盾构法隧道衬砌结构设计(设计)(内容详实)
盾构法隧道衬砌管片钢模的设计
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・上海建设科技
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园林绿化
五角场副中心周边道路绿化养护标准
附属绿化的养管问题通过区绿委办监督处理； 属于 道路绿化养管问题的， 由区绿化局公共绿化职能部 门负责监督专业绿化养护责任单位整改。 #" ! 养护措施 （ 将五角场核心区域范围内的道路绿化 （ 包 (）
’ 收稿日期： "$$% ! $% ! "+ )
’ ( ) 混凝土自重、 钢筋笼及其他预埋件对其的载
节省劳力、 便于管理， 缺点是噪声大。 在设计计算时， 应处理好振动力和刚度、 强度的关系， 使附着式振动 钢模具有一定的精度、 稳定性和使用寿命。 另外， 有 的附着式振动钢模的设计， 其底座不完全是端、 侧板 定位的基准， 因此在操作上规定了端、 侧板与底座间 联接螺栓的拧紧力矩和位置， 但螺栓联接的固有特 性会使这力矩和位置有所变化， 因而经常要在合模 时检测宽度是否在允许的精度范围内， 这对操作人 员提出了一定的技能要求。 !" !" # 整体式振动钢模 是把钢模安置在一个能固定钢模的振动平台 上， 该平台由弹簧或空气气囊支撑。 如采用空气气 囊， 则有一套控制平衡的装置确保钢模的重心不论 落在哪儿， 均能通过该自动平衡装置来调节空气气 囊的高度， 使振动平台始终保持在一个水平面上。 这 种振动的形式有气动、 电动， 液压传动。 整体式振动 钢模的设计应满足在同一个振动平台能使用于多个 钢模， 这样， 既便于设计管片制作的生产流水线， 又 使每个工位的操作专项、 单一， 不仅提高了操作效 率， 也方便了管理。 # 钢模设计的相关因素 钢模强度和刚度的设计计算决定了钢模精度、 稳定性和使用寿命。 钢模的设计计算不权是以流体 静压力原理为基础， 而且还应综合考虑管片制造厂 制造工艺的有关因素。 在钢模使用中一般会受到以 下的载荷作用和工艺因素的影响。
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。
地铁盾构隧道设计
盾构机的选型及设计 工程在前期准备时最重要的工作 盾构机选型考虑因素 地层土质条件 断面大小 线路周边环境 排土方式 地铁盾构常用的机型 泥水平衡盾构 土压平衡盾构
二.盾构机选型
泥水平衡式盾构
土压平衡式盾构
毋明钵村黔栈撅蝗为迢黄知菱蛆染瓢圣矫涵崔全熟恫坷侧虞腕月湍妹帽春地铁盾构隧道设计地铁盾构隧道设计
术恍虎哪齐普领朵器由沥耪莆关苍杯始妮牲又桓馅掺聘五摈壶奋炬针硒饥地铁盾构隧道设计地铁盾构隧道设计
四.隧道附属结构设计
稳赢恍操苯恫棍绵轧牙矛渝大忽暴狭贞逸灼指仕欲晓克构谊袋嫩疟比拱迄地铁盾构隧道设计地铁盾构隧道设计
四.附属结构设计
——工作井
工作井 盾构始发 盾构接受 盾构调头 盾构过站 站内过站、站外过站
捻固柴诵弊衰棍肢庙疏涪裹憾愁坑跋峪蔓网颗敲鸵煌扣各杖渺臀坪凤务聪地铁盾构隧道设计地铁盾构隧道设计
四.附属结构设计
——工作井
洞门密封 洞圈与盾构外径有一定的间隙 防止盾构出洞时及施工期间土体及浆液从该间隙中流失 在洞圈周围安装由橡胶帘布、扇形压板等组成的密封装置。
随触霉蔫撒歌琶先傅钉玄矿签撂坞瓣茫湾啊磁逊剐几拾渠富稽坚靖虑啸钻地铁盾构隧道设计地铁盾构隧道设计
地铁8号线下穿徐东平价人行通道
泳牲叹蛊沼判申孤震廊贯瞎乒徐快异抠稽驯剐肝度庐壁闪醉佬俺拍朗蒙碍地铁盾构隧道设计地铁盾构隧道设计
三.地铁盾构结构设计
——变形分析
变形控制 盾构施工控制 严格控制开挖面的出土量 提高施工的速度和连续性 及时同步注浆,缩短衬砌脱出盾尾的暴露时间 地层改良 高压旋喷桩、搅拌桩、灌浆 隔离桩
二.盾构机选型
——泥水平衡式盾构
脐瓤明盾爪徊桶展几峪励离待润舒端啄鼓迁循墓赦擎茸恋卜徊衍绢沸蓟追地铁盾构隧道设计地铁盾构隧道设计
盾构法隧道衬砌结构设计(设计)(内容详实)
课件类
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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
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
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不考虑自重对地基的反作用力：
pe2 pe1 pw1 pw2 pe1 D w
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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
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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。
地铁盾构隧道设计ppt课件
抗浮安全系数： 不考虑侧摩阻力时，大于等于1.1
三.地铁盾构结构设计
——设计原则
单管大洞方案 内径10米，外径11米； 双管小洞方案 内径5.4米，外径6.0米；
三.地铁盾构结构设计
——断面方案
管片类型 钢管片 钢筋混凝土管片
——衬砌内力分析
计算结果示意
三.地铁盾构结构设计
——衬砌内力分析
土压力计算 土柱理论（H<2D） 压力拱理论（太沙基，普氏）（H>=2D）
三.地铁盾构结构设计
——变形分析
地面变形阶段 分五个阶段
三.地铁盾构结构设计
——变形分析
地面变形机理
阶段
沉降类型
主要原因
一
地铁8号线穿越竹叶山高架立交桥桩
地铁8号线下穿友谊大道通道
地铁8号线下——变形分析
变形控制 盾构施工控制 严格控制开挖面的出土量 提高施工的速度和连续性 及时同步注浆,缩短衬砌脱出盾尾的暴露时间 地层改良 高压旋喷桩、搅拌桩、灌浆 隔离桩
四.隧道附属结构设计
二.盾构机选型
盾构机的选型及设计 工程在前期准备时最重要的工作 盾构机选型考虑因素 地层土质条件 断面大小 线路周边环境 排土方式 地铁盾构常用的机型 泥水平衡盾构 土压平衡盾构
二.盾构机选型
泥水平衡式盾构
土压平衡式盾构
二.盾构机选型
——泥水平衡式盾构
二.盾构机选型
——土压平衡式盾构
二.盾构机选型
泥水平衡式盾构
土压平衡式盾构
比较项目
二.盾构机选型
——土层地质
粉细砂
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
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盾 构 进 洞
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盾构衬砌
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盾构隧道衬砌设计实例
Design Example of Shield Tunnel Lining (1)Presented by Tunnel and Underground Technology issued by Japan Tunnelling Association1 Purpose of Usage of Planned Tunnel : Sewer tunnel2 Design Condition2.1 Dimension of SegmentType of segment : RC, Flat typeDiameter of segmental lining : Do=3350 mmRadius of centroid of segmental lining : Rc=1612.5 mmWidth of segment : b=1000 mmThickness of segment : t=125 mm2.2 Ground ConditionOverburden : H=15.0 mGroundwater table : G.L.-2.0 m Hw=15.0-2.0=13.0 mN Value : N=30Unit weight of soil : =18 kN/m3Submerged unit weight of soil : ƒ’=8 kN/m3Angle of internal friction of soil : =32 DegreeCohesion of soil : C=0 kN/m2Coefficient of reaction : k=20 MN/m3Coefficient of lateral earth pressure : =0.5Surcharge : p0=10 kN/m2Thrust force of shield jacks : T=1000 kN@10 piecesSoil condition : SandyAllowable stresses of materials :Concrete : Nominal Strength f’ck=42 MN/m2Allowable compressive strength ca=15 MN/m2Reinforcement (SD35) : Allowable strength ƒsa=200 MN/m2Bolt (Material 8.8): Allowable strength ƒBa =240 MN/m2In case to check the safety of segmental lining against the thrust force of shield jacks, the modified allowable stresses that are 165% of the above-mentioned ones can be adopted because segmental lining can be evaluated as a temporary structure.2.3 Design MethodThis shield tunnel shall be designed in accordance with Specification for Design and Construction of Shield Tunnel issued by Japan Society of Civil Engineers.How to compute member forces : Elastic equation method (See Table 5.2.1 in Guidelines)How to check the safety of lining : Allowable stress design method3 Load condition3.1 Computation of reduced Earth Pressure at Tunnel CrownThe vertical earth pressure at the tunnel crown (p e1) is computed by Terzahgi’s Formula.p e1=MAX(ƒ’h0,2ƒ’Do )h0=4.581 m (given by Terzahgi’s Formula(See Formula 2.2.1 in 2.2 Ground pressure of Guidelines.) < 2 Do =6.7 mp e1= 2ƒ’Do=53.60 kN/m23.2 Computation of LoadsDead load: g=ƒc@t=3.25 kN/m2 Where,ƒc=Unit weight of RC segment=26 kN/m3 :Reaction of dead load at bottom: p g=ƒg=10.21 kN/m2Vertical pressure at tunnel crownEarth pressure: p e1= 2ƒ’Do=53.60 kN/m2Water pressure: p w1=ƒwHw=130.00 kN/m2p 1= p e1+ p w1=183.60 kN/m2Vertical pressure at tunnel bottomWater pressure: p w2=ƒw(Do+Hw)=163.50 kN/m2Earth pressure: p e2= p e1+ p w1- p w2= 20.10 kN/m2Lateral pressure at tunnel crownEarth pressure: q e1=ƒ’(2Do+t/2)=27.05 kN/m2Water pressure: q w1=ƒw(Hw+t/2)=130.63 kN/m2q 1=q e1+q w1=157.68 kN/m2Lateral pressure at tunnel bottomEarth pressure: q e2=ƒ’(2Do+Do-t/2)=39.95 kN/m2Water pressure: q w2=ƒw(Hw+Do-t/2)=162.88 kN/m2q 2=q e2+q w2=202.83 kN/m2Reaction: =(2p1- q 1- q 2)/{24(EI+0.0454kRc4)}=0.00016374 mp k=kƒ=3.27 kN/m2Where,ƒ=Displacement of lining at tunnel springE=Modulus of elasticity of segment=33000000 kN/m2I=Moment of inertia of area of segment=0.00016276 m4/mk=Coefficient of reaction=20 MN/cm3Figure 3.1 shows the load condition to compute the member forces by using theelastic equation method.w2 e2p w2p e2p gFigure 3.1 Load condition4 Computation of Member ForcesTable 4.1 shows the result of computation of member forces of segmental lining.Table 4.1 Member forces of segmental lining(Deg) M (kN/m) N (kN/m) Q (kN/m)0 6.52 278.00 00.0010 5.96 279.07 -3.9320 4.39 282.02 -7.0530 2.12 286.36 -8.7740 -0.39 291.31 -8.7650 -2.65 296.05 -7.1260 -4.29 299.88 -4.3670 -5.07 302.44 -1.1880 -4.98 303.78 1.6890 -4.20 304.29 3.68100 -3.00 304.25 4.76 110 -1.61 303.88 5.00 120 -0.26 303.59 4.99 130 0.87 303.65 3.46140 1.68 304.14 2.26150 2.15 305.01 1.17160 2.37 305.99 0.43170 2.43 306.76 0.09180 2.44 307.05 0.00The maximum positive moment occurs at the tunnel crown (Section A) and the maximum negative moment occurs at the spring which is located at 70 degrees from the tunnel crown (Section B). Figure 4.1 shows the arrangement of bars in the segment.Figure 4.1 Section of segment and arrangement of bars5 Check of Safety of segmental LiningThe safety of segmental lining shall be checked at Section A , Section B and the joint part. And its safety against the thrust forces of shield jacks shall be checked.5.1 Section A and Section BFigure 5.1 shows the distribution of stress at Section A and Section B.Outside c Inside cAs’/ns’AsInside Outside c’Section A Section Bn=Ratio of moduli of elasticity between reinforcement and concrete=15Figure 5.1 Distribution of stress of critical sections of segmental liningTable 5.1 shows the computation result of the check of the safety of Section A andSection B.Table 5.1 Computation result of the check of the safety of Section A and Section BSection A B M (kNm/m) 6.52 -5.07N (kN/m) 278.000 302.44(MN/m2) (Compressive) 4.09 3.72c(MN/m2) (Compressive) - 0.26 c’(MN/m2) (Tensile) 12.02 -18.42s(MN/m2) (Compressive) 42.19 41.23s’’Both of Section A and Section B are safe.5.2 JointThe resisting moment of joint shall be not less than 60% of the one of segment body.5.2.1 Resisting Moment of Segment Body (M r)x=Depth between compressive extreme fiber and neutral axis when N=0x=-n(A s+A s’)/b+[{n(A s+A s’)/b}2+2b(A s d+A s’d’)]1/2 =3.711 cm (See Figures 4.1 and 5.1.)M rc=Resisting moment of segment body when the compressive extreme fiber stressreaches 15 MN/m2 which is the allowable compressive stress of concrete.M rs= Resisting moment of segment body when the reinforcement reaches 200 MN/m2which is the allowable stress of reinforcement.M rc=[bx(d-x/3)/2+nAs’(x-d’)(d-d’)/x]ƒca=22.24 kNm/RingM rs=[{bx(d-x/3)/2+nAs’(x-d’)(d-d’)/x}]x/{n(d-x)}ƒsa=13.87 kNm/RingM r=Min(M rc, M rs)= M rs=13.87 kNm/Ring5.2.2 Resisting Moment of Joint (M jr)x=Depth between compressive extreme fiber and neutral axis when N=0x=nA B[-1+{1+2bd/(nA B)}1/2]/b=3.011 cm (See Figure 5.2.)M jrc=Resisting moment of joint when the compressive extreme fiber stress reaches 15MN/m2 which is the allowable compressive stress of concrete.M jrB= Resisting moment of joint when the reinforcement reaches 240 MN/m2 which isthe allowable stress of bolt.M jrc=[bx(d-x/3)/2]ƒca=15.80 kNm/Ring M rs=[A B(d-x/3)’]ƒBa=10.18 kNm/RingM jr=Min(M jrc, M jrB)= M rs=10.18 kNm/Ring M jr/M r=10.18/13.87=0.733>0.6 OKA B=6.060 cm2(M22@2)Figure 5.2 Section of Joint5.3 Check of Safety against Thrust Forces of Shield Jackse=Eccentricity between center of working thrust force by one jack and centroid of segmental lining=1 cmls=Space between adjacent two jacks=10 cmA=Touching area of spreader of one jack on segmental lining=BtWhere, t=Thickness of segment=12.5 cmB=2ƒRc/Nj-ls=2ƒ 1.6125/10-0.1=0.9123 mWhere, Nj=Number of shield jacks=10 piecesA=Bt=0.1141 m2, I=Bt3/12=0.00014863 m4c=Maximum compressive stress of concrete of segment=P/A+Pe(h/2)/I=13 MN/m2 <ƒca=15• 1.65=24.75 MN/m2OKWhere, P=Thrust force of one shield jack=1000 kN(See Figure 5.3.)SegmentCentroid of mm Center of working forceof shield jackFigure 5.3 Segment and thrust force of shield jack6 ConclusionThe designed segmental lining is safe against the design loads.This design example is a design example in the Part III “References “ of Guidelines for Design of Shield Tunnel Lining issued by International Tunnelling Association. All of copyrights are reserved by International Tunnelling Association.。
第4章 盾构法隧道衬砌结构设计
4.2.2 荷载
1.荷载的种类 2.土压力 3.水压力 4.静荷载 5.地面超载 6.地基反作用力 7.内部荷载 8.施工时期的荷载 9地震荷载 10.其他荷载
4.2.3 衬砌材料 钢筋混凝土管片适用于初衬支护材料， 而现浇混凝土适合作为二次衬砌支护的材 料。对于没有现浇的内部衬砌支护，如果 外部管片衬砌支护需要的话，一次完成衬 砌也是允许的。 1.弹性模型 2.应力应变曲线
4.1.2 盾构设计程序包括的主要内容 （1）确定几何参数 （2）确定岩土参数 （3）选择危险断面 （4）确定TBM机的机械参数 （5）确定材料的属性 （6）设计荷载 （7）设计模型 （8）计算结果
4.1.3 盾构法设计常用名词及图示符号 （1）管片 （2）管片衬砌 （3）盾构中完成的管片衬砌 （4）扩大管片衬砌 （5）厚度 （6）宽度 （7）连接缝
4.2 盾构衬砌结构范围 适用于软土中，如淤泥质土层和冲洪积 土层，由高强混凝土组成的管片衬砌及盾构 开挖隧道的二次衬砌，也适用于由盾构机开 挖的地下软岩隧道的管片衬砌。
2.设计原理 设计原理是为了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题。
4.2.4 安全系数 4.2.5 管片结构设计计算 4.2.6 断面安全性检验 4.2.7 连接缝构造计算 4.2.8 衬砌安全性校核 4.2.9 管片构造 4.2.10 管片的生产 4.2.11 二次衬砌
第4章 盾构法隧道衬砌结构设计
目录
4.1 概述 4.2 盾构衬砌结构设计方法 设计实例
4.1 盾构法概述
盾构法开挖隧道通常适用于软土而 不适用于岩石中。相关衬砌参数，如材 料的尺寸和强度不仅取决于地层情况， 也取决于施工状况。实际应用中盾构法 衬砌设计需要许多施工经验和理论知识。
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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
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扩大管片衬砌：在管片衬砌系统中，除去关键的管片 外，其余管片均在盾构中安装，在盾构正后面，当
厚度：隧道横截 面上衬砌的厚度。 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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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
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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 iHi j H j H Hi Hj
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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；
缝允许宽度。
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第六步：设计荷载 （1 分析作用于衬砌管片上的荷载影响及土压力(图4-2～图4-6)
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(2) 千斤顶的推力荷载 分析由于推进器垫板压在不同类型管片上荷载的影响
(图4-7)
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(3) 拖车和其它服 务设备的荷载主要 包括单轮承载(图48)
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4.2.2 荷载
1、荷载的种类
必须考虑的荷载： （1）土压力；（2）水压力；（3）静荷载；（4）超载； （5）地基反作用力（如果必须的话）。
应该考虑的荷载： （6）内部荷载；（7）施工期间的荷载；（8）地震效应。
特别荷载： （9）邻近隧道的影响；（10）沉降的影响；（11）其它荷
载。
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第四章 盾构法隧道衬砌结构设计
（设计）
主讲：孟杏微
本章重点、难点： 1、盾构法衬砌设计流程和设计的主要内容； 2、盾构隧道衬砌设计荷载；
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4.1盾构法概述
盾构法开挖隧道通常适用于软土而不是岩石中。 相关衬砌参数，如材料的尺寸及强度不仅取决于地 层情况，也取决于施工状况。实际应用中，盾构法
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
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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。
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v dh
v d v 2B1 dh
h 对于单边
水平应力，也即法向应力： v
摩擦力： v tan dh
黏聚力：C dh
1
R0
B1
R0
cot
• 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。
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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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第八步：计算结果 剪力、弯矩和挠度一般以表格的形式来展现，以此确定设计荷
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4.1.3设计常用名词及图示符号
管片： 盾构隧道最初
衬砌的弧形构件， 也适用于预制混 凝土管片。
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常用管片形状
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管片衬砌：隧道衬砌由管片组成，每一环的衬砌由数个 管片组成。盾构中完成的管片衬砌：在管片衬砌系统中
（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)
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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
• 软土的物理特征规定如下：
N 50 E 2.5N 125MN/m2 qu N / 80 0.6MN/m2
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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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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课土件体类 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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(2) 将垂直土压力作为作用于衬砌顶部的均布荷载来考虑。
（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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图4-1 盾构隧道衬砌设计的流程图
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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
第一步：确定几何参数 基准线、开挖直径、衬砌直径、衬砌厚度、圆环
第二步：确定岩土参数
特定处土的重力、内聚力、内摩擦角、弹性模量、 变形量、K0 第三步：选择危险断面