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

地层编号 ②1 ③1 ④1 ④2 ⑥2 岩土名称 杂填土 粉质粘土 厚度 重度γ(kN/m3) 粘聚力c（kPa) 19 18 27 23 0 0 内摩擦角φ 22 23 26 30 31 35 粉土 黏土 粉砂加细砂 中粗砂 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h （1）

式中 g—衬砌自重，kPa；

γh—钢筋混凝土容重，取为25kN/m3 —管片厚度，m。

将已知数值带入上式计算可得：g ==m3。

（2）衬砌拱顶竖向地层压力：

（2）

式中 Pv1 —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/m3；

n hi—衬砌顶部以上各个Pv1ihi土层的厚度，m。

i1PV1=（）

=

（3）拱背土压：

Pv2Q/2RH （3）

式中 Pv2—衬砌拱背竖向地层压力，kPa；

Q—拱背均布荷载，kN/m；

2 （4） Q2(1/4)RHγ—衬砌拱背覆土的加权平均容重，kN/m3；

RH—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：

=(11.51.72510.51.2)/2.92511.09kN/m3 Pv2=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：

Ph1=Pv1tan2(45°-/2)-2ctan(45°-/2) （5） 式中 Ph1—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）；

c—衬砌环直径高度内各土层内聚力加权平均值，kPa； 其中，=（401.725303.2400.925）/(1.7253.20.925)=o c=0kPa

将已知数值带入上式计算可得：

Ph1177.69tan2(4534.53/2)049.14kPa。

（6）侧向三角形水平土压力：

Ph22RH0tan2(450/2) （6）

式中 Ph2—侧向三角形水平土压力，kPa；

RH—衬砌圆环计算半径，m；

γ0—衬砌环直径高度内各土层重度的加权平均值，kN/m3；

0(1.72511.53.210.50.92511.5)（/1.7253.20.925）10.95kN/m3 将已知数值带入式计算可得：

Ph222.92510.950.276=。

（7）衬砌拱底反力：

PRPv1Pv2g(/2)RHw （7） 式中 PR—衬砌拱底反力，kPa；

Pv1—衬砌拱顶竖向地层压力，kPa； Pv2—衬砌拱背部荷载，kPa；

g—衬砌自重，kPa；

γw—水的容重，取为10kN/m3。 将已知数值带入式计算可得：

166.22kP PR177.696.9743.148.750.53.142.92510＝

（8）地层侧向弹性抗力

衬砌结构由于外荷作用，在水平方向产生向外的横向变形的同时，衬砌外围土体也相应会对衬砌结构产生一抵抗压力，以阻止衬砌结构进一步变形。目前，在设计实用计算中应用较为普遍的是温克尔局部变形理论，土层抗力分布在水平直径上下各45°范围内，在水平直径处：

Pkky(12cos) （8） 式中 k—地层基床系数（kN/m3），取k=20000kN/m3 y—衬砌在水平直径方向最终变形值（m）

圆环水平直径处受荷后最终半径变形值为：

4(2qPh1Ph2q)RHy 424(EJ0.045kRH)（9）

式中 —圆环刚度有效系数，=~,取0.5。 EJ—衬砌截面抗弯刚度，

其中 E=

J

32(D4d4)32(6.245.54)=m4

(2177.6949.1417.71171.04)2.9254则 y=106 7424(0.53.551055.230.045200002.925)在90o位置处Pk的值为：

Pk=ky(1-cos)=(1-cos90o)=

由于土体侧向抗力在90o的位置处为最值，对衬砌内力影响很小，不考虑其

对衬砌变形的影响。

（二）考虑特殊荷载作用

采用《地下建筑结构》和《隧道工程》中的计算工法，对基本使用阶段和特殊荷载阶段两种情况下可能出现的最不利荷载进行组合。取左半衬砌圆环进行分析，将其均分为11个部分，各部分方位角分别为0o、15o、o、45o、o、75o、90o、o、135o、o、180o，其中0o表示衬砌圆环垂直直径处，o为0o处向左量取o处。

计算中弯矩用M（i）表示，轴力用N（i）表示，终值由结构在各种荷载作用下得到的内力经过叠加得到。各断面内力系数表如下表1。

表1 断面内力系数表

荷载 截面 位置

M（kN·m）

2gRH(10.5cossin)

截面内力

N（kN）

gRH(sin0.5cos) Pv1RH(sin20.106cos)

自重

0～π 0～π/2

2Pv1RH(0.1930.106cos上部 荷载

0.5sin2)2Pv1RH(0.6930.106cos

π/2～π 0～π/2 π/2～π

sin)

Pv1RH(sin0.106cos)

底部 反力

2PRRH(0.0570.106cos) 0.106PRRHcos

2PRRH(0.443sin0.106cos0.5sin)3RH(0.50.25cos2

PRRH(sin2sin0.106cos)RH(10.25cos0.5sin)HRPh1RHcos2

水压 均布 测压 △ 测压

0～π

0.5sin)

0～π

2Ph1RH(0.250.25cos2)

0～π

2Ph2RH(0.25sin20.083cos30.063cos0.125)

Ph2RHcos(0.0630.5cos0.25cos)2

根据表1中内力计算公式，并运用Excel表格进行汇总计算，计算结果见表2：

表2 管片内力计算一览表 截面

内力 M（） N(kN) M N M N M N M N M N M N

自重

上层荷重

水压

均布侧压 0 0

△侧压 0

底部反力 0

拱背荷重 14

0° 15° ° 45° ° 75° 90°

° 135° ° 180°

M N M N M N M N 0

本设计需考虑特殊荷载，包括人防、地震荷载等。在设计中竖向特殊荷载取基本荷载的1000。计算结果见表3。

表3 管片基本使用阶段及特载引起内力一览表

截面位置

基本使用阶段

M（kN·m）

0° 15° ° 45° ° 75° 90° ° 135° ° 180°

N（kN）

特殊荷载阶段

M（kN·m）

N（kN）

由于本工程所采用的管片设计宽度为b=，而荷载计算是按管片宽度b=1m

计算所得，所以最终荷载应在b=1m计算基础上乘以的系数。将内力组合汇总如下表4：

表4 管片内力组合一览表

截面位置

内力组合

M（kN·m）

0° 15° ° 45°

管片内力组合

M（kN·m）

N（kN）

N（kN）

° 75° 90° ° 135° ° 180°

根据计算所得的内力（见表4）绘出衬砌的内力组合图，见图3。

图3 衬砌内力组合图

由内力组合值可知，弯矩在拱底处=180°取得正的最大值（管片内侧受拉，M=kNm），在=90°的时候取得负的最大值（管片外侧受拉，M= kNm）；轴力在=90°时取得最大值N=。