第九章 盾构法隧道结构(2)

9.4 盾构法隧道设计
9.4.2 管片衬砌结构构造设计 管片的尺寸-厚度 管片厚度应根据隧道直径、埋深、承受荷载情况、 衬砌结构构造、材质以及结构的刚度等因素确定。
目前常用的衬砌厚度与直径的比值为4%~6%。
衬砌的材料通常有混凝土、钢筋混凝土、铸铁、钢、 钢壳与钢筋混凝土复合等。
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9.4.2 管片衬砌结构构造设计 封顶块的就位
沿半径方向插入(径向插入)；
沿轴方向插入(纵向插入)。
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9.4.2 管片衬砌结构构造设计 管片的尺寸-长度 管片的长度由一环的分块数决定。 直径 D≤6m的地铁区间隧道，衬砌环以分 4~6块为
宜；直径为10m的隧道可分成8~10块。
①将一次衬砌作为隧道的主体结构，二次衬砌作为对此衬砌 进行补强、防蚀、防渗、减糙、修正和校正中心线偏离所用的 构件来考虑。 ②将二次衬砌作为主体结构的主体，一次衬砌作为某一特定 时期使用的临时结构物考虑。
③将二次初砌和一次衬砌合在一起看作是隧道的主体结构。
④一次衬砌承受外载荷，二次衬砌承受内载荷。
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9.4.1 总体设计 4) 横断面设计
横断面设计由隧道功能决定，同时考虑施工因素。 铁路隧道，选择矩形断面较为理想。 公路隧道的净空断面除依据对应于公路级别的建筑界限之外， 一般还要加上规定的富余量和盾构施工误差。 下水道隧道，一般采用圆形断面。 共同沟隧道是在同一隧道内设置上水道、下水道、电力电缆 和通信电缆以及煤气管道等多条管道的隧道，断面尺寸必须保 证必要的空间，以满足各种用途。
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9.4.3 设计计算方法 （2）多铰圆环模型 3) 管片结构模型
铰接圆环模型，即将管片
接头简化成理想的铰，不考 虑其承受弯矩的能力。 多铰圆环本身是一个非稳 定结构，只有在隧道周围的 围岩约束下才变成稳定结构。
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9.4.3 设计计算方法 （3）梁-弹簧模型 3) 管片结构模型
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9.4.2 管片衬砌结构构造设计 管片的尺寸-环宽 管片宽度的选择对施工、造价的影响较大。 环宽较小时，虽然搬运组装方便，但接缝增多，
加大防水难度，增加管片制作成本，而且不利于控
制纵向不均匀沉降。 环宽太大则施工不便，影响盾构灵活性。 目前环宽控制在1000~1500mm之间。
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9.4.1 总体设计 1) 设计前期工作 勘察工作主要有下列内容： (1) 场地条件勘察 (2) 障碍物勘察
(3) 地形和土质勘察
(4) 周围环境勘察 (5) 以往施工实例的勘察
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9.4.1 总体设计 2) 平面设计 盾构法隧道在进行隧道的平面布置时，要注意： 隧道的线路应根据隧道的使用目的、使用条件等
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9.4.3 设计计算方法 5) 连接缝构造计算
连接缝的螺栓和钢筋都需要校核。连接缝的安全性和管 片的安全性一样，用同样的方法进行校核。
6) 衬砌安全性校核
抵抗盾构千斤顶推力的衬砌安全性校核采用下面的公式：
Fs f ck ca A c
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9.4.4 二次衬砌 二次衬砌结构设计思想有以下四种情况：
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9.4.3 设计计算方法 2) 荷载 必须考虑的荷载：土压力，水压力，静荷载，超 载，地基抗力； 应该考虑的荷载：内部荷载，施工期荷载，地震 效应； 特别荷载：临近隧道的影响，沉降的影响，其它 荷载。
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9.4.3 设计计算方法
3) 管片结构模型 （1）假定管片环是弯曲刚度均匀的环 -均质圆环 模型； （2）假定管片环是多铰环-多铰圆环模型； （3）梁-弹簧模型。
因素进行规划，应尽可能选用直线或缓曲线，同时
必须考虑地表情况、障碍物条件、围岩条件等施工
因素。
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9.4.1 总体设计 2) 平面设计
对一般的曲线施工而言，盾构隧道的允许曲率半径 R 值， 因盾构直径的不同而不同。
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9.4.1 总体设计 3) 纵断面设计
(1) 覆土厚度 决定隧道的覆土厚度时，必须考虑地面和地下结构物的 状况、围岩条件、开挖断面的大小、施工方法等。 从施工效率看，隧道埋深小一些为好。但是埋深太浅易发 生地层沉陷和爆喷等事故。 通常选择H=(1-1.5D)，其中D为盾构机的外径。
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9.4.1 总体设计 3) 纵断面设计
(2)坡度 隧道的坡度不仅取决于使用目的，还取决于河流、地下 构造物及障碍物的分布状况。 从隧道使用目的考虑，原则上设计成渗漏水可以自流排放 的平缓坡度，以不低于0.2%为宜。 从施工方面考虑，为了使施工时的涌水能够自流排放，使 坡度提高到 0.2% ～ 0.5% 为宜；坡度超过 2% 会降低盾构的推 进以及出渣和运料等作业效率。
E2 I 2 Rc42 E1 I 1 E 2 I 2 4 4 Rc1 Rc 2
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9.4.5 相关结构设计 1） 竖井的分类
(1)始发竖井 始发竖井即始发盾构机的竖井，故需从地表把盾构机的分解 件及附属设备搬入始发竖井，然后在井内组装盾构，设置反 力装置和盾构进发导口。始发竖井的另一个功能是运输、存 放盾构掘削中需要的各种器械及材料。 (2)到达竖井 接受盾构机的竖井，可用作人孔、通风孔等。其大小不仅需 要考虑接收盾构机的场地的大小，还应考虑安装各种设施的 空间。 (3)中间竖井 路线中途改变掘进方向的竖井称为中间竖井，其功能是用来 改变隧道的方向。
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9.4.2 管片衬砌结构构造设计 管片的分块
管片环一般由数块标准块A、两块邻接块B和一块封顶块K组 成，彼此之间用螺栓连接而成。 从制作成本、防水、拼装速度方面考虑，分块数越少越好； 从运输和拼装方便看，又希望分块数多些。 环与环之间一般错缝拼装。
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9.4.2 管片衬砌结构构造设计 基本情况
盾构隧道的衬砌通常分为一次衬砌和二次衬砌。 把管环按周向分割成 n(5~9) 块弧状板块，该弧状板块即为 管片。 一次衬砌的作用：支承来自地层的水、土压力，承受盾构 的推进力及各施工设备构成的内荷载。 二次衬砌的作用：除进一步加强补充一次衬砌的作用外， 通常还应具备良好的防渗、防腐蚀、防震，修正轴线起伏及 内饰的作用。
竖井的断面形状
竖井水平断面形状及优缺点比较
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9.4.5 相关结构设计 2） 竖井的设计
（2）竖井的支护、埋深设计 支护结构主要有横撑、锚杆支护结构和钢板桩以及连续墙式 的无支护结构。在设计中，主要考虑水平方向的刚度，故挡 土结构多使用连续墙和钢板桩，形状也多采用能发挥无支护 结构优点的圆形或多边形形状。在竖井较深的场合，采用圆 形连续墙的非常多。 挡土结构物埋入深度常根据开挖底面稳定性或地下水处理方 法决定。作为解决涌砂、地基膨胀问题的措施，在埋设深度 不能达到不透水层时，常采用降低地下水位法，或形成人造 不透水层的地基改良法。作为防止隆起的措施，在埋设深度 不能达到良好的持力层时，必须进行地基改良。
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9.4.5 相关结构设计 2） 竖井的设计
（1）竖井的断面形状
竖井断面形状包括水平断面形状和竖直断面形状。 竖井的形状与竖井的深度、大小、挡土墙的形式及支撑挡土 墙的方式等因素有关。 从内空利用率方面看，圆形最差，矩形最好；从构造物的刚 性方面看，圆形最好。 例如，深井的情形下，因优先考虑竖井整体结构的刚性，显 然圆形最有利。 总之竖井的形状应根据使用目的确定。
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9.4.3 设计计算方法 3) 管片结构模型
（1）均质圆环模型：
不考虑管片接头抗弯刚度降 低，把管环认为是具有和管片 主截面同样刚度 EI ，且抗弯刚 度均匀的环。（惯用法假定： 垂直方向地基反力为均布荷载， 而水平方向的围岩抗力为自顶 部左右 45°-135°范围内的三 角形分布荷载。）
梁 - 弹簧模型，该方法是将 管片主截面简化为圆弧梁或 者直线梁构架，将管片接头 看成为旋转弹簧，将环接头 看成为剪切弹簧的构造模型， 将其弹性性能用有限元法进 行构架分析，计算截面内力。
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9.4.3 设计计算方法 4) 断面安全度检验
根据构件受力的计算结果，必须用极限状态设计方法或者用 允许应力设计方法检验关键部位的安全性。 危险部位有：最大正弯矩的地方；最大负弯矩的地方；最大 轴力的地方。 (1) 极限状态设计方法（绘出设计弯矩与设计轴力间的关系 曲线；计算出实际的弯矩、轴力；判断与关系曲线的位置关 系）。 (2) 允许应力设计方法（要求最大的混凝土压应力和钢筋应 力小于允许应力）。
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9.4.4 二次衬砌
(1)层状框架模型法 用层状框架模型计算二次衬砌的内力时，应采用双框架模型。 在这个模型中，外环模拟成管片衬砌，内环模拟成二次衬砌。 (2)弹性方程法 这种方法假定作用于衬砌的荷载是由管片衬砌和二次衬砌承 担的，并与最大抗弯刚度大小成正比。 二次衬砌的荷载分担率计算公式：
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9.4.3 设计计算方法 （1）均质圆环模型 3) 管片结构模型
考虑管片接头抗弯刚度降低，把管环认为是具有均匀抗弯刚 度（为接头抗弯刚度）的环。（将整体圆环刚度折减，为ηEI， 刚度折减系数 η 通常取 0.6-0.8。对于错缝拼装方式，则采用弯 矩增大系数 ξ 来模拟因错缝拼装引起的刚度增加，通常取 ξ 为 0.3-0.5 。而对于通缝拼装方式，弯矩增大系数ξ为０ 。此法在 世界各国都得到了广泛应用。）
9.4.2 管片衬砌结构构造设计 管片的形状与连接
箱形管片：由主肋和接头板 或纵向肋构成的凹形管片的 总称； 平板形管片：指具有实心断 面的平板状管片； 砌块形管片：无连接螺栓。 管片的连接：沿隧道纵轴的 纵向连接和与纵轴垂直的环 向连接。
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9.4.2 管片衬砌结构构造设计 管片的形状与连接
连接方式：螺栓连接、无螺栓连接、销钉连接。
管片运输
管片就位安装
管片钢筋制作
模板清理、涂脱模剂
钢筋笼入模就位
混凝土浇注
表面压实
浇注后的管片静养
成品管片水平运输
管片养护水池
管片堆场堆放
管片的快速拼装技术
销槽
销头
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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9.4.3 设计计算方法 1) 设计原则
设计管片时的考虑因素：①必须确保隧道构造的安全，一次 衬砌能承受从开工到竣工后的长期使用阶段作用于隧道上的各 种荷载；②考虑降低成本；③制作施工容易。 管片结构计算中应满足以下原则： ① 管片衬砌结构模型的正确使用，包括对管片和接头的正确 模拟以及不同的拼装方式。 ② 荷载的计算正确，必须考虑到施工过程中的每个阶段和竣 工后运营条件下的所有情况，以隧道区间内最不利荷载为基础 进行管片衬砌结构内力和变形计算。 ③ 隧道衬砌与围岩间相互作用的正确模拟。
9.4 盾构法隧道设计
9.4.5 相关结构设计
3）联络通道设计 地铁列车运营中发生意外事故时需将旅客迅速、方便地疏散 到另一区间或安全地带。这就需要在区间隧道中设置联络通道。 一般联络通道设计在区间隧道中部最大埋深处，这样可以在联 络通道内设置泵站，用于区间隧道内积水的汇集和排放。
地下结构工程
第9章 盾构法隧道结构 主讲教师 ： 白 哲
本章内容


9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6
概述 盾构的基本构造 盾构机的类型及选择 盾构法隧道设计 盾构法隧道施工 工程实例
9.4 盾构法隧道设计
9.4.1 总体设计 1) 设计前期工作
设计前期工作主要包括设计前期的调研、论证和筹备工作， 其中最关键的是勘察，因为勘察是获取规划、设计、施工及维 护管理各阶段所需基础资料的途径。 勘察结果用途：选定隧道线路及平面位置，确定可否采用盾 构法，进行环境保护措施的论证，决定工程的规模和内容，隧 道竣工后还将成为维护管理的资料。