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。
第六章 盾构机
第六章隧道机械第三节暗挖施工法机械盾构1、概述盾构是一种集开挖、支护、推进、衬砌等多种作业一体化的大型暗挖隧道施工自动化机械。
盾构法施工是在一个能支撑地层压力而又能在地层中推进的圆形（或矩形和马蹄形等特殊形状）钢筒结构的掩护下，完成挖掘、出土、隧道支护等工作，它的最大的特点就是整个隧道掘进过程都是在这个被称做护盾的钢结构的掩护下完成的，可以最大限度地避免坍塌和地面塌陷。
现代盾构机集光、机、电、液、控等技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，而且要根据不同的地质条件进行“量体裁衣”式的设计与制造，可靠性要求极高。
用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、施工速度快、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，在地下水位较高、隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理，因而盾构广泛用于地铁隧道、越江隧道、铁路隧道、水电隧道、市政公路隧道等工程的建设。
1.1、盾构定义和用途1.1.1、定义盾构（Shield Machine）是盾构掘进机的简称，是在钢壳体保护下完成隧道掘进、管片拼装作业，有主机和后配套组成的机电一体化设备。
适用于软弱性围岩地质的隧道施工。
在隧道掘进设备中，与盾构对应的另外一种设备就是TBM(Tunnel Boring Machine)，国内一般称全断面硬岩掘进机，适用于硬岩地质山岭隧道施工。
1.1.2、用途盾构机是一种非常先进的地下隧道施工设备，它可在不影响地面状况的条件下作业，从而大大提高了施工可行性、降低了成本，并能够保护地面的名胜古迹等建筑物，因而在城市地下轨道交通、公路铁路隧道、过江跨海隧道和水电工程隧道等施工中有着广泛用途。
1.2、国外发展情况和趋势1.2.1、国外发展情况1818年布鲁诺尔(Bmrel)观察了蛆虫腐蛀船底成洞的经过得到启发，提出了盾构工法并取得专利，即所谓的敞口式手掘盾构的原型问世。
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。
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
地下建筑结构课件第六章盾构法装配式圆形衬砌结构08
通缝拼装，管片的纵缝环环对齐，拼装较为方便，易定位，衬砌 环施工应力小，但环面不平整的误差容易积累。
错缝拼装，衬砌圆环的纵缝在相邻圆环环间错开1/2~~1/3管片。管 片的环纵缝是榫形连接，以利拼装。错缝拼装的隧道比通缝拼装 的隧道整体性强，但由于环面不平整，会引起较大的施工应力， 防水材料也会因压密不够而渗漏水。
和土压压式盾构机
建筑工程学院
建筑工程学院
建筑工程学院
不同类型盾构的适用条件
back
挖掘 方式
人工开 挖（手 掘式）
半机械 式
机械式
构造 类型
敞胸
闭胸 敞胸 敞胸
闭胸
盾构名称
开挖面稳定措施
适用地层
附注
普通盾构
棚式盾构 网格式盾构 半挤压盾构 全挤压盾构 反铲式盾构 旋转式盾构 旋转刀盘式盾构 局中气压盾构
装配式钢筋混凝土管片构造
环宽 一般在300～1200mm之间，常用的是750～900mm
分块 衬砌圆环的分块主要考虑在管片制作、运输、安装等方面 的实践经验而定。
封顶管片形式 封顶块的拼装形式有两种：径向楔入、纵向插入。
建筑工程学院
封顶管片形式
建筑工程学院
（四） 隧道衬砌与拼装
管片拼装方法可分为通缝拼装和错缝拼装。
建筑工程学院
（五）环、纵向螺栓
环向螺栓
根据衬砌接缝内力情况设置成单排或双排
纵向螺栓
按管片分块（拼装形式）结构受力等要求设置
建筑工程学院
（六）衬砌结构（管片）的生产
（采用工厂化流水作业）
back
钢筋笼生产 管片浇捣 蒸汽养护 管片水中养护及抗渗试验 管片精度测试及其保证体系 管片拼装及预应力
预留封门在盾构出洞前必须抵挡洞外土体側向压力和水压 力，保证封门不断裂倒塌，同时不产生大量地下水渗漏， 即保持井內施工场地干燥，又保证洞周围土体不出现大的 沉降变形。
错缝拼装，衬砌圆环的纵缝在相邻圆环环间错开1/2~~1/3管片。管 片的环纵缝是榫形连接，以利拼装。错缝拼装的隧道比通缝拼装 的隧道整体性强，但由于环面不平整，会引起较大的施工应力， 防水材料也会因压密不够而渗漏水。
和土压压式盾构机
建筑工程学院
建筑工程学院
建筑工程学院
不同类型盾构的适用条件
back
挖掘 方式
人工开 挖（手 掘式）
半机械 式
机械式
构造 类型
敞胸
闭胸 敞胸 敞胸
闭胸
盾构名称
开挖面稳定措施
适用地层
附注
普通盾构
棚式盾构 网格式盾构 半挤压盾构 全挤压盾构 反铲式盾构 旋转式盾构 旋转刀盘式盾构 局中气压盾构
装配式钢筋混凝土管片构造
环宽 一般在300～1200mm之间，常用的是750～900mm
分块 衬砌圆环的分块主要考虑在管片制作、运输、安装等方面 的实践经验而定。
封顶管片形式 封顶块的拼装形式有两种：径向楔入、纵向插入。
建筑工程学院
封顶管片形式
建筑工程学院
（四） 隧道衬砌与拼装
管片拼装方法可分为通缝拼装和错缝拼装。
建筑工程学院
（五）环、纵向螺栓
环向螺栓
根据衬砌接缝内力情况设置成单排或双排
纵向螺栓
按管片分块（拼装形式）结构受力等要求设置
建筑工程学院
（六）衬砌结构（管片）的生产
（采用工厂化流水作业）
back
钢筋笼生产 管片浇捣 蒸汽养护 管片水中养护及抗渗试验 管片精度测试及其保证体系 管片拼装及预应力
预留封门在盾构出洞前必须抵挡洞外土体側向压力和水压 力，保证封门不断裂倒塌，同时不产生大量地下水渗漏， 即保持井內施工场地干燥，又保证洞周围土体不出现大的 沉降变形。
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，
第6章隧道结构计算ppt课件
6.4 隧道洞门计算
6.4.3 洞门计算内容
1. 计算内容 ①墙身偏心及强度； ②绕墙趾的抗倾覆性(墙趾:墙身外表面与基底面的交点)； ③沿基底滑动的稳定性； ④基底应力检算。
6.4 隧道洞门计算
6.4.3 洞门计算内容
2. 洞门端墙及挡（翼）墙检算规定
墙身截面压应力
墙身截面偏心距 e 基底应力
1 主动荷载模式 适于软弱岩层，如：
明挖地铁 明洞工程
6.2 结构力学方法
2 主动荷载+弹性抗力模式
适于各类围岩在实际应用中，该模式基本能反映出 支护结构的实际受力状况。
6.2 结构力学方法
3 实际荷载模式
它采用量测仪器实地量测作用在衬砌上的荷载值，某种 实测荷载只能适用于类似情况。
6.2 结构力学方法
作为结构设计荷载
的设计状态
支护 围岩变形过大，松动坍 支护与围岩共同作用，共同变形所 阻力 塌所产生的松动压力 产生的接触形变压力
支护 开挖
临时支撑+整体式厚衬砌
初期支护+二次衬砌
分部开挖， 钻爆法+中小型机械
大断面开挖， 钻爆法+大中型机械掘进
6.2 结构力学方法
6.2.1 基本原理
支护和围岩分开考虑，支护是承载的主体，视围岩为荷载 来源和支护的弹性支承，荷载处理有三种模式:主动荷载，主 动荷载+被动抗力，实际荷载。
图3.2 弹性地基梁的受力和变形
隧道衬砌结构计算的矩阵位移法
基本原理
矩阵位移法又叫直接刚度法，它是以结构节点位移 为基本未知量，联接在同一节点各单元的节点位移应该 相等，并等于该点的结构节点位移（变形协调条件）； 同时作用于某一结构节点的荷载必须与该节点上作用的 各个单元的节点力相平衡（静力平衡条件）。
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c. 钢管片
重量轻，强度高，但刚度小，耐锈蚀性差，需进行机械 加工以满足防水要求，金属消耗量大，成本昂贵。
d. 复合管片
外壳采用钢板制成，在钢壳内浇筑钢筋混凝土。重量轻； 刚度大，金属消耗量小；耐蚀性差，加工复杂。
装配式钢筋混凝土管片
环宽
• • • 一般在300~2000mm之间，常用的是750~900mm。 环宽过小导致接缝数量的增加进而加大隧道防水的困 难。 环宽过大会使盾尾长度增长而影响盾构的灵敏度。
6 侧向三角形主动土压
p2 2 RH tan2 45 2
7 侧向土壤抗力
pk k y(kN / m 2 )
4 2q p1 p2 q RH y 4 24 EI 0.045kRH
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
计算简图
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 , 2 P ， 带入力法典型方程，求出 X1 , X 2 。可以得到这种荷载作用下 的 M , N 在基本结构上的分布。
施工阶段
3 管片拼装
管片制作精度不高，环面接触不平，在拧紧螺栓时，使管片局 部出现应力集中，导致管片开裂和存在局部内应力。
4 其他施工荷载
后配套拖车自重的影响、整圆器等推进油缸荷载、刀盘旋转力 的影响、盾构形式及开挖面的各种设备等，有时渣车及管片运 输车的荷载也会对管片产生影响。
衬砌内力计算方法
地层压力 水压力 自重 上覆荷载的影响 地基抗力
附加荷载
•
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
特殊荷载
基本使用阶段
1 自重 g h
3 25 kN / m 一般采用： h
2 拱背土压
2 2 G 2 1 RH 0.43RH 4
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
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。
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
国外在饱和含水不稳定地层中修建隧道时多采用铸铁管片。 不宜用做承受冲击荷载的隧道衬砌结构。
0.3536cosPK RH
0.3536sinPK RH
•
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
PR R 2 ( 0.443 sin H 0.106cos 0.5 sin2 )
H
底部 反力 水压 均布 荷载 侧压
2
~
PR RH sin sin 0.10cos
2
H
PR
2 2 0 ~ R 0.5 0.25cos 0.52sin R 1 0.25cos 0.52sin HR
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。
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。 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。
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 pc 扣除全部预应力损失后抗裂验 标准。 ftk 为混凝土轴心受拉强度标准值， 算边缘的混凝土的预压应力。
Nj N
管片： M s (1 ) M Ns N
0.6 0.8 0.3 0.5
1, 0 若管片内无接头，
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
均匀圆环法计算 日本惯用修正法修正
• •
荷载的类型
• • 基本荷载是设计时必 须考虑的荷载。 附加荷载是施工中或 竣工后作用的荷载， 根据隧道的使用目的， 施工条件以及周围环 境进行考虑的荷载。 特殊荷载是根据围岩 条件、隧道的使用条 件所必须特殊考虑的 荷载。
荷载分类
基本荷载
1. 2. 3. 4. 5.
隧道外径与管片环宽锥度的经验值
隧道外径（m） 锥度（mm）
D外<3 15~30
3<D外<6 20~40
D外>6 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。
的配筋计算方法及《混凝土结构设计规范》GB
50010-2002进行管片的配筋计算。
B.
裂缝验算
根据《混凝土结构设计规范》规定了三种级别的裂缝验算标准： 严格要求不出现裂缝： ck pc 0
一般要求不出现裂缝： ck pc ftk 允许出现裂缝： max lim
荷载简图
3 竖向土压
• 软粘土中按 h计算较为合适。
q i hi
i 1 n
• 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
h h B0 c / B0 1 e xp tan q e xp tan tan B B 0 0
地层基床系数值 k（kN/m³ ） 30000~50000 10000~30000 土的种类 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
8 拱底反力压
PR q g 0.2146 RH
2
水土分算时不用 考虑
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
盾 构 机
矩 形 盾 构 机
盾 构 进 洞
盾构衬砌
6.1 衬砌形式和构造
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。
0~
gRH sin 0.5 cos
2
2
qRH sin2 0.106cos
qRH sin 0.106cos 0.106PR RH cos
~
qR 0.693 0.106cos sin
2 H
q
0~
2
0.057 0.106cos PR R2 H
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。
榫接部 分配带 传送带 接头螺栓孔 .榫接部 分配带 开挖面端 接头螺栓 隧道口端 .塑料预埋栓 轴向接头面
接头螺栓
塑料预埋栓
周向接头面
6.2 衬砌圆环内力计算
荷载计算
荷载的类型 荷载的计算
• •
结构内力计算
PK引起的圆环内力表
内力
M N Q
0
4
4
2
2 (0.2346 0.3536cos ) PK RH
(0.3487 0.5 cos2 0.2357cos3 )PK R2 H
(0.707cos cos2 0.707sin2 cos ) PK RH (sin cos 0.707sin cos2 ) PK RH
6.3盾构法隧道衬砌的结构设计
A.
管片断面设计：
配筋计算
B.
裂缝验算
A. B.
纵向接头设计
接缝张开验算
接头强度计算
环向接头设计
管片断面设计
A.
配筋计算 从内力分析结果可知，盾构隧道衬砌管片一般为偏心 受压构件，可以按照压弯构件进行截面配筋计算。设