盾构法隧道衬砌结构设计(设计)
盾构法隧道结构(1)
2．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h结构在通过变形后（变形25量必 须予限制）地层介质对衬砌环的约束使圆环得以稳定。
衬砌的分类及其比较
（三）按形成方式分类 分为装配式衬砌和挤压混凝土衬砌。 目前我国广泛使用的是钢筋混凝土管片或砌块。
• 容纳各种专门的挖土设备。 • 支承环：承受荷重的核心部分，刚性较好的圆环
结构。 • 水平隔板和竖直隔板：增加盾构刚度 ，水平承受
拉力，竖直承受压力。 • 盾尾：掩护工人在其内部安装衬砌。
h
12
2）推进系统
• 由盾构千斤顶和液压设备组成 ，上下左右 活塞杆伸出长度不同达到纠偏目的。
• 盾构千斤顶一般是沿支承环圆周均匀分布 的；
所必须特殊考虑的荷载。
h
39
表10-2（a） 荷载的分类 1. 地层压力
2. 水压力
基本荷载 3. 自重
4. 上覆荷载的影响
5. 地基抗力
附加荷载
6. 内部荷载 7. 施工荷载
8. 地震的影响
9.h平行配置隧道的影响 40
表10-2（a） 荷载的分类
盾构隧道衬砌设计指南
浆 。灌浆孔可用 于所用 管片拼装 设备举台管片。
６４ 封顶管片 （ 一 管片 ） ， Ｋ型 接缝的角度 Ｋ 型管片分 为两类 ： 向插入 的 Ｋ 型管块（ 一 径 一 Ｋ 一 型管片 ） 和纵 向插入 的 Ｋ 型管块 ｃｒ型管 片 ） 一 Ｋ 。如
在一些工程实例 中、丁基橡胶 的弹性不够强 ． 不能 在外部水压 巨大 的情况下提供足够 的密封性能。 在
维普资讯
第１ 期
翟进 营 译
谭 宏 华 控 盾 构雕 道 衬 砌 设计 指 南
５ ７
０ ／＋ （ ２ 两侧 均 为楔 形 的 Ｋ 型 管 片 一 口＝ ＋ｍ （ 一侧 为 楔形 的 Ｋ 型 管 片 ｊ 一
圈 ｌ一 ３ 密 封垫密 封和堵缝 Ｉ２
衬砌 管片密封方法分 为密封 垫密封法 和油漆 密封法 ； 通常采用第一种密封方法。 密封垫密封 中， 密封垫粘贴于管片接头 的表面。 生产密封垫所用 的 材料有丁基非硫 化物橡胶 、 变形丁基橡胶 、 固体橡 胶 特殊合成橡胶和 ／ 或遇水膨胀材料。遇水膨胀
６３ 有关 管片搬运和灌 浆的结构 细节 ． 用 管片拼装机拼装管片时 ， 提供一定 的装置 应 来搬 运和举抬管片 最近开发 的真空式管片拼装机
管
可 以在没有上述 管片举 台装置的情况下搬运 管片 。 如果要通 过管 片进行 回填灌浆 ． 么每块管片 那 应具有一个内径 约为 ５ｒ ０ｍ的注浆孔 ．以便均匀灌 ａ
・
性能试验 （ 强度试验 ）； 其他 试验
＋ 一一ｔ一
一— —
管劫 片环 衬
— —
：
— — Ｌ 一一 … Ｌ
≮ ｊ ＿ Ｊ Ａ
盾构法隧道衬砌结构设计(设计)(内容详实)
课件类
5
4.1.1盾构法衬砌设计流程
（1）遵守相关规划、规范或标准 （2
设计的隧道内径应该由隧道功能所需要的地 下空间决定。
地铁隧道 公路隧道； 给、排水管道计算流量； 普通管道
课件类
6
4.1.1盾构法衬砌设计流程
（3）荷载类型的确定 作用在衬砌上的荷载包括土压力、水压力、静荷
载、超载及盾构千斤顶的推力等 （4）衬砌条件的确定
其中：
pg g
课件类
64
不考虑自重对地基的反作用力：
pe2 pe1 pw1 pw2 pe1 D w
课件类
65
4.2.2.5 地面超载
地面超载增加了作用于衬砌上的土压力， 道路交通荷载、铁路交通荷载、建筑物的重量
地面超载及其参考值如下： 公路车辆 铁路车辆 建筑物
课件类
设计者应该确定衬砌的条件，如衬砌的尺寸（厚
（5）计算内力 设计者应该通过使用合适的计算模型及设计方法
课件类
7
课件类
8
4.1.1盾构法衬砌设计流程
（6）安全性校核 设计者应该对照计算出的内力来校核衬砌的安
（7）评估 如果设计的初衬砌不满足设计荷载要求或设计
衬砌安全但不经济，设计者应该改变衬砌的条件并 且重新设计。
• 粘性, 硬质粘土（N≥0）良好地基，H>1～2D时多 采用松弛土压力
• 中等固结的粘土（4≤N＜8）和软粘土（2≤N＜4）, 将隧道的全覆土重力作为土压力考虑实例比较常见。
课件类
45
(2)垂直土压力
• 松弛土压力的计算，一般采用太沙基公式。垂 直土压力的下限值虽然根据隧道使用目的的不 同，但一般将其作为相当于隧道外径的2倍的 覆土厚度的土压力值。当地层为互层分布时， 以地层构成中的支配地层为基础，将地层假设 为单一土层进行计算，或者就以互层的状态进 行松弛土压力的计算。
盾构法隧道结构
6.1 衬砌形式和构造
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衬砌断面形式和构造
盾构隧道横断面一般由圆形、矩形、半圆形、马蹄形等，衬 砌最常用的断面形式为圆形与矩形。
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。
盾构法隧道结构
It is applicable to work report, lecture and teaching
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第6章 盾构法隧道结构
衬砌形式和构造 衬砌圆环内力计算 盾构法隧道衬砌的结构设计 隧道防水及其综合处理 算例
On the evening of July 24, 2021
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
On the evening of July 24, 2021
基本使用阶段
荷载简图
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矩 形 盾 构 机
On the evening of July 24, 2021
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盾 构 进 洞
On the evening of July 24, 2021
盾构衬砌
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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。
盾构隧道衬砌设计指南
盾构隧道衬砌设计指南隧道是连接城市交通的重要通道，而盾构隧道作为一种现代化的隧道施工方法，由于其施工速度快、安全性高等优点，被广泛应用于城市地下交通建设中。
在盾构隧道施工中，衬砌是保证隧道结构稳定和安全运行的关键环节。
本文将介绍盾构隧道衬砌设计的一些指南和要点。
1. 衬砌类型选择盾构隧道衬砌一般可分为刚性衬砌和柔性衬砌两种类型。
刚性衬砌一般采用混凝土或钢筋混凝土，在结构上能够承受地表和地下水压力，保证隧道的稳定性。
柔性衬砌一般采用钢板或聚合物材料，能够适应地质变形，减少地下水渗漏和隧道变形。
2. 衬砌材料选择在选择衬砌材料时，需要考虑材料的抗压强度、耐久性、防水性和耐腐蚀性等因素。
常用的衬砌材料有钢筋混凝土、纤维增强混凝土、预应力混凝土等。
根据具体的隧道条件和设计要求，选择合适的材料。
3. 衬砌厚度设计衬砌的厚度设计需要考虑地质条件、地下水位、荷载等因素。
一般情况下，盾构隧道衬砌的厚度应满足地下水位以上2米的要求，以保证隧道的防水性能。
另外，衬砌的厚度还需要考虑隧道的荷载情况，以确保隧道的结构安全。
4. 衬砌结构设计盾构隧道衬砌的结构设计需要考虑隧道的荷载、地质条件等因素。
一般情况下，衬砌结构包括挡土墙、拱顶、侧墙和底板等部分。
挡土墙用于承受地表土压力，拱顶用于承受地下水和荷载，侧墙用于承受地下水和地表土压力，底板用于承受地下水和荷载。
5. 衬砌施工工艺盾构隧道衬砌的施工工艺包括模板搭设、混凝土浇筑、养护等环节。
在模板搭设过程中，需要考虑模板的稳定性和适应性。
在混凝土浇筑过程中，需要控制混凝土的配合比和浇筑质量，确保衬砌的强度和密实度。
在养护过程中，需要控制养护条件，使衬砌能够充分硬化和强化。
6. 衬砌质量控制盾构隧道衬砌质量的控制是保证隧道安全运行的关键。
在施工过程中，需要进行质量检测和监控，包括混凝土强度检测、衬砌厚度检测、衬砌表面平整度检测等。
同时，还需要进行质量记录和质量追溯，保证衬砌质量符合设计要求。
盾构隧道衬砌设计指南
ｄ ３ ｃ ５ ｍ ＿。… 一 — ＝ ５ｍ ｄ ＝ ｃ 。 —
内侧
外侧
节 点 ３处 断 面
节点 １ １处 断 面
ｎ 一钢 筋与 混凝 土 弹性 模 量 之 比 （ １ 一 取 ５） 图 Ｉ一 ０ 节 头 ３和 节 头 １ ｌ １ Ｉ １处 关键 断面 的应 力 分布
５３１ Ａ 型管 片之 间和 Ａ 型管 片与 Ｂ 型 管片之 ．． 一 一 一 间 螺 栓 的检 验
，Ｏ一 一
ｌ １ ７ 全 断 面 压 缩 ３ ．ｏ １ ３． ｏ １ｏ ｏ
（ ／ ） 缩） ＭＮｍ 压 （
３３ －
５１ ．
３４ ．
５８ ．
ｉ ／Ｏ — Ｌ — － 一 ｒ—
—
－
．
２ ５ ｉ８Ｔ／ ４ ｆ ｃ 娜 Ｉ １
—＿
… 一 — — 一 ——
●。 １ 一 一
Ａ广 ｅ
、＾ ／
５３２ Ｂ 型 管 片 与 Ｋ 管 片之 间 螺 栓 的检 验 ．． 一 一型
Ｓ． ． ＝Ｎｓ ｎ ＋Ｓ ｏ —ｕ ４５． ｋＮ ｉ ｃｓ Ｎ＝ ５
ｊ ０８ ５； ＝ ．７
外侧 ｌ＠Ｄ ２ Ａ ＝３８ 一； ｏ ２ Ｓ
ｄ ３ ｃ 。 ＝ ５ ｍ
５２ 接 缝 检 查 ．
内侧
ｌ＠Ｄ ２ 蛇 ＝ ６ ４ｊ ０ ２ ２ ４ ［
５ ０
表 Ⅲ一 所 示为接缝 安全性检验计 算结果 。 ５ 螺 栓孔 的垫板评 定为抗 压钢板
１ １
—１ ９ ０ ６ ．５
验： 运用每个节头力矩 的 ６ ％和接缝 的承载能力 ． ０ 在 节头 ５ ８和 节 头 ５ ０处 及 节 头 ３和节 头 １ 处 对 接 １
盾构隧道课程设计
盾构隧道课程设计引言盾构隧道是一项复杂的工程技术，用于建设地下交通隧道等大型基础设施。
本文将对盾构隧道的课程设计进行全面的探讨，包括设计原则、流程、关键技术等方面。
设计原则盾构隧道的设计需要考虑以下原则：1.安全性：隧道必须达到一定的安全标准，包括结构安全、地质灾害防治等。
2.经济性：设计需要在保证安全的前提下，尽可能节约成本，提高投资回报率。
3.可行性：设计方案必须符合实际施工条件，考虑现有技术和资源供应等因素。
4.环保性：隧道的设计应尽量降低对环境的影响，包括噪音、振动、污染等。
设计流程盾构隧道的设计流程通常包括以下几个阶段：前期调研1.项目背景：了解项目的背景、目标和需求，包括交通状况、城市规划等。
2.地质勘探：进行地质勘探，获取地质和地下水情况等必要数据。
3.隧道路线选择：根据勘探结果和其他条件，选择最佳的隧道路线。
初步设计1.结构设计：根据选定的路线，进行隧道的结构设计，确定隧道的断面形状、尺寸等。
2.施工工艺设计：制定隧道的施工工艺和方案，包括盾构机的选择和使用等。
详细设计1.参数计算：对隧道的结构、地质等参数进行计算和分析，确定设计的合理性和稳定性。
2.材料选择：选择适合的材料用于隧道的建设，包括隧道衬砌、防水材料等。
3.设备选择：对于盾构隧道来说，盾构机是关键设备之一，需要选择适合的盾构机型号和配置。
4.施工图纸：制定详细的施工图纸，包括隧道的剖面、开挖工程、支护结构等。
监理与验收1.施工监理：监督隧道的施工过程，确保施工按照设计要求进行。
2.竣工验收：对隧道的结构、安全等进行验收，判断是否符合设计要求。
关键技术盾构隧道设计过程中需要掌握以下关键技术：1.地质勘探技术：通过地质勘探获取地下地质数据，包括地层厚度、岩土类型、地下水位等。
2.隧道结构设计技术：根据勘探数据和工程要求，确定隧道的结构形式、断面和支护方案等。
3.盾构机技术：盾构机是盾构隧道施工的关键设备，设计需要对盾构机进行选择和配置。
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2010-05-28
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4.1.1盾构法衬砌设计流程 （6）安全性校核 设计者应该对照计算出的内力来校核衬砌的安
（7）评估 如果设计的初衬砌不满足设计荷载要求或设计 衬砌安全但不经济，设计者应该改变衬砌的条件并 且重新设计。 （8）设计的批准 设计者认为所设计的衬砌结构安全、经济且适
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4.1.2盾构法隧道结构设计程序包括的主要内容
第四步：确定TBM机的机械参数 总推力、推力装置的数量、垫片数量、垫片形 状、注浆压力、安装所需空间。 第五步：确定材料的属性 混凝土标号及抗压强度、弹性模量；钢筋类 型及抗拉强度；垫圈类型、宽度及弹性性能；裂 缝允许宽度。
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• 软土的物理特征规定如下：
N 50 E 2.5N 125MN/m
2 2
qu N / 80 0.6MN/m
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设计原理：
设计原理是为检验盾构隧道衬砌的安全性。在 隧道衬砌报告中，都应该阐述设计计算的必要性、 设计概念的假设、设计寿命、检查永久安全性等问
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v
dh
h
对于单边
水平应力，也即法向应力： v
v d v
摩擦力： v tan dh
2 B1 dh
黏聚力：C dh
1 B1 R0 cot ( ) 2 4 2
R0
破坏面与水平方向的夹角 45
2
2B （ 1 v +d v）-2B 1 v (2 v tan 2 B 1 2C)dh 0
宽度：管片沿隧 道轴线方向上长
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封顶管片形式
小封顶块，拼装形式有两种：径向楔入、
纵向插入。
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连接缝的类型：
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计算中使用的符号范例
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4.2 盾构衬砌结构设计方法
(2) 将垂直土压力作为作用于衬砌顶部的均布荷载来考虑。
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(2)垂直土压力 当覆土厚度较小，小于2倍的隧道外径时。
pe1 p0 i Hi j H j
H Hi H j
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(2)垂直土压力 • 当覆土厚度H＞2D时，地基中产生拱效应的可能性 较大，可以考虑在设计计算时采用松弛土压力（图 4－19）。 • 砂质,当H>1～2D（D为管片外径）时多采用松弛土 压力； • 粘性, 硬质粘土（N≥0）良好地基，H>1～2D时多 采用松弛土压力 • 中等固结的粘土（4≤N＜8）和软粘土（2≤N＜4） ,将隧道的全覆土重力作为土压力考虑实例比较常 见。
层情况，也取决于施工状况。实际应用中，盾构法
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4.1.1盾构法衬砌设计流程
（1）遵守相关规划、规范或标准 （2 设计的隧道内径应该由隧道功能所需要的地 下空间决定。 地铁隧道 公路隧道； 给、排水管道计算流量； 普通管道
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4.1.1盾构法衬砌设计流程
（3）荷载类型的确定 作用在衬砌上的荷载包括土压力、水压力、静荷 载、超载及盾构千斤顶的推力等 （4）衬砌条件的确定 设计者应该确定衬砌的条件，如衬砌的尺寸（厚 （5）计算内力 设计者应该通过使用合适的计算模型及设计方法
2、土压力 土压力应该沿隧道断面径向作用于衬砌上，或者分解 为水平和垂直方向的土压力。
隧道的断面及周围的土体情况图
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（1）水平土压力 从隧道衬砌拱部至底部，作用于衬砌形心处的水 平土压力。它的大小由垂直土压力乘以土的侧压 力系数所确定(图4-16）
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（4） 附属注浆荷：载扩展的注浆压力(图4-9)
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（5）静荷载、存储及装配荷载弯矩的影响(图4-10)
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第七步：设计模型 三维条件须通过二维条件的抽象计算来仿真，如太沙基假设。 （1）分析模型 使用的公式必须 符合国家标准与所选 设计荷载叠加的原则 （2）数值模型 使用符合国家标 准的有限元程序来完 成弹塑性状态下的应 力及应变分析，并进 行详细结构状态的仿 真(图4-12)
4.2.2.6 地基反作用力 当计算衬砌中的内力时，必须确定地基反力 的作用范围、大小及方向。地基反力通常分为两 种： (1)独立于地基位移而定的反力pe2； (2)从属于地基位移而定的反力。
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地基反力是地基反作 用力系数和衬砌位移 的产物，由围岩韧度 和管片衬砌刚度决定， 而管片衬砌的刚度取 决于管片刚度及接缝
pe1 p0 H
t qe1 ( pe1 ) 2 t qe 2 [ pe1 (2 Rc )] 2
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t
Rc
当H w －2Rc;H 2D
pe1 h0
t qe1 ( pe1 ) 2 t qe 2 [ pe1 (2 Rc )], 不考虑H w 2
摩擦力
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重力
黏聚力
C H H B1 (1 )[1 exp( K 0 tan )] p0 exp[ K 0 tan ] B1 B1 B1 h0 K 0 tan
如果隧道位于潜水位以上
pe1 h0
当h0 H w
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pe1 ' h0
t Rc (1 cos )] 2
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若采用垂直均布荷载和水平均匀变化的荷载组合，则衬 砌顶部和底部的水压力分别为
pw1 w Hw
t 2 Rc )] w ( H w 2 R0 ) 2 衬砌侧向水压力： pw 2 w [ H w (2 t qw1 w ( H w ) 2 t qw 2 w [ H w ( 2 Rc )] 2
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t
Rc
当－2Rc H w 0 ;H 2D, 成拱
pe1 h0
t qe1 ( pe1 ) 2 qe 2 t [ pe1 '(2 Rc ( H w )) ( H w )] 2－2Rc;H 2D, 不成拱
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t Rc R0 2
pw
Rc
pg
qw 2
qe 2
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4.2.2.4 静荷载 静荷载（管片自重） 是作用于隧道横断面 形心上的垂直方向荷 载，一次衬砌的静荷 载按照等式（4-19） 或（4-20）来计算
W g 2 R c
如果断面是矩形
g ct
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(2)垂直土压力 • 松弛土压力的计算，一般采用太沙基公式。垂 直土压力的下限值虽然根据隧道使用目的的不 同，但一般将其作为相当于隧道外径的 2 倍的 覆土厚度的土压力值。当地层为互层分布时， 以地层构成中的支配地层为基础，将地层假设 为单一土层进行计算，或者就以互层的状态进 行松弛土压力的计算。
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• 水平土压力也能用五边形模型估计为均载或均匀可 变荷载。
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qe1 qe 2 qe 2
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4.2.2.3水压力
一般情况下作用在衬砌上的水压力为静水压力
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若采用静水压力，则管片上各点处的水压力为
pw w [ H w
pe1 'h0
t qe1 ( pe1 ') 2
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t qe 2 [ pe1 '(2 Rc )] 2
t
Rc
当－2Rc H w 0 ;H 2D, 不成拱
pe1 p0 H
t qe1 ( pe1 ) 2 qe 2 t [ pe1 '(2 Rc ( H w )) ( H w )] 2
t
Rc
当0 H w h0且2D H , 成拱 拱以上土对隧道压力不予考虑
pe1 (h0 Hw ) ' Hw
t qe1 ( pe1 ') 2
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t qe 2 [ pe1 '(2 Rc )] 2
t
Rc
当Hw h0;H w 0; H 2D
当
p0
H：不考虑p0的影响
C H B1 (1 )[1 exp( K 0 tan )] B1 B1 h0 K 0 tan C H B1 ( )[1 exp( K 0 tan )] B1 B1 v h0 K 0 tan
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地面超载增加了作用于衬砌上的土压力， 道路交通荷载、铁路交通荷载、建筑物的重量 地面超载及其参考值如下： 公路车辆 铁路车辆 建筑物
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公路车辆荷载：10kN/m2；
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铁路车辆荷载：25kN/m2
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建筑物的重量：10kN/m2
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t
Rc
当H w 0，H 2D, 不成拱
拱顶表面压力
pe1 p0 (H Hw ) ' Hw
t qe1 ( pe1 ') 2 t qe 2 [ pe1 '(2 Rc )] 2
D _ 衬砌外直径 t D 2( RC ) 2