衬砌结构设计方法
衬砌设计与强度检算探究
衬砌设计与强度检算探究1 工程概况兰渝铁路杨家山隧道位于甘肃省陇南市武都区境内，兰州端洞口里程为DK423+944，重庆端洞口里程为DK429+770，为单线双洞隧道，隧道全长5826m，其中V级围岩地段全长263m，IV级围岩地段长990m。
2 衬砌计算模型目前围岩抗力计算一般有两种计算理论，即共同变形理论和局部变形理论[1]。
共同变形理论认为施加于一点的荷载会引起整個弹性体表面的变形，即共同变形，视围岩为弹性半无限体，考虑相邻质点之间的相互影响，计算复杂，很少采用。
局部变形理论以温克假定为基础，简称为“温氏假定”，视围岩为一系列彼此独立的弹簧，每个弹簧表示一个小岩柱，某一弹簧受到压缩时所产生的反作用只与该弹簧有关，而与其它弹簧无关，某点的反作用就是围岩的弹性抗力，它与该点的变形成正比。
本隧道采用局部变形理论，从各国的地下结构设计实践看，目前在设计隧道的结构体系时，主要采用两类计算模型[2]：传统结构模型和现代岩体力学模型。
经实际调研及计算简化需要，本隧道衬砌内力计算采用结构力学模型。
3 衬砌设计及检算3.1 衬砌结构设计由于隧道围岩级别为IV级和V级，根据相关规定[3]，拟采用喷锚支护，复合式衬砌。
初期支护时，对于IV、V级围岩分别打入2.5m、3.0m长的锚杆，在围岩破碎段铺设钢筋网，然后喷混凝土；二次衬砌采用全液压衬砌台车浇筑而成，厚度分别为30cm和35cm。
详细衬砌支护参数及IV、V级围岩隧道衬砌结构横断面细部尺寸参照复合式衬砌断面标准图来拟定[4]。
3.2 衬砌结构内力计算隧道衬砌结构根据结构力学方法（荷载-结构模型），假设衬砌结构与围岩全面、紧密地接触，采用主动荷载加被动荷载（弹性抗力）模式，按照弹性链杆法原理来计算衬砌结构的内力。
3.3 衬砌截面强度检算衬砌结构内力算出后，进行隧道衬砌截面强度检算，其强度检算按破损阶段法或容许应力法进行。
拱形隧道衬砌属偏心受压构件，其截面强度检算根据轴力偏心距的大小可分为抗压强度控制及抗拉强度控制两种情况[1]。
盾构法隧道衬砌结构设计(设计)(内容详实)
课件类
5
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
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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
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
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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。
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。
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。
渠道衬砌设计方案
渠道衬砌设计方案渠道衬砌设计方案是指在渠道工程中对渠道的内侧进行砌筑的方案设计。
渠道的衬砌一方面可以增强渠道的抗冲刷能力，提高渠道的使用寿命；另一方面还可以提高渠道的流量，减少渠道的阻力，达到节能降耗的目的。
下面是一个渠道衬砌设计方案的示例，内容为700字：渠道衬砌设计方案1. 渠道衬砌材料的选择渠道衬砌材料的选择应根据渠道的具体情况和要求进行合理选择。
一般来说，常用的渠道衬砌材料包括砖、石和混凝土等。
在选择材料时，应综合考虑渠道的使用寿命、承载力和经济性等因素。
2. 渠道衬砌结构的设计渠道衬砌结构的设计应根据渠道的横断面形状和流量特点进行合理设计。
一般来说，渠道衬砌结构可以采用单层或多层的设计，具体取决于渠道的流量和土壤的性质。
3. 渠道衬砌施工工艺的选择渠道衬砌施工工艺的选择应根据渠道衬砌材料和结构的要求进行合理选择。
一般来说，常用的渠道衬砌施工工艺包括砌筑、浇筑和喷射等。
在选择施工工艺时，应综合考虑施工周期、施工质量和施工成本等因素。
4. 渠道衬砌施工过程的控制在渠道衬砌施工过程中，应进行全过程的质量控制。
具体控制措施包括施工人员的培训、施工设备的检验和施工现场的监测等。
通过严格的质量控制，可以确保渠道衬砌施工的质量和进度。
总之，渠道衬砌设计方案是渠道工程中非常重要的一个环节。
它不仅可以提高渠道的抗冲刷能力和使用寿命，还可以提高渠道的流量和节能降耗效果。
因此，我们应根据具体情况和要求，合理选择渠道衬砌材料、设计渠道衬砌结构、选择渠道衬砌施工工艺，并进行全过程的质量控制。
通过这些措施，可以确保渠道衬砌设计方案的实施效果和工程的质量。
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
盾构隧道衬砌设计指南
盾构隧道衬砌设计指南隧道是连接城市交通的重要通道，而盾构隧道作为一种现代化的隧道施工方法，由于其施工速度快、安全性高等优点，被广泛应用于城市地下交通建设中。
在盾构隧道施工中，衬砌是保证隧道结构稳定和安全运行的关键环节。
本文将介绍盾构隧道衬砌设计的一些指南和要点。
1. 衬砌类型选择盾构隧道衬砌一般可分为刚性衬砌和柔性衬砌两种类型。
刚性衬砌一般采用混凝土或钢筋混凝土，在结构上能够承受地表和地下水压力，保证隧道的稳定性。
柔性衬砌一般采用钢板或聚合物材料，能够适应地质变形，减少地下水渗漏和隧道变形。
2. 衬砌材料选择在选择衬砌材料时，需要考虑材料的抗压强度、耐久性、防水性和耐腐蚀性等因素。
常用的衬砌材料有钢筋混凝土、纤维增强混凝土、预应力混凝土等。
根据具体的隧道条件和设计要求，选择合适的材料。
3. 衬砌厚度设计衬砌的厚度设计需要考虑地质条件、地下水位、荷载等因素。
一般情况下，盾构隧道衬砌的厚度应满足地下水位以上2米的要求，以保证隧道的防水性能。
另外，衬砌的厚度还需要考虑隧道的荷载情况，以确保隧道的结构安全。
4. 衬砌结构设计盾构隧道衬砌的结构设计需要考虑隧道的荷载、地质条件等因素。
一般情况下，衬砌结构包括挡土墙、拱顶、侧墙和底板等部分。
挡土墙用于承受地表土压力，拱顶用于承受地下水和荷载，侧墙用于承受地下水和地表土压力，底板用于承受地下水和荷载。
5. 衬砌施工工艺盾构隧道衬砌的施工工艺包括模板搭设、混凝土浇筑、养护等环节。
在模板搭设过程中，需要考虑模板的稳定性和适应性。
在混凝土浇筑过程中，需要控制混凝土的配合比和浇筑质量，确保衬砌的强度和密实度。
在养护过程中，需要控制养护条件，使衬砌能够充分硬化和强化。
6. 衬砌质量控制盾构隧道衬砌质量的控制是保证隧道安全运行的关键。
在施工过程中，需要进行质量检测和监控，包括混凝土强度检测、衬砌厚度检测、衬砌表面平整度检测等。
同时，还需要进行质量记录和质量追溯，保证衬砌质量符合设计要求。
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。
《隧道衬砌设计》课件
采用了新奥法施工，即以喷射混凝土作为初期支护，钢筋混凝土作为二次支护，同时设置排水系统，确保隧道运营安全。
设计要点
根据地质勘察资料，该隧道穿越了多条断层破碎带和软弱围岩地层，因此衬砌设计需考虑围岩稳定性、防水和排水等因素。
案例概述：某铁路隧道位于山区，隧道全长3公里，设计时速为180公里/小时。
03
通过喷射混凝土的方式进行衬砌施工，具有施工速度快、衬砌强度高的特点。
总结词
喷射混凝土衬砌施工是一种常见的隧道衬砌方法，通过将混凝土混合料与压缩空气混合，然后通过喷嘴喷射到隧道岩壁上，形成一层混凝土衬砌。该方法具有施工速度快、衬砌强度高的优点，适用于不同地质条件的隧道施工。
详细描述
总结词
通过模板支撑浇筑混凝土的方式进行衬砌施工，具有结构稳定性好、耐久性高的特点。
案例概述
某水工隧道位于河流峡谷地带，隧道全长1.2公里，设计流量为20立方米/秒。
设计要点
该隧道主要用于引水灌溉和水力发电，衬砌设计需考虑水压力、防渗漏和结构稳定性等因素。
衬砌类型
根据设计要求和结构形式，采用了钢筋混凝土和模注混凝土两种衬砌类型。钢筋混凝土衬砌适用于承受水压力较大的地段，模注混凝土衬砌适用于承受水压力较小的地段。
排水孔
在隧道侧壁设置排水管，将侧壁渗水引出隧道外。
排水管
定期检查
定期对防排水系统进行检查，确保系统正常运行。
隧道衬砌设计案例分析
05
案例概述
某高速公路隧道位于山区，隧道全长2.5公里，设计时速为100公里/小时。
衬砌类型
根据围岩条件和隧道断面形状，采用了钢筋混凝土和喷射混凝土两种衬砌类型。钢筋混凝土衬砌适用于围岩稳定性较好的地段，喷射混凝土衬砌适用于围岩稳定性较差的地段。
《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。
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）
隧道设计衬砌计算范例结构力学方法
1.1 工程概况川藏公路二郎山隧道位于省天全县与甘孜泸定县交界的二郎山地段, 东距约 260km , 西至约 97 km , 这里山势险峻雄伟, 地质条件复杂, 气候环境恶劣, 自然灾害频繁, 原有公路坡陡弯急, 交通事故不断, 使其成为千里川藏线上的第一个咽喉险道, 严重影响了川藏线的运输能力, 制约了川藏少数民族地区的经济开展。
二郎山隧道工程自天全县龙胆溪川藏公路K2734+ 560 (K256+ 560)处回头, 沿龙胆溪两侧缓坡展线进洞, 穿越二郎山北支山脉——干海子山, 于泸定县别托村和平沟左岸出洞, 跨和平沟经别托村展线至K2768+ 600 (K265+ 216) 与原川藏公路相接, 总长 8166km , 其中二郎山隧道长4176 m , 别托隧道长104 m ,改建后可缩短运营里程2514 km , 使该路段公路到达三级公路标准, 满足了川藏线二郎山段的全天候行车。
1.2 工程地质条件地形地貌二郎山段山高坡陡,地形险要,在地貌上位于盆地向青藏高原过渡的盆地边缘山区分水岭地带,隶属于龙门山深切割高中地区。
隧道中部地势较高。
隧址区地形地貌与地层岩性及构造条件密切相关。
由于区地层为软硬相间的层状地层,构造为西倾的单斜构造,故地形呈现东陡西缓的单面山特征。
隧道轴线穿越部位,山体浑厚,东西两侧发育的沟谷多受构造裂隙展布方向的控制。
主沟龙胆溪、和平沟与支沟构成羽状或树枝状,横断面呈对称状和非对称状的 " v 〞型沟谷,纵坡顺直比降大,局部受岩性构造影响,形成陡崖跌水。
水文气象二郎山位于盆地亚热带季风湿润气候区与青藏高原大陆性干冷气候区的交接地带。
由于山系屏障,二郎西两侧气候有显著差异。
东坡潮湿多雨,西坡枯燥多风,故有 "康风雅雨〞之称。
全年分早季和雨季。
夏、秋两季受东进的太平洋季风和南来的印度洋季风的控制,降雨量特别集中；冬春季节,则受青藏高原寒冷气候影响,多风少雨,气候严寒。
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。
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。
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。
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隧道衬砌结构设计
一、隧道结构计算模型
1.荷载结构模型（结构力学模型）：松弛荷载理论
以支护结构为承载体，围岩对支护结构的作用只是作用在结构上的荷载（包括主动的围岩压力和被动的弹性抗力）。
一般用结构力学方法对支护结构进行计算。
隧道支护结构与围岩的相互作用通过弹性抗力来体现。
2.地层结构模型（现代岩体力学模型）：岩承理论
将支护结构与围岩视为一体，作为共同承受荷载的隧道结构体系。
模型中围岩是直接承载单元，支护结构只是用来约束和限制围岩的变形，是反映现代支护原理的计算方法。
二、隧道衬砌结构设计方法
1.结构力学法（弹性理论）
结构力学法，也就是荷载-结构模式的分析方法。
这里的结构是指衬砌结构，荷载主要是指开挖洞室后由松动岩土的自重所产生的地层压力。
一般把隧道支护结构在力学上和构造上作为拱形结构来处理，这个思想是从地面结构引申出来的。
拱形结构概念以下述假定为基础：被砌筑的衬砌视为结构的主体，围岩（或其一部分）只是被视为荷载，从本质上说这是与隧道工程的本质相矛盾的。
只要施工没有满足下述条件：制止松弛和由此产生的松弛压力；结构和围岩之间有效的、长期的紧密接触。
隧道结构就只能是个拱，而按拱形结构进行设计计算。
荷载-结构模型在荷载处理上大致经历了三个阶段：1主动荷载模式；2主动荷载+被动荷载模式；3实际荷载模式。
多数情况下采用第二种模式。
第二种模式考虑了结构和围岩之间的相互作用，即围岩对结构的约束作用——围岩抗力，局部体现了隧道作为地下结构的受力特点。
因此，它是第一种模式的进一步发展。
为了保证围岩约束抗力的存在，就必须保证结构与围岩之间的紧密接触。
在此，把围岩对结构形变的约束所产生的反作用谓之抗力，而且把它视为线弹性的，Ky σ=（K ——弹性抗力系数；y ——接触点的径向位移）。
实际上，在荷载作用下地基的变形是一个弹塑性过程。
现在计算方法是把荷载分为被动的弹性抗力与主动的侧压力。
其计算结果最终归结为验证安全系数是否满足设计要求。
2.岩体力学法（弹塑性理论）
岩体力学法以弹塑性理论为依据。
①收敛约束法（特征曲线法）
特征曲线法的基本原理是利用围岩特征曲线和支护结构特
征曲线交会的方法来决定支护体系的最佳平衡条件（右图）。
破坏准则：由本构方程决定，通常情况下采用摩尔-库伦破坏准则。
围岩特征曲线：受围岩性质（瞬时的及长期的）、围岩构造、施工
技术（对围岩强度损害程度）的影响。
支护结构特征曲线：由其材料、构造决定。
②剪切破坏滑移法（极限状态设计法）
在围岩压力作用下，隧道两侧壁因受剪切破坏而有楔形岩体滑移，喷层受剪破坏，这就是滑移楔体理论的基本概念。
根据这一概念，锚喷支护及其作用下形成的围岩承载拱在剪切滑面上应能提供足够的抗剪力以保持隧道结构的稳定。
抗剪力的大小与锚喷支护参数有直接的关系。
③数值分析法（有限元法）
3.信息反馈法
监控量测（力、位移）
修正设计、指导施工
4.工程类比法
围岩分级，不同级别决定不同支护参数、不同开挖方式。