盾构法隧道衬砌结构设计
盾构隧道衬砌类型及分块
盾构隧道衬砌类型
管片分块
2. 管片拼装 (1)拼装方式 ◆两种：错缝方式和通缝方式。多采用前者。 (1)错缝拼装：是使相邻衬砌圆环的纵缝错开管片长度的1/2～1/3。 (2)通缝拼装：主要是用在某些特殊场合，如在隧道的某一段以后需要 拆除管片修建旁侧通道时，则采用此方式较为方便。
盾构隧道衬砌类型
最小
δ/2 宽度 δ/2
最小
宽度 δ
θ/2
θ/2
θ
标准宽度
最大宽度
最大宽度
1)标准管片
2)楔形管片
图7-21 环块(平面)基本尺寸图
盾构隧道衬砌类型
管片分块
1.管片的类型与基本尺寸 (2)管片宽度 ◆就制作、运输、拼装及小半径曲线隧道施工等的要求而言，希望管 片的宽度要小，而从减少管片连接件、提高施工速度、降低隧道工程费用 而言，希望宽度要大。实际工程中应对各条件综合分析后再决定管片的宽 度。 ◆根据实际施工经验，管片的宽度范围在30～120cm之间为多，地铁 钢筋混凝土管片常用的宽度是120～150cm。
盾构隧道衬砌类型
管片分块
1.单层衬砌 (1)装配式衬砌 ④铸铁管片 ●这种管片重量轻、耐腐蚀性好、材质均匀、强度高、机械加工后的 精度要求高、接头刚度大、拼装准确，因此防水效果也好。 ●但是造价非常高，因此只限于用在建筑物下面需要高强度管片的部 位或盾构法施工的车站、通风口、泵站等位置。
盾构隧道衬砌类型
盾构隧道衬砌类型
管片分块
1.单层衬砌 止水带
(1)装配式衬砌
②板形管片
手孔
注浆孔
A-A 视图 螺栓孔
图7-17 平板形管片结构图
盾构隧道衬砌类型
1.单层衬砌 (1)装配式衬砌 ②板形管片
浅谈盾构隧道管片衬砌防水施工技术
浅谈盾构隧道管片衬砌防水施工技术发布时间：2022-04-06T09:13:00.471Z 来源：《工程建设标准化》2021年12月第24期作者：张文明[导读] 以太原铁路枢纽西南环线工程东晋隧道盾构段管片衬砌防水工程为例，张文明中铁六局集团有限公司邮编：030000摘要以太原铁路枢纽西南环线工程东晋隧道盾构段管片衬砌防水工程为例，从管片结构自防水、衬砌接缝防水、管片衬砌防水、盾构隧道与竖井接缝防水四个方面阐述了隧道衬砌防水施工技术要点。
本文主要介绍管片衬砌接缝防水在实际工程中的应用。
关键词盾构隧道衬砌防水接缝防水 EPDM1.工程概况新建太原铁路枢纽西南环线东晋隧道盾构区间里程DK1+250～DK6+100，长4850m，采用直径12.14m土压盾构施工。
隧道纵断面按10.186‰和3‰的单面坡设计，最小曲线半径r=1200m。
横截面为标准环，外径11.7m，内径10.6m。
区间穿越地层主要为新黄土、粉土、粉质粘土、中砂、砾砂，局部穿越圆砾、卵石（隧道范围内最大粒径820mm）。
隧道埋深10.3m—26.3m。
在地下水和盾构掘进扰动的多重影响下，不可避免地会发生不同程度的地表沉降，这将给周围建筑物和构筑物的保护带来极其严峻的挑战。
2.管片衬砌结构防水施工目前，根据盾构隧道的渗水情况，盾构法防水分为四类：管片结构自防水、衬砌接缝防水、管片外防水和隧道与竖井接缝防水。
2.1管片混凝土自防水管片采用C50高性能防水混凝土，其抗渗等级≧12。
管片混凝土的氯离子扩散系数（Drcm≦3*10-12m2/S)。
2.2管片衬砌接缝防水（1）在管片内外侧接缝处预留弹性密封垫槽，安装弹性橡胶密封垫以EPDM(三元乙丙)；在管片外侧环缝于背千斤顶面设置4mm厚遇水膨胀止水条，纵缝包角设置2mm厚遇水膨胀止水条；为加强遇水膨胀止水条撞角端部收口防水，在遇水膨胀止水条转角外侧覆贴遇水膨胀橡胶腻子薄片，厚度1.2mm；于管片纵向相同一侧、环向背千斤顶面安装传力衬垫，螺栓孔处留孔。
盾构法隧道衬砌管片模具的设计
■构疆隧道村硼 ■片横■的设计
郑志敏
摘 要 ：对 管 片模 具 的 方案 设 计进 行 了比选 ，介 绍 了管 片 模 具 的主 要 结 构 设 计 和 工作 流 程 。
关键词 ：盾构施工 ；衬砌 ：管 片模具 ；设计
１ 引言
法 马 通 、日本 三 菱 、美 国 罗 宾பைடு நூலகம்斯 等 标 明 管 片 的 形 式 及 分 块 具 体 封顶 块偏 转位置 ／。
偏离 上方 ±２ ． ２５ 自 ’
国 际著 名企业广 泛合作并得到技术 位 置 。
支持 ， 制造 的钢 模 技术 已达到 国 ２ ２ 管片模具精 度要求 所 ． 际 水 平 。 中铁 隧 道 集 团 公 司 从
为 发展趋 势 。 分析 比较上述 几种 在
底模端模 央角 ／ 螺栓孔 ｌ心距 ／ ｆ Ｉ ｍｍ
内 高 度 ／ ｍ ａ ｒ
４０ ６ －． Ｈ０ ５ －．
±ｌ
（ ） 采有附着式振捣 。管模整 方案 的同时 ， 必须 考虑到 以下 因 ２ 还
体振动 ， 因此 ， 座 采 用轻 、 材 素 ： ① 周 边 工 业 的 加 工 能 力 和 设 底 薄
施 ＿ ， 用 了 进 口的 管 片 模 具 ， Ｔ 采 在 标准 。
郑志敏 ：中铁 隧道集 团有限公 司，助理研 究 员 河 南洛 阳 ４ １ ０ ／００
环间联接螺栓间隔角度 ／ ２． 。 ２５ 转 弯环楔 形量 ／ ｍ ａ ｒ 每侧 ｌ． ８６
管环分 片的块
鬃 鬻块
８ 究相 对较 晚 ， 丰要 是上 海 隧道 股份 工 程 伞 部 的 管 片 模 具 应 足 １
表 １ 管片技术参数表
管 片环 外径 ／ ｍ ａ ｒ ６２ ０ ０
隧道衬砌结构
③注意在拱脚做平台以支撑拱圈，两侧岩壁喷浆敷面阻止风 化和少量地下水的渗透。
（2）大拱脚 产生于先拱后墙法施工，为了节省圬工，采用大拱脚薄边墙衬砌
最大的问题是大拱脚支座施工困 难，在非均质岩层中很难用钻爆 法做出整齐稳定的支座。
（三）公路隧道整体式衬砌设计基本要求
公路隧道一般跨度较大，内轮廓接近限界的高宽比较铁路 双线隧道为小，拱部一般较铁路隧道平坦，墙高稍低。为 减少拱肩及墙部的拉应力，提高围岩及结构的稳定性，衬 砌结构形式宜采用曲墙式衬砌。
(1)整体式衬砌截面可设计为等截面或变截面。整体式衬砌截面可设计 为直墙式或曲墙式，对设仰拱的地段，为减少围岩和衬砌的应力集中 避免急剧弯曲和棱角，仰拱与边墙宜采用小半径曲线连接、仰拱厚度 宜与边墙厚度相同。 (2) 明洞衬砌与洞内衬砌交界处或不设明洞的洞口段衬砌，在距洞口512m的位置应设沉降缝；在洞内，软岩地层明显分界处宜设沉降缝；在 连续V,Vl级围岩中每30-80m应设沉降缝一道。
洞身衬砌 第二节 明洞 第三节 隧道洞门
第四节
隧道附属建筑物
第一节 洞身衬砌
一、隧道衬砌的概述
二、整体式模筑混凝土衬砌（单层衬砌） 三、装配式衬砌 四、锚喷式衬砌 五、复合式衬砌 六、其它衬砌结构的类型 七、隧道衬砌的其它构造要求
第一节 洞身衬砌
一、隧道衬砌的概述
（一）衬砌概念 （二）衬砌材料 （三）衬砌类型
7.装配式材料
盾构法施工，其衬砌材料往往采用装配式材料，如钢筋 混凝土大型预制块，有加筋肋的铸铁预制块。 在修筑棚式明洞（简称棚洞）时，又可用预制板或梁，装 配板式棚洞或梁式棚洞。 用新奥法施工时，为了防水、防落石和美观要求，还 可以加设离壁式结构，常用的材料有波纹钢拱式大型 装配预制件，有时可以用玻璃钢代替钢材等。 为了提高洞内照明、防水、通风、美观、视线诱导或减少 噪音等原因，可在衬砌内表面粘贴各种各样的装修材料。
盾构法隧道结构
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
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
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。
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
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。
错缝拼装弯矩传递及分配示意图
课堂练习题
第9章-盾构隧道结构
1986～1988年 复圆、多圆 断面盾构MF
1865年 圆形 挤压式盾构
1976年 铰接式盾构
1993年 球体盾构、 扩径盾构
3、盾构隧道的发展
国内盾构隧道走过的历程
上杨
海浦
上路 海南
地线 铁
延线
上一 海号
安 东
隧 道
双圆盾构
2003年
上路
地线 铁
1994年 泥水平衡式盾构
阜盾
海隧
新构
打道
Φ输
水
1、 隧道断面形式的选择，根据隧道的使用要求、施工技术 的可能、地层的特性、隧道受力等因素确定。
最常用的盾构隧道断面为圆形： (1)可以等同的承受各个方向
的外部压力，尤其是在饱和含水 的软土地层中修建地下隧道，由 于顶压和侧压较为接近，更可以 显示出圆形隧道断面的优越性；
(2)施工中易于盾构推进； (3)便于管片的制作与拼装； (4)盾构即使发生转动，对断 面的利用也无大碍。
1886年，Great在南伦敦铁路隧道中使用了盾构和压气组合 工法，为现在的盾构工法奠定了基础。
9
3、盾构隧道的发展
1825年 盾构机首次使用
1830年 使用气压的 半机械式盾构
1840年 能够壁后注浆的
机械式盾构
1966年 泥水加压盾构
1974年 土压平衡盾构EPB
1981年 压注混凝土 衬砌工法ECL
盾构法隧道有哪些优点呢？
（1）在盾构支护下进行地下工程暗挖施工，不受地 面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件的 影响，能较经济合理地保证隧道安全施工；
（2）在盾 构的掩护下 进行开挖和 衬砌作业， 有足够的施 工安全性；
（3）盾构作业产生的 振动、噪声等环境危害 较小; 对地面建筑物及 地下管线的影响较小
隧道结构设计
一、衬砌1衬砌形式整体式模筑混凝土衬砌—就地灌筑混凝土衬砌装配式衬砌—将衬砌分成若干块构件，这些构件在现场或工厂预制，然后运到坑道内用机械将它们拼装成一环接着一环的衬砌。
喷锚支护—喷射混凝土和加设锚杆、金属网和钢架共同支护复合式衬砌—外衬和内衬两层，所以也叫它为“双层衬砌”2衬砌的适用条件整体式模筑混凝土衬砌—对地质条件的适用性较强，易于按需要成型，整体性好，抗渗性强，并适用于多种施工条件，如可用木模板、钢模板或衬砌模板台车等装配式衬砌—拼装成环后立即受力，便于机械化施工，改善劳动条件，节省劳力。
目前多在使用盾构法施工的城市地下铁道中采用。
喷锚支护—喷锚支护是目前常用的一种围岩支护手段，适用于各种围岩地质条件，但是若作为永久衬砌，一般考虑在Ⅰ、Ⅱ级等围岩良好、完整、稳定的地段中采用。
复合式衬砌—是一种较为合理的结构形式，适用于多种围岩地质条件，有其广阔的发展前途。
3衬砌的一般结构要求混凝土与钢筋混凝土隧道工程所用的混凝土强度等级不应低于C15洞门用混凝土整体灌筑，其强度不应低于C20强度等级对于衬砌段不应低于C20，对于洞门不应低于C15片石混凝土在岩层较好地段的边墙衬砌，可采用片石混凝土（片石的掺量不应超过总体积的20%）。
当起拱线以上1m以外部位有超挖时，其超挖部分也可用片石混凝土进行回填。
选用的石料要坚硬，其强度等级不应低于MU40，有裂隙和易风化的石料不应采用。
石料和混凝土预制块石料或混凝土预制块用强度等级不低于M10的水泥砂浆砌筑衬砌。
石料的强度等级不应低于MU60，并且有裂隙和易风化的石料不应采用。
混凝土预制块强度等级不应低于MU20。
喷射混凝土喷射混凝土的强度等级采用C20，所用的水泥应优先采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥喷射钢纤维混凝土中的钢纤维宜采用普通碳素钢制成，等效直径为0.3～0.5㎜的方形或圆形断面，长度宜为20～25㎜锚杆锚杆的杆体宜用20 MnSi钢筋，也可采用Q235钢筋；缝管式锚杆宜采用16 MnSi钢管，亦可采用Q235钢管；锚杆直径宜为18～22㎜，垫板可采用Q235钢板。
8、盾构法
8.1.2 盾构法的发展历史
最早是在1818年由英国工程师布鲁诺尔(M.I , Brunel)发明的， 他是从船的木板中，有一种蛀虫钻出孔道，并用它分泌的 粘液加固洞穴得到启发而研制出的，并于1825年开始用一 个宽11.58m、高6.7m的矩形盾构，在英国伦教的泰晤出河 下面修建世界第一条水底隧道。施工中遇到泥水涌入隧道 的极大困难，两次被淹，直至1835年对后构作了改良.用压 气辅助施工，才于1843年完工。隧道全长458m。
顶部垂直向下水压力底部垂直向上压力侧向水平水压力水压力的叠加衬砌自重0214610匀布底部竖向力平均后的拱被压力抵消后的平均水压力平均后的竖向土压力平均后的自重压力2施工阶段临时荷载自重引起的临时荷载临时荷载随盾构推进所产生一般来自千斤顶顶力和壁后注浆压力
8 盾构法隧道结构
主讲人：饶平平
8.1 概述
水压力: 顶部垂直向下水压力 底部垂直向上压力 侧向水平水压力
qw ' w H H (104 N )
qw'' w ( H 2RH ) H 2RH (104 N )
qw w [H (1 cos ) RH ](104 N )
水压力的叠加
衬砌自重
该盾构机对于途中存在障碍物、断面形状特殊及短距离等情 形均较适合。与封闭式盾构相比，价格便宜20～40%。上图示出是 掘进距离70m，有障碍物的人工式盾构工程的施工示意图。
手掘式盾构机
2.按掘削面的挡土形式分类
按掘削面的挡土形式，盾构可分为开放式、 部分开放式、封闭式三种。 ① 开放式：即掘削面敞开，并可直接看 到掘削面的掘削方式。 ② 部分开放式：即掘削面不完全敞开， 而是部分敞开的掘削方式。 ③ 封闭式：即掘削面封闭不能直接看到 掘削面，而是靠各种装置间接地掌握掘削面的 方式。
盾构法隧道管片式衬砌结构
盾构法隧道管片式衬砌结构盾构法隧道管片式衬砌结构是目前在城市地下管道建设中最常见的一种衬砌结构方式。
它以钢管和混凝土管片为衬砌构件，通过地下盾构机械的推进运行，在地下将空洞逐渐变成完整的管道。
下面将详细介绍盾构法隧道管片式衬砌结构。
盾构法隧道管片式衬砌结构由几个主要部分组成：盾构机械、加固千斤顶、进口锁扣和管片。
盾构机械是推进盾构的核心设备，通常由控制室、切土头、推进腔、环片衬砌机、螺旋输送机和尾部推进装置等部分组成。
加固千斤顶用于支撑周围土体，保证施工现场的稳定性。
进口锁扣是一种连接管片的装置，通过进口锁扣可以将各个管片连接在一起形成一个完整的管道。
管片是构成衬砌结构的最主要组成部分，一般由预制的沟槽混凝土组成，具有一定的强度和刚度。
首先，盾构机械进入施工现场，通过切土头将地下土壤切割成碎土，然后通过推进腔将碎土推出机械。
同时，加固千斤顶支撑周围土体，保持施工现场的稳定。
接下来，盾构机械在推进的同时，衬砌机将管片放置在推进腔后部，通过液压机构将管片推送到前部，与前一节管片连接。
随着盾构机械的推进，衬砌机不断放置新的管片，衬砌结构不断延伸。
在衬砌结构施工过程中，需要保证衬砌的质量和密实度。
一般采用现场加压灌浆的方法进行，即在管片周围的空隙中注入水泥浆料，通过固化形成一个坚固的衬砌结构。
这种方法可以提高管片和土体之间的粘结力，增加整个结构的稳定性。
1.施工快速：盾构机械可以同时进行切土、推进和衬砌，施工速度快，能够适应快节奏的城市建设需求。
2.施工质量好：通过现场加压灌浆和管片连接技术，可以保证衬砌的质量和稳定性。
3.对环境的影响小：盾构法施工可以实现无开挖施工，对地表影响小，在城市建设中更加适用。
4.适用范围广：盾构法适用于各种地质条件的隧道施工，可以施工直径较大的隧道，适用范围广泛。
盾构法隧道管片式衬砌结构在城市地下管道建设中具有重要的应用价值。
随着城市化进程的加快，盾构法的应用将会越来越广泛。
盾构法隧道衬砌结构设计
力法方程为：
δ11 X1 + Δ1 p = 0 δ 22 X 2 +Δ 2 p =0
1 π πr δ11 = ∫ M ds = rdα = 0 EI ∫0 EI s 1 π πr 3 2 2 δ 22 = ∫ M 2 ds = ∫0 (−r cos α ) rdα = EI 0 EI
s 2 1
1 π Δ1 p = ∫0 M p rdα EI −r 2 π Δ2 p = ∫0 M p rdα EI
盾构法公路隧道
外环沉管隧道
长江西路隧道 翔殷路隧道 崇明越江隧道
黄浦江越江公路隧道工程 军工路隧道 已建隧道：6 条 大连路隧道 在建隧道：3 条
延安东路隧道
将建隧道：5 条
新建路隧道
已建隧道
人民路隧道 在建隧道
复兴东路隧道
2010年，黄浦江越江通道 打浦路隧道 车道总数 车道总数 西藏南路隧道
上中路隧道 龙耀路隧道
−0.106 cos α − 0.5sin α )
2
pR RH (sin 2 α − sin α + 0.106 cos α )
两个基本要求：
满足施工及使用阶段结构强度、刚度的要 求，承受诸如水、土压力及一些特殊使用要 求的外荷载； 满足使用功能要求的环境条件，保持隧道内 部的干燥和洁净，特别是在饱和含水软土地 层中采用装配式钢筋混凝土管片结构时对衬 砌防水的措施。
2.1 钢筋混凝土管片的设计要求和方法
按照强度、变形、裂缝限制等需要分别验算。 确定衬砌结构的几个工作阶段——施工荷载阶 段，基本使用荷载阶段和特殊荷载阶段，提出 各个工作阶段的荷载和安全质量指标要求(衬砌裂
缝宽度，接缝变形和直径变形的允许量，隧道抗渗防漏指标，结 构安全度，衬砌内表面平整度要求等) ，进行各个工作阶
隧道盾构法施工技术
盾构操纵与纠偏
每推进一环的纠偏量应有限制，以免引起 衬砌拼装的困难以及对地层产生过大的扰动 导致偏离的因素
地质条件方面 土层不均匀，有孤石或障碍物 机械设备方面 千斤顶阻力不一 盾构壳体安装误差 设备中心偏 施工操作方面 千斤顶作用不均匀 挤压式盾构的上浮趋势 盾构下部土体流失
盾构操纵与纠偏
3、网格式盾构
网格式盾构是介于半挤压和手掘式盾构间的 盾构形式。 开挖面装有钢制的开口格栅，网格起挡土作 用，防止开挖面坍塌。 适用于软弱可塑粘性土层，挤土作用比挤压 式盾构小。 在含水地层中，需辅以降水、气压等措施。
挤压网格式盾构
4、机械式盾构
机械式盾构切口环处安装旋转大刀盘，全断 面开挖，连续掘进。适用于各类土层，尤其是极 易坍塌的砂性土层，可连续掘进挖土。 优点：作业环境好、省力、省时、省工、效 率高。 缺点：后续设备多、纠偏难、造价高。 机械式盾构又分为局部气压盾构、泥水加压 盾构、土压平衡盾构。
2. 3. 4. 5.
施工准备
盾构拼装井、拆卸井和调头井 盾构基座 用作安装和稳妥的搁臵盾构，并铺设导轨起 导向作用 采用钢砼或钢结构 承受盾构自重和纠偏时的集中荷载 3. 盾构进、出洞方法 4. 临时封门 5. 盾构后座 1. 2.
施工准备
1. 2. 3. 盾构拼装井、拆卸井和调头井 盾构基座 盾构进、出洞方法 临时基坑法：先挖后填，仅留垂直运输的进出口，没 有洞门拆除问题，适用于浅埋盾构始发端。 逐步掘进法：利用敞开段作后座，由浅入深掘进，造 价高。 工作井进出洞法
五、盾构法施工 盾构法施工的主要程序
1. 建造竖井或基坑，作为盾构施工的出发和接收 工作井或检修井 盾构进、出洞口土体加固处理 安装盾构掘进机 初推段盾构掘进施工，包括推进、出土、运土、 衬砌拼装、盾尾注浆、轴线测量 隧道连续掘进施工 盾构进入接收井
地铁盾构隧道设计ppt课件
– 钢管片 – 钢筋混凝土管片
——管片结构
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三.地铁盾构结构设计
• 衬砌环形式
– 普通环
• 左转弯环+直线环+右转弯环
– 通用环
• 一种楔形环管片的不同角度 的旋转拟合线路
——管片结构
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三.地铁盾构结构设计
• 管片拼装形式
– 通缝拼装
• 拼装难度小，衬砌空间刚度稍差。
– 错缝拼装
——盾构缺点
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一.盾构简介
——盾构组成
刀盘
前盾
盾体
后配套设备
中盾
尾盾
配套台车、管片运输设备、出土 设备、注浆系统、监控系统等。
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二.盾构机选型
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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
– 因隧道衬砌属工厂预制，质量有保证； – 穿越地面建筑群和地下管线密集的区域时，周围受施工影响小； – 对于地质复杂、含水量大、围岩软弱的地层可确保施工安全； – 在费用和技术难度上不受覆土深度影响。
8
一.盾构简介
• 盾构施工缺点
– 一次性投入大，施工设备费用较高； – 覆土较浅时，地表沉降较难控制； – 用于施作小曲率半径(R＜20D)隧道时掘进较困难。
一.盾构简介 二.盾构机选型 三.地铁盾构结构设计 四.附属结构设计 五.盾构隧道防水设计 六.地铁盾构设计重难点
1
一.盾构简介
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一.盾构简介
• 盾构法施工的概念
– 使用盾构机，一边保持开挖面及围岩稳定，一边进行隧道掘进、出渣，并在盾尾内 拼装管片形成衬砌，及时实施注浆，尽可能不扰动围岩条件下修建隧道的方法。
盾构衬砌结构
• 一次衬砌自重为作用在隧道横断面形心线上的竖向荷载
• 二次衬砌的施工时间一般都在管片环已具有某种稳定性后才 进行，而且二次衬砌本身也是环形或拱形的，因此二次衬砌 的自重有其自身承担，故在一次衬砌设汁时可不考虑二次衬 砌的重力。
• 4、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 重量作用于衬砌上的 力即为地面超载。
9.3 管片结构设计与内力计算
9.3.1 荷载的设定
• 一、荷载的种类
➢ 1、主要荷载——必须经常考虑的荷载： （1）竖向与水平土压力；（2）水压力；（3）自重（静
载）；（4）超载量；（5）地基反力。 ➢ 2、次要荷载——必要时考虑的荷载（在施工过程中和竣
工后作用的荷载，是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）： （1）内部荷载；（2）施工期荷载；（3）地震效应。 ➢ 3、特殊荷载：在特殊条件下必须考虑的荷载。例如： （1）相邻隧道的影响；（2）地基沉陷的影响；（3）瞬时 动力荷载等。
• （2）粘性地层：粘土层采用水土合算，重度采用天然重 度，其强度指标采用在土的有效自重压力下预固结的三轴 不排水不固结强度指标。
• 1、垂直及水平土压力
• 作用于隧道的土压力中，垂直和水平压力是确定 设计计算用的土压力，与隧道的变形无关。此外， 对于隧道底部的土压力，考虑为反向土压力，作 为地基反力处理。
• 地基反作用力是地基反作用系数和衬砌位移的产物，由围 岩韧度和管片衬砌的刚度决定，而管片衬砌的刚度取决于 管片刚度及接缝的数目和类型
• 地基反力的常用计算法中，对垂直方向的与地基位移无关 的地基反力取与垂直荷载相平衡的均布反力；另一方面， 作用在隧道侧面的水平方向的地基抗力，则是伴随衬砌向 围岩方向的变形而产生的，故在衬砌水平直径上下45°中 心角范围内，采用以水平直径为顶点，三角形分布的地基 抗力。
盾构法隧道管片衬砌纵缝接头受力模型的研究
盾构法隧道管片衬砌纵缝接头受力模型的研
究
随着交通建设的发展，深井隧道是当今交通建设中必不可少的基础设施，但在隧道施工中如何保证施工质量和安全却是一个重要的课题。
针对这一问题，本文旨在研究地面板-横板双盾构法隧道的管片衬砌纵缝接头受力性能。
基于前人研究成果，本文建立管片衬砌纵缝接头受力模型，综合考虑了摩擦系数、地震作用等因素，并加入一定程度水平位移，利用有限元方法和计算机仿真技术，分析了不同水平重叠长度、不同纵缝尺寸、不同网格细分精度和摩擦系数对管片衬砌纵缝接头受力的影响，探究受力模型的正确性和准确度，为实际施工提供参考依据和理论支撑。
盾构隧道衬砌类型及分块
管片分块
2.衬砌管片拼装 (2)拼装顺序 ◆管片放在设有转盘的专门小车上，运到举重器处，在这转盘上转动管 片，使管片垂直于隧道轴线方向，并将其平放在对准举重钳的位置上，将举 重钳的摇轴插入管片螺栓孔中，缩回举重臂，将管片提起，再将举重臂沿隧 道环向旋转，将管片对准安放的地方就位。 ◆拼装时，按先纵后环的顺序，将管片逐块先与上一环管片拼接好，最 后封顶成环。这种拼装顺序，可轮流缩回和伸出千斤顶活塞杆以防止盾构后 退，减少开挖面土体的走动。
盾构隧道衬砌类型
管片分块
1.单层衬砌 止水带
(1)装配式衬砌
②板形管片
手孔
注浆孔
A-A 视图 螺栓孔
图7-17 平板形管片结构图
盾构Байду номын сангаас道衬砌类型
1.单层衬砌 (1)装配式衬砌 ②板形管片
管片分块
盾构隧道衬砌类型
管片分块
1.单层衬砌 (1)装配式衬砌 ③复合管片 ●其外部孤面采用钢板焊接成为钢壳，在钢壳内部用钢筋混凝土浇灌而 成，形成由钢板和钢筋混凝土复合而成的管片。 ●常用于普通隧道的特殊区段。 ●它的优点是强度大于钢筋混凝土管片，抗渗性特别好；抗压性与韧性 比铸铁管片高。 ●但耐腐蚀性差，造价也较高，如无特殊要求时，不宜大量采用。
盾构隧道衬砌类型
管片分块
1.单层衬砌 (1)装配式衬砌 ④铸铁管片 ●这种管片重量轻、耐腐蚀性好、材质均匀、强度高、机械加工后的 精度要求高、接头刚度大、拼装准确，因此防水效果也好。 ●但是造价非常高，因此只限于用在建筑物下面需要高强度管片的部 位或盾构法施工的车站、通风口、泵站等位置。
盾构隧道衬砌类型
盾构隧道衬砌类型
3.管片接头螺栓 (2)弯螺栓接头 ◆在管片上预留出供弯螺栓穿过的弓 形孔道，并在适当位置留出必要的凹槽， 称为手孔， ◆是一种较为经济的接头形式，在我 国地铁工程中使用较多，但与直螺栓接头 相比，拼装要麻烦一些。
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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。
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
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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
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、
变形模量、K0 第三步：选择危险断面
如超载、地面荷载、地下水及邻近建筑物影响的
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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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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)
2010-0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
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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
• 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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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
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
（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。
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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
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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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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4.1.1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
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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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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）。
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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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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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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。
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隧道的断面及周围的土体情况图
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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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图4-1 盾构隧道衬砌设计的流程图
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
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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