开挖面稳定

6　盾构法隧道支护结构设计

本章导读:

●内容　软土隧道的开挖方法;盾构机选型;衬砌形式和构造;衬砌设计以及隧道防水和综合处理等。

●基本要求 了解软土隧道的一般开挖方法;了解盾构机的形式和构造;了解衬砌结构的形式和构造及隧道防水等;掌握衬砌结构设计方法。

●重点　衬砌结构内力计算和设计方法。

●难点　开挖面稳定性分析以及衬砌圆环内力计算。

6.1 概述

软土隧道的开挖方法多种多样,主要包括机械开挖和人工开凿。

选择适当的开挖方式及支护系统的标准是根据对土体性质的预测,尤其是根据工程实际经验,确切来讲就是不管对于任何土体和任何施工条件,都要使隧道掌子面维持稳定的状态。

目前,机械开挖主要采用盾构机。在盾构法隧道的开挖过程中,盾构不仅提供和决定隧道的周界,必要时还起到支撑掌子面的作用,直到初期支护或二次衬砌稳定。

历史上第一个盾构隧道是在1825年由Marc Isambard Brunel发明的盾构机修建的泰晤士隧道(尽管直到1843年它才开始对外开放)。相传Brunel的盾构发明是在他参观船坞厂的时候,被一种能够迅速在木头里钻孔的蛀船虫所启发的结果。

Brunel最初的设计后来被PeterW.Barlow在1870年修建位于伦敦中心泰晤士河下的塔地铁时进行了改进。也许Barlow最重要的创新设计是圆形截面(而不像Brunel的矩形截面),这样的设计使得施工更加简便,并且圆形截面能够更好地支撑周围土体的压力。

Barlow的设计被James Henry Greathead在1884年进行伦敦南区城市铁路(今伦敦地铁的北部线一部分)的建设时进行了推广和改进。直到现在,大多数隧道盾构仍然是以当时Greathead的盾构为基础的。

(1)手工盾构隧道

在早期的盾构隧道开挖过程中,盾构主要是为了保护那些进行人工挖掘的劳动者,由工人们推着它前进,随后又出现了预制管片,早期伦敦的深埋隧道就是用这种方法修建的。

(2)现代隧道掘进机

隧道掘进机(TBM),又称盾构机,由护盾(一个巨大的金属圆筒)和盾尾系统组成,最前端安装着可以转动的刀盘。在刀盘后方的腔体内,根据盾构种类的不同,切削下来的土体或者会和泥浆混合(这种盾构称为泥水盾构),或者不进行混合(这种盾构称为土压平衡或EPB盾构),选择何种盾构取决于土体的种类。然后系统会将土体或泥浆混合物排出,在盾构掘进机的尾端,会有一个液压千斤顶,用它来顶住后方已完成的结构并推动盾构机继续前进。架设器是一个可以旋转地将预制混凝土管片安装在各个部位的装置,每当掘进机向前掘进一定距离时(约1.5～2 m),架设器会将新的环片安装在新挖好的侧壁。在盾构的最后面,还有一系列的辅助装置,比如除污装置、泥浆输送管道、控制室、管片运送轨道等,它们也属于整个盾构设备的一部分。

6.2　盾构机的分类及选型

盾构机可按照不同的分类方法进行分类。按开挖面是否封闭,可分为密闭式和敞开式两类。按平衡开挖面土压与水压的原理不同,密闭式盾构机又可分为土压式(常用泥土压式)和泥水式两种;敞开式盾构机按开挖方式又可分为手掘式、半机构挖掘式和机械挖掘式三种。按盾构机的断面形状可分为圆形和异形盾构机两类,其中异形盾构机主要有多圆形、马蹄形和矩形。

现在盾构机普遍按功能分类,主要有土压平衡盾构、泥水平衡盾构和混合盾构。

6.2.1　土压平衡盾构

典型的土压平衡盾构如图6.1所示,主要适用于地下水少、渗透系数较小的黏性地层、砂性地层和砂砾土层。

盾构开挖土体后会引起开挖面的土体扰动,从而降低稳定性。为了防止开挖面失稳,必须要提供一个支撑力。土压平衡的盾构机工作时,黏土被刀盘①切削并起到挡土的作用,这是土压平衡盾构不同于其他盾构支撑的地方。盾构刀盘转动的部位叫做开挖土舱②,它与盾构的气仓由压力隔板③相隔开。

土体被刀盘切削后,由刀盘的空隙进入开挖土舱,并与里面的塑性土混合。推进油缸④的压力通过压力隔板作用到开挖土舱内的土体上,这样可以有效地控制切削下来的土体向开挖土舱的涌进。当开挖土舱内的土在气缸和开挖面原状土的挤压下不能再被压缩时,便达到了平衡的状态。

开挖出来的土最后会被螺旋输送机⑤送出开挖土舱。排土量是由螺旋输送机的速度和螺旋向上开口处截面大小所控制的。螺旋输送机把排土先送到第一级传送带上,随后弃土会被送

①—刀盘;②—开挖土舱;③—压力隔板;④—推进油缸;⑤—螺旋输送机;⑥—管片安装器;⑦—钢筋混凝土管片
图6.1　土压平衡盾构(Herrenknecht公司,2008)

上一个反向螺旋带,这样当方向螺旋带反转时,可以起到土塞的作用。

隧道通常使用钢筋混凝土管片⑦作衬砌,管片由压力隔墙后面的管片安装器⑥依靠气压安装并初步固定。在管片与隧道侧壁的空隙里会源源不断的进行注浆以填补空隙。

6.2.2　泥水平衡盾构

泥水盾构如图6.2所示,作为一种综合式盾构机,它常被用于开挖面不稳定的碎石地区或复杂多变的复合地层。

图6.2　泥水盾构(Herrenknecht公司, 2008)

在开挖模式下,开挖土仓被浆液完全充满,而压力仓④是位于潜水和墙①后方的,浆液由气压垫和压力隔板②合力支撑。气压的大小是由一个气压调节设备(⑩和)自动控制的,这样可以用来避免开挖面发生喷涌或者塌陷。开挖土舱③以及压力仓的泥浆之间的压力补给都是靠联通管⑤来平衡的。注浆管⑨将浆液注入开挖土舱,泥浆导管⑥又从吸力架后面的排出舱将泥浆导出。压力仓中还有冲刷管⑧和传送管⑦,它们不断地冲刷以避免连通管下沉积物的积累。

在可能导致开挖面失稳的不良地质条件下,例如在硬质岩土或密实黏土中,类似于小型的AVN型机这样的机器可以当作没有气压的泥水盾构来使用。隔断压缩空气的进出即可完成混合盾构和泥水盾构之间的转换,开挖土舱将传输管压力仓、供给管压力仓和连通管的空气抽出。转换后因为连通管的闭合,压力仓仅存在大气压,隧道开挖面仅由一圈循环的膨润土悬液支撑。

6.2.3　混合盾构

混合盾构如图6.3所示,它被用于碎石土或复合地层条件下。

①—刀盘;②—开挖土舱;③—压力隔墙;④—供料管线;⑤—压缩气垫;⑥—潜水隔墙;⑦—钢筋混凝土管片;⑧—管片安装器
图6.3　混合盾构(Herrenknecht公司, 2008)

开挖面的土体被泥浆中旋转的刀盘①切削后,与注入的泥浆混合。正如前面提到的,刀盘旋转的部分叫做开挖土舱②,压力隔墙③将开挖土舱与气压分开。

膨润土由供料管线④以和自然水土压力相等的压力通过气泡管⑤输送到开挖土舱,这可以防止开挖面土体涌出或失稳。开挖土舱的支撑压力并不是直接由浆液提供的,而是通过压缩气垫⑤。正是由于这个原因,刀盘后面的开挖土舱与压力隔墙被潜水隔墙⑥隔开。潜水隔墙和压力隔墙所在的位置被称作压力舱或工作舱。

开挖面的前方是完全被浆液填充的,浆液在潜水隔墙的后面,在中心轴的部位,在压缩气垫的控制下可以保持确定的压力值,这些都是由一个气压控制系统精确控制的。这样后方的补给膨润土就能够非常有效地进行供应。

切削下来的土体与泥浆混合后,由泵送到隧道外面的分离装置。为了防止闭塞,同时确保排出管道的正常运作,大块的石子和土块在进入吸水管引起吸入渠道的入口堵塞之前就会被筛选出来。

隧道同样使用钢筋混凝土管片⑦作衬砌,管片由压力隔墙后面的管片安装器⑧依靠气压安装并初步固定。在管片与隧道侧壁的空隙里会进行注浆以填补空隙。

6.2.4　盾构机选型

在盾构机类型的选择上,需要考虑土质、地下水、隧道尺寸、支护条件、开挖条件以及开挖环境。用来考虑选择盾构机的参量数量非常之多,在我国还没有将之系统化的任何尝试。而日本已经有了盾构机选型系统化的雏形。

当今世界上机械开挖的隧道中大部分的盾构隧道都是用圆形设备开挖的。然而,在特殊情况下,配置有时不得不将其他形状和类型的隧道加以考虑。

1)简约盾构

普通盾构有手工或最基本的挖掘系统和支撑系统。例如,单盾隧道掘进机就属于一种开放式的盾构,开放式盾构掘进机是指那些在开挖面没有专门压力支撑系统的开挖机械。安装了护盾的隧道掘进机被用在碎石岩层或软岩隧道,它们在坚硬岩石上的应用范围非常广泛。

单盾隧道掘进机可以比其他任何全断面掘进机更准确地计算出刀盘所需的扭矩。跟许多其他的参数一样,扭矩在很大程度上取决于刀盘的穿透力和接触压力。

2)异形盾构

隧道往往采用的是多圆形或异形盾构,一个典型的例子就是双圆盾构。双圆盾构是进行隧道开挖的具有最先进技术含量的隧道掘进机之一。结合了夹持原理和完美的管片安装协调系统,双圆盾构可以很容易地适应特殊地质条件下的任何隧道路线。这种类型的机器非常的适合修建硬质岩石破碎带的长隧道;异形盾构由支架、支板和衬砌支撑。这项技术依靠地层能够提供足够的站立时间以使得开挖有序地进行推进。它还要求隧道的仪表化,以及能在开挖和支护两个工序中迅速转换。

6.3　开挖面稳定

开挖面的稳定性是一个至关重要的多参函数(heuer,1974,1976),主要包括:土体类型和可变性、开挖面几何尺寸、地下水、土压力和初试土压力、开挖方式和支护方式。

对于隧道开挖面稳定已有很多的研究。大多数结果是基于极限平衡法和极限分析法。目前计算支撑压力的一种合理的和明确的方法是块体多椎体法,该方法允许滑动面更自由的发展。对于小到中等直径的隧道(≤10 m),假设隧道压力恒定,多椎体模型较为方便。然而,面对超大型泥水盾构隧道,泥浆压力恒定的假设是不适用的,对这种开挖面稳定的研究目前相当少。

无支护的隧道开挖和开挖面的稳定决定了施工方法和手段,通常还决定了必须进行隧道支护的时间。每个盾构隧道的建设都会引起土中围岩位移或应力的变化。开挖面的稳定(自稳时间)可以由四种土体来检验,即没有黏性或黏性很小的颗粒土壤、有黏性的颗粒土壤、无膨胀硬化土和硬饱和软土。

6.4　衬砌型式和构造

6.4.1　衬砌断面的型式与选型

盾构法隧道的衬砌结构在施工阶段作为隧道施工的支护结构,它保护开挖面以防止土体变形,土体坍塌及泥水渗入,并承受盾构推进时千斤顶顶力及其他施工荷载;在隧道竣工后作为永久性支撑结构,并防止泥水渗入,同时支承衬砌周围的水、土压力以及使用阶段和某些特殊需要的荷载,以满足结构的预期使用要求。因此,必须依据隧道的使用目的、围岩条件以及施工方法,合理选择衬砌的强度、结构、形式和种类等。根据这些条件,盾构隧道横断面一般有圆形、矩形、半圆形、马蹄形等多种形式,最常用衬砌的横断面形式为圆形与矩形。在饱和含水软土地层中修建地下隧道,由于顶压和侧压较为接近,较有利的结构形式是选用圆形结构。目前在地下隧道施工中盾构法应用得十分普遍,这样装配式圆形衬砌结构在一些城市的地下铁道、市政管道等方面的应用也显得较为广泛和普遍。

1)内部使用限界的确定

隧道内部轮廓的净尺寸,应根据建筑限界或工艺要求,并考虑曲线影响及盾构施工偏差和隧道不均匀沉降来决定。

对于地下铁道,为了确保列车安全运行,凡接近地下铁道线路的各种建筑物(隧道衬砌、站台等)及设备、管线,必须与线路保持一定距离。因此,应根据线路上运行的车辆在横断面上所占有的一定空间,正确决定内部使用限界。

(1)车辆限界

车辆限界是指在平、直线路上运行中的车辆可能达到的最大运动包迹线,即是车辆在运行中横断面的极限位置,车辆任何部分都不得超出这个限界。在确定车辆限界的各个控制点时,除了考虑车辆外轮廓横断面的尺寸外,还需考虑到制造上的公差、车轮和钢轨之间及在支承中的机械间隙、车体横向摆动和在弹簧上颤动倾斜等。

(2)建筑限界

建筑限界是决定隧道内轮廓尺寸的依据,是在车辆限界以外一个形状类似的轮廓。任何固定的结构、设备、管线等都不得侵入这个限界以内。建筑限界由车辆限界外增加适量安全间隙来求得,其值一般为150～200 mm。

一般说来,内部使用限界是根据列车(或车辆)以设计速度在直线上运行条件确定的。曲线上的限界,由于车辆纵轴的偏移及外轨超高,而使车体向内侧倾斜,因而需要加宽,其值视线路条件确定。

2)圆型隧道断面的优点

隧道衬砌断面形状虽然可以采用半圆形、马蹄形、长方形等形式,但最普遍的还是采用圆形。因为圆形隧道衬砌断面有以下优点:

①可以等同地承受各方向外部压力。尤其是在饱和含水软土地层中修建地下隧道,由于顶压、侧压较为接近,更可显示出圆形隧道断面的优越性。

②施工中易于盾构推进。

③便于管片的制作、拼装。

④盾构即使发生转动,对断面的利用也毫无妨碍。

用于圆形隧道的拼装式管片衬砌一般由若干块组成,分块的数量由隧道直径、受力要求、运输和拼装能力等因素确定。管片类型分为标准块、邻接块和封顶块三类。管片的宽度一般为700～1200 mm,厚度为隧道外径的5%～6%,块与块、环与环之间用螺栓连接。

3)单双层衬砌的选用

隧道衬砌是直接支承地层、保持规定的隧道净空,防止渗漏,同时又能承受施工荷载的结构。通常它是由管片拼装的一次衬砌和必要时在其内面灌注混凝土的二次衬砌所组成。一次衬砌为承重结构的主体,二次衬砌主要是为了一次衬砌的补强和防止漏水与浸蚀而修筑的。近年来,由于防水或截水材料质量的提高,可以考虑省略二次衬砌,采用单层的一次衬砌,既承重又防水。但对于有压的输水隧道,为了承受较大的内水压力,需做二次衬砌。

综上所述,应根据隧道的功能、外围土层的特点、隧道受力等条件,选用单层装配式衬砌,或选用在单层装配式衬砌内再浇筑整体式混凝土、钢筋混凝土内衬的双层衬砌等。

由于单层预制装配式钢筋混凝土衬砌的施工工艺简单,工程施工周期短,节省投资;而双层衬砌施工周期长,造价贵,且它的止水效果在很大程度上还是取决于外层衬砌的施工质量、渗漏情况,所以只有当隧道功能有特殊要求时,才选用双层衬砌。通常在满足工程使用要求的前提下,应优先选用单层装配式钢筋混凝土衬砌。

近年来,由于钢筋混凝土管片制作精度的提高和新型防水材料的应用,管片衬砌的渗漏水显著减少,故可以省略二次衬砌。例如,我国于1989年建成的上海延安东路水底公路隧道即采用单层钢筋混凝土衬砌,防水效果较好,已达到国际先进水平。

6.4.2　衬砌的分类及其比较

1)按材料及形式分类

(1)钢筋混凝土管片

钢筋混凝土管片一般有箱形管片和平板形管片。箱形管片一般用于较大直径的隧道。单块管片质量较小,管片本身强度不如平板形管片,特别在盾构顶力作用下易开裂(图6.4)。平板形管片用于较小直径的隧道,单块管片质量较大,对盾构千斤顶顶力具有较大的抵抗能力,正常运营时对隧道通风阻力较小(图6.5)。

(2)铸铁管片

国外在饱和含水不稳定地层中修建隧道时较多采用铸铁管片,最初采用的铸铁材料全为灰口铸铁,第二次世界大战后逐步改用球墨铸铁,其延性和强度接近于钢材,因此管片就显得较轻,耐蚀性好,机械加工后管片精度高,能有效地防渗抗漏。缺点是金属消耗量大,机械加工量也大,价格昂贵。近十几年来已逐步由钢筋混凝土管片所取代。由于铸铁管片具有脆性破坏的特性,不宜用作承受冲击荷重的隧道衬砌结构(图6.6)。

(3)钢管片

优点是质量小,强度高。缺点是刚度小,耐锈蚀性差,需进行机械加工以满足防水要求。成本昂贵,金属消耗量大,国外在使用钢管片的同时,再在其内浇注混凝土或钢筋混凝土内衬。

图6.4　箱形管片(钢筋混凝土)

图6.5　平板形管片(钢筋混凝土)

图6.6　铸铁管片

(4)复合管片

外壳采用钢板制成,在钢壳内浇注钢筋混凝土,组成一复合结构。这样,其质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,缺点是钢板耐蚀性差,加工复杂冗繁。

2)按结构形式分类

根据不同的使用要求隧道外层装配式钢筋混凝土衬砌结构分成箱形管片、平板形管片等结构型式。钢筋混凝土管片四侧都设有螺栓与相邻管片连接起来。平板形管片在特定条件下可不设螺栓(此时称为砌块),砌块四侧设有不同几何形状的接缝槽口,以便砌块间和环间相互衔接起来。

(1)管片

管片适用于不稳定地层内各种直径的隧道内的,接缝间通过螺栓予以连接。由错缝拼装的钢筋混凝土衬砌环近似地可视为一匀质刚度圆环,接缝由于设置了一排或二排的螺栓可承受较大的正、负弯矩。环缝上设置了纵向螺栓,使隧道衬砌结构具有抵抗隧道纵向变形的能力。管片由于设置了数量众多的环、纵向螺栓,这样使管片拼装进度大为降低,增加工人劳动强度,也相应地增高了施工费用和衬砌费用。

(2)砌块

砌块一般适用于含水量较少的稳定地层内。由于隧道衬砌的分块要求,使由砌块拼成的圆环(超过三块以上)成为一个不稳定的多铰圆形结构。衬砌结构在通过变形后(变形量必须予以限制)地层介质对衬砌环的约束使圆环得以稳定。砌块间以及相邻环间接缝防水、防泥必须得到满意的解决,否则会引起圆环变形量的急剧增加而导致圆环丧失稳定,形成工程事故。砌块由于在接缝上不设置螺栓,施工拼装进度就可加快,隧道的施工和衬砌费用也随之而降低。

3)按形成方式分类

按衬砌的形成方式,分可将衬砌分为装配式衬砌和挤压混凝土衬砌两种。

装配式衬砌圆环一般是由分块的预制管片在盾尾拼装而成的,按照管片所在位置及拼装顺序不同可将管片划分为标准块,邻接块和封顶块,根据工程需要组成衬砌的预制构件有铸铁、钢、混凝土、钢筋混凝土管片和砌块之分。我国目前广泛使用的是钢筋混凝土管片或砌块。与整体式现浇衬砌相比,装配式衬砌的特点在于:

①安装后能立即承受荷载。

②管片生产工厂化,质量易于保证,管片安装机械化,方便快捷。

③在其接缝处防水需要采取特别有效的措施。

近年来,国外发展有在盾尾后现浇混凝土的挤压式衬砌工艺,即在盾尾刚浇捣而未硬化的混凝土处在高压作用下,作为盾尾推进的后座。盾尾在推进的过程中,不产生建筑空隙,空隙由注入的混凝土直接填充。挤压混凝土衬砌施工方法的特点是:

①自动化程度高,施工速度快。

②整体式衬砌结构可以达到理想的受力、防水要求,建成的隧道有满意的使用效果。

③采用钢纤维混凝土能提高薄形衬砌的抗裂性能。

④在渗透性较大的砂砾层中要达到防水要求尚有困难。德国豪赫帝夫国际建筑工程公司研制的掺钢纤维挤压混凝土衬砌已在汉堡、罗马和里昂等地的地铁工程中得到了成功的应用,日本也在不少软土隧道的施工中采用了这种施工方法。

4)按构造形式分类

按初砌的构造形式大致可分为单层及双层衬砌两种。修建在饱和含水软土地层内的隧道,由于目前对隧道防水(特别是接缝防水),还没有得到完善的解决,影响了使用要求,因此较多的还是选择双层衬砌结构,外层是装配式衬砌结构,内层是内衬混凝土或钢筋混凝土层。例如,在地下铁道的区间隧道以及一些市政管道也已采用了这种双层衬砌结构型式。由于采用了双层衬砌,同时导致了下列的一系列问题:①开挖断面增大,增加了出土量。②施工工序复杂,延长了施工期限,导致了隧道建设成本的增加。为此,目前不少国家正在研究解决单层衬砌的防水技术和使用效果,以逐步取代双层衬砌结构。另一种做法是在目前隧道防水尚未得到较为满意解决的条件下,把外层衬砌视作一施工临时支撑结构,这样就简化了外层衬砌的要求。在内层现浇衬砌施工前,对外层衬砌进行清理,堵漏,作必要的结构构造处理,然后再浇捣内衬层,并使内层衬砌与外层衬砌连成一起视作一整体结构(或近似整体结构)以共同抵抗外荷载。

6.4.3　装配式钢筋混凝土管片

目前,由于国内外应用装配式钢筋混凝土管片较为普遍,这里着重介绍钢筋混凝土管片的构造。

(1)环宽

根据国内外实践经验,无论是钢筋混凝土管片或金属管片,环宽一般为300～1 200 mm,常用的是750～900 mm。环宽过小会导致接缝数量的增加避而加大隧道防水的困难,过大的环宽虽对防水有利,但也会使盾尾长度增长而影响盾构的灵敏度,单块管片质量也增大。一般说来,大隧道的环宽可以比小隧道的大一些。

盾构在曲线段推进时还必须设有楔形环,楔形环的锥度可按隧道曲率半径计算。如表6.1表示,为隧道外径与管片环宽锥度的经验数字。

表6.1

(2)分块

单线地下铁道衬砌一般可分成6～8块,双线地下铁道衬砌可分为8～10块。小断面隧道可分为4～6块。衬砌圆环的分块主要考虑在管片制作、运输、安装等方面的实践经验而定。但也有少数从受力角度考虑采用4等份管片,把管片接缝设置在内力较小的45°或135°处,使衬砌环具有较好的刚度和强度,接缝构造也可相应得到简化。管片的最大弧、弦长一般较少超过4 m,管片越薄其长度应越短。

(3)封顶管片形式

根据隧道施工的实践经验,考虑到施工方便以及受力的需要,目前封顶块一般趋向于采用小封顶形式。封顶块的拼装形式有两种:一为径向楔入,另一为纵向插入。采用后者形式的封顶块受力情况较好,在受荷后,封顶块不易向内滑移。其缺点是需加长盾构千斤顶行程。在一些隧道工程中也有把封顶块设置于45°、135°和185°处。

(4)拼装形式

圆环的拼装形式有通缝、错缝两种,所有衬砌环的纵缝环环对齐的称为通缝,而环间纵缝相互错开,犹如砖砌体一样的称为错缝。

圆环衬砌采用错缝拼装较普遍,其优点在于能加强圆环接缝刚度,约束接缝变形,圆环近似地可按匀质刚度考虑。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。另外在错缝拼装条件下,环、纵缝相交处呈丁字形式,而通缝拼装时则为十字形式,在接缝防水上丁字缝比十字缝较易处理。

在某些场合中,例如需要拆除管片后修建旁侧通道或某些特殊需要时,则管片常采用通缝形式,以便于进行结构处理。

6.4.4　管片接头构造

管片间的接头有两类:沿纵向(接头面平行于纵轴)的称纵向接头,沿环向(接头面垂直于纵轴)的称环向接头。从其力学特性来看,可分为柔性接头和刚性接头,前者要求相邻管片间允许产生微小的转动与压缩,使整个衬砌能屈从于内力的方向产生一定的变形,后者则是通过增加螺栓数量等手段,力图在构造上使接头的刚度与构件本身相同。早期的管片接头多为刚性的,以为越刚越安全,通过长期的试验、实践和研究,这种传统观念逐渐为后来的柔性结构思想所打破,管片的联接方式也经历了从刚性联接到柔性联结方式的过渡。

目前采用的基本的接头结构有螺栓接头、铰接头、销插入式接头、楔形接头、榫接头等。

(1)螺栓接头

这是环向接头和纵向接头上最为常用的接头结构,这是一种利用螺栓将接头板紧固起来,将管片环组装起来的抗拉连接结构。

环向螺栓根据衬砌接缝内力情况设置成单排或双排的。一般在直径较大的隧道内,接内力设计的管片厚度也较大,常在管片的纵向缝上设置双排螺栓,外排螺栓抵抗负弯矩,内排螺栓抵抗正弯矩,每一排螺栓配有2～3只螺栓;对小直径隧道则常采用单排螺栓,单排螺栓孔一般设置在离隧道内侧(h为衬砌厚度)处。

纵向螺栓是接管片分块(拼装形式)结构受力等要求配置,其数量不一。纵向螺栓孔位置设置在离隧道内侧的 h处。

环、纵向螺栓孔一般比螺栓直径大3～6 mm。环,纵向螺栓型式有直螺栓、弯螺栓两种,直螺栓受力性能好,效果显著,加工简单,但扩大了螺栓手孔的尺寸,影响了管片承受盾构千斤顶顶力的承载能力。弯螺栓(图6.7)的设置能缩小螺栓手孔的尺寸,较少地影响管片的纵向承受能力。但其对抵抗圆环横向内力的结构效能差,且加工麻烦。实验表明,弯螺栓接头比直螺栓接头易变形,且实践也说明弯螺栓对施工亦不方便,用料又大。因此已逐渐被直螺栓取代。

直螺栓联结通过管片的钢端肋的,称为小钢盒形式,这种连接形式虽然可减短螺栓长度,减少钢材用量,但端肋板的耗钢量却又更大,加上预埋钢盒时精度往往得不到保证,现已改为钢筋混凝土端肋,如图6.8和图6.9所示。

(2)铰接头

作为多铰环的环向接头进行使用,一般多为转向接头结构,在地基条件良好的英国和俄罗斯得到广泛应用。由于几乎不产生弯曲,轴向压力占主导地位,在良好地基条件下是一种合理的结构。但对于地基软弱、地下水位又高的日本几乎未被采用。为了防止从管片组装到壁后注浆硬化为止这段时间内的变形,最好在采用不损坏其结构特性的接头的同时,也采取防止变形的辅助手段。另外,此类接头一般不能指望紧固力,所以对于地下水位以下的隧道,对防水要作特殊的考虑。

图6.7　弯螺栓联结形式

图6.8　直螺栓联结形式

图6.9　斜直螺栓联结形式

(3)销插入型接头结构

这也可以作为环向接头来使用(图6.10),但主要是作为纵向接头使用的接头结构(图6.11)。

图6.10　暗销接头

图6.11　纵径向销接头

它们在结构上的作用是加强了构件的联结,防止接头两边相对错动,承担接头上的剪力,所以有时被称为抗剪销。采用销钉连接的管片本身形状简单,各截面强度一致,所成的隧道内壁光滑平整,易于清理,无特殊需要可不必另设内衬。销插入型接头结构作业效率高,对自动化施工的适应性强。

(4)楔形接头

这是环向接头和纵向接头都可使用的结构,是利用楔作用将管片拉合紧固的接头,以混凝土平板型管片为对象开发使用。由于其难以变形的结构特征,所以在会受到强制变位的隧道的环向接头时应特别注意。

(5)榫接头

这也可以作为环向接头来使用,但主要是作为纵向接头使用的接头结构。接头部分设有凹凸,通过凹凸部位的啮合作用进行的力传递。用于接头时,环的组装精度高,反过来,从其结构上讲需要有很好的施工管理。还有,从确保隧道轴向的连续性和防水的观点出发,一般都要同时使用有紧固力的接头结构。

接头结构一旦误选,不仅难以指望管片环的组装有很好的可靠性,而且作业效率会下降,施工上还容易出漏洞,甚至会损坏接头功能,形成衬砌结构上的缺陷。因此,在决定接头结构的细节时,要从各个方面进行研究,以便接头能充分发挥其作用,尤其对组装的准确性和作业方便性尤需注意。

6.4.5　其他构造

(1)纵肋

对于钢筋混凝土箱型管片以及钢管片,纵肋配置必须保证千斤顶推力均匀传递。钢制管片上,纵肋必须考虑等间隔配置,其数量至少要按2条纵肋支承1块压力垫的比例配置,否则就不可能均匀地传递千斤顶推力。这时,拼接起来的两块接头板可视为一条纵肋。如果纵肋数量不够,则千斤顶的推力就不能均匀传递,主肋等结构上也会产生意想不到的应力。为了防止千斤顶推力产生主肋平面外的弯曲应力,纵肋需沿隧道轴方向连续配置。还有,纵肋的形状也要考虑管片的组装和二次衬砌施工的方便性来确定。对于箱型管片,纵肋的配置方法应和钢制管片时的一样,而其数量一般和盾构千斤顶数量相同。

(2)注浆孔

为了能够均匀的注浆,衬砌管片上需设置注浆孔,通常每个管片上设置一个或一个以上注浆孔。由于注浆孔数量的增加会增加可能的渗漏水通道,并且,目前广泛采用盾尾同步壁后注浆的注浆方式,管片上的注浆孔往往用作二次注浆,因而,国内采用较多的是每个管片上仅设置一个注浆孔。

注浆孔的直径必须依据使用的注浆材料确定。一般采用50 mm左右的内径。

(3)起吊环

盾构法隧道的管片上必须考虑设置起吊环。混凝土平板型管片和球墨铸铁管片大多将壁后注浆孔同时兼作起吊环使用,而钢管片则需另设置起吊配件。无论哪种情况,其设计必须保证对搬运和施工时的荷载等来说都是安全的。如果采用自动组装管片的管片方式时,要求管片牢固的固定在组装机上。

6.5　衬砌设计

盾构法隧道,由于其灵活性、成本效益和对地面交通和上部结构的最大化节省而被广泛采用在软土城市地下隧道施工中。随着盾构的发展和施工技术的进步,这些隧道的直径可达到5～17 m以上。盾构隧道对各种复杂和困难地质条件的适应性已得到改善。分段接合预制混凝土衬砌常用钢螺栓连接,而不是大多数盾构隧道中的钢或铸铁。为了施工方便,在软土地基隧道预制混凝土管片通常采用通缝或错缝拼装的安装模式。由于存在接头,盾构隧道衬砌是一个不连续环状结构,应在隧道衬砌设计中考虑接头内力和位移的影响。国际隧道协会(ITA)在1978年成立了一个研究隧道结构设计的工作组来收集和总结在不同的国家使用的隧道设计方法。软土中的盾构隧道隧道衬砌设计典型方法如表6.2所示。

可以看出,所有隧道衬砌设计方法可分为四大类型:

①基于过去隧道建设的经验设计法。

②基于原位测试和实验室实验的设计方法。

③圆环弹性地基梁法。

④连续介质模型法,包括理论分析法和数值法。

第③种方法是迄今为止最常采用的设计方法。这种方法也可以按照混凝土管片接缝的处理方法被分为以下几类:

表6.2　不同国家盾构隧道典型设计方法

a.圆环的抗弯刚度被认为是整个衬砌均质环。存在接头但刚度没有折减,即衬砌与刚性环管片自身具有相同刚度。

b.由于接头的存在而导致的刚性降低在整个刚性衬砌中用折减系数η来考虑。

c.衬砌被简化为铰接的圆环。接头的刚度被忽略,接缝被假定为完全的铰接。衬砌形成一个超静定结构,承受周围的压力,包括衬砌结构周围的土壤侧压力。

d.和方法c类似,考虑接头刚度的且衬砌假定是一个铰接环。接缝被模拟为具有恒定刚度值的弹性铰。

上述方法有不同的特点,他们已经应用于各类工程中。第①种方法很简单,但是会引起很大的误差。第②种方法虽然看上去更合理,但是η值只能根据在各种不同地层的经验得到一个定性的值。最后两种的方法似乎是最全面的,它可以用来研究不同土壤侧压力下接头刚度对内力和位移的影响,进而模拟不同的地层响应条件。

6.5.1　衬砌圆环内力计算

土壤中的铰接盾构隧道衬砌是一个超静定结构。由于大多数软土隧道的混凝土管片衬砌系统在接缝采用了橡胶垫片防水,衬砌结构同时受到水土压力,因此,土压力分布和衬砌对结构的反力统称为“总压力”。根据对软土铰接隧道周围土压力分布现场观测,土压力可以如图6.12所示。假设总压力定义如下:

(1)隧道垂直覆土压力p1

图6.12　铰接隧道衬砌模型

(2)反力p2

反力p2产生于隧道衬砌的底部,可由p1和衬砌的自重求得:

(3)作用在衬砌上的侧向压力p3

(4)作用在隧道上的附加土压力p4

p4= 2K0γ′R+ 2γw R　　　　(6.6)

(5)衬砌的平均自重p5

p5=γc t　　　　(6.7)

(6)侧向土抗力p6

侧向土抗力仅在后续施工中使得土和结构相互作用引发隧道变形时考虑。然而,该值在仅考虑长期稳定条件的可压缩软土隧道衬砌建造时可以忽略不计。这里的p6假设分布在隧道周围垂直方向45°～135°的范围内,并假定以抛物线曲线形式作用于衬砌:

为了服从温克尔模型,p r可表示为:

表6.3　不同土壤条件下典型城市隧道土的抗力系数K s(直径3～11 m)

为了便于分析,隧道半径记作R;衬砌的刚度(每单位长度)取作EI;接头抗弯刚度(每单位长度)假定为一个定值Kθ。假设结构与周围土压力均是关于隧道中心线对称,这样的话衬砌顶部的剪力应为零,因此隧道可以被视为一个二次超静定结构。可以用“力法”来解这个方程。假设每半个圆环有n个铰接(n1个铰位于0≤φ＜45°范围内,n2个铰位于45°≤φ＜90°范围内, n3个铰位于90°≤φ＜135°范围内,n4个铰位于135°≤φ＜180°范围内,因此n= n1+ n2+ n3+ n4)。计算中,符号的规定如下:弯矩为正时,衬砌内表面受拉;衬砌截面受压时的轴力为正;使其产生顺时针旋转的趋势的剪力为正。

力法方程可以由隧道顶部和底部的零转动和零水平位移确定

解方程(6.10)得x1和x2:

由单位力x1=1和x2=1引起的弯矩,轴力和剪力(每单位长度)可表示为:

由于轴力和剪力对位移的影响很小,所以只考虑弯矩的影响。根据虚功原理,δ11、δ12、δ21和δ22可以表示为:

图6.13　计算简图

周围土压力引起的内力可由图6.13中所定义的6种和在形式计算得出,即j=1,2,…,6。

式中 MP,NP,QP——分别为第j种荷载时各自的弯矩、轴力和剪力(每单位长度)。

对于第1种荷载:

对于第2种荷载:

对于第3种荷载:

对于第4种荷载:

对于第5种荷载:

对于第6种荷载:

根据虚功原理,可以将(6.12)和(6.13)～(6.22)代入方程(6.10)和(6.11),求得Δ1p和Δ2p,即

根据上述方程得出的系数δ11,δ12,δ22,Δ1p,Δ2p,多余约束x1和x2可由方程(6.11)得出,然后衬砌结构总的内力方程(即每单位长度总弯矩M,总轴力N,总的剪力Q)就可由如下公式获得,即:

顶部垂直位移(Δv)和拱脚水平位移(Δh)便可以得到了。

6.5.2　盾构隧道衬砌设计

国际隧道协会(研究)工作组Ⅱ于2002年提出了指导性意见,盾构隧道的设计必须按照以下准则实行:

(1)必须遵守法律法规和标准规范

将要修建的隧道设计应按照相应的规范标准或条文,这由该项目的负责人决定,或经过和设计师之间讨论决定。

(2)内部使用限界的确定

隧道内部轮廓的净尺寸应根据建筑限界或工艺要求并考虑曲线影响及盾构施工偏差和隧道不均匀沉降来决定。空间的大小决定于:铁路隧道应考虑建筑限界和车辆限界;公路隧道应考虑交通量和车道的数量;上下水管道应考虑排水量;共同沟应考虑各种设施及它们的规模尺寸。

(3)荷载条件的确定

作用于衬砌的载荷包括土压力、水压力、静载荷、反力、附加荷载和盾构千斤顶推力等,设计者应选择关键因素设计衬砌结构。

(4)衬砌形式的确定

设计者应确定衬砌形式,如衬的尺寸(厚度)、材料强度、配筋等。

(5)构件强度计算

设计者应通过适当的模型和设计计算构件的强度,如衬砌的弯矩、轴力和剪力等。

(6)安全验算

设计者应对构件的强度进行衬砌的安全验算。

(7)复查

如果设计的衬砌对设计荷载不够安全,设计者应改变衬砌的形式重新设计衬砌。如果设计衬砌安全但不经济,设计者也应重新进行设计。

(8)设计的审批

设计者确认衬砌的设计是安全、经济和最优化后,由项目负责人签发文件审批通过。

6.5.3　设计实例

第一部分:设计数据

1)隧道的功能

该隧道为地铁隧道。

2)设计工况

(1)管片的尺寸

管片类型:混凝土管片;衬砌直径:D0= 11 m;形心半径:R c= 5 275 mm;宽度: b= 1 500 mm;厚度:t= 450 mm。

(2)土体条件

覆土厚度: H=13.5 m;地下水位:覆土厚度+ 0.8 m= 13.5+ 0.8= 14.3 m;N值:N= 50;土重度:γ= 18 kN/m3;土浮重:γ′=8 kN/m3;土内摩擦角:φ= 31°;土内聚力: c= 0;反应系数: k= 60 MN/m3;侧压力系数:λ=0.4;地面超载: P0= 35 kN/m2;土壤类型:砂土。

(3)材料

①混凝土等级C30:设计强度: f ck=20.1 N/mm2;容许抗压强度: fc=14.3 N/mm2;容许抗拉强度: f t=1.43 N/mm2;弹性模量: E= 3.0×104 N/mm2。

②钢筋型号:HRB335;容许强度: fy= fy′= 300 N/mm2。

③螺栓:屈服强度f By= 240 N/mm2;抗剪强度τB=150 N/mm2。

④接头弹簧的参数:KθP=18 070 kN·m/rad(如果衬砌内部受拉);KθN= 32 100 kN·m/rad(如果衬砌外部受拉)。

第二部分:设计方法

盾构隧道应该按照国家规范进行设计,需解决以下几个问题:

①如何计算构件受力?本节将主要介绍力法。

②如何检测衬砌安全性?这里采用极限状态法。

③盾构衬砌的几何设计。

如图6.14所示,该盾构衬砌装有9个管片(1个关键块,2个连接块,6个普通管片)。每个管片的中心角为40°。

图6.14　该盾构衬砌的截面图

第三部分:力法计算过程

1)荷载工况

(1)判断隧道类型(用太沙基公式,如图6.15所示)

图6.15　确定隧道类型

因此所设计的隧道为浅埋隧道。

(2)荷载类型和分项系数

表6.4给出了设计中应该考虑的荷载及其相应的分项系数。

表6.4　荷载类型和分项系数

(3)荷载计算

计算单元为沿纵向1.5 m(管片宽度)的部分。图6.16给出了计算该段衬砌的构件受力的荷载工况。

①隧道顶部的垂直压力。

土压力:

p e1= b(1.4P0+ 1.2γ′H)= 1.5×(1.4×35+ 1.2×8×13.5)= 267.9(kN/m)

水压力:

图6.16　设计隧道的荷载工况

p1= q1+ q2= 525.3+ 38.3= 563.6(kN/m)

②隧道底部的垂直压力:p2= p1+ 1.2bπγc t= 563.6+66.2=629.8(kN/m)

③隧道顶部的侧向压力。

土压力:

水压力:

④隧道底部的侧向压力:

p4=1.2b(λγ′D c+γw D c)

=1.2×1.5×(0.4×8×10.55+ 10×10.55)= 250.7(kN/m)

p3+4= p3+ p4= 369.9+ 250.7= 620.6(kN/m)

其中 D c为计算直径,D c=D0- t=11- 0.45= 10.55(m)。

⑤平均自重:

p5= 1.2bγc t= 1.2×1.5×26×0.45= 21.1(kN/m)

其中,γc=管片容重=26 kN/m3

⑥侧向阻力:

式中 δ——衬砌的在隧道弹簧处的位移;

η——模型刚度的折减系数=0.8;

E——管片的弹性模量= 3.0×104 N/mm2;

I——管片惯性矩=1/12×1.5×0.453= 1.139×10-2m4;

k——反力系数,60 MN/m3(推荐值可查阅表5.3);

K= k·b= 60×1.5= 90 MN/m2;

φ——隧道周围与垂直方向的夹角。

2)构件受力的计算

图6.17给出了该段衬砌的计算简图。

图6.17　计算简图

(1)计算数据

　　　　　　KθP= 18 070 kN·m/rad(如果衬砌内部受拉)

　　　　　　KθN= 32 100 kN·m/rad(如果衬砌外部受拉)

　　　　　　EI= 3.0×104×103×1.139×10-2= 341 700 kN·m2

(2)系数计算

n= n1+ n2+ n3+ n4= 1+ 1+ 1+ 2= 5

注意:如果铰接接头只位于衬砌的180°半环上,则其对整个结构的刚度贡献应该只考虑为总值的一半。

使用力法方程所计算得到的系数值如表6.5所示。

表6.5　使用力法方程所计算得到的系数

顶部的弯矩和轴向力(每1.5 m)可由方程6.10得到:

(3)构件受力

使用方程(5.13)和(5.16)—(5.21),可以计算得到该段衬砌的构件受力,如表6.6所示。

表6.6　该段衬砌的构件受力

注:粗体字的数据表示接头部分的构件受力。

最大正弯矩发生在与隧道顶部100°夹角处(构件A),最大负弯矩发生在50°夹角处(构件B),最大轴力发生在180°夹角处(构件C)。

3)该段衬砌的钢筋构造

该段衬砌的安全性应该在构件A、B、C和接头部分进行验算。

(1)钢筋计算(构件A)

构件A如图6.18所示:

图6.18　构件A简化图

①计算数据:

②判断偏心受压类型。

钢筋可以对称布置:

因此,该构件应该被视为大偏心构件进行计算。

③计算A s和A′s。

x=ξh0= 0.382×400= 152.8(mm)> 2a′s= 100 mm

④验算超出部分的承载力:

最后,各个管片受拉区和受压区的配筋均为。

(2)验算构件B和C的安全性

①构件B。假设A′s和A s均未知,那么A s= A′s的值可以计算不管得出的结果是不是比构件A得出的结果小,都应进行验算。

a.计算数据:

b.判断偏心受压类型。

钢筋可以对称布置。

因此,该构件应为大偏心构件。

c.计算A′s和A s。

构件B安全。

②构件C。验算方法和步骤与构件B相似,结果也是安全的。

4)螺栓和接头构件的确定

(1)螺栓类型

螺栓M36和螺栓M45分别用在管片之间和环与环之间。

(2)接头部位的螺栓布置

图6.19所示为接头部位的基本布置,之后将会验算其安全性。每个接头有4个螺栓连接,那么,A s=A′s= 2 036 mm2。

(3)螺栓安全验算

接头部位的验算可以在力矩最大的位置100°处(构件D)和剪力最大的位置60°处(构件E)进行。

①构件D,如图6.20所示:

a.计算数据:

图6.19　接头部位

图6.20　计算简图

b.判断偏压类型。

钢筋可对称分布。

因此,该构件应该被视为大偏压构件计算。

c.安全验算。

x=ξh0= 0.412×370= 152(mm)＜ 2a′s= 240 mm

令x=2a′s= 240 mm

②构件E:

该处剪力为499.59 kN

5)配筋设计图

配筋设计图如图6.21所示。

图6.21　配筋图

6)结论

在设计荷载作用下,设计的衬砌管片结构是安全的。

6.6　隧道防水及其综合处理

在饱和含水软土地层中,采用装配式钢筋混凝土管片作为隧道衬砌,除应满足结构强度和刚度的要求外,另一重要的技术课题是完美地解决隧道防水问题,以获得一个干燥的使用环境。例如在地下铁道的区间隧道内,潮湿的工作环境会使衬砌(特别是一些金属附件)和设备加速锈蚀,隧道内的湿度增加,也会使人感到不舒适。

要比较完美地解决隧道防水的问题,必须从管片生产工艺、衬砌结构设计、接缝防水材料等几个方面进行综合处理,其中,尤以接缝防水材料的选择为突出的技术关键。

隧道防水,要求在隧道正常运营期间能满足预期的要求,即使在盾构施工期间,也得予于严密注意,如果不及时对流入隧道的泥、水进行处理,就会引起较严重的隧道不均匀纵向沉陷和横向变形,从而导致工程事故的发生。

6.6.1　衬砌的抗渗

衬砌埋设在含水地层内,承受着一定静水压力,衬砌在这种静水压的作用下必须具有相当的抗渗能力。衬砌本身的抗渗能力在下列几个方面得到满足后才能具有相应的保证:

①合理提出衬砌本身的抗渗指标。

②经过抗渗试验的混凝土的合适配合比,严格控制水灰比,一般不大于0.4,另加塑化剂以增加混凝土的和易性。

③衬砌构件的最小混凝土厚度和钢筋保护层。

④管片生产工艺:振捣方式和养护条件的选择。

⑤严格的产品质量检验制度。

⑥减少管片在堆放、运输和拼装过程中的损坏率。

6.6.2　管片制作精度

从国内外已有的隧道施工实践情况来看,管片制作精度对于隧道防水效果具有很大的影响。钢筋混凝土管片在含水地层中的应用和发展往往受到限制,其主要原因就在于管片制作精度不够而导致隧道漏水。制作精度较差的管片,再加上拼装误差的累积,往往导致衬砌装缝不密贴而出现了较大的初始接隙,当管片防水密封垫的弹性变形量不能适应这一初始接隙时就出现了漏水现象。另外,管片制作精度不够,从而在盾构推进过程中造成管片的顶碎和开裂,同样造成了漏水的现象。

初始缝隙量越大,则对防水密封垫的要求越高,也就越难达到满足使用的要求。从已有的试验资料来看,以合成橡胶(氯丁橡胶或丁苯橡胶)为基材的齿槽形管片定型密封垫防水效果较好。在两个静水压作用下,其容许弹性变形量为2～3 mm,不致漏水,并从密封垫的构造上,周密地解决了管片角部的水密问题。要生产出高精度的钢筋混凝土管片,就必须要有一个高精度的钢模。选择钢模必须进行机械加工,并具有足够的刚度(特别是要确保两侧模的刚度),管片与钢模的质量比为1∶2。钢模的使用必须有一个严格的操作制度。采用这种高精度的钢模时在最初生产的管片较易保证精度,而在使用一段时期后,就会产生翘曲、变形、松脱等现象,因此必须随时注意精度的检验,对钢模作相应的维修和保养。国外钢模在生产了400～500块管片后必须检修。

从已有资料看,日本生产的管片具有±1 mm的精度(钢模制作精度是±0.5 mm),一般精度大致在1.5～2 mm,而圆环拼装直径的误差是±10 mm。

6.6.3　接缝防水的基本技术要求

接缝防水具有如下的基本技术要求:

①保持永久的弹性状态和具有足够的承压能力,使之适应隧道长期处于“蠕动”状态而产生的接缝张开和错动。

②具有令人满意的弹性期龄和工作效能。

③与混凝土构件具有一定的粘聚力。

④能适应地下水的侵蚀。

环、纵缝上的防水密封垫除了要满足上述的基本要求外,还得按各自所承担的相应工作效能提出不一样的要求。环缝密封垫需要有足够的承压能力和弹性复原力,能承受和均布盾构千斤顶的顶力,以防止管片顶碎,并在千斤顶顶力往复作用下,密封垫仍保持良好的弹性变形性能。纵缝密封垫具有比环缝密封垫相对较低的承压能力,能对管片的纵缝初始缝隙进行填平补齐,并对局部的集中应力具有一定的缓冲和抑制作用。

管片接缝除了设置防水密封垫外,根据已有的施工实践资料来看,较可靠的是在环、纵缝沿隧道内侧设置嵌缝槽,在槽内填嵌密封防水材料,要求嵌缝防水材料在大于衬砌外壁的静水压作用下,能适应隧道接缝变形达到防水的要求。嵌缝材料最好在隧道变形已趋于基本稳定的情况下进行施工。一般情况下,正在施工的隧道内,盾构推力影响不到的区段,即可进行嵌缝作业。

6.6.4　二次衬砌

在目前隧道接缝防水尚未能完全满足要求情况下,在地铁区间隧道内较多的是用双层衬砌。在外层装配式衬砌已趋基本稳定的情况下,进行二次内衬浇捣,在内衬混凝土浇筑前应对隧道内侧的渗漏点进行修补堵漏,污泥以高压水冲浇、清理。内衬混凝土层的厚度根据防水和内衬混凝土施工的需要,至少不得小于150mm,也有厚达300mm的。双层衬砌的做法不一,有的在外层衬砌结构内直接浇捣两次内衬混凝土的,也有的在外层衬砌的内侧面先喷注20 mm厚的找平层,再铺设油毡或合成橡胶类的防水层,在防水层上浇注内衬混凝土层的。

内衬混凝土一般都采用混凝土泵再加钢模台车配合分段进行,每段大致为8～10 m。内衬混凝土每24 h进行一个施工循环。使用这种内衬施工方法往往使隧道顶拱部分混凝土质量不易保证,尚需预留压浆孔进行压注填实。一般城市地下铁道的区间隧道大都采用这种方法。

除了上述方法外,也有用喷射混凝土进行二次衬砌。

6.6.5　其　他

隧道防水还有其他的一些附加措施可以采用,如隧道外围的压浆以及地层注浆等,视不同情况予以采用。

本章小结

(1)软土隧道的开挖方法多种多样,主要包括机械开挖和人工开凿。

(2)盾构机类型的选择时需要考虑土质、地下水、隧道尺寸、支护条件、开挖条件以及开挖环境,主要分为简约盾构和异形盾构。

(3)盾构法隧道施工时,开挖面的稳定性是一个至关重要的多参函数,主要包括:土体类型和可变性,开挖面几何尺寸,地下水,土压力和初试土压力,开挖方式和支护方式。

(4)根据隧道的使用目的,围岩条件以及施工方法,合理选择衬砌的强度、结构、形式和种类等。根据这些条件,盾构隧道横断面一般有圆形、矩形、半圆型、马蹄形等多种型式,最常用衬砌的横断面型式为圆型与矩型。

(5)盾构隧道衬砌设计方法可分为四大类型:基于过去隧道建设的经验设计法;基于原位测试和实验室实验的设计方法;圆环-弹性地基梁法;连续介质模型法,包括理论分析法和数值法。其中第三种方法是迄今为止最常采用的设计方法。

(6)在饱和含水软土地层中采用装配式钢筋混凝土管片作为隧道衬砌,除应满足结构强度和刚度的要求外,还应完美地解决隧道防水问题,以获得一个干燥的使用环境。要比较完美地解决隧道防水的问题,必须从管片生产工艺、衬砌结构设计、接缝防水材料等几个方面进行综合处理,其中,尤以接缝防水材料的选择为突出的技术关键。

思考题

6.1　盾构法隧道的适用条件和特点有哪些?

6.2　盾构法隧道衬砌管片形式有哪些?请举出三种常见型号并简述其各自特点和使用条件。

6.3　盾构法隧道结构计算模式有哪几种,各有何优劣?如何考虑接头的影响?

6.4　盾构法隧道结构的水土荷载如何计算?试分析地层抗力对隧道结构内力的影响。

6.5　盾构法隧道衬砌结构的防水、抗渗都可以采取哪些措施。