衬砌结构
隧道衬砌结构形式的选择与设计
隧道衬砌结构形式的选择与设计隧道是现代交通建设的重要组成部分，为了确保隧道的安全和持久性，衬砌结构的选择和设计显得尤为重要。
衬砌结构的形式因地质条件、隧道用途和材料等多种因素而异，合理的选择和设计能够提高隧道的承载能力、防护能力和使用寿命。
在隧道衬砌结构设计中，常见的形式包括刚性衬砌和柔性衬砌两种。
刚性衬砌一般使用混凝土或钢筋混凝土作为材料，具有较高的强度和刚度，能够有效支撑土体和承受外部荷载。
刚性衬砌结构适用于地质条件较为稳定的地区，如岩石地层，能够为隧道提供良好的垂直支撑和水平限制。
另一种常见的衬砌结构形式是柔性衬砌，它使用聚合物材料或钢筋网格等柔性材料构成。
柔性衬砌能够适应地质条件的变化，具有较好的变形能力和适应性，能够有效缓解隧道结构因地质条件变化引起的应力和变形。
柔性衬砌结构适用于地质条件较为复杂且不稳定的地区，如软土地层或断层带等，能够降低地层位移对隧道的影响。
在实际工程中，根据不同的地质条件和隧道用途，通常会选择刚性衬砌和柔性衬砌的组合形式。
即在隧道的底部和侧面选择刚性衬砌，而在隧道顶部选择柔性衬砌。
这样的设计既能够提供足够的支撑和保护，又能够适应地质条件的变化。
除了衬砌的形式，衬砌的厚度也是设计过程中需要考虑的重要因素。
衬砌的厚度直接关系到隧道的强度和稳定性。
一般来说，较为稳定的地质条件下，衬砌的厚度可以适当减小；而在地质条件较为复杂或不稳定的地区，衬砌的厚度则需要增加以提高隧道的抗变形能力和稳定性。
此外，隧道衬砌结构还需要考虑防水和排水等工程要求。
隧道作为地下工程，常常受到地下水的浸泡和渗透，因此设计中必须采取相应的措施来保证隧道的防水性能。
同时，隧道衬砌结构还需要设置适当的排水系统，快速排除积水，确保隧道的安全使用。
综上所述，隧道衬砌结构形式的选择与设计在地下工程中具有重要作用。
通过合理的选择和设计，能够提高隧道的承载能力、防护能力和使用寿命，确保隧道的安全和可靠性。
而混合采用刚性衬砌和柔性衬砌的组合形式，能够更好地适应地质条件的变化。
隧道工程(5) 衬砌结构设计
初期支护设计
间接类比法一般是根据现行锚喷支护技术规范，按 其围岩级别表及锚喷支护设计参数确定拟建工程的锚喷 支护类型与参数。
初期支护设计
（二）锚喷支护的类型及参数表 锚喷支护参数应当是广义的、既包括支护类型、支
护参数，又应包括开挖方法，仰拱施作时间和最终支护 时间等。
不过我国目前的锚喷支护规范还没有达到这一水 平，只是规定了最终支护的施作时间。而在锚喷支护参 数表中只给出了锚喷支护类型与参数。
③ 摩擦型锚杆有:缝管锚杆、楔管锚杆、水胀 锚杆等。
④ 预应力锚杆。
锚杆类型 ① 全长粘结型
全长粘结型
② 端头锚固型
端头锚固型
③ 摩擦型 ④ 预应力型
涨壳式锚杆
南非贝尔公司 涨壳锚杆
法国生产的 涨壳锚杆
机械固定与胶结料固定相结合的锚杆
涨壳式中空灌浆锚杆
美国威廉姆斯(williams)生产的涨壳式锚杆结构
防水层 — 内外层衬砌之间的防水层可以用软聚氯乙 烯薄膜、聚异丁烯片、聚乙烯片等防水卷材，或用 喷涂乳化沥青等防水剂
复合式衬砌最适宜在Ⅱ～Ⅵ级围岩中使用，是我国 公路、铁路部门推荐采用的衬砌结构形式 遇到下列情况时，应慎重对待。必要时应辅以相应 的加固措施。 •- 拱顶以上覆盖厚度小于隧道直径时； •- 有明显偏压力时； •- 在无自稳能力的未胶结砂砾石地层中时； •- 在大膨胀性的地层中时； •- 在大涌水的地层中时； •- 在严重冻害的地区中时。
5 衬砌结构设计（新奥法）
5.1 建筑材料 5.2 结构参数经验法选取 5.3 结构参数理论计算校核
5.1常用建筑材料
❖ 混凝土C50,C40,C30,C25,C20,C15、C10 ❖ 石材MU100, MU80, MU6O, MU50, MU40 ❖ 水泥砂浆M25,M20,M15,M10,M7.5,M5 ❖ 喷射混凝土C30,C25,C20 ❖ 混凝土砌块MU30 , MU20 ❖ 钢筋HPB235 , HRB335 , HRB400 ❖ 锚杆的杆体直径宜为20一32mm，杆体材料宜
盾构隧道衬砌结构及计算
2021年3月第9章盾构隧道衬砌结构1.基本概念1.1隧道衬砌隧道衬砌，英文为Tunnel Lining 。
盾构隧道的衬砌一般为预制管片，预制管片英文为Segment 。
1.2衬砌结构分类（1）按施工方法分类衬砌分为：预制管片、二次浇筑衬砌即拼装管片的内部，做了现浇的二次衬砌、压注混凝土衬砌（ECL 工法）。
是否需要内部做二次衬砌，取决于隧道的用途及结构计算，例如南水北调工程穿越黄河的盾构隧洞及珠江三角洲水资源配置工程盾构隧洞，就做了内部二衬。
（2）按材料分类，管片可分为：钢筋混凝土管片（RC ）（如图9.1所示）、铸铁管片、钢管片、钢纤维混凝土管片、合成材料。
图9.1盾构管片试拼装（佛山地铁）（错缝拼装，5+1块）1.3管片外形与尺寸管片外形可分为四边形的，六角蜂窝形的。
四边形的，例如：深圳地铁快线长隧道，例如11号线、14号线等。
管片外径6700mm ，内径6000mm ，厚度350mm ，宽度1.5m ，纵向螺栓16个，管片分度22.5°，采用左右转弯环+标准环的形式。
管片统一采用1+2+3形式（即：1块封顶块（F ），2块邻接块（L1）、（L2）、3块标准块（B1）、（B2）、（B3））。
止水条采用三元乙丙橡胶及遇水膨胀橡胶条，如图9.2所示。
K 块图9.2用于深圳地铁的Փ6700盾构管片（14号线，2020年）日本的一个六角形管片的案例，并采用插销式接头的案例：隧道直径为Ф6600mm，单线隧道衬砌主要采用6等分的RC平板型管片，环宽1600mm，厚320mm，管片连结采用新研制的FAKT插销式接头。
部分段采用环宽1250mm、厚250mm的蜂窝形RC管片。
如图9.3、图9.4所示。
图9.3日本的六角蜂窝状管片示意图图9.4在盾构隧道中待拼装的六角形管片（傅德明2012）中国在引水隧道中也用过六角形管片（山西万家寨引水工程）。
1.4管环类型：为了满足盾构隧道在曲线上偏转及蛇行纠偏的需要，应设计楔形衬砌环。
复合式衬砌的组成
复合式衬砌的组成一、什么是复合式衬砌复合式衬砌是一种由不同材料组合而成的衬砌结构，常用于耐高温、耐磨损等工业设备中。
它具有优秀的耐火性能和机械性能，能够抵御各种极端工作条件的侵蚀和磨损。
二、复合式衬砌的组成复合式衬砌通常由以下几个部分组成：1. 基础材料基础材料是复合式衬砌的主要组成部分，它们提供整体结构的稳定性和可靠性。
常见的基础材料包括陶瓷基体、金属基体和陶瓷纤维等。
这些材料具有良好的耐火性能和机械性能，能够承受高温和压力的作用。
2. 衬层材料衬层材料是复合式衬砌的主要工作层，它们直接接触到工作环境，并起到保护基础材料的作用。
根据不同的工作条件，衬层材料可以选择不同的材料，如耐酸陶瓷、耐碱陶瓷、耐磨陶瓷、耐渣陶瓷等。
这些材料具有优异的抗腐蚀和耐磨损性能，能够有效延长设备的使用寿命。
3. 粘结剂粘结剂是复合式衬砌中起到粘合作用的材料，它将基础材料和衬层材料牢固地粘接在一起。
常见的粘结剂有硅酸盐、水泥、树脂等。
选择合适的粘结剂对于提高复合式衬砌的稳定性和密封性至关重要。
4. 基础层基础层是复合式衬砌的底层，它用于承受设备的重量和外力作用，并提供稳定的基础支撑。
基础层通常由耐火砖、耐火浇注料等材料构成，其强度和稳定性能够满足设备的要求。
三、复合式衬砌的制作工艺复合式衬砌的制作工艺主要包括以下几个步骤：1. 原材料准备根据需要选择合适的基础材料、衬层材料和粘结剂，并进行相应的加工和制备。
确保原材料的质量和性能符合要求。
2. 模具制作根据设备的形状和尺寸，制作相应的模具。
模具的设计和制作需要考虑到衬砌结构的复杂性和精确性。
3. 材料浇注将基础材料、衬层材料和粘结剂按照一定的比例混合均匀，并在模具中进行浇注。
确保材料的密实性和均匀性。
4. 固化和烘干根据不同的材料和粘结剂，进行相应的固化和烘干工艺。
这可以使衬砌结构达到设计要求的强度和稳定性。
5. 完工处理完成衬砌结构的制作后，进行相应的表面处理和检验工作。
衬砌结构计算
衬砌结构计算一、基本资料某公路隧道，结构断面尺寸如下图，内轮廓半径为5.4m，二衬厚度为0.45m。
围岩为V 级，重度为19kN/m3，围岩弹性抗力系数为1.6×510kN/m3，二衬材料为C25 混凝土，弹性模量为28.5GPa，重度为23 kN/m3x0y二、荷载确定1.根据式（1-21），围岩竖向均布压力：q=0.45*1-s2*γ*ω式中：s---围岩级别，此处s=5；γ---围岩重度，此处γ=19KN/m ³ω---跨度影响系数，ω=1+i(m l -5),毛洞跨度m l =(5.4+0.45)*2+2*0.06=11.82m,其中0.06m 为一侧平均超挖量，m l =5—15m 时，i=0.1，此处ω=1+0.1*(11.82-5)=1.682所以，有：q=0.45*1-52*19*1.682*0.5=115.04875(kPa) 此处超挖回填层重忽略不计2.围岩水平均布压力：e=0.4q=0.4*115.04875=46.0195(kPa)三．衬砌几何要素 1.衬砌几何尺寸 内轮廓线半径1r =5.4m 外轮廓线半径1R =5.85m 拱轴线半径'1r =5.625m2.半拱轴线长度S 及分段轴长△S半拱轴线长度S=°180θπ'1r =°180°104* *5.625=10.210(m) 将半拱轴线等分为8段，每段轴长为：△S=8S =8210.10=1.27625（m)3.各分块接缝（截面）中心几何要素i α=8104ii 1y ='1r (1-cos i α) i 1x ='1r sin i αE1Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7E2E3E4E5E6E7E8G3G4G1G5G6G2G7G8R4R5R6R7R8qb1b2b3b4b5b6b7b8h1h2h3h4h5h6h7h8附图 衬砌结构计算图示四．计算位移 1.单位位移用辛普生法近似计算，按计算列表进行。
衬砌结构内力计算的基本原理
衬砌结构内力计算的基本原理衬砌结构是指在主体结构外部设置的一层砌体或混凝土结构，用于保护主体结构、增加结构的承载能力或改善结构的外观。
衬砌结构的内力计算是为了确定衬砌结构在受力状态下的应力和变形情况，以评估结构的安全性和稳定性。
在进行衬砌结构内力计算时，需要确定以下几个基本参数：1. 荷载：衬砌结构所受到的荷载是计算内力的基础。
荷载可以分为静态荷载和动态荷载，其中静态荷载包括自重、外部荷载和附加荷载，动态荷载则考虑结构的振动和冲击等因素。
2. 材料性质：衬砌结构所使用的材料的力学性质是计算内力的重要依据。
例如，衬砌砖的强度、混凝土的抗压强度和抗拉强度等。
3. 结构几何形状：衬砌结构的几何形状决定了其受力分布和应力状态。
例如，衬砌结构的厚度、高度、曲率等。
基于上述参数，我们可以通过以下步骤进行衬砌结构内力计算：1. 确定荷载：根据实际情况和设计要求，确定衬砌结构所受到的荷载。
这包括静态荷载和动态荷载的计算。
2. 划分受力区域：根据衬砌结构的几何形状和荷载分布，将结构划分为若干个受力区域。
每个受力区域内的荷载可以近似为均匀分布或集中在某一点或线上。
3. 计算内力：对于每个受力区域，根据所受荷载的性质和结构的几何形状，可以采用静力学原理或弹性力学理论计算衬砌结构的内力。
这包括计算受力区域内的剪力、弯矩和轴力等。
4. 考虑材料性质：根据所使用的材料的力学性质，可以计算出衬砌结构内力引起的应力和变形。
这包括计算衬砌砖或混凝土的应力、变形和位移等。
5. 评估结构安全性：根据计算得到的内力和应力，可以评估衬砌结构的安全性和稳定性。
如果内力和应力超过了材料的承载能力，则需要采取相应的加固措施。
衬砌结构内力计算是基于结构荷载、材料性质和结构几何形状等参数，通过静力学和弹性力学理论，计算衬砌结构内力和应力，以评估结构的安全性和稳定性。
这是衬砌结构设计和施工中重要的一步，可以为结构的优化和加固提供依据。
衬砌结构
件，节省劳力。目前多在使用盾构法施工的城市地下铁道中采用。
围岩地质条件，但是若作为永久衬砌，一般考虑在Ⅰ、Ⅱ级等围岩良好、 完整、稳定的地段中采用。
•
复合式衬砌 — 是一种较为合理的结构形式，适用于多种围岩地质条
件， 有其广阔的发展前途。
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 隧道衬砌的建筑材料及要求 - 混凝土与钢筋混凝土
强度足够而且耐久； 能立即承受荷载；
隧道构造设计
---洞身支护结构的构造
•
装配简便，构件类型少，形式简单，尺寸统一，便于工业化制做和机 械化拼装；
• •
构件尺寸大小和重量适合拼装机械的能力；
有防水的设施
- 喷锚支护 - 喷射混凝土支护层
•
喷射混凝土的拌和材料是：标号不低于325号的普通硅酸盐水泥和粒经
H—净高，一条公路应用一个净高，高速公路和一级、二级公路为5.0m； 三、四级公路为4.5m；
E—建筑限界顶角宽度，当L≤1m时，E=L；当L＞1m时，E=1m； L—侧向宽度，高速公路、一级公路的侧向宽度为硬路肩宽度（L1或L2）， 其它各级公路的侧向宽度为路肩宽度减去0.25m；
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
直线隧道净空— 要比“隧道建筑限界”稍大一些，还考虑了在不同的围 岩压力作用下，衬砌结构的合理受力形状（拱部采用三心圆，边墙采用 直墙式或曲墙式）以及施工方便等因素。
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
基本建筑限界
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
最大级超限货物装载限界
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
连拱式 边墙衬砌
• • •
适用于地质比较差，岩石松散破碎，强度不高，又有地下水，侧向水
隧道衬砌结构知识、原理和衬砌计算及设计公式
隧道衬砌结构知识、原理和衬砌计算及设
计公式
简介
隧道衬砌结构是用于支撑和保护隧道壁面的一种结构。
衬砌的设计和计算是确保隧道的安全和稳定性的重要步骤。
衬砌结构类型
隧道衬砌结构通常包括以下几种类型：
1. 塑料管衬砌：使用塑料管来加固和保护隧道壁面。
2. 预制混凝土片衬砌：使用预制混凝土片来支撑和保护隧道壁面。
3. 钢筋混凝土衬砌：使用钢筋混凝土结构来加固和保护隧道壁面。
衬砌计算及设计公式
在进行隧道衬砌的计算和设计时，需要考虑以下因素：
1. 隧道直径：隧道的直径是确定衬砌结构尺寸和类型的关键因素。
2. 地层情况：地层的稳定性和承载能力将影响衬砌的安全性和设计方法。
3. 水压情况：如果隧道处于水下或水土压力较大的地区，需要考虑水压对衬砌的影响。
根据以上因素，可以使用以下公式进行衬砌计算和设计：
1. 隧道衬砌尺寸计算公式：根据隧道直径和地层参数计算衬砌的合适尺寸。
2. 衬砌材料选择公式：根据地层情况和环境条件选择合适的衬砌材料。
3. 衬砌厚度计算公式：根据地层情况和水压情况计算衬砌的合适厚度。
结论
隧道衬砌结构的知识、原理和衬砌计算及设计公式对于确保隧道的安全和稳定性至关重要。
根据隧道的直径、地层情况和水压情况等因素，可以选择合适的衬砌结构类型，并使用相应的公式进行计算和设计。
- 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)。
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
其中 v — 铁路远期行车速度，km/h。
在我国铁路标准设计中，d内2系将相应的隧道建筑限界绕内侧轨顶中心
转动arctg
E 150
角求得，可近似取d内2=2.7E
（㎝）。
对于单线曲线隧道净空的加宽值为：
内侧加宽 外侧加宽 总加宽
W1=
d内1+
d内2=
4050
R+
2.7E
（㎝）
W2= d外=
440（0 ㎝）
R
8450
W= W1+ W2= d内1+ d内2+ d外= R + 2.7E （㎝）
- 双线曲线隧道加宽值的计算
双线曲线隧道的内侧加宽值W1及外侧加宽值W2与单线曲线隧道加宽值的 计算相同。即
内侧加宽 外侧加宽
W1= W2=
d内1+ d外=
- 混凝土与钢筋混凝土 • 隧道工程所用的混凝土强度等级不应低于C15 • 洞门用混凝土整体灌筑，其强度不应低于C20 • 强度等级对于衬砌段不应低于C20，对于洞门不应低于C15
- 片石混凝土 • 在岩层较好地段的边墙衬砌，可采用片石混凝土（片石的掺量不应超过
总体积的20%）。
• 当起拱线以上1m以外部位有超挖时，其超挖部分也可用片石混凝土进行
4d4内02（0=4㎝0R5）0+
R
2.7E
（㎝）
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
当外侧线路的外轨超高大于内侧线路的外轨超高时
W3
8450 R
H 150
E 2
式中 H—— 车辆外侧顶角距内轨顶面的高度，取360㎝；
E—— 外侧线路的外轨超高值（㎝）；
R—— 曲线半径（m）。
W3
8450 R
360 150
喷锚支护
隧道构造设计
---衬砌的适用条件
• 整体式模筑混凝土衬砌 — 对地质条件的适用性较强，易于按需要
成型，整体性好，抗渗性强，并适用于多种施工条件，如可用木模板、钢 模板或衬砌模板台车等
• 装配式衬砌 — 拼装成环后立即受力，便于机械化施工，改善劳动条
件，节省劳力。目前多在使用盾构法施工的城市地下铁道中采用。
回填。
• 选用的石料要坚硬，其强度等级不应低于MU40，有裂隙和易风化的石
料不应采用。
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 石料和混凝土预制块
石料或混凝土预制块用强度等级不低于M10的水泥砂浆砌筑衬砌。石料的 强度等级不应低于MU60，并且有裂隙和易风化的石料不应采用。混凝土 预制块强度等级不应低于MU20。
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
基本建筑限界
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
最大级超限货物装载限界
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
隧限-1A和隧限-1B
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
隧限-2A和隧限-2B
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
单线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓
隧道构造设计
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
• 由于曲线外轨超高，车辆向曲线内侧倾斜，
使车辆限界上的控制点在水平方向上向内移动 了一个距离（d内2）。
加宽值的计算
- 单线曲线隧道加宽值的计算
• 车辆中间部分向曲线内侧的偏移d内1
d内1=
l2 8R
车辆通过曲线时的横断面图
式中 l — 车辆转向架中心距，取18m；
E 2
8450 R
1.2E
其它情况时 总加宽
W3
8450 R
W= W1+ W2+ W3
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 曲线隧道中线与线路中线偏移距离
单线曲线隧道如图3-10所示，隧道中线与线路中 线偏移距离d为：
d =（W1－ W2） （㎝） 双线曲线隧道如图3-11所示，内侧线路中线至隧 道中线的距离为
- 喷射混凝土
• 喷射混凝土的强度等级采用C20，所用的水泥应优先采用硅酸盐水泥或
普通硅酸盐水泥
• 喷射钢纤维混凝土中的钢纤维宜采用普通碳素钢制成，等效直径为
0.3～0.5㎜的方形或圆形断面，长度宜为20～25㎜
- 锚杆
锚杆的杆体宜用20 MnSi钢筋，也可采用Q235钢筋；缝管式锚杆宜采用16 MnSi钢管，亦可采用Q235钢管；锚杆直径宜为18～22㎜，垫板可采用 Q235钢板。
• 喷锚支护 — 喷锚支护是目前常用的一种围岩支护手段，适用于各种
围岩地质条件，但是若作为永久衬砌，一般考虑在Ⅰ、Ⅱ级等围岩良好、 完整、稳定的地段中采用。
• 复合式衬砌 — 是一种较为合理的结构形式，适用于多种围岩地质条
件， 有其广阔的发展前途。
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 隧道衬砌的建筑材料及要求
---衬砌的一般构造要求
双线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 曲线隧道净空加宽
加宽原因
• 车辆通过曲线时，转向架中
心点沿线路运行，而车辆本身 却不能随线路弯曲仍保持其矩 形形状。故其两端向曲线外侧 偏移（d外），中间向曲线内侧 偏移（d内1）。
车辆通过曲线时的平面图
R — 曲线半径（m）
d内1= 4050 R
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
• 车辆两端向曲线外侧的偏移d外
d外=
L2 l 8R
2
式中 L— 标准车辆长度，我国为26m。
d外=
4400 R
• 外轨超高使车体向曲线内侧倾移d内2
d内2=
HE 150
式中 H—— 隧道限界控制点自轨面起的高度
E —— 曲线外轨超高值，其最大值不超过15㎝，且
隧道构造设计
---衬砌的形式
• 整体式模筑混凝土衬砌 —就地灌
筑混凝土衬砌
• 装配式衬砌—将衬砌分成若干块构
件，这些构件在现场或工厂预制，然后运 到坑道内用机械将它们拼装成一环接着一 环的衬砌。
• 喷锚支护—喷射混凝土 和加设锚杆、
金属网和钢架 共同支护
• 复合式衬砌—外衬和内衬两层，所
以也叫它为“双层衬砌”
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 装配式材料
对于衬砌材料，可采用一些装配式材料，如钢筋混凝土大型预制块、加 筋肋铸铁预制块等
- 铁路隧道净空及要求
- 直线隧道净空
机车车辆限界 — 它是指机车车辆最外轮廓的限界尺寸 基本建筑限界 — 它是指线路上各种建筑物和设备均不得侵入的轮廓线 隧道建筑限界 — 它是指包围“基本建筑限界”外部的轮廓线 直线隧道净空— 要比“隧道建筑限界”稍大一些，还考虑了在不同的围 岩压力作用下，衬砌结构的合理受力形状（拱部采用三心圆，边墙采用 直墙式或曲墙式）以及施工方便等因素。