第九章 盾构法隧道结构(2)

9.4 盾构法隧道设计
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。
9.4 盾构法隧道设计
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
9.4 盾构法隧道设计
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
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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9.4.3 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。）
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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。
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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。
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
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。
9.4 盾构法隧道设计
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。
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。
9.4 盾构法隧道设计
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。）
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。
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
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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。
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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：
9.4 盾构法隧道设计
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。
9.4 盾构法隧道设计
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。
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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9.4.1 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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9.4.2 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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9.4.2 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。