盾构法施工管片设计说明

管片的设计和选型
主要内容
1、特点和分类 3、管片模具设计 5、管片配筋 7、异型盾构
2、 设计计划 4、结构计算分析 6、防水设计 8、发展趋势
1. 特点和分类 — 特点
➢ 预制构件 ➢ 形状不标准。 ➢ 需要组合拼装，组合拼装精度要求高。 ➢ 组合拼装后整体具有良好的防水性能。 ➢ 能模拟空间曲线。 ➢ 三维承载，受力复杂 ➢ 加工精度高。
3. 管片模具设计 设计程序及过程控制
第一步：根据功能要求、周边控制条件和既有设备情况等确定隧道的形状和内径
3. 管片模具设计 设计程序及过程控制
第二步：根据功能要求、耐久性、受力等要求确定隧道采用单、双层衬砌
一般情况下采用单层衬砌，但对于污水隧道、有内压隧道、或管片衬砌里钢 铁等易腐蚀材料采用较多、或结构受力十分复杂、或运营条件对结构腐蚀性较强 等情况下，宜采用双层衬砌。
3. 管片模具设计 设计程序及过程控制
第五步：根据隧道直径、地质情况、受力和 安装要求，确定管片的连接方式，以及连接 件的数量和分布。
➢ 管片的连接通常采用螺栓连接，螺栓连接的数 量块间一般2-3个，环间考虑地质情况、抗震要求 等设置，一般每块不少于2根，一环对于中小直径 盾构控制在10-16个。 ➢ 为满足错缝拼装要求，环间螺栓必须360度范围 内均匀设置。 ➢ 由于螺栓接头需要人工操作，难以实现拼装的 自动化，快速化，因此不少工程环间开始采用钢销 、CONEX接头；块间采用推入锁定接头、钢制T\C型 零件接头、设置榫槽取消接头、销子接头等，开发 出来CONEX系列管片、销子. 快速接头管片、一次 成型管片、AS管片等。 ➢ 国内管片接头的形式比较单一，呆板，很有必 要结合工程情况进行创新和试验。
3. 管片模具设计 设计程序及过程控制
第三步：根据经验比较、结构受力分析，抗渗要求等，再结合既有设备情况，确定管 片的厚度，进而确定管片外径。
➢ 一般为5%-6%D ➢ 结合地区经验和管片直径进行判断； ➢ 可以根据配筋量进行调整； ➢ 必须考虑设备供应情况； ➢ 可以考虑地区管片的通用性，利于施工组织；
➢ 满足抗渗要求：≥250mm；（不尽合理，对于小型盾构，厚度偏大）
➢ 根据荷载情况，进行结构分析验证。
3. 管片模具设计 设计程序及过程控制
第四步：根据机械情况、施工经验、进度要求、耐久性考虑，结合技术经济比较，判 断是否采用矩形管片，如果采用梯形、六边形、翼型等管片，应同步对管片的连接形 式进行考虑确定，最好在实施期间进行管片和接头的模型或实物试验。
➢ 矩形管片：占绝大多数 ➢ 梯形或平行四边形管片：CONEX系列 ➢ 翼型管片： ➢ 六角形管片：双重螺旋管片、蜂窝型管片、螺旋形管片等
2. 设计计划 基础资料
边界条件要清楚
总体调查：土地的现状和规划、道路交通现状及规划、环境和文物保护、地表水 体、工程用地、用电和供水等控制性工程环境条件
环境保护调查： 噪声和振动、地基变形、地下水、缺氧气体和沼气等有害气体、化学 注浆等 、渣土处理及运输等
障碍物勘察： 地上、地下结构物；埋设物；水井和旧井；建筑物及临时建筑物遗
迹；规划建筑
地形地质要全面、准确
使用功能应明晰
原则标准应确定
2. 设计计划 总体控制
隧道形状和净空
线路
平面设计：线位、小曲线、近接施工 纵断面设计：埋深和坡度
工法
主体隧道：盾构法、矿山法或复合 附属结构：明挖法、矿山法、顶管法 辅助工法：注浆、冷冻、旋喷桩、搅拌桩、托换
隧道形状 ➢ 采用常规的圆形隧道是否可行 ➢ 是否必须采用异型盾构：矩形、椭圆形、双圆或三圆 ➢ 如果采用异型盾构，设备问题、结构问题、线路问题能否解决，有没有其他方 案能就解决问题，同时需要进行深入的技术经济比较
隧道内径 ➢ 明确隧道的功能：铁路或地铁交通、公路或市政交通、共同沟、雨污水隧道（ 有无内压）、管线或管沟隧道等； ➢ 根据功能要求确定设备限界、建筑限界，根据变形和工艺要求，进而确定结构 限界，明确最小隧道内径； ➢ 根据既有设备情况，核定内径是否经济；核定设备采购能否满足工程筹划要求 ；核定是否满足投标承诺或变更承诺能否可行。 ➢ 综合考虑上述情况，确定内径。
衬砌
经验比较 计算分析
工程筹划
工期控制 场地和交通
环境保护
2. 设计计划 综合
工程的技术可行性分析 工程的安全可靠性分析 工程综合技术经济比较
重 点、 难 点、 风解 险决 点、 方 亮案 点
3. 管片模具能要求、周边控制条件和既有设备情况等确定隧道的形状和内径
斜螺栓连接 环缝插销连接
A A
DATUM P LA N = RA DIUS VECTOR
=
B
B
弯螺栓连接 直螺栓连接
3. 管片模具设计 设计程序及过程控制
第六步：根据机械、运输系统、施工组织、平曲线情况等，综 合考虑确定管片宽度。
➢ 如有条件，管片尽可能宽点，以提高施工速度，节约造价。 ➢ 管片宽度主要取决于掘进机和隧道直径，如果管片过宽，则机械过 长，灵敏性差。而且管片运输困难。 ➢ 管片的宽度必须与盾构机相匹配：与盾构机的千斤顶行程匹配；宽 度大，管片重，需与管片拼状机的能力匹配； ➢ 管片宽度必须考虑封顶块的拼状方式：千斤顶的行程=管片宽度B+ （B-封顶块拼状搭接长度L）+150（200）余量； ➢ 管片宽度大，一次出渣量大，为提高掘进效率，必须尽快把渣土运 输出去，因此水平运输系统和垂直运输系统应匹配合理，以利于发挥 效率。 ➢ 管片宽度还要考虑螺栓数量和管片分块，譬如6m直径的地铁隧道， 同样2000mm的千斤顶行程的盾构机，在10个环间螺栓条件下可以作成 小封顶块，通过加大封顶块拼状搭接长度（1200mm）能够作成1500mm 宽管片；而在16个环间螺栓条件下，由于难以做成小封顶块，为满足 拼状要求，封顶块拼状搭接长度很难做到800mm，因此基本只能做 1300mm的管片。
➢ 无特殊要求或考虑，宜采用矩形管片，因为设备通用性强，施工经验成熟； ➢ 矩形管片设计经验成熟，而梯形、六边形、翼型在国内几乎没有应用，在国外 应用相对也很少，如采用必须进行充分的调研和准备，并进行试验研究。 ➢ 采用梯形、六边形、翼型等管片，通常管片的连接形式采用销钉、榫或插销、 取消螺栓选采用榫槽等形式，以达到简化拼装或边掘进边拼装的效果，加快施工 进度，因此对机械、施工组织、结构受力分析都有一些特殊的要求，因此必须综 合考虑（不能仅仅考虑结构设计），同时对接头的进货进行考察； ➢ 采用梯形、六边形、翼型等管片，对线路拟和需要专门进行论证。 ➢ 以下程序主要针对矩形管片设计进行。
1. 特点和分类 — 分类
经过多年的发展，管片的类型有30多种，有些是材料不同，有些是形状差异， 有些是接头形式不同，有些为了增加管片的耐久性，有些为了降低制作费用， 下面简单的根据材料和形状进行分类
➢ 铸铁管片：早期应用多 ➢ 钢筋混凝土管片：占绝大多数 ➢ 复合管片：SRC管片、MN管片、AS管片、钢+混凝土、铸铁+混凝土等