第6章-盾构法隧道结构
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地下结构设计6：盾构法隧道支护结构设计
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 力及其它施工荷载； 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。
2)按结构型式分类
隧道外层装配式钢筋混凝土衬砌结构根据不同 的使用要求分成箱形管片，平板形管片等几种 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。
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， 主要包括： （1）土体类型和可变性；（2）开挖面几何 尺寸；（3）地下水；（4）土压力和初试土 压力；（5）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。
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 ①箱形管片一般用于较大直径的隧道。单块管 片重量较轻，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 。
②平板形管片用于较小直径的隧道，单块管片重 量较重，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。
6.2 盾构机的分类及选型
盾构机分类
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。
概述盾构法隧道内部结构施工
概述盾构法隧道内部结构施工1、盾构法隧道线形控制下掘进过程中，铰接千斤顶形成较大，推进千斤顶分区控制，以确保盾构姿态。
在小曲率段，自動导向系统的激光站每次移站的距离短，移站频率高，否则盾构机自动导向系统无法反映盾构机的真是姿态。
但移站频率高、吊篮不及时复测，会对自动导向精度造成一定影响，因此需增加人工复测频率。
为确保盾尾密封效果、管片质量，减小对地层的扰动，盾构机纠偏原则：每环的纠偏幅度不应太大，当水平、垂直都需要纠偏时：一个方向纠完，再纠另外一个方向，宜先稳住垂直姿态，再水平纠偏；同时纠偏效果不理想。
盾构机在全、强风化凝灰熔岩地层中施工小曲率隧道，保证速度的稳定性，也可以比较容易控制纠偏的尺度，太快或太慢都不利于模拟机盾构机纠偏。
2、盾构法隧道施工管片保护隧道姿态不理想时，利用管片吊装孔，同步注水泥水玻璃速凝浆液。
另外，考虑到曲线=超挖，浆液注入量也需要适当增加。
在软弱地层中，由于围岩自稳性差，应力释放快，塑性变形大，这一环形空间在管片脱出盾尾后，拱顶围岩极有可能发生变形或拱顶围岩下沉，减小了围岩与管片之间的间隙，同时建压掘进和及时地同步注浆使此间隙能得到有效填充，有利于管片快速稳定。
在盾构掘进施工中，盾构通常保持微微抬头姿势掘进，一般底部油缸推力较大，此推力会在设计轴线法线上产生一个向上的分力，特别是下坡段时，底部推进力增大，分力随之增大，这个分力加剧了管片的上浮，特别是在同步注浆浆液没有完全提供约束力的情况下。
由于双液浆在同步注浆管过程中易堵管，可选择在管片注浆孔进行注浆，即管片脱出盾尾后采用人工对管片进行注浆。
但通过吊装孔注双液浆往往要停止掘进，为减小注浆对施工进度的影响，可根据管片脱出盾尾后管片间相对上浮量不超过限界要求的前提下，选择隔环注双液浆的方式减小管片悬臂距离，同时优化同步浆液配合比。
一方面可有效封堵后部来水，减小同步注浆浆液前窜机率；二是有效填充管片壁后建筑间隙以达到防止管片上浮和稳定管片的目的。
隧道施工方法ppt课件
长沙隧道（双. 线，长714m）
4、20世纪80年代 （1）普遍采用新奥法施工； （2）开挖方法普遍采用全断面、半断面法； （3）采用光面深孔爆破、预裂爆破、弱爆破技术减少对围
岩的扰动； （4）喷锚支护技术大发展； （5）编制铁路隧道新奥法指南； （6）应用监控量测进行信息化设计和施工； （7）进入大型机械配套时期，引入凿岩台车、装运碴机械、
.
.
台阶法上断面. 开挖
台阶法上断面. 开挖
台阶法上断面. 开挖
台阶法上断面. 开挖
.
.
分部开挖法
分部开挖法是开挖软弱岩层或土层隧道的一种施工方法， 主要适用于隧道断面较大或围岩稳定性较差的条件下。它 将隧道断面分部开挖逐步成型，且一般将某部超前开挖。
“导坑超前开挖法”
先行开挖形成的坑道称为“导坑” 导坑的作用主要是超前探察前方岩体的工程地质条件。
开挖成形后即对暴露围岩加以适当的支撑或支护，继而提供
必要的永久性人工结构以保持隧道长期稳定的施工方法。矿
山法又因其采用“钻眼爆破”方式破岩，故隧道工程中也称
之为“钻爆法”。
“传统矿山法”
“新奥法”
.
6.2 新奥法
一、新奥法（NATM）概述
1963年，由奥地利学者L腊布兹维奇教授命名为“新奥地 利隧道施工法（New Austria Tunneling Method）”， 简称“新奥法（NTAM）”正式出台，它是以控制爆破或 机械开挖为主要掘进手段，以锚杆、喷射混凝土为主要 支护方法，理论、量测和经验相结合的一种施工方法。 同时又是一系列指导隧道设计和施工的原则。
Ⅴ
Ⅴ 2
4
4
3
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6
漏斗 6
4、20世纪80年代 （1）普遍采用新奥法施工； （2）开挖方法普遍采用全断面、半断面法； （3）采用光面深孔爆破、预裂爆破、弱爆破技术减少对围
岩的扰动； （4）喷锚支护技术大发展； （5）编制铁路隧道新奥法指南； （6）应用监控量测进行信息化设计和施工； （7）进入大型机械配套时期，引入凿岩台车、装运碴机械、
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台阶法上断面. 开挖
台阶法上断面. 开挖
台阶法上断面. 开挖
台阶法上断面. 开挖
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分部开挖法
分部开挖法是开挖软弱岩层或土层隧道的一种施工方法， 主要适用于隧道断面较大或围岩稳定性较差的条件下。它 将隧道断面分部开挖逐步成型，且一般将某部超前开挖。
“导坑超前开挖法”
先行开挖形成的坑道称为“导坑” 导坑的作用主要是超前探察前方岩体的工程地质条件。
开挖成形后即对暴露围岩加以适当的支撑或支护，继而提供
必要的永久性人工结构以保持隧道长期稳定的施工方法。矿
山法又因其采用“钻眼爆破”方式破岩，故隧道工程中也称
之为“钻爆法”。
“传统矿山法”
“新奥法”
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6.2 新奥法
一、新奥法（NATM）概述
1963年，由奥地利学者L腊布兹维奇教授命名为“新奥地 利隧道施工法（New Austria Tunneling Method）”， 简称“新奥法（NTAM）”正式出台，它是以控制爆破或 机械开挖为主要掘进手段，以锚杆、喷射混凝土为主要 支护方法，理论、量测和经验相结合的一种施工方法。 同时又是一系列指导隧道设计和施工的原则。
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漏斗 6
盾构法隧道工程课件
总结词
复杂地质条件下的过江通道
详细描述
该案例探讨了某过江通道盾构隧道工程的施工挑战，包括复杂的地质条件、水文 环境、大断面设计等方面的技术难题，以及相应的解决方案和实施效果。
某大型水利工程盾构隧道工程案例
总结词
水利工程中的盾构隧道应用
详细描述
该案例以某大型水利工程为例，介绍了盾构隧道在水利工程中的应用，涉及水利枢纽、引水工程等方面的盾构隧 道设计和施工要点。
01
03
目前，盾构法隧道施工技术已经广泛应用于全球各地 的地铁、铁路、公路、市政等工程建设领域，成为一
种高效、安全、环保的隧道施工方法。
04
随着科技的不断进步，盾构机械和施工技术也在不断 改进和创新，适应了各种复杂地质和环境条件下的隧 道工程建设需求。
02
盾构法隧道设计
盾构法隧道结构设计
盾构隧道结构设计应考虑地质条 件、埋深、环境因素、使用要求 、施工方法等因素，选择合适的
衬砌与注浆
在开挖后的空隙中安装衬砌环， 并进行注浆充填，以减少地层沉
降。
开挖与推进
控制盾构机向前推进，同时进行 土方开挖和运出。
04
盾构法隧道工程风险与 控制
盾构法隧道工程风险识别
盾构隧道施工风险识别
盾构隧道穿越风险识别
包括地质条件、地下水、周边环境等 因素引起的施工风险。
包括穿越河流、湖泊、建筑物、地下 管线等障碍物时的风险。
防水设计还应考虑排水系统的 作用，合理设置排水沟、集水 坑等设施，防止积水对隧道造 成危害。
03
盾构机与盾构施工
盾构机的种类与特点
土压平衡盾构机
泥水盾构机
通过调整推进系统的压力和螺旋输送机的 转速，使土仓内的土压与前方水土压力平 衡，适用于软土和硬土的开挖。
复杂地质条件下的过江通道
详细描述
该案例探讨了某过江通道盾构隧道工程的施工挑战，包括复杂的地质条件、水文 环境、大断面设计等方面的技术难题，以及相应的解决方案和实施效果。
某大型水利工程盾构隧道工程案例
总结词
水利工程中的盾构隧道应用
详细描述
该案例以某大型水利工程为例，介绍了盾构隧道在水利工程中的应用，涉及水利枢纽、引水工程等方面的盾构隧 道设计和施工要点。
01
03
目前，盾构法隧道施工技术已经广泛应用于全球各地 的地铁、铁路、公路、市政等工程建设领域，成为一
种高效、安全、环保的隧道施工方法。
04
随着科技的不断进步，盾构机械和施工技术也在不断 改进和创新，适应了各种复杂地质和环境条件下的隧 道工程建设需求。
02
盾构法隧道设计
盾构法隧道结构设计
盾构隧道结构设计应考虑地质条 件、埋深、环境因素、使用要求 、施工方法等因素，选择合适的
衬砌与注浆
在开挖后的空隙中安装衬砌环， 并进行注浆充填，以减少地层沉
降。
开挖与推进
控制盾构机向前推进，同时进行 土方开挖和运出。
04
盾构法隧道工程风险与 控制
盾构法隧道工程风险识别
盾构隧道施工风险识别
盾构隧道穿越风险识别
包括地质条件、地下水、周边环境等 因素引起的施工风险。
包括穿越河流、湖泊、建筑物、地下 管线等障碍物时的风险。
防水设计还应考虑排水系统的 作用，合理设置排水沟、集水 坑等设施，防止积水对隧道造 成危害。
03
盾构机与盾构施工
盾构机的种类与特点
土压平衡盾构机
泥水盾构机
通过调整推进系统的压力和螺旋输送机的 转速，使土仓内的土压与前方水土压力平 衡，适用于软土和硬土的开挖。
盾构法施工
第 6 章盾构施工技术第一节概述一、基本原理盾构法是暗挖隧道的专用机械在地面以下建造隧道的一种施工方法。
先在隧道的一端建造竖井或基坑，以供盾构安装就位。
盾构从竖井或基坑的墙壁预留孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的设计预留孔洞推进。
盾构推进中所受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制衬砌、再传到竖井或基坑的后靠壁上。
●盾构是进行土方开挖、正面支护和隧道衬砌结构安装的施工机具●盾构是一个既能支承地层压力，又能在地层中推进的钢筒结构●钢筒的前面设置各种支撑和挖土装置钢筒的中段周圈内安装顶进千斤顶钢筒的尾部可安置数环隧道衬砌●盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装一环衬砌，并及时向盾尾后面的衬砌环外周的空隙中压注浆体，以防止隧道及地面下沉，在盾构推进过程中不断从开挖面排出适量的土方。
二、国外盾构施工技术发展概述1. 人工开挖盾构的发明世界上第一条人工开挖盾构隧道是由Mare Brunel和他的儿子—起在伦敦泰晤士河下建成的。
该盾构呈矩形（11.6m宽，7m高），总共只有366m长的隧道耗时20年左右，曾经历很大困难，出现过五次以上涌水。
1869年，James Henry Greathhead采用圆形敞开式盾构在泰晤士河下再建了一条外径为2.18m的行人隧道，该隧道衬砌是铸铁管片，隧道在不透水的粘土层中掘进，无地下水威胁，因此进展相当顺利。
1886年，Greathead在建造伦敦地铁时首次使用了压缩空气盾构，解决了在含水地层中修建隧道的问题。
2.机械化盾构的问世1876年：第一台机械化盾构的专利出现。
第一台机械化盾构的设想是用由几块板构成的半球状刀盘旋转切削土体，然后靠径向转动的土斗将切削下来的土体运到皮带输送机上。
1896年，J．Price的专利比第一台盾构有较大改进，刀盘由若干轮辐构成，电动驱动由长轴传递，其外形也与现代盾构较为接近。
早期的盾构技术在英国发明并得到发展并不是偶然的事件，由于19世纪和20世纪上半叶，英国是全球最强盛的工业化国家，而对隧道掘进来讲，伦敦的粘土可说是地球上较理想的土层，因此，由当时最发达的国家率先在较理想的土层中发展盾构技术是合乎技术发展的逻辑的。
盾构法隧道结构
管片接头类型
• 管片间的接头分两类：纵向接头、环向接头
• 从力学性质看可分为：柔性接头、刚性接头
螺栓接头
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。
弯螺栓连接形式
直螺栓连接形式
• 直螺栓受力性能好、效果显著、加工简单、但扩大了螺栓手 孔尺寸，影响了管片承受盾构千斤顶顶力的承载能力。
0.045kRH4
一般取 0.25 ~ 0.8
土的种类
固结密实黏性土 极坚实砂质土
密实砂质土 硬黏性土
地层基床系数值
k（kN/m³）
土的种类
30000~50000 10000~30000
中等黏性土 松散砂质土 软弱黏性土 非常软黏性土
k（kN/m³）
5000~10000 0~10000 0~5000 0
错缝拼装弯矩传递及分配示意图
课堂练习题
某地铁隧道埋深18.6m，隧道两侧土壤介质的容重
γ=19kN/m2，内摩擦角φ=12.5°，粘聚力c=20 kPa，有
地下水影响，地下水位距地面4m。预采用盾构法进行 设计施工。每环采用8块等长管片，管片厚350mm，宽 900mm。隧道内径为10m。
采用均匀圆环并结合惯用修正法计算衬砌内力
2 拱背土压
G
2
1
4
RH2
0.43RH2
3 竖向土压
• 软粘土中按h计算较为合适。
n
q i hi i 1
• 在砂土等抗剪强度较 大的地层内，且隧道埋 深超过隧道衬砌的外径 时，按“松动高度”理 论进行进算。
p
B0 c /
tan
盾构隧道衬砌结构和构造
14
管片的构造
15
盾构工程中的管片选型5Fra bibliotek按材质分类
管片按材质的不同 ，主要可分为钢筋混凝土管片、铸铁管片、钢管片、复合管片。 目前较常使用的管 片主要有钢管片、 球墨铸铁管片和钢筋混凝土管片。 (1)钢筋混凝土管片 由于施工条件和设计方法的不同 ，钢筋混凝土管片具有不同的形式 ，按管片手孔成形大小区分 ，可大 致分为箱形和平板型两类。 钢筋混凝土管片成本低、 使用最多、 耐久性好。 (2)铸铁管片 铸铁管片延性和强度接近于钢材 ，管片较轻 ，安装运输方便 ，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、机械加工量大、价格昂贵 ， 同时具有脆性破坏特性 ，不宜用 作承受冲击荷载的隧道衬砌结构。 已逐步为钢筋混凝土管片代替。
隧道衬砌结构和构造
隧道衬砌
盾构隧道衬砌是用于承受盾构隧道周围的水、土等荷载，并确保 盾构隧道结构净空和安全的地下结构，属于永久性构筑物。盾构 隧道衬砌的形状与盾构隧道的断面形式相匹配，根据使用要求、 施工技术、地层的特性、隧道受力等因素，盾构隧道横断面形式 有圆形、矩形、半圆形、马蹄形、眼镜形等多种形式。
盾构隧道衬砌由一次衬砌和二次衬砌形成双层结构 外层是一次衬砌，通常是由管片拼装而成的环形结构，内层为二 次衬砌，通常是由现浇混凝土、钢筋混凝土或钢纤维混凝土浇筑 而成的结构。 一般情况下，一次衬砌可以支撑来自地层的土压力、水压力及盾 构推进过程中的全部荷载。二次衬砌可进一步补强一次衬砌，同 时还可在一次衬砌和二次衬砌之间施作整体闭合防水层结构，起 到防渗、防蚀、防振及修正轴线起伏和内装饰等的作用。
6
按材质分类
(3)钢管片 钢管片的优点是重量轻、 强度高、组装运输容易、可任意安装加固材料、加工容易； 缺点是耐锈蚀性 差、 成本昂贵、 金属消耗量大。 钢管片比钢筋混凝土管片具有更大的承受不均匀荷载和变形的能力，
管片的构造
15
盾构工程中的管片选型5Fra bibliotek按材质分类
管片按材质的不同 ，主要可分为钢筋混凝土管片、铸铁管片、钢管片、复合管片。 目前较常使用的管 片主要有钢管片、 球墨铸铁管片和钢筋混凝土管片。 (1)钢筋混凝土管片 由于施工条件和设计方法的不同 ，钢筋混凝土管片具有不同的形式 ，按管片手孔成形大小区分 ，可大 致分为箱形和平板型两类。 钢筋混凝土管片成本低、 使用最多、 耐久性好。 (2)铸铁管片 铸铁管片延性和强度接近于钢材 ，管片较轻 ，安装运输方便 ，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、机械加工量大、价格昂贵 ， 同时具有脆性破坏特性 ，不宜用 作承受冲击荷载的隧道衬砌结构。 已逐步为钢筋混凝土管片代替。
隧道衬砌结构和构造
隧道衬砌
盾构隧道衬砌是用于承受盾构隧道周围的水、土等荷载，并确保 盾构隧道结构净空和安全的地下结构，属于永久性构筑物。盾构 隧道衬砌的形状与盾构隧道的断面形式相匹配，根据使用要求、 施工技术、地层的特性、隧道受力等因素，盾构隧道横断面形式 有圆形、矩形、半圆形、马蹄形、眼镜形等多种形式。
盾构隧道衬砌由一次衬砌和二次衬砌形成双层结构 外层是一次衬砌，通常是由管片拼装而成的环形结构，内层为二 次衬砌，通常是由现浇混凝土、钢筋混凝土或钢纤维混凝土浇筑 而成的结构。 一般情况下，一次衬砌可以支撑来自地层的土压力、水压力及盾 构推进过程中的全部荷载。二次衬砌可进一步补强一次衬砌，同 时还可在一次衬砌和二次衬砌之间施作整体闭合防水层结构，起 到防渗、防蚀、防振及修正轴线起伏和内装饰等的作用。
6
按材质分类
(3)钢管片 钢管片的优点是重量轻、 强度高、组装运输容易、可任意安装加固材料、加工容易； 缺点是耐锈蚀性 差、 成本昂贵、 金属消耗量大。 钢管片比钢筋混凝土管片具有更大的承受不均匀荷载和变形的能力，
7.盾构法隧道结构
•压气法中气压的设定 采用压气法时，随着压力的增加，开挖面稳定效果越好， 但从作业效率和隧道工作人员的健康方面考虑，压力则越低越 好。因此，必须综合研究上述情况，选择最合适的压力。通常， 压力的选择以开挖面的地下水压力为基准，再考虑其他因素来 确定。但是，当隧道顶部与底部的水压和土压不同时，对所有 的位置都给予相同的气压是非常困难的。
•泥岩
泥岩是指堆积的粉砂、粘土，经压实、脱水固结而成的 土层，根据粒径的差异可分为粉砂岩和粘土岩两种。泥岩 的无侧限抗压强度在0.5-1.0 MPa以上，N值在50以上，切 削面自稳。在选择盾构机型时，水压小的地层，选用开放 式盾构比较经济；在有承压地下水的泥岩层或在含水砂层、 砂砾层的交错层中掘进时，由于存在喷涌问题，所以，应 选择闭胸类的泥水平衡式或土压平衡式盾构
1.5.4 冻结法
• ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ • ① 冻结法在盾构施工中的应用: 盾构始发或到达竖井时竖井外侧的地层加固； 两条平行隧道间连接通道施工时的地层加固； 盾构隧道分岔、汇合施工时的地层加固； 两台盾构对接施工时的地层加固； 盾构隧道掘进路线旁结构物的保护施工； 大深度竖井修建中形成临时止水墙 应用冻结法的注意事项 必须根据地中温度的测定来确定地层的冻结状态，必要时， 需要对冻结地面采取保冷措施。 ② 必须注意由冻结管损坏等引起的盐水泄漏。冻结管铺设后应 进行耐压试验，开挖冻结管附近的冻土时，应在确认冻结管 的位置后再进行。
盾构法隧道
1 概述
1.1 类型:
1.2 盾构对环境条件的适应性 不同类型盾构对地层条件的适应性分析。盾构 有很多种不同的类型，如手掘式、半机械式、机械 式、挤压式、泥水平衡式和土压平衡式盾构等。 手掘式盾构适用于开挖面自稳性强的地层，包括 洪积层砂、砂砾、固结粉砂和粘土等。对于开挖面 不能自稳的冲积层、软弱砂层、粉砂和粘土，施工 时必须采取稳定开挖面的辅助工法。目前，手掘式 盾构一般用于开挖面有障碍物、巨砾石等特殊场合， 而且应用逐年减少。
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内部使用限界的确定
a. 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。
• 确定车辆限界的各个控制点，要考虑车辆外轮廓横断面的 尺寸以及制造上的公差，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。
b. 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。
• 由车辆限界外增加适量安全间隙来求得，一般为 150~200mm。
圆形隧道断面的优点与组成
• 受力性能合理 • 易于盾构推进 • 便于管片的制作、拼装
衬砌的类型
按材料及形式分类 a. 装配式钢筋混凝土管片
• 箱型管片——用于较大直径的隧道。
• 平板形管片——用于较小直径的隧道
b. 铸铁管片
断面内力系数表
荷重
截面 位置
M（α）
内力
N（α）
P
自重 0 ~ gRH2 1 0.5cos sina gRH sin 0.5cos
G
上荷
0~ 2
qRH2 0.193 0.106cos 0.5sin2
qRH sin2 0.106cos
重
~ 2
qRH2 0.693 0.106cos sin
qRH sin 0.106cos
q
底部 反力
0~
2 ~ 2
PR
R2 H
0.057
0.106cos
0.106PR RH cos
PR
R2 H
(0.443
sin
0.106cos 0.5sin2 )
PR
PR RH sin2 sin 0.10cos
水压
0~
R2 0.5 0.25cos 0.52sin H
一般要求不出现裂缝： ck pc ftk
： 允许出现裂缝 max lim
盾构构件处于地下水的环境中，不允许出现裂缝，一般采用一或二级验算
标准。ftk 为混凝土轴心受拉强度标准值， pc 扣除全部预应力损失后抗裂验
算边缘的混凝土的预压应力。
ck
Mk W0
Nk A0
纵向接缝计算
纵向接缝中环向螺栓位置a的设置如图。
2 拱背土压
G
21
4
RH2
0.43RH2
3 竖向土压
• 软粘土中按h计算较为合适。
n
q i hi i 1
• 在砂土等抗剪强度较 大的地层内，且隧道埋 深超过隧道衬砌的外径 时，按“松动高度”理 论进行进算。
p
B0 c /
tan
B0
1 exp Nhomakorabeah B0
tan
q exp
h B0
管片接头类型
• 管片间的接头分两类：纵向接头、环向接头
• 从力学性质看可分为：柔性接头、刚性接头
螺栓接头
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。
弯螺栓连接形式
直螺栓连接形式
• 直螺栓受力性能好、效果显著、加工简单、但扩大了螺栓手 孔尺寸，影响了管片承受盾构千斤顶顶力的承载能力。
内力
0
4
M (0.2346 0.3536cos )PK RH2
N
0.3536cos PK RH
4
2
(0.3487
0.5
cos2
0.2357cos3
)PK
R2 H
(0.707cos cos 2 0.707sin2 cos )PK RH
Q
0.3536sinPK RH
(sin cos 0.707sin cos 2 )PK RH
) 2
Ag
Rg
e
0
x h0 e
h0
e2
2 Ag Rge bRw
其中：e
e0
h 2
a
纵向接缝强度计算简图
2.计算安全系数
x 0.55h0,属于大偏心受压:
MRW 0
N
Ke0 e0
h 2
x 2
Ag
Rg
h0
x 2
K e0
Ag
Rg
h0
x 2 Ne0
N h 2
• 弯螺栓能较少的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。
铰接头
作为多铰环的环向接头，一般为转向接头结构。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。
销插入型接头接头
也可做环向接头来使用，但主要作为纵向接头使用。 在结构上的作用是加强了构件的链接，防止接头两边相对错动， 承担接头上的剪力。
衬砌内力计算方法
弯矩以衬砌环内侧受拉为正，外侧受拉为负；轴力以衬砌 环受压为正，受拉为负。
将各个荷载分别作用力法的基本结构上，求出 11,12,22, 1P , 2P ， 带入力法典型方程，求出 X1, X2 。可以得到这种荷载作用下 的 M , N 在基本结构上的分布。
将各个荷载的M , N 进行叠加，获得总的内力分布图。各个 荷载的内力分布见下表。
施工阶段
1千斤顶推力
盾构千斤顶施加在环缝面上，特别是千斤顶顶力存在偏心状态 时，极易使管片开裂和顶碎。
衬砌环受力 P / K
F
2 壁后注浆压力
在向盾尾管片与围岩间隙注浆时，注浆压力在管片注浆孔周边 将形成一个临时作用的偏心荷载，在此荷载作用下容易使管片 发生变形甚至破坏。 施工时的注浆压力一般为0.1～0.3MPa。
若管片内无接头， 1, 0
错缝拼装弯矩传递及分配示意图
课堂练习题
某地铁隧道埋深18.6m，隧道两侧土壤介质的容重
γ=19kN/m2，内摩擦角φ=12.5°，粘聚力c=20 kPa，有
地下水影响，地下水位距地面4m。预采用盾构法进行 设计施工。每环采用8块等长管片，管片厚350mm，宽 900mm。隧道内径为10m。
R2 1 0.25cos 0.52sin HR H
均布
荷载
0~
P1
R2 H
0.25 0.5cos2
P1RH cos
P1
侧压
0~
P2
R
2
H
(0.25sin2
0.083cos3
0.063cos 0.125)
P2RH cos(0.063 0.5cos 0.25cos2 )
P2
PK引起的圆环内力表
楔形接头
环向和纵向接头都可使用的结构，利用楔作用将管片拉合紧固的 接头。
榫接头
主要作为纵向接头使用的结构。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。
分配带 传送带
开挖面端 .塑料预埋栓
接头螺栓孔
榫接部
.榫接部
分配带
接头螺栓 隧道口端
轴向接头面
塑料预埋栓
接头螺栓 周向接头面
6.2 衬砌圆环内力计算
荷载分布图
按自由变形均质 圆环计算内力
按日本修正惯用 法进行修正
按自由变形均质圆环计算内力
将圆环近似地认为是均质刚性圆环,为二次超静定结构。
q e1
g
Pk
Pe2 Pe1
X1 X2
X1 P=1 X2
11X1 21 X 2 1P 0
力法方程：
Pf 计算简图
12 X1 22 X 2 2P 0
30~50
厚度
• 直径为6.0m以下的隧道，管片厚度约为250~350mm • 直径为6.0m以上的隧道，管片厚度约为350~600mm。
装配式钢筋混凝土管片
分块
单线地下铁道衬砌一 般分成6~8块，双线的 分为8~10块，小断面 分为4~6块。
拼装形式
• 圆环的拼装形式：通缝、错缝。 • 错缝拼装，加强圆环接缝刚度，约束接缝变形。
tan
B1 RH [cos( / 4 / 2) sin( / 4 / 2) tan( / 4 / 2) tan( / 4 / 2)]
4 地面超载
一般取 20kN / m2
5 侧向均匀主动土压
p1
q
tan45
2
2c
tan45
2
6 侧向三角形主动土压
p2
2 RH
tan
2 45
基本荷载 附加荷载 特殊荷载
荷载分类
1. 地层压力 2. 水压力 3. 自重 4. 上覆荷载的影响 5. 地基抗力
1. 内部荷载 2. 施工荷载 3. 地震的影响
1. 平行配置隧道的影响 2. 接近施工的影响 3. 其他
基本使用阶段
荷载简图
1 自重
g h
一般采用： h 25kN / m3
• 将由PK引起的圆环内力和其他衬砌外荷引起的圆环内力叠加， 得到最终的圆环内力。
日本修正惯用法修正
考虑接头的影响主要通过假定弯矩传递的比例来实现。
将衬砌环按均质圆环计算，取圆环抗弯刚度为EI 。
接头处内力：M j (1 ) M
Nj N
管片： M s (1 ) M
Ns N
0.6 0.8 0.3 0.5
接头的受力状态图
c1 0 管片外侧不会张开
B. 螺栓受拉破坏。螺栓先达到屈服，截面的受压区逐渐减少， 导致受压区混凝土压坏，属大偏心受压破坏
C. 混凝土受压破坏。接头的破坏是由于受压区混凝土达到抗 压强度，属小偏心受压破坏
1. 判断大小偏心，确定破坏形式
计算中和轴：MN 0
x
Rwbx(e
h0
采用均匀圆环并结合惯用修正法计算衬砌内力
6.3盾构法隧道衬砌的结构设计
管片断面设计：
A. 配筋计算 B. 裂缝验算
纵向接头设计
A. 接缝张开验算 B. 接头强度计算
a. 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。
• 确定车辆限界的各个控制点，要考虑车辆外轮廓横断面的 尺寸以及制造上的公差，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。
b. 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。
• 由车辆限界外增加适量安全间隙来求得，一般为 150~200mm。
圆形隧道断面的优点与组成
• 受力性能合理 • 易于盾构推进 • 便于管片的制作、拼装
衬砌的类型
按材料及形式分类 a. 装配式钢筋混凝土管片
• 箱型管片——用于较大直径的隧道。
• 平板形管片——用于较小直径的隧道
b. 铸铁管片
断面内力系数表
荷重
截面 位置
M（α）
内力
N（α）
P
自重 0 ~ gRH2 1 0.5cos sina gRH sin 0.5cos
G
上荷
0~ 2
qRH2 0.193 0.106cos 0.5sin2
qRH sin2 0.106cos
重
~ 2
qRH2 0.693 0.106cos sin
qRH sin 0.106cos
q
底部 反力
0~
2 ~ 2
PR
R2 H
0.057
0.106cos
0.106PR RH cos
PR
R2 H
(0.443
sin
0.106cos 0.5sin2 )
PR
PR RH sin2 sin 0.10cos
水压
0~
R2 0.5 0.25cos 0.52sin H
一般要求不出现裂缝： ck pc ftk
： 允许出现裂缝 max lim
盾构构件处于地下水的环境中，不允许出现裂缝，一般采用一或二级验算
标准。ftk 为混凝土轴心受拉强度标准值， pc 扣除全部预应力损失后抗裂验
算边缘的混凝土的预压应力。
ck
Mk W0
Nk A0
纵向接缝计算
纵向接缝中环向螺栓位置a的设置如图。
2 拱背土压
G
21
4
RH2
0.43RH2
3 竖向土压
• 软粘土中按h计算较为合适。
n
q i hi i 1
• 在砂土等抗剪强度较 大的地层内，且隧道埋 深超过隧道衬砌的外径 时，按“松动高度”理 论进行进算。
p
B0 c /
tan
B0
1 exp Nhomakorabeah B0
tan
q exp
h B0
管片接头类型
• 管片间的接头分两类：纵向接头、环向接头
• 从力学性质看可分为：柔性接头、刚性接头
螺栓接头
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。
弯螺栓连接形式
直螺栓连接形式
• 直螺栓受力性能好、效果显著、加工简单、但扩大了螺栓手 孔尺寸，影响了管片承受盾构千斤顶顶力的承载能力。
内力
0
4
M (0.2346 0.3536cos )PK RH2
N
0.3536cos PK RH
4
2
(0.3487
0.5
cos2
0.2357cos3
)PK
R2 H
(0.707cos cos 2 0.707sin2 cos )PK RH
Q
0.3536sinPK RH
(sin cos 0.707sin cos 2 )PK RH
) 2
Ag
Rg
e
0
x h0 e
h0
e2
2 Ag Rge bRw
其中：e
e0
h 2
a
纵向接缝强度计算简图
2.计算安全系数
x 0.55h0,属于大偏心受压:
MRW 0
N
Ke0 e0
h 2
x 2
Ag
Rg
h0
x 2
K e0
Ag
Rg
h0
x 2 Ne0
N h 2
• 弯螺栓能较少的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。
铰接头
作为多铰环的环向接头，一般为转向接头结构。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。
销插入型接头接头
也可做环向接头来使用，但主要作为纵向接头使用。 在结构上的作用是加强了构件的链接，防止接头两边相对错动， 承担接头上的剪力。
衬砌内力计算方法
弯矩以衬砌环内侧受拉为正，外侧受拉为负；轴力以衬砌 环受压为正，受拉为负。
将各个荷载分别作用力法的基本结构上，求出 11,12,22, 1P , 2P ， 带入力法典型方程，求出 X1, X2 。可以得到这种荷载作用下 的 M , N 在基本结构上的分布。
将各个荷载的M , N 进行叠加，获得总的内力分布图。各个 荷载的内力分布见下表。
施工阶段
1千斤顶推力
盾构千斤顶施加在环缝面上，特别是千斤顶顶力存在偏心状态 时，极易使管片开裂和顶碎。
衬砌环受力 P / K
F
2 壁后注浆压力
在向盾尾管片与围岩间隙注浆时，注浆压力在管片注浆孔周边 将形成一个临时作用的偏心荷载，在此荷载作用下容易使管片 发生变形甚至破坏。 施工时的注浆压力一般为0.1～0.3MPa。
若管片内无接头， 1, 0
错缝拼装弯矩传递及分配示意图
课堂练习题
某地铁隧道埋深18.6m，隧道两侧土壤介质的容重
γ=19kN/m2，内摩擦角φ=12.5°，粘聚力c=20 kPa，有
地下水影响，地下水位距地面4m。预采用盾构法进行 设计施工。每环采用8块等长管片，管片厚350mm，宽 900mm。隧道内径为10m。
R2 1 0.25cos 0.52sin HR H
均布
荷载
0~
P1
R2 H
0.25 0.5cos2
P1RH cos
P1
侧压
0~
P2
R
2
H
(0.25sin2
0.083cos3
0.063cos 0.125)
P2RH cos(0.063 0.5cos 0.25cos2 )
P2
PK引起的圆环内力表
楔形接头
环向和纵向接头都可使用的结构，利用楔作用将管片拉合紧固的 接头。
榫接头
主要作为纵向接头使用的结构。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。
分配带 传送带
开挖面端 .塑料预埋栓
接头螺栓孔
榫接部
.榫接部
分配带
接头螺栓 隧道口端
轴向接头面
塑料预埋栓
接头螺栓 周向接头面
6.2 衬砌圆环内力计算
荷载分布图
按自由变形均质 圆环计算内力
按日本修正惯用 法进行修正
按自由变形均质圆环计算内力
将圆环近似地认为是均质刚性圆环,为二次超静定结构。
q e1
g
Pk
Pe2 Pe1
X1 X2
X1 P=1 X2
11X1 21 X 2 1P 0
力法方程：
Pf 计算简图
12 X1 22 X 2 2P 0
30~50
厚度
• 直径为6.0m以下的隧道，管片厚度约为250~350mm • 直径为6.0m以上的隧道，管片厚度约为350~600mm。
装配式钢筋混凝土管片
分块
单线地下铁道衬砌一 般分成6~8块，双线的 分为8~10块，小断面 分为4~6块。
拼装形式
• 圆环的拼装形式：通缝、错缝。 • 错缝拼装，加强圆环接缝刚度，约束接缝变形。
tan
B1 RH [cos( / 4 / 2) sin( / 4 / 2) tan( / 4 / 2) tan( / 4 / 2)]
4 地面超载
一般取 20kN / m2
5 侧向均匀主动土压
p1
q
tan45
2
2c
tan45
2
6 侧向三角形主动土压
p2
2 RH
tan
2 45
基本荷载 附加荷载 特殊荷载
荷载分类
1. 地层压力 2. 水压力 3. 自重 4. 上覆荷载的影响 5. 地基抗力
1. 内部荷载 2. 施工荷载 3. 地震的影响
1. 平行配置隧道的影响 2. 接近施工的影响 3. 其他
基本使用阶段
荷载简图
1 自重
g h
一般采用： h 25kN / m3
• 将由PK引起的圆环内力和其他衬砌外荷引起的圆环内力叠加， 得到最终的圆环内力。
日本修正惯用法修正
考虑接头的影响主要通过假定弯矩传递的比例来实现。
将衬砌环按均质圆环计算，取圆环抗弯刚度为EI 。
接头处内力：M j (1 ) M
Nj N
管片： M s (1 ) M
Ns N
0.6 0.8 0.3 0.5
接头的受力状态图
c1 0 管片外侧不会张开
B. 螺栓受拉破坏。螺栓先达到屈服，截面的受压区逐渐减少， 导致受压区混凝土压坏，属大偏心受压破坏
C. 混凝土受压破坏。接头的破坏是由于受压区混凝土达到抗 压强度，属小偏心受压破坏
1. 判断大小偏心，确定破坏形式
计算中和轴：MN 0
x
Rwbx(e
h0
采用均匀圆环并结合惯用修正法计算衬砌内力
6.3盾构法隧道衬砌的结构设计
管片断面设计：
A. 配筋计算 B. 裂缝验算
纵向接头设计
A. 接缝张开验算 B. 接头强度计算