衬砌结构设计
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
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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
其中：
pg g
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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
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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
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课件类
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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。
• 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。
隧道衬砌结构形式的选择与设计
隧道衬砌结构形式的选择与设计隧道是现代交通建设的重要组成部分，为了确保隧道的安全和持久性，衬砌结构的选择和设计显得尤为重要。
衬砌结构的形式因地质条件、隧道用途和材料等多种因素而异，合理的选择和设计能够提高隧道的承载能力、防护能力和使用寿命。
在隧道衬砌结构设计中，常见的形式包括刚性衬砌和柔性衬砌两种。
刚性衬砌一般使用混凝土或钢筋混凝土作为材料，具有较高的强度和刚度，能够有效支撑土体和承受外部荷载。
刚性衬砌结构适用于地质条件较为稳定的地区，如岩石地层，能够为隧道提供良好的垂直支撑和水平限制。
另一种常见的衬砌结构形式是柔性衬砌，它使用聚合物材料或钢筋网格等柔性材料构成。
柔性衬砌能够适应地质条件的变化，具有较好的变形能力和适应性，能够有效缓解隧道结构因地质条件变化引起的应力和变形。
柔性衬砌结构适用于地质条件较为复杂且不稳定的地区，如软土地层或断层带等，能够降低地层位移对隧道的影响。
在实际工程中，根据不同的地质条件和隧道用途，通常会选择刚性衬砌和柔性衬砌的组合形式。
即在隧道的底部和侧面选择刚性衬砌，而在隧道顶部选择柔性衬砌。
这样的设计既能够提供足够的支撑和保护，又能够适应地质条件的变化。
除了衬砌的形式，衬砌的厚度也是设计过程中需要考虑的重要因素。
衬砌的厚度直接关系到隧道的强度和稳定性。
一般来说，较为稳定的地质条件下，衬砌的厚度可以适当减小；而在地质条件较为复杂或不稳定的地区，衬砌的厚度则需要增加以提高隧道的抗变形能力和稳定性。
此外，隧道衬砌结构还需要考虑防水和排水等工程要求。
隧道作为地下工程，常常受到地下水的浸泡和渗透，因此设计中必须采取相应的措施来保证隧道的防水性能。
同时，隧道衬砌结构还需要设置适当的排水系统，快速排除积水，确保隧道的安全使用。
综上所述，隧道衬砌结构形式的选择与设计在地下工程中具有重要作用。
通过合理的选择和设计，能够提高隧道的承载能力、防护能力和使用寿命，确保隧道的安全和可靠性。
而混合采用刚性衬砌和柔性衬砌的组合形式，能够更好地适应地质条件的变化。
隧道工程的衬砌结构设计与施工
隧道工程的衬砌结构设计与施工隧道是现代交通建设中重要的基础设施之一，通过地下开挖形成的通道，通常用于道路、铁路和地铁等的交通运输方式。
而隧道的衬砌结构设计与施工是隧道工程的重要环节之一，它直接关系到隧道的使用寿命和安全性能。
一、衬砌结构设计隧道衬砌结构是指将隧道内部的固定土层覆盖以保持其形状和稳定性的一种结构。
它起到保护隧道免受岩石坠落、土方塌方以及地下水侵蚀等问题的影响。
隧道衬砌结构的设计需要根据具体的地质条件、交通要求和工程预算等因素进行综合考虑。
1. 衬砌材料选择隧道衬砌结构的材料选择是设计的重要一环。
常见的隧道衬砌材料有混凝土、预制混凝土块、钢质和纤维增强复合材料等。
不同的材料有着不同的优势和适应性，需要根据具体情况进行综合比较选择，同时还需要考虑到施工的可行性和经济性。
2. 结构形式设计隧道衬砌结构的形式设计是根据具体的隧道类型和地质条件等因素决定的。
常见的衬砌结构形式有方形衬砌、圆形衬砌以及不规则形状的衬砌等。
在设计中需要考虑到隧道的通行能力和安全性能，并进行合理的优化设计。
3. 衬砌厚度设计隧道衬砌结构的厚度设计是保证隧道稳定性和安全性能的关键因素。
根据地质条件和设计要求，需要确定适当的衬砌厚度来满足工程要求。
同时，还需要考虑到隧道的使用寿命和施工成本等因素。
二、衬砌施工隧道衬砌结构的施工是整个隧道工程的重要环节。
衬砌施工的质量直接影响隧道的使用寿命和安全性能，因此需要高度重视。
1. 施工材料准备在进行衬砌施工前，需要对施工材料进行准备。
包括混凝土、预制构件、钢材以及其他施工所需材料的准备和配送。
确保施工材料的质量和供应能够满足施工需求。
2. 衬砌施工方法隧道衬砌的施工方法有多种选择，常见的有预制块施工、浇筑施工等。
不同的施工方法有着不同的适应性和经济性，需要根据具体情况进行选择。
在施工过程中，要注意施工工艺的合理性和施工作业的安全性。
3. 质量控制隧道衬砌施工的质量控制是确保施工质量的关键因素之一。
毕业设计之隧道衬砌
毕业设计之隧道衬砌翠峰山隧道衬砌设计5.1 概述隧道洞身的衬砌结构根据隧道围岩地质条件、施工条件和使用要求大致可以分为以下几种类型：喷锚衬砌、整体式衬砌和复合式衬砌。
规范规定，高速公路的隧道应采用复合式衬砌。
隧道衬砌设计应综合考虑地质条件、断面形状、支护结构、施工条件等，并应充分利用围岩的自承能力。
衬砌应有足够的强度和稳定性，保证隧道长期安全使用。
注：1、隧道高度h=内轮廓线高度+衬砌厚度+预留变形量；2、隧道跨度b=内轮廓线宽度+衬砌厚度+预留变形量。
5.2深埋衬砌内力计算5.2.1深、浅埋的判断隧道进、出口段埋深较浅，需按浅埋隧道进行设计。
由明洞计算可知：h q =0. 45⨯2S -1[1+i (B -5)]（5.1）式中：s —围岩的级别，取s =4；B —隧道宽度i —以B =5.0m的垂直均布压力增减率，因B =11.8m>5m，所以i =0.1。
带入数据得：h q =6.264对于Ⅳ级围岩: H p =2.5h q =2.5⨯6.264=15.66 深埋：h ＞H p ；浅埋：h q ＜h ≤H p ；超浅埋：h ≤h q 。
5.2.2围岩压力计算基本参数：围岩为Ⅳ级，容重γ=20kN /m 3，围岩的弹性抗力系数K =0.5⨯106kN /m 3，衬砌材料为C25钢筋混凝土，弹性模量E h =2.95⨯107KPa 。
1、围岩垂直均布压力根据《公路隧道设计规范》(JTG D70-2019) 的有关计算公式及已知的围岩参数，代入公式：q =0.45⨯2S -1⨯γ⨯ω（5.2）式中： S —围岩的级别，取S=4；γ—围岩容重，根据基本参数γ=23 KN/m3；ω—宽度影响系数，由式ω=1+i(B-5)=1.76计算； B —隧道宽度，B=2⨯（5.7+0.5+0.5）=12.4m；i —以B=5.0m的垂直均布压力增减率。
因B=12.6m>5m,所以i=0.1。
所以围岩竖向荷载： q =0.45⨯24-1⨯20⨯1.74=125.28KN /m 2 2、围岩水平均布压力5 e =0. 2q （5.3）式中：Ⅳ类围岩压力的均布水平力e =(0.15~0.3)q ，这里取值0.25 代入数据得：25125. =28K 3N 1. 3m 2 0. 2⨯/5.2.3衬砌几何要素计算图示如下q1234567R 78R 图5.1 衬砌结构计算图示1、衬砌几何尺寸内轮廓线半径:r 1=5. 70m , r 2=8. 20m ；拱轴线半径：r 1' =5.95m ，r 2' =8.45m ；拱顶截面厚度d 0=0.5m ,拱底截面厚度d n =0.5m。
衬砌结构
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。
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。
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 隧道衬砌的建筑材料及要求 - 混凝土与钢筋混凝土
强度足够而且耐久； 能立即承受荷载；
隧道构造设计
---洞身支护结构的构造
•
装配简便，构件类型少，形式简单，尺寸统一，便于工业化制做和机 械化拼装；
• •
构件尺寸大小和重量适合拼装机械的能力；
有防水的设施
- 喷锚支护 - 喷射混凝土支护层
•
喷射混凝土的拌和材料是：标号不低于325号的普通硅酸盐水泥和粒经
H—净高，一条公路应用一个净高，高速公路和一级、二级公路为5.0m； 三、四级公路为4.5m；
E—建筑限界顶角宽度，当L≤1m时，E=L；当L＞1m时，E=1m； L—侧向宽度，高速公路、一级公路的侧向宽度为硬路肩宽度（L1或L2）， 其它各级公路的侧向宽度为路肩宽度减去0.25m；
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
直线隧道净空— 要比“隧道建筑限界”稍大一些，还考虑了在不同的围 岩压力作用下，衬砌结构的合理受力形状（拱部采用三心圆，边墙采用 直墙式或曲墙式）以及施工方便等因素。
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
基本建筑限界
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
最大级超限货物装载限界
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
连拱式 边墙衬砌
• • •
适用于地质比较差，岩石松散破碎，强度不高，又有地下水，侧向水
隧道衬砌结构设计课程设计
隧道衬砌结构设计课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解隧道衬砌结构的基本概念、分类和作用；2. 掌握隧道衬砌结构设计的基本原理和方法；3. 了解隧道衬砌结构施工技术及其质量控制措施；4. 了解隧道衬砌结构在工程中的应用及发展趋势。
技能目标：1. 能够分析隧道衬砌结构设计中的主要荷载及其作用机理；2. 能够运用专业知识进行隧道衬砌结构的设计计算；3. 能够根据设计要求，合理选择隧道衬砌结构材料和施工工艺；4. 能够对隧道衬砌结构设计进行合理的优化，提高结构性能和经济效益。
情感态度价值观目标：1. 培养学生热爱工程专业，增强对隧道工程建设的责任感和使命感；2. 培养学生严谨的科学态度和团队合作精神，提高解决实际问题的能力；3. 增强学生环保意识，让学生认识到隧道衬砌结构设计在资源利用和环境保护方面的重要性；4. 激发学生创新意识，鼓励学生探索隧道衬砌结构设计的新方法和新工艺。
本课程针对高年级土木工程专业学生，结合课程性质、学生特点和教学要求，明确以上课程目标，旨在使学生在掌握基本理论知识的基础上，提高解决实际工程问题的能力，为将来从事隧道工程设计和管理奠定坚实基础。
通过对课程目标的分解和实现，培养学生成为具有专业知识、实践技能和创新精神的土木工程人才。
二、教学内容1. 隧道衬砌结构基本概念：包括隧道衬砌结构的定义、分类、功能及其在隧道工程中的重要性；参考教材章节：第一章第一节。
2. 隧道衬砌结构设计原理：介绍隧道衬砌结构设计的基本原理、设计方法及主要设计规范；参考教材章节：第二章。
3. 隧道衬砌结构设计计算：详细讲解隧道衬砌结构设计中的荷载分析、内力计算、截面设计等；参考教材章节：第三章。
4. 隧道衬砌结构材料与施工技术：介绍隧道衬砌结构常用材料及其性能要求，探讨施工工艺及质量控制措施；参考教材章节：第四章。
5. 隧道衬砌结构设计实例分析：分析典型隧道衬砌结构设计案例，使学生掌握实际工程设计方法；参考教材章节：第五章。
隧道衬砌设计检算
隧道衬砌设计检算
隧道衬砌设计检算是一种专门用于计算隧道衬砌的工作。
它包含对衬砌结构的检查、分析和计算，以确保衬砌的安全性能，确保衬砌的机械特性，以及确保衬砌的维护和维修方面的要求。
隧道衬砌设计检算的基本方法是通过给定衬砌材料的力学参数，根据衬砌结构的外形和尺寸，采用适当的数学方法，来计算和分析衬砌结构的承载能力。
衬砌设计检算的目的一般有2个：第一，确保衬砌结构能够抵御外界荷载；第二，确保衬砌结构的维护和维修要求。
衬砌设计检算的基本步骤主要包括：
1. 设计荷载的确定：衬砌设计的第一步就是确定设计荷载，即需要考虑的最大外部荷载，如：重力荷载、水位荷载、地震荷载等。
2. 基础模型和计算模型的确定：根据设计荷载的确定，再确定基础模型和计算模型，如线性、非线性、稳定性分析等。
3. 衬砌材料的力学参数的确定：根据衬砌材料的性能，确定衬砌材料的力学参数，如抗弯刚度、抗压强度、抗拉强度、屈服强度等。
4. 衬砌结构受力的分析：根据设计荷载和衬砌材料的力学参数，采用适当的计算模型，对衬砌结构受力情况进行分析，以及衬砌结构受力的最大值。
5. 衬砌结构的安全性能分析：根据衬砌结构受力的分析，采用适当的安全系数，确定衬砌结构的安全性能，并确定衬砌结构能够抵御外部荷载的能力。
6. 维护和维修要求的分析：根据衬砌结构的安全性能分析结果，确定衬砌的维护和维修要求，如衬砌的检测要求、衬砌的修理要求等。
隧道衬砌设计检算是隧道施工中必不可少的一个工作，其目的是确保衬砌的安全性能和维护维修要求。
在进行衬砌设计检算时，必须正确确定设计荷载、衬砌材料的力学参数及衬砌结构受力的分析，以便确保衬砌能够抵御外部荷载，保证衬砌的安全性能和维护维修要求。
隧道二次衬砌结构设计方案
1 问题提出
隧道二次衬砌是在初期支护完成后才施做的内 层衬砌 ,是工程永久性承载结构的一部分 ,对提高隧 道使用寿命和外观质量具有重要的作用 。对于隧道 衬砌混凝土是否设置钢筋 ,国内外设计一般都是根 据计算并参照以往的工程经验综合确定 。对于国内 设计 ,由于二次衬砌混凝土设计强度一般较低 ,所以 隧道内大量设置了全断面配筋 ,甚至整个隧道都是 全断面配筋 。在欧洲 ,其设计理念则是通过提高混 凝土强度或衬砌厚度 ,从而限制或者避免洞内大面 积采用钢筋混凝土 ,而全断面设置钢筋主要是在洞 口 ,洞内主要在拱脚 ,全断面设置钢筋区段通常都很 短。
N Rdo < N u < N Rd
(6)
e < 0. 3hw
(7)
③如果同时满足 (6) 和 (8) , 则截面设计不足 ,需
要采取配筋加强措施 。
e > 0. 3hw
(8)
④如果截面极限设计轴力满足 (9) ,
N u < N Rdo
(9)
则截面不再需要检查 , 截面设计是满意的 。
2 . 2 截面剪力复核
( 2)
在基本荷载组合下 :
N Rd = 0 . 74 bhw f cj (1 - 2 e/ hw )
( 3)
在偶然荷载组合下 :
N Rd = 0 . 57 bhw f cj (1 - 2 e/ hw )
《衬砌结构设计》课件
3 经济性
衬砌结构的设计应考虑经济性，选择合适的 材料和施工方法，降低成本。
4 可靠性
衬砌结构的设计应确保结构的可靠性，防止 出现失效和损坏。
四、衬砌结构的设计流程
1
确定工程背景
了解工程的背景信息、设计要求和限制
输送环境的分析
2
条件。
分析输送介质的性质、温度、压力和流
速等参数。
3
确定衬砌种类
根据输送环境的特点选择适合的衬砌种
六、衬砌结构的检测和维护
1 衬砌结构的检测内容
衬砌结构的检测内容包括尺寸偏差、材料质量和施工质量等。
2 衬砌结构的维护方法
采用合适的维护方法，包括定期检查、修补和更新等。
七、衬砌结构的发展趋势
衬砌结构材料的发展
衬砌结构材料的发展趋势包括新材料的应用和材料 性能的改进。
衬砌结构的智能化发展
衬砌结构的智能化发展趋势包括传感器的应用和远 程监测技术的发展。
二、衬砌结构的分类
按照形态分类
衬砌结构可以分为面板式衬砌、管道式衬砌和块状 衬砌等几种形态。
按照材料分类
衬砌结构可以分为混凝土衬砌、钢板衬砌 承载能力
衬砌结构的设计应考虑承载能力，确保能够 承受预期的荷载和力学要求。
2 寿命
衬砌结构的设计应选择适当的材料和施工工 艺，以延长结构的使用寿命。
八、结论
衬砌结构设计的重要性
衬砌结构设计是保护主体结构的重要环节，直接 影响结构的承载能力和寿命。
未来衬砌结构发展的前景
随着技术的进步和需求的增加，衬砌结构将继续 发展，应用范围将更加广泛。
九、参考文献
1. 衬砌结构设计手册 2. 衬砌结构施工规范 3. 衬砌结构检测与维修技术
总结坑道工程常用衬砌的结构特点、适用条件和设计要点
总结坑道工程常用衬砌的结构特点、适用条件和设计要点衬砌是坑道工程中最重要的结构之一，它可作为混凝土结构的基础，也可作为钢筋混凝土结构的支撑体。
其作用是支承混凝土结构的自重和受荷载。
其优点是具有较强的抗剪强度、防水、防渗和抗变形能力。
同时，混凝土衬砌结构简单，施工方便，节约材料。
但在施工中由于使用了大量的新材料和混凝土强度不高而导致质量事故较多。
因此，衬砌结构应在设计时进行充分评估和选择。
衬砌结构的常见类型有：板式环衬砌（现称钢-混凝土-板式组合形式);钢板式环结构；圆柱式或钢管形。
每种结构形式均有各自的特点，各有适用条件，设计时应注意因地制宜，具体分析。
现将常用坑道衬筑的一些常见类型的结构介绍如下。
一、板式环衬砌板式环是由钢板和混凝土组成的，当表面层厚度为30~50 mm时，钢板厚度为6~12 mm,混凝土厚度为30~60 mm,该结构可根据要求采用钢-胶结钢、钢板-混凝土-钢-混凝土等多种形式。
板式环衬砌的优点是具有较强的抗剪强度；结构简单、施工方便、节省材料；且重量轻、便于运输、节省材料。
在混凝土厚度为20~30 mm时，板式环结构具有较好的抗变形能力和良好的抗剪强度；厚度为40~60 mm时，板式环结构具有较好的抗变形能力和良好的抗冻融能力，且板式环结构在受力后也不会产生裂缝和变形。
但在施工过程中，板式环一般处于垂直于坑道轴线方向或水平于坑道轴线方向。
因此，它易受地下水活动的影响，从而易出现裂缝，而且容易出现裂纹。
由于钢-混凝土-板式组合形式具有较好的抗剪强度和抗冻变形能力，所以在设计中应注意选择材料的品种、牌号和尺寸等细节问题。
由于坑道中常用钢板板厚度为40~60 mm,通常较厚板板、钢板组合形式是最常用的结构形式。
"二、钢板式环结构坑道中使用的钢板式环，主要是采用Q235钢板，混凝土通过预埋件在钢板上进行连接，钢板的厚度与混凝土板的厚度相同。
钢板式环结构是由钢板和混凝土板组成的钢-钢板环，钢板是由厚度在3~4 mm的钢板制成的。
隧道衬砌说明
γ sc N k ≤ ϕαbhf ck / γ Rc
（二）抗裂验算（10.3.1）
γ sc N k (6e 0 − h ) ≤ 1.75ϕbh 2 f ctk / γ Rc
参数说明：
1、混凝土衬砌构件抗压验算时作用效应分项系数 γ sc 和抗力分项系数 γ Rc （表 10.2.1-1） （附表 3） 2、轴向力N k 从模型中读取 3、 ϕ、α、b、h 同上 4、 fck 抗压强度标准值， fctk 抗拉强度标准值（表 5.2.1） （附表 4）
（一）抗压强度验算
KN ≤ ϕαR αbh
参数说明：
1、安全系数 K 值得选取（9.2.4-1） （附表 1） 2、轴向力 N 从计算结果中读取 3、纵向弯曲系数 ϕ 对于隧道衬砌取 1 4、 α 与e 0 /h有关系（表 9.2.11-2）
（1-1）
α = 1 + 0.648(e 0 / h ) − 12.569(e 0 / h ) 2 + 15.444(e 0 / h ) 3
表-附 3 混凝土衬砌构件抗压验算各分项系数 结构类型 作用效应分项系数 γ sc 抗力分项系数 γ Rc 单线深埋隧道衬砌 3.95 1.85 单线偏压隧道衬砌 1.6 1.83 单线明洞混凝土衬砌 2.67 1.35
表-附 4 混凝土强度标准值（MPa） 强度种类 符号 强度等级 C15 10 11 1.4 C20 13.5 15 1.7 C25 17 18.5 2 C30 20 22 2.2 C40 37 29.5 2.7 C50 33.5 36 3.1
ρ te = A S / A ce
6、有效受拉混凝土截面面积 A ce
= 0.5bh / u （u 为纵向受拉钢筋截面周长的总和）
140-演示文稿-剪切滑移破坏法、复合式衬砌结构耐久性设计
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
•提出确保混凝土耐久性的施工质量关键控制要求与 措施；
•确定钢筋混凝土保护层厚度； •提出对结构应采取的防腐蚀附加措施； •明确结构使用过程中的检测、养护、维修或局部更 换的要求。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
( 一 ) 初期支护的耐久性
1. 喷混凝土 在腐蚀性严重的场合，喷混凝土的强度等级应不低 于二次衬砌混凝土的强度等级； 喷混凝土的强度要满足长期强度（ 28d ）的要求， 且 1d 的抗压强度不宜小于 10MPa 。 2. 锚杆 锚杆宜采用全长灌浆式锚杆，并应设置垫板。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
化学侵蚀环境
化学侵蚀类型
硫酸盐 侵蚀
盐类结 晶侵蚀 酸性侵
蚀 二氧化 碳侵蚀 镁盐侵
蚀
环境水中 SO42-含量 (mg/L)
强透水性环境土中 SO42-含量(mg/kg) 弱透水性环境土中 SO42-含量(mg/kg) 环境土中 SO42-含量
(mg/kg)
管理等级 Ⅲ Ⅱ Ⅰ
变形管理等级
管理位移 U＜U0/3 U0/3≤U≤2U0/3 U＞2U0/3
施工状态 可正常施工 应加强支护 应采取特殊措施
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
4. 隧道失稳的经验先兆： •局部块石坍塌或层状劈裂，喷层的大量开裂； •累计位移量已达极限位移的 2/3 ，且仍未出现收敛 减缓的迹象； •每日的位移量超过极限位移的 10 ％； •洞室变形有异常加速，即在无施工干扰时的变形速 率加大。
•在施工阶段可利用位移反分析求得的围岩力学指标 和荷载分布状况，通过计算模拟取出极限位移。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
隧道衬砌结构设计模式及基本思想
隧道衬砌结构设计模式及基本思想
隧道衬砌结构是指在隧道施工中,为了保证洞壁安全稳定而设置的钢筋混凝土或灰铁铸造构件。
隧道衬砌结构的设计模式主要有以下两种：
1. 型式衬砌：型式衬砌是按照隧道洞壁的内部轮廓设计制作的构件,一般由多个局部形状构成。
型式衬砌的制作需要根据隧道洞壁的实际情况进行测量设计,并在施工过程中精确安装。
2. 环缝衬砌：环缝衬砌是将钢筋混凝土或纤维增强复合材料进行一定长度的锥形加工,使其呈环形状衬在洞壁上,从而形成完整的环状结构。
环缝衬砌的制造、运输和安装过程相对较简单,适用于规模较大的隧道施工。
以上两种设计模式的基本思想在于根据隧道洞壁的形状和尺寸,选用合适的材料、制作技术和安装方式,以保证隧道施工的稳定安全性。
混凝土隧道衬砌的标准设计
混凝土隧道衬砌的标准设计一、前言混凝土隧道衬砌是一种常见的隧道结构形式，其主要作用是保护隧道支护结构，防止地下水入侵、塌方等地质灾害，同时也能够起到隔音、隔热和防火等作用。
因此，混凝土隧道衬砌的设计和施工具有重要的意义。
本文将对混凝土隧道衬砌的标准设计进行详细阐述。
二、基本要求1.材料：混凝土隧道衬砌应选用符合国家标准的高强度混凝土，其强度等级应不低于C30。
2.设计：混凝土隧道衬砌的设计应符合国家标准和相关规范的要求，应根据地质条件、隧道长度、断面形状、埋深和交通荷载等因素进行综合考虑，确保其安全性、经济性和使用寿命。
3.施工：混凝土隧道衬砌的施工应符合国家标准和相关规范的要求，应采用先进的施工技术和设备，确保施工质量和安全。
三、断面形状混凝土隧道衬砌的断面形状应根据隧道的使用要求、地质条件和交通荷载等因素进行综合考虑，通常采用圆形、拱形、马蹄形、矩形等形状。
1.圆形：圆形断面形状适用于隧道埋深较浅、地质条件较好、交通荷载较小的情况下使用，其优点是结构简单、施工方便、荷载传递均匀，但缺点是空间利用不充分。
2.拱形：拱形断面形状适用于隧道埋深较大、地质条件较差、交通荷载较大的情况下使用，其优点是结构稳定、抗震性能好、空间利用充分，但缺点是施工难度较大。
3.马蹄形：马蹄形断面形状适用于隧道埋深较浅、地质条件较差、交通荷载较大的情况下使用，其优点是结构稳定、施工方便、空间利用充分，但缺点是荷载传递不均匀。
4.矩形：矩形断面形状适用于隧道埋深较浅、地质条件较好、交通荷载较小的情况下使用，其优点是结构简单、施工方便、空间利用充分，但缺点是结构不稳定、抗震性能差。
四、设计原则1.强度：混凝土隧道衬砌应具有足够的强度和刚度，能够承受交通荷载和地下水压力等荷载，同时还应具有一定的抗震性能。
2.耐久性：混凝土隧道衬砌应具有良好的耐久性，能够抵抗气候变化、酸碱腐蚀、冻融循环等各种外界环境的影响，保证其长期稳定使用。
隧道衬砌施工技术要点与验收标准
隧道衬砌施工技术要点与验收标准隧道是现代交通建设的重要组成部分，隧道的衬砌施工是隧道建设中重要的环节。
本文将从隧道衬砌施工的技术要点和验收标准两方面进行探讨。
一、技术要点1. 材料选择隧道衬砌的主要材料包括混凝土、钢筋等。
混凝土的抗压强度应符合设计要求，并且应具有良好的抗渗性和耐久性。
钢筋的质量应符合相关标准，能够提供足够的抗拉强度和抗腐蚀能力。
2. 衬砌结构设计衬砌结构设计应根据隧道的具体情况进行，考虑到地质条件、荷载要求等因素。
常见的衬砌结构包括单拱、双拱、圆形、马鞍形等形式，设计应保证结构的稳定性和承载能力。
3. 衬砌施工工艺隧道衬砌的施工工艺包括模板制作、混凝土浇筑等环节。
模板的制作应精确，确保衬砌的几何形状和尺寸符合设计要求。
混凝土的浇筑应采用适当的方法和设备，确保混凝土的均匀性和密实性。
4. 施工质量控制隧道衬砌施工的质量控制包括施工过程中的检测、检验和验收等环节。
施工过程中应进行严格的质量监控，检测混凝土强度、钢筋位置等指标，确保施工质量符合要求。
施工结束后应进行验收，检查衬砌的平整度、表面质量等，并做好相关记录。
二、验收标准1. 衬砌尺寸验收时应检查衬砌的几何尺寸是否符合设计要求。
包括衬砌的厚度、宽度、半径等参数，应符合设计图纸的要求。
2. 表面质量验收时应检查衬砌表面的质量。
包括表面的平整度、光洁度、无裂缝、蜂窝等缺陷，要求表面平整度≤5mm。
3. 强度指标验收时应进行衬砌强度测试，检测混凝土的抗压强度是否符合设计要求。
验收标准一般按照设计强度的80%进行评定。
4. 钢筋质量验收时应检查钢筋的质量。
包括钢筋的种类、直径、间距、位置等指标，应符合设计图纸的要求。
5. 渗漏检测验收时可以采用水压测试等方法进行渗漏检测，检查衬砌的渗漏情况是否符合要求。
验收标准一般要求无漏水现象。
6. 焊接质量对于采用钢筋混凝土衬砌结构的隧道，需要对焊接质量进行验收。
包括焊缝的强度、外观质量等指标，焊缝不应有开裂、夹渣等缺陷。
5《公路隧道设计规范JTG 3370.1-2018》宣贯-衬砌结构设计
重庆交通科研设计院 技 术 讲 座《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》（JTG D70-1-2018）宣贯2019.06.22重庆交通科研设计院技 术 讲 座1959年9月生 重庆市人1982年毕业于重庆建筑工程学院地下建筑专业 学士中国公路学会隧道工程分会理事；重庆市授予：“重庆市优秀专业技术人才” 。
享受国务院“特殊政府津贴”专家参与《公路隧道设计规范》、《公路隧道施工技术规范》《公路水下隧道设计规范》的编写。
程崇国 专业方向：地下工程结构、隧道勘察设计，科研，施工控制主要成就: 从事隧道专业技术工作30多年。
主持或参与了勘察设计项目近30多项；科研项目10多项；工程咨询、隧道施工控制近20项，获各类科研成果25项，发明专利3项，新型实用专利3项，发表论文16篇，参与编著著作与手册6部。
重庆交通科研设计院 技 术 讲 座8 衬砌结构设计（38页）本章有6节，共44条，将04规范第9章的“构造要求”一节移到本章。
8.1 一般规定 8.2 喷锚衬砌 8.3 整体式衬砌 8.4 复合式衬砌 8.5 明洞衬砌 8.6 构造要求重庆交通科研设计院技 术 讲 座8.1.1 公路隧道应设置衬砌，根据隧道围岩级别、施工条件和使用要求选择采用喷锚衬砌、整体式衬砌、复合式衬砌。
高速公路、一级公路、二级公路的隧道应采用复合式衬砌；三级及三级以下公路的隧道洞口段、Ⅳ~Ⅵ级围岩洞身段应采用复合式衬砌或整体式衬砌，Ⅰ～Ⅲ级围岩洞身段可采用喷锚衬砌。
（与原规范一致）8.1.1 公路隧道应作衬砌，根据隧道围岩地质条件、施工条件和使用要求可分别采用喷锚衬砌、整体式衬砌、复合式衬砌。
高速公路、一级公路、二级公路的隧道应采用复合式衬砌；三级及三级以下公路隧道，在I 、II 、III 级围岩条件下，除洞口段外可采用喷锚衬砌。
隧道洞口段应采用复合式衬砌或整体式衬砌。
8 衬砌结构设计2004版 2018版重庆交通科研设计院 技 术 讲 座 8.1.2 隧道衬砌设计应综合考虑围岩地质条件、断面形状、支护结构、施工条件等，充分利用围岩的自承能力。
10 单层衬砌结构设计
第五章支护结构设计第五节单层衬砌结构设计✓单层衬砌定义✓单层衬砌应用现状✓设计基本理论✓单层衬砌围岩稳定性分级✓单层衬砌结构形式✓用作单层衬砌的喷射混凝土力学指标主要内容一、单层衬砌定义单层衬砌是由单层或多层混凝土构成的支护体系，支护层与衬砌层是一体的，各层间能够充分传递剪力的支护体系，称为单层衬砌。
最新的定义：取消防水板的前提下，洞室开挖后立即喷射一层具有防水性能的混凝土，并根据围岩级别设置必要的支护构件，如锚杆、钢拱架等，然后根据耐久性及平整度的要求，再施作（喷射或模筑）一层或多层混凝土，构成层间具有很强粘接力并可充分传递剪力的支护体系。
单层衬砌单层衬砌的承载机理通过各混凝土层间径向和纵向上的抗滑移性，使得各混凝土层形成共同承载体系。
近似地，可以把单层衬砌结构看作“组合梁”来分析其力学特性；复合式衬砌其结构类似于“叠合梁”的力学行为。
二、单层衬砌应用现状以色列海法市卡迈尔公路隧道以色列海法市卡迈尔公路隧道圣哥达山底隧道FAIDO多功能站的平面图瑞士的VEREINA铁路隧道钻爆法施工的单层衬砌和用TBM施工的单层衬砌瑞士阿尔卑斯山的旅游铁路车站隧道斯德哥尔摩地铁车站和地铁换乘大厅芬兰赫尔辛基地铁区间及车站地下酒窖挪威Gjolasvik 地下体育馆成昆铁路布祖湾隧道西安南京铁路万军迴隧道钢纤维喷混凝土单层衬砌茶园涪陵二级公路上的关长山隧道采用C25聚丙烯纤维喷射混凝土单层衬砌三、设计基本理论——松动圈支护理论1、围岩松动圈的概念20世纪70年代末，以董方庭教授为首的课题组，提出了围岩破裂过程中的岩石碎胀变形（碎胀力）是支护的对象，并把在围岩中发展的这个破裂区定义为围岩松动圈；在国内外首先提出了“围岩松动圈支护理论”。
其主要包括三部分：围岩松动圈支护理论、围岩松动圈分类方法以及围岩松动圈喷锚支护技术。
2、围岩松动圈支护理论的立论：围岩松动圈是隧道开挖后客观存在和普遍存在的；支护对象为松动破裂发展中的岩石碎胀变形或碎胀力；支护的作用一方面是维护破裂的岩石在原位不垮落，另一方面是限制围岩松动圈形成过程中的有害变形。
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明洞
K23+300～K23+310
Ⅴ加强
K23+310～K23+407
Ⅴ
K23+407～K23+567
Ⅳ
K23+567～K23+773
Ⅲ
K23+773～K23+987
Ⅳ
K23+987～K24+73
Ⅲ
K24+073～K24+213
Ⅳ
K24+213～K24+387
Ⅲ
K24+387～K24+513
Ⅳ
K24+513～K24+
向1.5m ； Ⅳ级围岩采用纵向1.2m ,环向1.2m；Ⅴ级围岩采用纵向1.0 m ,环向1.0m。
3、2钢筋网
1）设计的规定 钢筋网与锚杆焊接在一起，提高围岩的整体稳定性，提高喷射混凝土的抗剪和抗 弯能力，减少喷射混凝土的收缩裂纹防止局部掉块。通常钢筋网设计应符合以下规定： a、钢筋网网格应矩形布置，网格间距为150mm～300mm； b、钢筋网钢筋的搭接长度应不小于30d（d为钢筋直径）； c、钢筋网喷射混凝土保护层厚度不小于20mm，当采用双层钢筋网时，两层钢筋网之 间的间距应不小于60mm；
3552.5
明洞开挖线
176.9
明洞开挖线
668.4
1∶ 0.5
隧道中线
1∶ 0.5 1
1∶
1∶ 1
600
100
269.467
1.5%
600
640.5
1262
100
50
600
450
20 45
C15片石混凝土仰拱回填 C25防水钢筋混凝土仰拱 C20喷射混凝土
1112
45 20
Ⅴ级围岩衬砌图
20 45
WTD25中空注浆锚杆L=300
纵向间距120，环向间距120 梅花型布置
C20喷射混凝土+挂φ8钢筋网25x25cm EVA复合防水板 C25防水混凝土
35 15
877.1
隧道中线
WTD25中空注浆锚杆L=350 纵向间距100，环向间距100
梅花型布置
100 100
C20喷射混凝土+挂φ8钢筋网20x20cm EVA复合防水板
C25防水钢筋混凝土
45 20
877.1
隧道中线
R1=556
通讯电缆沟 102.3
R2=806
O1
900
1.5%
R2=806
O2 电力电缆沟 92.3
R1=556
通讯电缆沟 102.3
R2=806
O1
900
1.5%
R2=806
O2 电力电缆沟 92.3
20 40
C15片石混凝土仰拱回填 C2防水混凝土仰拱 C20喷射混凝土
1112
40 20
Ⅳ级围岩衬砌图
15 35
φ22砂浆锚杆L=250
纵向间距150，环向间距150 梅花型布置
C20喷射混凝土+挂φ8钢筋网25x25c EVA复合防水板 C25混凝土
• 隧道衬砌设计应综合考虑地质条件、断面形状、支护结构、施 工条件等，并应充分利用围岩的自承能力。衬砌应有足够的强 度和稳定性，保证隧道长期安全使用。
• 复合式衬砌是由初期支护和二次衬砌及中间夹防水层组合而成 的衬砌形式。复合式衬砌设计应复合下列规定： 1.初期支护应采用锚喷支护，即由喷射混凝土、锚杆、钢筋网 和刚架等支护形式单独或组合使用。锚杆支护宜采用全长粘结 锚杆。 2.二次衬砌宜次要模筑混凝土或模筑钢筋混凝土结构，衬砌截 面宜采用连接圆顺的等厚衬砌断面，仰拱厚度宜与拱墙厚度相 同。 3.在确定开挖断面时，除应满足隧道净空和结构尺寸外，还应 考虑围岩和初期支护的变形，并预留适当的变形量。预留变形 量的大小可根据围岩级别、断面大小、埋置深度、施工方法和 支护情况等，采用工程类比法预测。当无预测值时可参照表规 范8.4.1选用，并应根据现场监控量测结果进行调整。
武阳右线隧道衬砌结构设计
1、公路隧道设计规范对于衬砌设计的相关规定
2、武阳右线隧道衬砌布置 3、 初期支护设计参数
4、 二次衬砌参数 5、 各级围岩衬砌设计图
1、公路隧道设计规范对衬砌设计的相关规定
• 公路隧道应作衬砌，根据隧道围岩地质条件、施工条件和使用 要求分别采用喷锚衬砌、整体式衬砌、复合式衬砌。高速公路、 一级公路、二级公路的隧道应采用复合式衬砌。
表8.4.1 预留变形量
围岩级别 两车道隧道 三车道隧道
Ⅰ
—
—
Ⅱ
—
10～50
Ⅲ
20～50
50～80
围岩级 别
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
两车道隧道 三车道隧道
5
现场量测确定
• 复合式衬砌可采用工程类比法进行设计，并通过理论分析进行 验算。两车道初期支护及二次衬砌的支护参数可参照表8.4.2-1 选用，并应根据现场围岩监控量测信息对设计支护参数进行必 要的调整。
d、钢筋网应配合锚杆一起使用钢筋网应锚杆绑扎连接或焊接。 2）设计参数
a、钢筋型号：HPB335； b、直径：φ8； c、布置方式：单层，网格按矩形布置； d、网格间距：Ⅴ级围岩和Ⅴ级围岩加强段取20cm×20cm，Ⅳ级围岩
取25cm×25cm，Ⅲ级围岩采用局部挂钢筋，网格间距 取25cm×25cm ；
毕业设计由于资料有限，故本设计按工程类比方法来确定。设计参数如下： a、锚杆类型： Ⅴ级、和Ⅳ 级围岩采用WTD25中空注浆锚杆，Ⅲ级围岩采用φ２２水
泥沙浆锚杆； b、锚杆长度： 可以按L=1/3～1/5W（W为隧道开挖宽度 ）取值，结合工程类比， Ⅲ
级围岩2.5m，Ⅳ 级围岩取3.0m，Ⅴ级围岩取3.5m； c、布置方式：均采用梅花型布置； d、布置间距：可以按0.5L～0.7L进行取值，结合工程类比Ⅲ级围岩采用纵向1.5m ,环
高 程 268.778m
1 7 03 06 0 1 5 0
2.489%
50cm厚 胶 泥 防 渗 层
1∶ 20 人工夯实回填土
明洞衬砌
明洞衬砌
仰拱
仰拱回填
仰坡开挖线
沉降缝
1∶ 0.5
武阳隧道右洞进口 YK23+300 高 程 269.440m
右洞轴地面线 二次衬砌
1∶ 0.75
YK23+300地 面 线 YK23+275地 面 线
护拱
R1=556
M7.5浆砌片石
通讯电缆沟 102.3
R2=806
O1
900
1.5%
R2=806
O2 电力电缆沟 92.3
50
C15片石混凝土仰拱回填 45cm厚C25钢筋混凝土仰拱
1112
1372
明洞衬砌图
30 130 60 30 天 沟 60× 60
100
150
1268.4
3 01 5
武阳隧道右洞进口 YK23+275
3、4 钢架
对于Ⅳ、 Ⅴ级围岩，其自稳时间很短，为了抑制围岩过大的变形需要增强 支护抗力时，可采用钢架喷射混凝土 作为初期支护。
Ⅴ级围岩：采用18号工字钢闭合环，纵向间距为75cm; Ⅳ级围岩:采用18号工字钢，纵向间距为75cm
4.二次衬砌设计参数
二次衬砌均采用模筑混凝土。为了保证衬砌截面的圆顺性，采用等厚的衬 砌断面，仰拱厚度与拱强的厚度相同。由于武阳隧道的地下水蕴含比较丰富， 应采模筑混凝土采用C25防水混凝土。其混凝土厚度： Ⅴ级围岩：45cm Ⅳ级围岩: 40cm Ⅲ级围岩: 35cm
35 10
756
隧道中线
R1=556
通讯电缆沟 102.3
R2=806
O1
O2
电力电缆沟
900
92.3
1.5%
R2=806
10 35
1112
Ⅲ级围岩衬砌图
35 10
75
隧道中线
≥150
100 50
φ22砂浆锚杆
300
10cm厚喷射混凝土 20×20cmφ6钢筋网
120
50cm厚胶泥防渗层
i%
i%
300g/m2无纺布 1.2mm防水卷材 70cm厚C25钢筋混凝土
—
—
—
30
—
拱、 墙
2.0～ 3.0
1.0～1.5
局部 25×25
—
35
—
拱、 墙
2.5～ 3.0
1.0～1.2
局部 25×25
拱、 墙
35
35
拱、 墙
3.0～ 4.0
0.8～1.2
局部 25×25
拱、 墙 仰拱
45
45
通过检算、计算确定
武阳右线隧道衬砌布置
里程
衬砌级别
K23+275～K23+300
表8.4.2-1 两车道复合式衬砌的设计参数
围
岩 喷射混凝土厚度
级
(cm)
别 拱部、边 墙
仰拱
Ⅰ
5
—
Ⅱ 5～8
—
Ⅲ 8～12 —
Ⅳ 12～15 —
Ⅴ 15～25 — Ⅵ
初期支护
二次衬砌厚度 (cm)
锚杆(m)
位置 长度
间距
钢筋网
钢架
拱、墙 混凝土
仰拱 混凝 土
局部 2.0
—
—
—
30
—
局部
2.0～ 2.5
Ⅴ
K24+～K24+
Ⅴ加强
K24+～K24+
明洞
长度(m) 25 10 97 160 206 214 86 140 174 126