隧洞衬砌的结构计算
圆形有压隧洞衬砌结构计算公式的探讨
式 中： ］ ［ 为钢 筋 的允许 应力 ，Ｐ 。按 下式 确定 ： ｋａ
］： ． （ ．． Ｂ Ｕ ２＿４ ）
结构 外径 ， Ｐ 为 围岩 弹性抗 力 ，Ｐ 。 由下式 计算 ： ｍ；。 ｋａ
ｆ
．
蕊
＝
）
（ ．． ３ Ｂ ０ ２— ）
对 称 筋 情 况 ，ｉ ｆ ， 盯 。 ｇ ＝ｌ ｇ ， 得 ： ｆ 令 ＝盯 ０ 叮 则 Ｊ
ｐ＿ ｏ ｍ 一！ ＋ｋ （ ｒ
式 中 ：ｉ 单 位 长 度 （ ｆ为 ｍ）内 圈 钢 筋 的 断 面 面 积 ， ｆ 为 ｍ ；ｎ
１ 公 式 推 导
１ １ 适 用 条 件 ．
辛 器ｎ ， ＝８ｈ 咖． ＝ ・ Ｅ ０Ｅ 詈 ． ５ ２
式 中 ： 为 混 凝 土 的 弹 性 模 量 ，Ｐ 。 Ｅ ｋ ａ
根 据 变 形 相 容 条 件 ， 层 钢 筋 的 径 向 变 形 就 为 内 水 压 力 内
《 水工 隧洞 设计 规 范》（ Ｌ ７ Ｓ ２ ９—２ ０ ）中附 录 Ｂ适 用 于 ０２
０ 引 言
在 进行 圆形 有压 隧洞 结 构计 算 时 ， 计者 一 般 是 直接 采 设 用规 范《 水工 隧洞 设 计 规 范》（ Ｌ ７ Ｓ ２ ９—２ ０ 中附 录 Ｂ圆形 ０ ２） 有压 隧洞衬 砌结 构计 算公式 ， 于公 式 的来 源 和公 式 的 原理 对
一
力作 用下 围 岩 的径 向变形 ， 由下 式计 算
ｋ ｏ Ａ Ｐ ＝ ｋＡ ＝ ｏ
式 中 ： 为钢 筋 受 拉 设 计 强 度 ， Ｐ ； Ｒ ｋ ａ Ｋ为钢 筋 混 凝 土 结
压力隧洞衬砌计算方法
压力隧洞衬砌计算方法压力隧道是一种在地下开挖的隧道，通常用于输送水、油、气等介质。
隧道的衬砌是保证其稳定性和安全性的重要组成部分。
本文将介绍压力隧道衬砌的计算方法。
一、压力隧道衬砌的分类压力隧道衬砌按照材料分为混凝土衬砌和钢衬砌。
混凝土衬砌又可分为预制混凝土衬砌和现浇混凝土衬砌。
钢衬砌又可分为钢板衬砌和钢筋混凝土衬砌。
二、压力隧道衬砌的设计参数1.压力压力是压力隧道衬砌设计的重要参数。
压力隧道衬砌的设计应根据隧道内介质的压力来确定。
压力分为内压和外压，内压是介质对衬砌内侧的压力，外压是土层对衬砌外侧的压力。
在设计中应考虑内压和外压的影响。
2.温度温度是影响压力隧道衬砌设计的另一个重要参数。
随着温度的变化，材料的体积会发生变化，这会影响衬砌的稳定性。
在设计中应考虑温度的影响。
3.地质条件地质条件是影响压力隧道衬砌设计的另一个重要参数。
地质条件包括地层的性质、地质构造、地下水位等。
在设计中应考虑地质条件的影响。
三、压力隧道衬砌的计算方法压力隧道衬砌的计算方法通常分为静力计算和动力计算两种。
1.静力计算静力计算是指在不考虑地震、爆炸等外力的情况下，根据介质压力、温度、地质条件等参数计算衬砌的稳定性和安全性。
静力计算包括梁式计算、板式计算和弹性理论计算等。
2.动力计算动力计算是指在考虑地震、爆炸等外力的情况下，根据介质压力、温度、地质条件等参数计算衬砌的稳定性和安全性。
动力计算包括地震响应谱法、有限元法等。
四、压力隧道衬砌的施工方法压力隧道衬砌的施工方法包括预制和现浇两种。
1.预制预制是指在厂房内制作衬砌构件，然后运到现场进行组装。
预制衬砌的优点是质量稳定、施工速度快。
缺点是需要有足够的场地进行制作和存放。
2.现浇现浇是指在现场进行衬砌的施工。
现浇衬砌的优点是适用范围广、可以根据现场情况进行调整。
缺点是施工周期长、质量受现场环境影响。
五、压力隧道衬砌的质量控制压力隧道衬砌的质量控制是保证其稳定性和安全性的关键。
隧洞结构计算
1.内力计算r i r e r100130115说明：砼采用C20，钢筋采用二级，截面按双筋计算。
截面Ar i——-衬砌后的隧洞内径，单位cm；ψ=0(洞顶）0.1628 r e——-衬砌后的隧洞外径，单位cm；ψ=π/2-0.125 r——-衬砌后的隧洞平均半径，单位cm；ψ=π(洞底）0.0872 k0(N/cm3)——围岩单位弹性抗力系数；h——衬砌厚度,单位cm；截面Dq(KN/m)----垂直围岩压力，按q=0.1×γ1×B计算，ψ=0(洞顶）0.2122此处γ1为山岩容重，B为考虑0.2m超挖的隧洞直径；ψ=π/20 P(Kpa)——隧洞内水压力；ψ=π(洞底）-0.2122 a——钢筋保护层厚度；〔σg〕(KN/cm2)=R g/k,一级为160MPa,二级为258MPa;截面A1A g----根据计算结果选定的每层钢筋面积。
ψ=0(洞顶）0.34477作者：bluepan ψ=π/2-0.392722004.3.4ψ=π(洞底）0.44059A0.927393截面A2ψ=0(洞顶）0.17239ψ=π/2-0.19636ψ=π(洞底）0.2203ψ=0垂直山岩力 2.064189自重 2.357966非均匀内水压力0.803815总计 5.225972.配筋计算（1）按砼未出现裂缝情况计算a h0426A gi A ge洞顶配筋面积 4.475129883 2.636055洞底配筋面积 4.701285105 1.7432洞侧配筋面积 2.011452455 3.829226（2）按砼出现裂缝情况计算A gi A ge洞顶配筋面积0.744046768-1.26561洞底配筋面积0.192345615-1.98788洞侧配筋面积-1.719630660.0981433.抗裂校核(须满足σi<〔σgh〕,K f>1.2)A g A040.3064有压隧洞结构计算k0(N/cm3)h a I K n1000300.869565225000666.66679.212994188山岩压力作用下弯矩计算Aa B C Cn Cn(1+a)Aa+B+Cn(1+a)0.1415652170.08721-0.00699-0.0644-0.12040.108377406-0.108695652-0.125010.008240.0759150.141928-0.0917774740.0758260870.16277-0.00837-0.07711-0.144170.094428751山岩压力作用下轴向力计算Da F G Gn Gn(1+a)Da+F+Gn(1+a)0.184521739-0.212220.020980.1932890.3613660.333667416010.005750.0529750.09904 1.099039688 -0.1845217390.712220.022370.2060950.3853070.913005706衬砌自重作用下的内力计算B1B1n A1+B1n M(KN·m)C1D1-0.02194-0.202130.142637 2.357966-0.166690.06590.025890.238524-0.1542-2.54905 1.57080.01807-0.02629-0.242210.19838 3.279476 1.73740.07024 N P(KN)192.7701403非均匀内水压力作用下的内力计算B2B2n A2+B2n M(KN·m)C2D2-0.01097-0.101070.0713230.803815-0.588340.032950.012950.119308-0.07705-0.86837-0.21460.00903-0.01315-0.121150.099149 1.117411-0.631260.03513内力组合表M(KN·m)N(KN)ψ=π/2ψ=πψ=0ψ=π/2ψ=π-1.748021301 1.798518 5.526218.202315.1212-2.54904569 3.279476 6.33141624.9733834.27749-0.868372944 1.117411-2.79072-1.28779-3.01455-5.165439934 6.1954059.06690141.8878946.38413〔σg〕(KN/cm2)A min(cm2)25.833 3.9A7.1111849096.4444846465.84067849A-0.521558488-1.795537959-1.621487742I0W0σi〔σgh〕K f2327440.015516192.69261333.333 2.700007q(KN/m)g(自重KN/m)P(Kpa)t12.7412.5220 1.3M(KN·m)2.064188587-1.7480213011.798518311N(KN)5.5261997518.202295315.1212005D1n C1+D1n N(KN)0.6071363170.44044632 6.3314160.166478805 1.737278824.973380.647120712 2.3845207134.27749D2n C2+D2n N(KN)0.303568158-0.2847668-2.790720.083193338-0.1314067-1.287790.323652486-0.3076075-3.01455。
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。
隧洞的衬砌设计案例
隧洞的衬砌设计一、衬砌的类型选择由于本隧洞内水压力较大，故采用双筋砼衬砌。
材料的物理力学指标如下：Ⅰ级钢筋：MPa GPa Eg MPa Rg g 150][;21;2400===σC 20砼：GPa E MPa MPa R m KN n h a h 26,2.2][,11;/25167.03=====σγμ； 岩石：GPa E cm kg K f m KN 10;/100;7;/25303====γ按Ⅲ级建筑物查规范，在正常情况下，安全系数为；检修情况下安全系数为。
二、计算断面的选择在实际工程中，为了达到经济、安全的目的，在不同段，一般采用不同的衬砌形式，且用分缝相结合，故在不同段要分别取断面进行衬砌计算，本次设计只取洞身进口断面进行计算，其它断面的衬砌按已建工程拟定。
三、拟定衬砌厚度采用式（4-10）,式中：m i 75.125.3==γ;—砼允许拉应力(M)；从绘制的水头线查得；MPa h 11.0=ωγ00)21)(1(01.0)1(01.0K Eh K Eh A μμμ-+++-=cm h 0.2111.02.211.02.2927.075.1=--+⨯⨯=∴30cm30cm205cm190cm 3。
岩石压力拱高h 为：m f H h 29.0705.2===γ； 重直山岩压力强度q 为：q =γh =25×=m ；由山岩压力产生的M 和N 采用公式（4-14）：∴M =(0.921A +B +26.43C )，N =+E +26.43F ) 系数A 、B 、C 、D 、E 、F 由表查得，M 、N 计算结果如下表1。
表12) 考虑外水压力，岩石重度γ=16KN/m 3。
垂直山岩压力强度q =γh =m计算公式与上同，其它量不变，则M =(0.921A +B +26.43C )，N =(0.921A +B +26.43C ) M 、N 计算结果如表2。
表2(2) 衬砌自重产生的弯矩和轴向力采用式 4-15，得M =(A 1+，N =(C 1+系数A 1、B 1、C 1、D 1由表查得，M 、N 计算结果如下表3。
隧洞计算
表3-3
γ岩24开挖宽B 5.5开挖高H 5.5二）计
算：
13.2
6内摩擦角
ψ75γ岩
24
0.579015
9.7274480.16862.456474
1.312537
9.768
1.32
2.考虑岩石弹性抗力：垂直山岩压力+岩石弹性抗力+岩石弹性抗力产生的摩擦力+衬砌自重
一、山岩压力：
围岩分类表： 设 计 荷 载
设计组合如下：
1.不考虑岩石弹性抗力：垂直山岩压力+侧向水平山岩压力+衬砌自重
一）基本数据：（围岩为比较新鲜的、节理缝隙少
岩）
岩石坚硬系数及其他力学指标q=0.074γ岩B 1.按SD134-84《水工隧洞设计规范》计算：根据地质条件为Ⅱ类围岩，不计侧向水平山岩压力。
在洞底面处 e 2=(0.7h+H)γ岩tg 2（45-ψe=（e 1+e 2）/2根据表3-3，当岩石坚硬系数f=6，相应q 、e 系数为0.074、0.010
垂直山岩压力强度q=（0.1~0.2）γ岩B 2.按普氏公式计
根据表3-2，选用岩石坚硬系数f 侧向水平压力强度:在洞顶面处e 1=0.7γ岩htg 2（45-ψ/2）e=0.01γ岩H 1）按公式计算：
塌落拱高度h=（B+2Htg （45-ψ/2））/垂直山岩压力强度q=0.7γ岩h 2）按简化公式计
摩擦力+衬砌自重
缝隙少的砂岩）
水平山岩压力。
隧洞计算
一）基本资料：洞身净宽B 5洞身净高H 5.275拱顶内半径r` 2.5直立墙高y h 0.5540（C15砼）弹性模量E 22000000砼容重γ砼24二）计算：计算矢高与顶拱计算半径的比值m=f/r25.55 5.55Ac0.805508C=Ac*r2.235284A 112.570796A 221.0214857.13396A 1q -0.8927A 2q-0.25696-763.05213.2A 1g-1-282.074A 1e-1.34476A 2e-0.92194-287.3664)载常数总和：-1332.49-1392.44186.781563.79026qr 2308.025gr 2101.6483er 277.00625y-C各截面M 计算表：各截面弯矩值：M=M P +X 1+X 2（y-C ）（利用表4-45及4-47）6.各截面弯矩值计算：圆顶段各截面：y-C=r-rcos α-C 直墙段各截面：△1p =数据/（EJ）△2p =数据/（EJ）5.多余未知力X 1及X 2计算：X 1=-△1p /δ11X 2=-△2p /δ223)矩形水平压力作用：（根据m=2，查表4-42得）△1p =A 1e er 3/（EJ)=数据/（EJ ）△2p =A 2e er 4/（EJ)=数据/（EJ ）2)衬砌自重作用：衬砌自重g=γ砼d△1p =A 1g gr 3/（EJ)=数据/（EJ ）△2p =A 2g gr 4/（EJ)=数据/（EJ ）均布侧向水平山岩压力强度e （m=q/e ）3.衬砌材料：2.设计荷载：均布垂直山岩压力强度为q 计算跨度L=B+d计算矢高f=H+d/2顶拱计算半径r=r+d/21）垂直山岩压力：隧 洞 衬 砌 计 算（不考虑岩石弹性抗力作用）一、查表法计算圆拱直墙式衬砌断面（不考虑岩石弹性抗力作用）1.洞身衬砌截面形式及尺寸：衬砌厚度初拟d （底板采用与顶拱及侧墙相同）1.计算基本结构：（根据m=2，查表4-40得）2.钢臂长度C ：（根据m=2，查表4-39得）3.形常数计算：（根据m=2，查表4-39得）△1p =A 1q qr 3/（EJ)=数据/（EJ ）△2p =A 2q qr 4/（EJ)=数据/（EJ ）δ11=A 11r/（EJ ）=数据/（EJ ）δ22=A 22r3/（EJ ）=数据/（EJ ）4.载常数计算：qr111gr36.63er27.75N=NP+X2cosα(利用表4-46及4-48）各截面N计算表：0.7264930.69375校核:0.007766结论:0.55终拟衬砌砼厚d △s 1=s 1/4=y h /4（0.007766/（EJ ）略为0）9.拱顶内缘出现拉应力值最大为760.556,而C15砼允许拉应力767,因此衬砌厚度刚好.拟订为0.55.拱顶截面转角总和应为0:△s 0=s 0/6=pi*r/122.775102.77521.82836-609.497A 2g-0.30179-236.23-546.71m=2，查表4-42得）（根据m=2，查表4-41得）半径r=r+d/2m=2，查表4-40得）6/（EJ）略为0）厚度刚好.拟订为0.55.。
有压无压隧洞衬砌计算及数值解法
4
一、荷载及荷载组合
目前，确定围岩压力的方法：
★ 松散介质理论（塌落拱法）
此方法视岩体为具有一定的凝聚力的松散介质，在 洞室开挖后，由于岩体失去平衡形成“塔落拱”，拱处 的围岩仍保持平衡，拱内岩块重量就是作用再衬砌上的 荷载——山岩压力。
普氏用“坚固系数f”k （亦称拟摩擦系数），代替岩
其中内水压力、自重比较明确，而其余的力 只能在一些简化和假定的前提下进行近似计算。
3
一、荷载及荷载组合
（一）围岩压力（山岩压力） 隧洞开挖后围岩变形或塌落作用在支护上的
压力。 影响山岩压力大小的因素：围岩的地质条件
和力学特征（强度和变形性能节理，裂隙的分布 和发育情况）；初始应力，地下水，隧洞的走向， 埋深和几何形状；开挖方法；衬护时间，衬护形 式。
的，难以反映实际情况。 岩体的工程地质，水文地质条件错综复杂，山岩压力
显然不能用一个简单的公式予以概括。
13
一、荷载及荷载组合
（二）围岩的弹性抗力
当衬砌承受荷载向围岩方向变形时，将受到围岩的抵抗， 这个抵抗力叫弹性抗力。
弹性抗力的大小和性质与工程地质条件有密切的关系， 坚固完整的岩石，弹性抗力大；围岩软弱破碎，弹性抗力小， 甚至不能利用。
有压、无压隧洞衬砌计算及数值解 法
一、荷载及荷载组合 二、圆形有压隧洞的衬砌计算 三、无压隧洞的衬砌计算 四、渐变段衬砌计算简介 五、衬砌的边值问题及数值解法
1
前言
目的：核算在设计规定的荷载组合条件下衬砌的强度，使之 满足规范要求。
计算方法： ★一类：1、将围岩与衬砌分开，按文克尔假定考虑围岩的弹
性抗力，衬砌上承受各项有关荷载，然后按超静定 结构解算衬砌内力。
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的
应力。可通过工程措施予以解决，如控制水灰比、加强保养、
结
配筋等。只在非常寒冷的地区才予考虑。
构 （8）地震荷载
计
埋深30米的隧洞在地震时所受地震力只有地面的1／10，所以
算
衬砌设计中地震影响可不考虑。
9度或8度（I级结构）：验算隧洞和围岩的抗震强度和稳定性
大于7度：隧洞进出口位置，验证抗震稳定性
（9）荷载组合
§5-5 隧洞衬砌的结构计算
目的：验算在设计规定的荷载组合下衬砌的强度，
隧
使之满足规范规定的要求。
洞 一、荷载及其组合
衬
内水压力
砌
自 重 可准确计算
的
外水压力
结
灌浆压力
构
可近似计算 温度荷载
计
地震荷载
算
围岩压力
弹性抗力 难以准确计算
（1）自重
自重应包括平均超挖回填部分，约 0.1 ~0.3 m。
隧
( ) G自＝g × pR2－pr2
洞 衬
衬砌厚度：
R－r
=
(1 8
-
1 12
)D洞
砌 （2）内水压力（有压隧洞主要荷载） 的 （1）发电引水隧洞：内水压力为全水头加 水击压力；
结 （2）有压洞：内水压力为均匀内水压力和 无水头洞内满水压力两部分； 构 （3）无压洞：内水压力为水面线以下的静水压力； 计
v基本荷载：
隧
衬砌自重、围岩压力、预应力、设计条件下的
洞
衬
内水压力及地下水压力；
砌
v特殊荷载：
的
校核水位下的内水压力及地下水压力、施工荷
结
载、温度荷载、灌浆压力、地震荷载
构
计
算
二、衬砌结构计算
计算内容：在各种荷载组合条件下，计算衬砌内力
和应力，校核衬砌厚度和材料强度，并进行配筋。
隧
洞
v弹性力学模型
衬
v弹塑性力学模型
砌
v黏弹塑性力学模型
的
结
v模拟隧洞形成和承受过程
构
v渗流应力耦合分析
计
算
算
v围岩坚硬完整无不利滑动面
v隧洞埋深大于3倍洞径
（6）灌浆压力弹性抗力
v回填灌浆：小范围、低压力、浅孔灌浆。 临时荷载，可不考
虑 v固。结灌浆：大范围、高压力、深孔灌浆。 相当于外水压力，位
隧
置较深，大部分 作用于围岩上，小部分使衬砌受压， 临时荷载，
洞
可不考虑。
衬 （7）温度荷载
砌
混凝土的水化热和运行时水温、气温的变化引起的衬砌的温度
算
（3）外水压力
取决于地下水压力
隧
P外＝b ×g × h外
洞 衬
b ：折减系数
砌
的
地下水
b
结 构
无 微弱 显著
00.2 0.1－0.40 0.25－0.60
计
强烈 0.40－0.80 剧烈 0.65－1.00
算
（4）围岩压力（山岩压力）
隧洞开凿后由于围岩变形而主动地作用在衬砌上的压力
。
隧
松散介质理论认为：岩体为具有一定凝聚力的松散介质。地下洞
室开挖后，上部的部分岩石失去支承，而形成塌落拱，拱外岩体
洞
未受影响，拱内岩体自重即为山岩压力。
衬
砌
以顶拱上任意截面弯矩为零，得出顶拱抛物线方程，计算抛物线
的
以下的岩体自重。
结
平衡拱理论：
构
h = b / fk, fk为围岩牢固系数
洞顶以上覆盖
计
铅直围岩压力：
岩层厚度大于
算
平衡拱高度2倍
平顶：q = g 1h，g 1为岩石重度
曲线：q = 0.7g 1h
v水工隧洞计算暂行规范
q垂直＝ S y × g 岩石 × B宽
隧
洞
q水平＝S x × g 岩石 × H 高
衬
Sx, S y 分别为水平向及垂向的山岩压力系数。可由围岩
砌
条件（坚硬岩石、软弱岩石）等条件查表。B和H分别为
的
隧洞的开挖宽度和高度。q为围岩压力强度。
结
构
计
算
（5）弹性抗力
衬砌受到主动力作用后，向围岩方向变位时，受到围岩 的限制而产生的反作用力。
隧 洞
有利荷载，协助衬砌分担外荷载
衬
岩石的弹性抗力可近似认为与衬砌表k 为弹性抗力系数，根据岩石条件以及隧洞为有压或无压等条件查表。
结
弹性抗力可考虑的条件：
构
计
v衬砌与围岩紧密结合