地下結構工程第06章6盾構襯砌結構本章介紹盾構構造和分類，盾構推進及襯砌拼裝;圓形襯砌構造、內力計算與管片結構設計，要求了解盾構隧道的功能和適用環境。掌握圓形襯砌結構設計方法和構造要求。6.1概述盾構（shield）是一種鋼制的活動防護裝置或活動支撐，是通過軟弱含水層，特別是河底、海底，以及城市居民區修建隧道的一種機械。頭部可以安全地開挖地層,尾部可以裝配預制管片或砌塊，迅速地拼裝成隧道永久襯砌。盾構推進主要依靠盾構內部設置的千斤頂。適用條件在松軟含水地層中修建隧道、水底隧道及地下鐵道時采用各種不同形式的盾構施工最有意義，特別是該施工方法屬地表以下暗挖施工，不受地面交通、河道、航運、潮汐、季節等條件的影響，盾構隧道的歷史用盾構法修建隧道開始于1818年，法國工程師布魯諾爾；1825年在英國泰晤士河下首次用矩形盾構建造隧道；近代，日本盾構法得到了迅速發展，用途越來越廣，并研制了大量新型盾構；我國于1957年北京下水道工程中首次出現2.6m小盾構；上海市延安東路過江道路隧道使用11.0m直徑的大盾構；隧道剖面圖1-進風道；2-進風口；3-排風口；4-排風道；5-路面（下拉桿）6-天棚（上拉桿）；7-吊桿；8-照明燈；9-滅火器；10-消防栓；11-電纜；12-排水管；13-給水管；14-縱向螺栓；15-環向螺栓按形狀分類大致有圓形（又稱半盾構）、矩形、馬蹄形等幾種。圓形因其抵抗水土壓力較理想，襯砌拼裝簡便，構件可以互換，較為通用，數量最多。圓形盾構中，敞胸盾構和閉胸盾構兩大類。6.2盾構構造和分類

6.2.1盾構的基本構造1-1(切口環)；2-2(支承環)；3-3(縱剖面)通常由盾構殼體、推進系統、拼裝系統、出土系統等四大部分組成。1）盾構殼體盾構殼體由切口環、支承環、盾尾與豎直隔板、水平隔板組成，并由外殼鋼板連成整體。切口環：開挖；上下寬度可以等值、也可以不等值，甚至是活動的。容納各種專門的挖土設備。支承環：承受荷重的核心部分，剛性較好的圓環結構。水平隔板和豎直隔板：增加盾構剛度，水平承受拉力，豎直承受壓力。盾尾：掩護工人在其內部安裝襯砌。2）推進系統由盾構千斤頂和液壓設備組成，上下左右活塞桿伸出長度不同達到糾偏目的。盾構千斤頂一般是沿支承環圓周均勻分布的；3）拼裝系統襯砌拼裝器又稱舉重臂，是拼裝系統的主要設備，以油壓系統為動力，一般舉重臂均安裝在支承環上。舉重臂能作旋轉、徑向運動，還能沿隧道中軸線作往復運動。完成這些運動的精度應該保證待裝配的管片上的螺栓孔能和已裝配好的螺栓孔對齊，以便螺栓固定。4）出土系統出土方式一般有三種：（1）有軌運輸：皮帶運輸機－礦車－洞口－垂直起吊至地面。（2）無軌運輸：自卸卡車（3）管道運輸：混合泥漿，壓力輸出，出土連續化6.2.2盾構分類及其適用范圍表6-1。1）人工開掘式、半機械式敞胸盾構全部敞開，隨時觀察地層變化情況，并配備簡便的液壓、風動挖掘，機具、人工挖掘，當開挖面難以保持穩定時可以采用氣壓等人工措施及正面支撐、支撐千斤頂等隨挖隨撐。2擠壓式閉胸盾構在塑性粘土及淤泥中采用,盾構正面用胸板密閉起來。厚蘭隧道、林肯隧道和打浦路隧道都采用過半擠壓及全擠壓推進的閉胸盾構施工.襯砌結構常發生橢圓率的現象，先襯砌水平直徑縮小，豎向直徑增大，繼之，盾構離遠時，豎向直徑減小，水平直徑增大。主要是隧道上方土壤結構破壞、隆起，形成一個卸載拱，而水平壓力仍然保持著初始數值之故。3）機械式閉胸盾構（1）局部氣壓盾構（2）泥水加壓式盾構(3)土壓平衡式盾構表6-1挖掘方式構造類型盾構名稱開挖面穩定措施適用地層附注人工開挖（手掘式）敞胸普通盾構臨時擋板、支撐千斤頂地質穩定或松軟均可輔以氣壓、人工井點降水及其它地層加固措施棚式盾構將開挖面分成幾層，利用砂的安息角和棚的磨擦砂性土網格式盾構利用土和鋼制網狀硌柵的磨擦粘土淤泥閉胸半擠壓盾構胸板局部開孔依賴盾構千斤頂推力土砂自然流入軟可塑的粘性土全擠壓盾構胸板無孔、不進土淤泥半機械式敞胸反鏟式盾構手掘式盾構裝上反鏟挖土機土質堅硬穩定開挖面能自立輔助措施旋轉式盾構同上，裝上軟巖掘進機軟巖機械式敞胸旋轉刀盤式盾構單刀盤加面板多刀盤加面板軟巖輔助措施閉胸局中氣壓盾構面板和隔板間加氣壓多水松軟地層不再另設輔助措施泥水加壓盾構面板和隔板間加壓力泥水含水地層、沖積層、洪積層輔助措施土壓平衡盾構（加水式、加泥式）面板和隔板間充滿土砂容積產生的壓力與開挖面處的地層壓力保持平衡淤泥、淤泥混砂輔助措施6.2.3盾構幾何尺寸的選定及盾構千斤頂推力計算主要指盾構外徑D和盾構長度L、盾構靈敏度L/D。最小建筑空隙值xx=mα=mD=d+2(x+δ)δ=0.02+0.01（D-4）2）盾構長度LL=L0+L1+L2+L3L0—盾尾長度；L1—支承環長度；L2—切口環長度；L3—前檐長度。3）盾構晴靈敏度L/D經驗買數值:小型盾釘構D=2居~3m，L/D悟=1.岡5中型盾披構D=3閃~6m掃,L鍛/D=巴1.0倚0大型盾悔構D=6尋~9m扶,L靈/D=留0.7唐5特大型贏盾構D＞12m拴,損L/D斜=0.球45~諸0.7姻54）盾構冒千斤頂蓮推力計悄算阻力揚包括：盾構莊外表栽面與站四周紀地層陸的摩共阻力桐；盾尾剖內殼灣與襯淡砌結昨構之逮間的兆摩阻合力；盾構限切口炎部分數刃口袖切入還土層授的阻倒力；盾構奔切口盯環切趁入土悲層時杠的正啟面阻礎力；開挖面私正面支怎撐阻力舅；以及盾槍構自重低引起的接阻力，怪糾偏時裂的阻力培，局部牲氣壓或課泥水壓煮力，阻縫力板阻趁力等。日本盾序構總推勵力經驗惕公式表6-纖2盾構遷總推弊力隧道名稱直徑D(m)長度L(m)靈敏度L/D重量W(t)盾構千斤頂（只數）(104N)盾殼厚度(mm)附注荷蘭Vehicular9.175.730.6340030600070美國林肯隧道9.634.710.4930428644063=12.7美Brooklyn-battery9.634.710.4931528644063=12.7美Queen-Midtown9.655.700.59285600比Antwerpen9.505.500.57627532640070Rotherhite9.355.490.586406700原蘇聯莫斯科地鐵9.504.730.5340363500中國上海打浦路隧道10.206.630.65400408000中國上海延安東路隧道11.267.800.69480448800本講要辦點盾構潤的組境成；盾構的酷分類；盾構外膊形尺寸來的確定維和推力絲式的確定播。6.聾3盾構推愧進及襯萌砌拼裝6.憂3.咳1盾構圈推進已建煩隧道艱所采萄用過忙的大眼直徑尋盾構攻，大垃部分削都屬愉于手掘暈式敞本胸盾叉構或級閉胸雀擠壓鳴盾構，或者隊是兩者江兼有的濫盾構。技術先碌進的泥水召盾構嚼或土帖壓平泛衡盾粥構很少畫采用植。本節偷將主棕要介碑紹在斬松軟光含水喪地層育中采用手選掘式敞念胸盾構皇施工，輔以赤氣壓，更人工井慨點降水牲及其它狼地層加惱固措施辱，盾構餡開挖掘披進時的裁幾種施追工方法唉。1）人工柴井點降仿水加礎手工掘紗式敞胸行盾構施倡工人工敘井點晌降水期，逃經濟宮，適妥用于濫漏氣蠻量大蘭的砂摘性土息。地下水丘位降低幕、疏干狠地層，增加添土體丸強度盡，以保證躬開挖面飯穩定，浴盾構在浙地下水疲位以上錘通過，坐施工場秧地較干燥。一般產都采顫用噴射井膚點，深津度曾蝴用到27唱m，使緩埋深碼為25跪m的隧道斑能順利打開挖。具體元過程哈：（1）先借尸助盾構惱千斤頂使盾構未推進，將切惰口環部悔分切入味地層，鑼然后在切口環護保護下胞進行土丘體開挖毒與運輸，這樣瞇對周圍瞞地層擾漂動較小吼。（2）分層摸開挖，乳施工工柔具為普智通手工洗工具或友手持式養風動工弊具。（3）每召環管臉片可繞分數孤次開友挖和提推進餡，盾肯構糾擋偏時瓶可以役利用份超挖困解決疾。（4）可圖借助儉支撐辜千斤沫頂加歸撐板常對開蜜挖面佳進行略臨時煙支撐搬；（5）當伍用網擦格式住盾構狼時浸，防羽止盾線構后塊退。2）氣壓尖加手掘垂式敞胸吩盾構施飲工盾構許施工恰在含招水松腔軟不道穩定盟地層怎中采檔用氣壓幅來疏乘干和蜘支護任開挖病面，以防冊止涌水籮、開挖擊面崩坍艦，增強緒地層強齊度，是瘦一種極眨古老，丈且行之退有效的葉施工方哈法。（1）氣膽壓大畏小及質耗氣凈量的易確定理論樸上，每10而m水頭火必須慢用0.綿1M聰pa的氣壓際力來平撞衡。實際龜上，僅為脾理論壓效力的50勾%~捎60筋%，空向氣量坊僅為悠理論妹空氣戲量的10霉%~書50仆%。未。中小為型盾引構，向壓力掃等于離盾構媽上端約D/2處的功地下邁水壓宇力;大直徑帆盾為2/3汁D處的地被下水壓辨力;頂部絹均超載壓，芹需有跑足夠匙的覆獅蓋層施工吸時為揚了防受止空漏氣泄神出，躍盾構勇頂部施必須自有足盈夠厚綁的覆難蓋層t即t值過秒大則黃直接綠影響棵到隧畜道埋姿置深腔度乳，過畫小則旋覆蓋建不足您，往拌往容扮易發森生噴添發事滑故。國外隧埋道規范規定秀；水橫底隧披道的最小覆嘆蓋層必須大刃于盾構跪直徑（錢日本）戲或等于盾構鋸直徑，覆膚蓋層寬度應大于舉或等于盾構直絕徑的6倍。采用經蓄驗公式溪計算耗戴氣量：—土質忽系數換，當鏡壓力氧大于0.攝1M饒Pa時，粘鞭性土=3甩.6飾5；砂室性土=7停.3禍0。（2）氣壓遙盾構施柄工氣壓盾梁構施工震中閘墻和內氣閘作用是勻將作業區與常壓作飼業區隔開青。閘墻鐮必須怪有足折夠的強度與氣密性.氣閘洲是鋼找板鉚愛接或唇焊接疫而成刺的圓乘筒形鞋結構鼠，分人行征閘和外閘兩部分絹。人行木閘的管滑理是快氣壓蘋施工弦的重片要環文節，須要嚴罷格遵互守氣鼠壓作織業的哈工作開時間含及進推出氣柿閘的秀變壓歐時間謙，以稻防減壓病。3）泥徒水加鎮壓盾嘩構施黎工用泥攀水加恥壓盾盲構代是替上銅述氣答壓盾傍構施馳工，炒克服鋸了氣緩壓施咸工的甚弊病以。地面趁沉降炸，減限壓病省，覆土撞深時，氣宴壓太建高無監法施博工，覆土們淺時，叼漏氣份等途。泥水階加壓赴盾構馳是將幼壓力樂為傾的泥代水，碎（池式中H取2m）,壓入盾尸構前部倘密封艙獻內，使宣其壓力最始終高構于地下坡水壓力柜，這源樣就保瀉持了開蔥挖面穩超定的基悶本條件宅。6.嶄3.肺2襯砌加拼裝隧道襯引砌是在盾構礎尾部反殼保傍護下的空間翻內進行灰拼裝。組成炎：鑄鐵、升鋼、鋼司筋混凝蓄土或鋼枝與鋼筋桿混凝土許的復合才材料等幣制成的毯管片或扮砌塊。結構莖受力通及使澇用要將求決繭定盾構吩及襯虧砌結提構形檔式并決定趕其拼裝凱方法。拼裝盒方法重臂拼鋤裝或拱兇托架拼育裝；通縫拼裝（仁管片的眾縱縫環再對齊）蓬或錯縫拼裝千；螺栓飯聯結的管片銷或無螺栓測聯結的砌塊牛等。按其字程序購可分遙為“先替縱后既環”和“先環寸后縱”。采用晶舉重湖臂拼杜裝管雷片的榜原則塘應是油自下搜而上存，左之右交倚叉，擾最后耗封頂閱成環色。6.4裝配壩式圓匪形襯緒砌構嫂造“管笨片”洽是建港成隧喜道后夢的永久性致支撐結構昆，應儲滿足強度要齡求、使罪用要求；施工碗階段遣須裝鏈配簡弟便、容易替皂換、承受盾構引千斤喂頂頂漠力及帖其它施工荷叛載。箱形管拒片平板憲形管訊片帶肋朱管片蠅的材寶料長讀期以萄來多運為鑄喇鐵（僅見圖6-耀6c）和鋼寸。環寬廊與厚廉度國內握外常寫用的腦環寬豈是75吧0~猜10碗00孟m；曲線段覆推進時嬌設有楔狗形管片規，按隧時道曲率么半徑計俯算；管片諒厚度檔一般形為250捕~60劇0mm。分塊大斷面餅隧道可上分成6~奮8~需10塊，小離斷面可刑分為4~6塊。管片盛的最縣大弧哀長一搶般不旅超過4井m，管片恢愈薄其鈴長度應莊越短。拼裝型弟式一般酷有通騰縫、梁錯縫雹拼裝恐兩種侍。縱縫環抵環對齊毒的稱通縫，適搭用于派需要恐拆除所管片忘修建齡旁側錯通道妖或結物構需才要比匪較柔兩的情念況下壺，以婚便于索進行改結構產處理舅?？v縫互挖相錯開吊，對稱錯縫，其優描點在于步能加強罩圓環接錄縫剛度宜，使圓姻形結構可近似雅地按均雀質圓環跟等剛度虹考慮，因此兔使用較普遍的，缺州點是錯陣縫拼裝鍬容易使閥管片頂炮碎。環、政縱向烈螺栓環向螺栓主根據汁接縫別內力孝情況墻可設桂置成泛單排網或雙經排。雙排能：外腳排螺翠栓抵其抗負岸彎矩犬，內貨排螺閘栓抵貓抗正安彎矩怕。縱向螺愛栓目的猴是使隧涼道襯砌稈結構具尺有抵抗隧旗道縱向增變形的魄能力，一婚塊管蘇片設3~4個螺賺栓。螺栓材尺料一般起采用高事強度合臣金鋼，鍛直螺栓提。本講棗要點掌握氣醒壓大小算及耗氣爺量的計溜算；了解圓吩形襯砌暢構造;6.5內力斧計算進與管賓片結賽構設可計6.5縣.1設計原劑則隧道襯拜砌費用進占40%堂~50屆%，安全聽可靠、比經濟合遞理。本節綠重點造介紹單裝配步式鋼弊筋混蹲凝土碌管片蔬。1.滿足結攻構的強尾度和剛局度：摸土層壓必力、水模壓力以暗及特殊唯荷載，宴按梁式模糾型計算煮埋在腥土中紐奉圓環掙的內力和輪位移，以及準管片（筑如鋼筋想混凝土軍管片）酒的裂縫寬翻度限制等主。覆土最芝深、頂云壓與側偉壓相差最大處柿：按施臺工階段考和使用或階段荷裙載最不利山組合情況爺下計算，同時按使嗎用階謀段與城特殊丙荷載蕩階段受組合匙情況掏下的底管片輕強度驗算。覆土最淺咐處：斷面僅進行使用階域段和特殊鑰荷載階段組傘合情況哨下的管睛強度驗撇算。不同點2.滿足所畝提出的安全球質量狡指標要求蠢：裂賣縫開咬展寬晝度，滾接縫植變形起和直宮徑變俱形的聾允許仗量，棗隧道巧抗滲遇防漏題指標呆，結阿構安汁全度扒，襯仗砌內模表面減平整禾度要觸求槍，滿足使吐用要求的萍工作環猾境，保愁持隧道帶內部的灰干燥和使潔凈。6.5謎.2內力多計算拌法飽和含膚水地層其中，茫因內擦瓣角φ值很小尾，主動晴與被動栽土壓力步幾乎是快相等，結構變弄形不能景產生很哪大抗力。假定：結構評可以材自由高變形，不菌受地借層約成束，甲認為舉圓環匯只是槽處在蘭外部撫荷載撥及與曾之平都衡的桑底部息地層委反力栗作用副下工蓬作.剛度折瞞減采用錯縫拘拼裝和通縫閣拼裝，接縫神處的剛龍度遠遠恥小于斷她面部分麻的剛度涉，與整體尤式等邁剛度顛圓形陵襯砌差異更際大。日本閥資料界，接疫頭剛畢度折朽減速毀系數η，對鑄驗鐵管片η=0腸.9~調1.0；鋼筋訴混凝土家管片η=0持.5~釘0.7?？傮w上挎，在飽軍和含水喉地層中幟按整體草式自墾由變匙形勻亭質圓縮慧環的計跳算方磨法誤串差可頸以接嘗受。特殊展情況杯下：當土層侄較好，宋襯砌變動形后能綱提供相衛應的地財層抗力軌，則可按有適彈性博抗力關的整雷體式碰勻質鋼圓環進行內所力計算滅。常用的急有日本久的和蘇介聯的假稿定抗力還法等。多鉸刺圓環斷方法將接縫甩看作為前一個“紫鉸”，封整個圓屋環變成所一個多慌鉸圓環賄?；冢哼B接障方法考由剛性連塘接向命柔性劣連接撞過渡。雖屬惑不穩帽定結府構，弊但因裙有外逐圍土誼層提妙供的附加歐約束和多鉸布圓環的虜變形而昆提供了喬相應的地層病抗力，促使獨多鉸圓局環仍處沫于穩定灣狀態。多鉸圓衣環計算盲圖式6.5壇.3荷載計贏算基本荷毫載（基箏本使用沈階段）沃、臨時借荷載（陽施工階形段）和殼特殊荷之載。1）基本南荷載：（1）土癥層壓誼力：垂直土壩壓力、貢水平土居壓力、（2）水壓耽力：（3）襯砌屯自重豎向土滋壓拱背擦土壓(104N/卸m)地面超享載q3=1艱(1壺04N/阿m)（日本資頭料）（當隧礎道埋深況較淺時皇）拱背土質壓水平荷咱重：即財地層舅側向噴主動次土壓蜂，由維均勻炒土壓p1和三蛋角形屯土壓p2組成:水壓佩力:頂部垂水直向下另水壓力底部陪垂直夕向上晚壓力側向水忠平水壓規力水壓渴力的熊疊加襯砌評自重(104N/m猜)勻布底狡部豎向幣力平均寨后的躺拱被閑壓力抵消智后的攔平均答水壓哨力平均后岸的豎向啦土壓力平均后針的自重梁壓力2）施工討階段臨罵時荷載(1延)自重瀉引起屈的臨漫時荷韻載臨時揪荷載叨隨盾枝構推昂進所喂產生解，一語般來樸自千斤筐頂頂蒼力和壁后見注漿滋壓力。圓形奔隧道板襯砌在到蠅達基雅本使特用階客段前悉，它律保留仰著裝截配中郊由其自重作店用所產生崖的受力靠狀態，深它與基本階鮮段所產生哭的內力永之和，不能超叼過容許何值。由下向拐上裝配初的襯砌灶環，拱頂截司面產生吹內力衰最大央：?支承丸弧面漠所對訓應的扎中心左角1米寬襯溪砌自重襯砌更內徑（2）管片拼裝及盾宗構推進引起反的臨秋時集滅中荷臘載拼裝磚成環舍時，管片制椅作精度不高連，端推面不耐平，跪擰緊奧螺栓飲時往耍往使盜管片盡局部指產生悲較大植的應驅力，導致管化片開裂?；蛞蚱囱b父管片稍誤差累計，夕當盾構話千斤頂部施加在附環縫面半上，特濁別是偏心作她用時，也敗會使管猾片頂裂愈、頂碎軋。鑄鐵喉管片，較薄軌的外殼丸厚度加弊肋逐步浸變到突粉緣處，之承受約106N的盾構昌千斤頂買頂力。改善的收方法是做合理選愚擇管片老型式，提高鋼揉模制作淚精度和我管片混巡壽凝土強包度。在拼裝文管片時越提高拼傲裝質量邀。采用錯縫靠拼裝也是較絞好的辦掏法。管片首壓漿航因局部凝停集在一個撤區域內什所造成兔的圓環播變形和聰集中荷繭載。荷載大小難聚以確定，只能針通過采用附燃加安全年系數，以保陡證襯砌格結構的蠻安全度紐奉。3）特殊財荷載階縣段特殊幸荷載品是一將種瞬懶時性磨的，貓作用普時間召短的晚動力損荷載窮，醫往往戲是控襪制襯儉砌結含構設職計的潤關鍵田，撓在某斤些地穗區還配要考挎慮地蓋震力私作用熊。結構動摸力計算登一般可截用等靜載巖法，按抖彈性勺或彈志塑性跌工作臉階段寶進行津，結書構內雕力計算方菌法與只燃承受范靜載弓的結咳構相同。并可適當深提高材濁料強度古和降低俊強度安劍全系數形。本講要狗點理解紀盾構膜計算再的原閃則；掌握捆盾構柜的荷淡載計披算方識法。6.5宋.4襯砌音內力搞計算1）自由婦變形附的勻救質圓距環計砌算彈性中辭心法計芹算由于結機構及荷卷載對稱璃，拱頂米剪力等紫于零，旱屬二次燭超靜酬定結構。力法況方程涂為：推導過配程圓環幣中任密意截硬面上比的內緣瑞力可舍由下床式得隔到：設計時陷可直接伴利用這是些公式蕉，也可王詳見表6-3，2）考威慮土層擁產生牢側向波彈性暫抗力音的勻貌質圓搜環計覽算當外荷腸作用在礎隧道襯伍砌上，陸一部分虧襯砌向狂地層方逢向變形羅，使地友層產生彈性抗兩力。彈性剛抗力伶的分非布規繼律很經難確鼓定，改采用假定三彈性三抗力三分布三規律三法，如日本三的三三角形三分布，原蘇三聯O·三E、布三加耶三娃的三月牙三形分三布（水三工隧三洞中三常常三采用三），三以及三二次三、三三次拋三物線三分布三等方三法。（1）日三本按三三角三形分三布彈三性抗三力的三方法按溫克三列爾三局部三變形理論三，假三定土層三側向三彈性三抗力PK=K·三y。實際三變形三量圓環三抗彎三剛度接頭三剛度三折減三系數三，取0.三25三~0三.8。K為地三層側三向壓三縮系三數（2）前三蘇聯三布加三耶娃三法PK=-三Kyaco三s2PK=K三yasi三n2+K三ybco三s2起始三位置四個三未知三數x1、x2、ya和yb。各個三截面三上的M、N值為三：Ma=Mq+MPK+x1-x2Rhco三sNa=N三q+三NPK+x2co三s方法三：常常三將半三個襯三砌環三分成九個三截面，即八段：分三別計三算各三點的三彎矩三和軸三力。內力三計算三通過查工三具表三格分別三計算三土層三壓力三、水三壓力三和自三重作三用下三的內三力然三后疊三加。6.三5.三5管片三截面三設計圓環三屬于偏心三受壓三構件(正、三負彎三矩、三軸向三力)，它三的斷三面強三度、三配筋三計算三與裂三縫寬三度限三制計三算，三按照三鋼筋三混凝三土基三本構三件計三算。接縫三計算三方面三的內三容。1）管三