改变衬砌的条件并 且重新设计。
课件类
20
第八步：计算结果 剪力、弯矩和挠度一般以表格的形式来展现，以此确定设计荷
课件类
21
4.1.3设计常用名词及图示符号
管片： 盾构隧道最初
衬砌的弧形构件， 也适用于预制混 凝土管片。
课件类
22
常用管片形状
课件类
23
课件类
24
课件类
25
课件类
26
课件类
27
管片衬砌：隧道衬砌由管片组成，每一环的衬砌由数个 管片组成。盾构中完成的管片衬砌：在管片衬砌系统中
Байду номын сангаас39
2、土压力
土压力应该沿隧道断面径向作用于衬砌上，或者分解 为水平和垂直方向的土压力。
隧道的断面及周围的课土件体类 情况图
40
课件类
41
（1）水平土压力 从隧道衬砌拱部至底部，作用于衬砌形心处的水 平土压力。它的大小由垂直土压力乘以土的侧压 力系数所确定(图4-16）
课件类
42
(2) 将垂直土压力作为作用于衬砌顶部的均布荷载来考虑。
课件类
34
课件类
35
计算中使用的符号范例
课件类
36
4.2 盾构衬砌结构设计方法
• 软土的物理特征规定如下：
N 50 E 2.5N 125MN/m2 qu N / 80 0.6MN/m2
课件类
37
设计原理：
设计原理是为检验盾构隧道衬砌的安全性。在 隧道衬砌报告中，都应该阐述设计计算的必要性、 设计概念的假设、设计寿命、检查永久安全性等问
缝允许宽度。
课件类
12
第六步：设计荷载 （1 分析作用于衬砌管片上的荷载影响及土压力(图4-2～图4-6)
课件类
13
课件类
14
(2) 千斤顶的推力荷载 分析由于推进器垫板压在不同类型管片上荷载的影响
(图4-7)
课件类
15
(3) 拖车和其它服 务设备的荷载主要 包括单轮承载(图48)
课件类
16