衬砌结构
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。
曲墙式衬砌结构计算步骤
曲墙式衬砌结构计算步骤1. 确定断面形状；截面厚度；2. 确定弹性抗力区的范围及分布规律： 1） 按照拱顶圆弧圆心确定b ϕ位置；2） 按照ab 32确定最大抗力h σ位置，以该点的法线与隧道断面的平分线的交点为基准点o ，连接ob ，此时ob 与隧道平分线的夹角作为抗力计算的实际b ϕ，h i b ϕϕϕ≤≤。
3. 计算主动荷载作用下的内力：1） 由主动荷载的分布在去掉多余约束后，单独考虑主动荷载引起的结构内力，画出内力图o ipip N M 、0。
计算模型为“悬臂曲梁”； 2） 计算墙底在单位力矩作用下的转角位移akI 11=β 3） 按照内力图，可以知道墙底弯矩oap M ，计算由此产生的墙底转角o ap β=1βo ap M 。
轴力oipN 引起竖向位移，由于结构对称，不影响结构内力计算（不考虑）；4） 计算拱顶单位未知力引起的结构内力1M 、2M ，画出弯矩图； 5） 计算位移系数ik δ和自由项ip ∆，其中 ds EI M M ⎰=1111δ≈∑∆IE s 1（1） ds EI M M ⎰==212112δδ≈∑∆IyE s （2） ds EI M M ⎰=2222δ≈∑∆Iy E s 2（3）ds EI M M oipp ⎰=∆11≈∑∆IM E s oip（4） ds EIM M o ipp ⎰=∆22≈∑∆IyM E s oip（5）6） 按照基本方程的泛函形式)()(0)()(021222212110111221111=+∆++++=+∆++++ap p p p ap p p p f f X f X f X X ββδβδββδβδ （6）计算出基本未知力p X 1、p X 2； 7） 主动荷载作用下内力计算o ipi p ip oipi p p ip N X N M y X X M +=++=φcos 221 （7）4. 计算弹性抗力引起的结构内力 1） 计算最大弹性抗力公式 σδδσh hp h k k -=1 弹性抗力的大小与hp δ、σδh 有关，计算hp δ、σδh 需要知道主动荷载作用下的ip M 、单位最大抗力作用下的σi M 和单位力单独作用下的ih M 。
复合式衬砌的组成
复合式衬砌的组成一、什么是复合式衬砌复合式衬砌是一种由不同材料组合而成的衬砌结构，常用于耐高温、耐磨损等工业设备中。
它具有优秀的耐火性能和机械性能，能够抵御各种极端工作条件的侵蚀和磨损。
二、复合式衬砌的组成复合式衬砌通常由以下几个部分组成：1. 基础材料基础材料是复合式衬砌的主要组成部分，它们提供整体结构的稳定性和可靠性。
常见的基础材料包括陶瓷基体、金属基体和陶瓷纤维等。
这些材料具有良好的耐火性能和机械性能，能够承受高温和压力的作用。
2. 衬层材料衬层材料是复合式衬砌的主要工作层，它们直接接触到工作环境，并起到保护基础材料的作用。
根据不同的工作条件，衬层材料可以选择不同的材料，如耐酸陶瓷、耐碱陶瓷、耐磨陶瓷、耐渣陶瓷等。
这些材料具有优异的抗腐蚀和耐磨损性能，能够有效延长设备的使用寿命。
3. 粘结剂粘结剂是复合式衬砌中起到粘合作用的材料，它将基础材料和衬层材料牢固地粘接在一起。
常见的粘结剂有硅酸盐、水泥、树脂等。
选择合适的粘结剂对于提高复合式衬砌的稳定性和密封性至关重要。
4. 基础层基础层是复合式衬砌的底层，它用于承受设备的重量和外力作用，并提供稳定的基础支撑。
基础层通常由耐火砖、耐火浇注料等材料构成，其强度和稳定性能够满足设备的要求。
三、复合式衬砌的制作工艺复合式衬砌的制作工艺主要包括以下几个步骤：1. 原材料准备根据需要选择合适的基础材料、衬层材料和粘结剂，并进行相应的加工和制备。
确保原材料的质量和性能符合要求。
2. 模具制作根据设备的形状和尺寸，制作相应的模具。
模具的设计和制作需要考虑到衬砌结构的复杂性和精确性。
3. 材料浇注将基础材料、衬层材料和粘结剂按照一定的比例混合均匀，并在模具中进行浇注。
确保材料的密实性和均匀性。
4. 固化和烘干根据不同的材料和粘结剂，进行相应的固化和烘干工艺。
这可以使衬砌结构达到设计要求的强度和稳定性。
5. 完工处理完成衬砌结构的制作后，进行相应的表面处理和检验工作。
衬砌结构计算
衬砌结构计算一、基本资料某公路隧道，结构断面尺寸如下图，内轮廓半径为5.4m，二衬厚度为0.45m。
围岩为V 级，重度为19kN/m3，围岩弹性抗力系数为1.6×510kN/m3，二衬材料为C25 混凝土，弹性模量为28.5GPa，重度为23 kN/m3x0y二、荷载确定1.根据式（1-21），围岩竖向均布压力：q=0.45*1-s2*γ*ω式中：s---围岩级别，此处s=5；γ---围岩重度，此处γ=19KN/m ³ω---跨度影响系数，ω=1+i(m l -5),毛洞跨度m l =(5.4+0.45)*2+2*0.06=11.82m,其中0.06m 为一侧平均超挖量，m l =5—15m 时，i=0.1，此处ω=1+0.1*(11.82-5)=1.682所以，有：q=0.45*1-52*19*1.682*0.5=115.04875(kPa) 此处超挖回填层重忽略不计2.围岩水平均布压力：e=0.4q=0.4*115.04875=46.0195(kPa)三．衬砌几何要素 1.衬砌几何尺寸 内轮廓线半径1r =5.4m 外轮廓线半径1R =5.85m 拱轴线半径'1r =5.625m2.半拱轴线长度S 及分段轴长△S半拱轴线长度S=°180θπ'1r =°180°104* *5.625=10.210(m) 将半拱轴线等分为8段，每段轴长为：△S=8S =8210.10=1.27625（m)3.各分块接缝（截面）中心几何要素i α=8104ii 1y ='1r (1-cos i α) i 1x ='1r sin i αE1Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7E2E3E4E5E6E7E8G3G4G1G5G6G2G7G8R4R5R6R7R8qb1b2b3b4b5b6b7b8h1h2h3h4h5h6h7h8附图 衬砌结构计算图示四．计算位移 1.单位位移用辛普生法近似计算，按计算列表进行。
隧道衬砌结构类型及应用
隧道衬砌结构类型及应用隧道衬砌是指支持和维护隧道的长期稳定和耐久性的永久结构物。
隧道衬砌必须有足够强度、耐久性和一定的抗冻、抗渗和抗侵蚀性。
常用材料1.石料(1)石料质量要求。
石料应符合设计规定的类别和强度，石质应均匀、耐风化、无裂纹。
(2)石料加工要求。
所有料石加工时，外露面四边整齐、棱角方正，拼缝前口要直，尾部略呈斜面。
每边向内收口不得大于10mm。
2.砂浆(1)砂浆中所用水泥、砂、水等材料的质量标准宜符合混凝土工程相应材料的质量标准。
砂浆中所用砂，宜采用中砂或粗砂，当缺乏中砂及粗砂时，在适当增加水泥用量的基础上，也可采用细砂。
砂的最大粒径，当用于砌筑片石时，不宜超过5m m；当用于砌筑块石、粗料石时，不宜超过2.5mm。
如砂的含泥量达不到混凝土用砂的标准，当砂浆强度等级大于或等于M5时，可不超过5%，小于M5时可不超过7%。
(2)石灰水泥砂浆所用生石灰，成分应纯正，煅烧均匀、透彻。
一般宜熟化成消石灰粉或石灰膏使用，也可磨细成生石灰粉使用。
消石灰粉和石灰膏应通过网筛过滤，并且石灰膏应在沉淀池内储存14d以上。
磨细生石灰粉应经4900孔/cm²筛子过筛。
结构类型1.整体式混凝土衬砌指就地灌注混凝土衬砌，也称模筑混凝土衬砌。
模筑衬砌的特点是：对地质条件的适应性强，易于按需要成型，整体性好、抗渗性强，适用于多种施工条件，如可用木模板、钢模板或衬砌台车等，是我国隧道工程中广泛采用的衬砌结构类型。
按其边墙的形式，又可分为直墙式和曲墙式两种形式。
2.装配式衬砌是指在工厂或现场预先制备成若干构件，运入坑道内，用机械将其拼装成一环接一环的衬砌。
这种衬砌的优点是一经装配成环，不需要养护时间，即可承受围岩压力；由于构件是预先在工厂成批生产的，可以保证质量；在洞内采用机械化拼装，缩短了工期，改善了劳动条件；拼装时不需要临时支撑，可节省大量的支撑材料和劳力。
但装配式衬砌在实际应用中也存在着一些缺点。
如需要坑道内有足够的拼装空间，制备构件尺寸要求一定的精度，接缝多，防水较困难等。
隧道衬砌结构知识、原理和衬砌计算及设计公式
隧道衬砌结构知识、原理和衬砌计算及设
计公式
简介
隧道衬砌结构是用于支撑和保护隧道壁面的一种结构。
衬砌的设计和计算是确保隧道的安全和稳定性的重要步骤。
衬砌结构类型
隧道衬砌结构通常包括以下几种类型：
1. 塑料管衬砌：使用塑料管来加固和保护隧道壁面。
2. 预制混凝土片衬砌：使用预制混凝土片来支撑和保护隧道壁面。
3. 钢筋混凝土衬砌：使用钢筋混凝土结构来加固和保护隧道壁面。
衬砌计算及设计公式
在进行隧道衬砌的计算和设计时，需要考虑以下因素：
1. 隧道直径：隧道的直径是确定衬砌结构尺寸和类型的关键因素。
2. 地层情况：地层的稳定性和承载能力将影响衬砌的安全性和设计方法。
3. 水压情况：如果隧道处于水下或水土压力较大的地区，需要考虑水压对衬砌的影响。
根据以上因素，可以使用以下公式进行衬砌计算和设计：
1. 隧道衬砌尺寸计算公式：根据隧道直径和地层参数计算衬砌的合适尺寸。
2. 衬砌材料选择公式：根据地层情况和环境条件选择合适的衬砌材料。
3. 衬砌厚度计算公式：根据地层情况和水压情况计算衬砌的合适厚度。
结论
隧道衬砌结构的知识、原理和衬砌计算及设计公式对于确保隧道的安全和稳定性至关重要。
根据隧道的直径、地层情况和水压情况等因素，可以选择合适的衬砌结构类型，并使用相应的公式进行计算和设计。
隧道衬砌结构
5．喷射混凝土
喷射混凝土是将混凝土干拌和料、速凝剂和水，用混凝土 喷射机高速喷射到洁净的岩石表面上凝结而成。 其密实性较高，能快速封闭围岩的裂隙。密贴于岩石表面， 早期强度高，能很快起到封闭岩面和支护作用，另外在喷 射混凝土中可加入纤维类材料提高其性能，是一种理想的 衬砌材料。 在普通铁路隧道中，喷射混凝土材料可用作中内层衬砌， 但其强度等级不低于C20，使用的水泥标号不低于32.5号， 并优先选用普通硅酸盐水泥。细骨料采用坚硬耐久的中砂 或粗砂，细度模数宜大于15，砂的含水率宜控制在5%— 7%；粗骨料采用坚硬耐久的卵石或砾石，粒径不应大于 15mm。 我国高速铁路隧道不使用喷射混凝土作为内层衬砌。
主体建筑物附属建筑物为了保持隧道的稳定和行车安全而修建的人工永久建筑物隧道结构构造主体构造物以外保证隧道正常使用所需的各种辅助设施洞身结构洞门明洞第一节洞身衬砌第三节隧道洞门第二节明洞第四节隧道附属建筑物第一节洞身衬砌二整体式模筑混凝土衬砌单层衬砌一隧道衬砌的概述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一衬砌概念三衬砌类型二衬砌材料第一节洞身衬砌一衬砌概念广义地说可以把人工修筑的支护结构统称为衬砌
3.钢筋混凝土
主要用在洞门、明洞衬砌等明挖地段，或者当隧道通过地震 区、偏压、通过断层破碎带或淤泥、流砂等不良地质地段。
4．石料和混凝土预制块
优点 可就地取材、降低造价、可保证衬砌厚度并能较早地承受 荷载，可以节省水泥和模板，耐久性和耐侵蚀性能较好。
缺点
整体性差，砌缝多容易漏水，防水性能较差，施工主要靠 手工操作，难于机械化施工，费工、费时，施工进度较慢， 而且砌筑技术要求高。 洞门挡墙、挡土墙、明线路缘石等仍可使用。 块石强度等级不应低于MU60，砌块强度等级不应低于 MU20，有裂缝和易风化的石材不应采用。
《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。
隧道衬砌结构计算
03
弹性模量表示材料抵抗弹性变形的能力，泊松比则表示横向变
形的程度。
衬砌结构材料的耐久性和可靠性
环境因素
衬砌结构材料应能耐受地下水、土壤中的化学物质、侵蚀性气体 等环境因素的侵蚀，保持长期性能稳定。
耐久性设计
衬砌结构材料的耐久性应通过合理的耐久性设计和施工质量控制来 保证，包括选择合适的材料、采取有效的防排水措施等。
计算内容
防水层的厚度、材料性能、抗渗压力等。
计算方法
采用理论分析和实验验证相结合的方法，综合考虑水压、地质条件 和施工工艺等因素进行计算。
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抗震加固措施
根据抗震设计结果，采取相应的加固措施提 高衬砌结构的抗震性能。
03 隧道衬砌结构材料与性能
衬砌结构材料的种类和特性
混凝土
混凝土是隧道衬砌结构中最常用 的材料之一，具有抗压强度高、 耐久性好、成本低等优点。根据 需要可加入添加剂，如防水剂、
膨胀剂等。
钢材
钢材用于隧道衬砌结构中的受力 构件，如型钢、钢板等。具有强 度高、塑性好、耐腐蚀等特点。
可靠性评估
衬砌结构材料的可靠性应通过科学的方法进行评估，以便及时发现 和处理潜在的安全隐患，确保隧道运营安全。
04
计算目的
确保隧道衬砌结构的安全性和稳定性，满足公路行车 要求。
计算内容
衬砌厚度、混凝土抗压强度、抗剪强度、抗弯强度等。
计算方法
采用有限元分析法，结合实际地质资料和荷载条件进 行计算。
衬砌结构设计的基本原则
安全可靠
衬砌结构设计应满足安全可靠 的要求，能够承受围岩压力、 水压力等作用，保证隧道结构
的稳定性。
经济合理
衬砌结构设计应考虑工程成本 ，选择合适的材料和结构形式 ，以达到经济合理的目标。
2、衬砌结构的荷载
2、衬砌结构的荷载 、
(一)围岩压力及其影响因素 一 围岩压力及其影响因素 1）围岩压力的概念 ）
2.2、岩土体压力的计算 、
2.2.2 围岩压力的计算
原始应力平衡→洞室开挖 扰动原始应力→ 应力重分布→ 围岩产生变形→ 原始应力平衡 洞室开挖→ 扰动原始应力 应力重分布 围岩产生变形 洞室开挖 对衬砌产生压力。 对衬砌产生压力。 围岩压力是指位于地下结构周围岩土体发生变形或破坏， 围岩压力是指位于地下结构周围岩土体发生变形或破坏，作用在衬砌结构或 支撑结构上的压力。是作用在地下结构的主要荷载。 支撑结构上的压力。是作用在地下结构的主要荷载。 围岩压力的类型： 围岩压力的类型： 垂直压力：为主要的围岩压力； 垂直压力：为主要的围岩压力； 水平压力：坚硬岩层中，其值较小，可不计；松软岩层中必须考虑； 水平压力：坚硬岩层中，其值较小，可不计；松软岩层中必须考虑； 底部压力：地层遇水膨胀而产生的压力等。 底部压力：地层遇水膨胀而产生的压力等。
2、衬砌结构的荷载 、
(二)围岩压力的计算方法 二 围岩压力的计算方法 （1）垂直围岩压力 ）
2.2、岩土体压力的计算 、 2.2.2 围岩压力的计算
2、衬砌结构的荷载 、
2.1、荷载分类和组合 、
3）荷载确定方法 ）
一般按所使用的规范和设计标准确定。 一般按所使用的规范和设计标准确定。
1）使用规范 ）
按实际情况遵守相应规范。 按实际情况遵守相应规范。
2）设计标准 ）
①根据建筑用途、防护等级、地震等级等确定设计地下建筑物的荷载。 根据建筑用途、防护等级、地震等级等确定设计地下建筑物的荷载。 各种地下建筑结构均应承受正常使用时的静力荷载； 各种地下建筑结构均应承受正常使用时的静力荷载； 地下建筑结构材料的选用，应满足规范和工程实际要求； ②地下建筑结构材料的选用，应满足规范和工程实际要求； 地下衬砌结构一般为超静定结构， ③地下衬砌结构一般为超静定结构，其内力在弹性阶段可按结构力学 计算。考虑抗爆动载时，允许考虑由塑性变形引起的内力重分布； 计算。考虑抗爆动载时，允许考虑由塑性变形引起的内力重分布； 截面计算原则：结构截面计算时，按总安全系数法进行， ④截面计算原则：结构截面计算时，按总安全系数法进行，一般进行 强度、裂缝和变形验算等。 强度、裂缝和变形验算等。 安全系数：结构在静载作用下的安全系数可按相关规范确定； ⑤安全系数：结构在静载作用下的安全系数可按相关规范确定； 材料强度指标：一般采用工业与民用建筑规范中的规定值。 ⑥材料强度指标：一般采用工业与民用建筑规范中的规定值。亦可根 据实际情况，参照水利、交通、人防和国防等专门规范。 据实际情况，参照水利、交通、人防和国防等专门规范。
隧道衬砌结构计算原理公式及强度验算
1、概述 2、半衬砌的计算 3、曲墙式衬砌计算 4、弹性地基上直梁的计算公式 5、直墙式衬砌计算 6、衬砌截面强度验算 7、衬砌计算中存在的问题
第一节 概述
1、隧道结构设计应注意的问题 2、隧道结构设计理论的发展历史 3、弹性抗力的确定 4、衬砌计算的一般规定（隧道设计规范） 5、隧道衬砌上的荷载类型及其组合
（4）复合式衬砌中二次衬砌，Ⅰ～Ⅲ级围岩中为 安全储备，并按构造要求设计； Ⅳ、Ⅴ级围岩中 为承载结构，可采用地层结构法计算内力和变形
第一节 概述
（5）地层结构法 设计原理：将衬砌和地层视为整体共同受力的统 一体系，在满足变形协调的前提下分别计算衬砌 与地层的内力，据以验算地层的稳定性和进行结 构截面设计。
第一节 概述
《公路隧道设计规范》JTG D70-2004将隧 道结构上荷载仿照桥规分为：
● 永久荷载 ● 可变荷载 ● 偶然荷载
隧规P28：表6 7
8 9 10 11 12
荷载类型
永久荷载 （恒载）
可
基本
变
可变
荷
荷载
载
其它 可变 荷载
偶然 荷载
第一节 概述
5、隧道衬砌上的荷载类型及其组合 （1）隧道结构上的基本荷载 （2）隧道结构上的荷载及其类型
第一节 概述
（1）隧道结构上的基本荷载
围岩压力、结构自重 （2）隧道结构上的荷载及其类型
作用在衬砌上的荷载，按其性质可以区分为主动 荷载与被动荷载两大类。 ● 主动荷载是主动作用于结构、并引起结构变形 的荷载； ● 被动荷载是因结构变形压缩围岩而引起的围岩 被动抵抗力，即弹性抗力，它对结构变形起限制 作用。
第一节 概述
1、隧道结构设计应注意的问题 1）隧道结构是由周边围岩和支护结构两者组成共 同的并相互作用的结构体系 ,围岩具有自稳能力,在 很大程度上是隧道结构承载的主体。 2）净空断面的要求（总体设计），强度要求（结 构设计与计算） 3）对不同型式的衬砌结构物应用不同方法进行强 度计算
衬砌结构
• 对衬砌有不良影响的硬软地层分界处，应设置变形缝； • 电力牵引的隧道，其长度大于2000m及位于隧道群地段和车站两端时，
为了使接触网有良好的工作和维修条件，应根据需要设置接触网补偿下锚 的衬砌段。
• 运营通风洞、联络通道等与主隧道连接处的衬砌设计应做加强处理。
隧道构造设计
360 150
E 2
8450 R
1.2E
其它情况时 总加宽
W3
8450 R
W= W1+ W2+ W3
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 曲线隧道中线与线路中线偏移距离
单线曲线隧道如图3-10所示，隧道中线与线路中 线偏移距离d为：
d =（W1－ W2） （㎝） 双线曲线隧道如图3-11所示，内侧线路中线至隧 道中线的距离为
• 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。
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
---衬砌的一般构造要求
双线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 曲线隧道净空加宽
加宽原因
• 车辆通过曲线时，转向架中
心点沿线路运行，而车辆本身 却不能随线路弯曲仍保持其矩 形形状。故其两端向曲线外侧 偏移（d外），中间向曲线内侧 偏移（d内1）。
车辆通过曲线时的平面图
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
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。
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。
5 盾构法隧道管片式衬砌结构
少数采用4等份管片，把管片接缝设置在内力较
小处，使衬砌环具有较好的刚度和强度，接缝构
造也可相应得到简化。管片的最大弧、弦长一般
较少超过4 m，管片越薄其长度应越短。
管片类型分为标准块、邻接块和封顶块三类。
管片宽度一般为300mm～2000mm，厚度为隧道外径的5%～6%，块与
块、环与环之间用螺栓连接。
(三)封顶管片形式
考虑到施工方便以及受力的需要，趋向于采用小封顶形式。
封顶块的拼装形式有两种：径向楔入和纵向插入。后者封 顶块受力情况较好，在受荷后，封项块不易向内滑移，但缺点是需加长盾构千斤顶行程。
圆环的拼装方式：通缝、错缝 所有衬砌环的纵缝环环对齐的称为通缝；而环间纵缝相 互错开，犹如砖砌体一样的称为错缝。 通缝拼装时为十字型式，在接缝防水上丁字缝比十字缝 较易处理。 圆环衬砌采用错缝拼装较普遍，其优点在于能加强圆环 接缝刚度，约束接缝变形，圆环近似地可按匀质刚度考 虑。 当管片制作精度不够好时，采用错缝拼装形式容易管片 在盾构推进过程中顶碎；另外在错缝拼装条件下，环、 纵缝相交处呈丁字型式；
盾构是在钢壳体保护下掘进隧道的一种设备。 由刀盘、刀具旋转切割地层，采用螺旋输送机或 泥水管道运送碴土，在壳体内拼装预制管片，依 靠液压千斤顶推进。
由盾构机掘进施工而成的隧道称为盾构法隧道
盾构法隧道的支护结构主要是预制的管片衬砌。 管片衬砌结构主要由管片、连接螺栓和防水充 填材料等部分组成。
椭圆形等多种型式，最常用的为圆型。
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。
隧洞衬砌结构计算
隧洞衬砌结构计算
隧洞衬砌是指在隧道内部进行的结构衬砌，用于保护地下隧道的稳定性和安全性。
隧洞衬砌的计算主要包括衬砌墙面的受力计算和衬砌结构的稳定性分析。
1. 衬砌墙面的受力计算：
根据隧道内部的开挖土体压力以及支护结构的抗力，计算衬砌墙面所受的力和力矩。
通常采用等效荷载法或者力学理论计算。
2. 衬砌结构的稳定性分析：
分析衬砌结构在承受水平地震力、垂直荷载以及水压力等外力作用下的稳定性。
主要包括衬砌结构的抗震能力、抗倾覆能力和抗滑移能力等。
此外，还需要考虑隧道衬砌的材料及厚度等参数的选择，以满足隧道的设计要求和施工工艺。
需要注意的是，隧洞衬砌结构的计算和设计还需按照相关的建筑设计规范及工程经验进行，并由相关的专业人员进行具体的计算和设计工作。
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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
平压力也相当大的Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ级围岩情况 由顶部拱圈，侧面曲边墙和底部仰拱（或铺底）所组成 除在Ⅳ级围岩无地下水，且基础不产生沉降的情况下可不设仰拱，只
做平铺底外，一般均设仰拱
隧道构造设计
---洞身支护结构的构造
双线曲线隧道如图3-11所示，内侧线路中线至隧 道中线的距离为
d1= 200－（W1－ W2－ W3） （㎝）
双线曲线隧道外侧线路中线至隧道中线的距离为
d2= 200 +（W1－ W2+ W3） （㎝）
单线曲线隧道中线偏移
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 曲线隧道与直线隧道衬砌的衔接
方法
《铁路隧道设计规范》规定：位于曲线地 段的隧道，其缓和曲线部分可分两段加宽， 即自圆曲线至缓和曲线中点，并向直线方 向延长13m，采用圆曲线加宽断面（按W 值加宽）；其余缓和曲线，并自直缓分界 点向直线段延长22m，采用缓和曲线中点 加宽断面，其加宽值取圆曲线之半（按 W/2值加宽）
•
适用于地质条件比较好，属于
我国铁路隧道围岩分类中的Ⅱ、
Ⅲ级围岩，有时也可用于Ⅳ级围
岩
• •
围岩压力以竖向为主，几乎没
有或仅有很小的水平侧向压力 衬砌由上部拱圈. 两侧竖直边
单线直墙
---洞身支护结构的构造
•
在地质条件较好时，为了节省圬工，
直墙式衬砌在构造上采取若干改进措
d外=
4400 R
•
外轨超高使车体向曲线内侧倾移d内2
d内2= H E
150
式中 H—— 隧道限界控制点自轨面起的高度 E —— 曲线外轨超高值，其最大值不超过15㎝，且
V2 E 0.76 R
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
其中 v — 铁路远期行车速度，km/h。 在我国铁路标准设计中，d内2系将相应的隧道建筑限界绕内侧轨顶中心 转动arctg E 角求得，可近似取d内2=2.7E （㎝）。
对衬砌有不良影响的硬软地层分界处，应设置变形缝；
电力牵引的隧道，其长度大于2000m及位于隧道群地段和车站两端时， 为了使接触网有良好的工作和维修条件，应根据需要设置接触网补偿下锚 的衬砌段。
运营通风洞、联络通道等与主隧道连接处的衬砌设计应做加强处理。
隧道构造设计
---洞身支护结构的构造
- 整体式模筑混凝土衬砌 - 直墙式衬砌
隧道构造设计
---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 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
W3 8450 360 E 8450 1.2 E R 150 2 R
其它情况时 总加宽
W3
8450 R
W= W1+ W2+ W3
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 曲线隧道中线与线路中线偏移距离
单线曲线隧道如图3-10所示，隧道中线与线路中 线偏移距离d为： d =（W1－ W2） （㎝）
- 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。
150
对于单线曲线隧道净空的加宽值为： 内侧加宽 外侧加宽 总加宽 W1= d内1+ d内2= W2= d外=
4400 （㎝） R 4050 + R
2.7E （㎝）
8450 W= W1+ W2= d内1+ d内2+ d外= R + 2.7E （㎝）
- 双线曲线隧道加宽值的计算
双线曲线隧道的内侧加宽值W1及外侧加宽值W2与单线曲线隧道加宽值的 计算相同。即 内侧加宽 外侧加宽 W1= d内1+ d内2= W2= d外=
隧道构造设计
---衬砌的形式
• •
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、
喷锚支护
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”
隧限-1A和隧限-1B
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
隧限-2A和隧限-2B
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
单线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
双线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 曲线隧道净空加宽
加宽原因
•
车辆通过曲线时，转向架中
利用锚杆杆体或杆端锚头的膨胀作用，或利用灌浆粘结，把锚杆固定在 岩体内
增加了岩体的紧密程度，补强了抗剪能力，起到了组合、悬吊及挤压加 固的作用，提高了围岩的自稳能力
- 复合式衬砌
外衬（亦称初次衬砌）— 使用能达到早强的喷射混凝土和锚杆，使柔性的 外衬既能容许围岩有所变形，而又约束它不让它变形发展太大太快 内衬（亦称二次衬砌）— 内衬可以用喷射混凝土层柔性结构，也可以用较 厚的模筑混凝土 防水层 — 内外层衬砌之间的防水层可以用软聚氯乙烯薄膜、聚异丁烯片、 聚乙烯片等防水卷材，或用喷涂乳化沥青等防水剂
L1—左侧硬路肩宽度； L2—右侧硬路肩或应急停车带宽度； J—检修道（一侧）宽度，一般为0.75m； 隧道净空除应在符合隧
道建筑限界的规定外，
还应考虑洞内排水、通 风、照明、放火、监控、 运营管理等附属设施所 需要的空间，并考虑围 岩压力影响、施工等必 要的富裕量，使确定的 断面形式及尺寸，达到 安全、经济、合理 。
R
4050 + 2.7E （㎝） 4400 R
（㎝）
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
当外侧线路的外轨超高大于内侧线路的外轨超高时
W3 8450 H E R 150 2
式中 H—— 车辆外侧顶角距内轨顶面的高度，取360㎝；
E—— 外侧线路的外轨超高值（㎝）；
R—— 曲线半径（m）。
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 装配式材料
对于衬砌材料，可采用一些装配式材料，如钢筋混凝土大型预制块、加 筋肋铸铁预制块等
- 铁路隧道净空及要求
- 直线隧道净空
机车车辆限界 — 它是指机车车辆最外轮廓的限界尺寸 基本建筑限界 — 它是指线路上各种建筑物和设备均不得侵入的轮廓线
隧道建筑限界 — 它是指包围“基本建筑限界”外部的轮廓线
公路隧道横断面示意图
隧道构造设计
---衬砌的一般构造要求
- 隧道衬砌的其它构造要求
•
一般单线隧道洞口应设置不小于5m长的模筑混凝土衬砌，双线和多线 隧道应适当加长；
• • • • • •
围岩较差段的衬砌应向围岩较好地段延伸5～10m； 偏压衬砌段应延伸至一般衬砌段内5m以上；
不设仰拱的隧道应做底板，单线隧道其厚度不得小于20㎝，双线隧道其 厚度不得小于25㎝；
- 装配式衬砌 - 优点
• • • • • •
一经装配成环，不需养生时间，即可承受围岩压力；
预制的构件可以在工厂成批生产、在洞内可以机械化拼装，从而改 善了劳动条件； 拼装时，不需要临时支撑如拱架、模板等，从而节省大量的支撑材 料和劳力； 拼装速度因机械化而提高，缩短了工期，还有可能降低造价。