地下工程第三篇第三章解析
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• 假定：结构可以自由变形，不受地层约束，认为圆环 只是处在外部荷载及与之平衡的底部地层反力作用下 工作.
• 不考虑弹性反力的计算方法，也称为自由变形圆环计 算方法。
（1）围岩压力作用下自由变形圆环的计算
采用弹性中心法。 由于结构和荷载对称，拱顶剪力为0，整个圆环为二次超静定结构。 根据弹性中心处的相对角变和相对水平位移等于零的条件，列出力法典 型方程：
第二节 盾构千斤顶推力计算
阻力包括：
• 盾构外表面与四周地层的摩阻力； • 盾尾内壳与衬砌结构之间的摩阻力； • 盾构切口部分刃口切入土层的阻力； • 盾构切口环切入土层时的正面阻力； • 开挖面正面支撑阻力； • 以及盾构自重引起的阻力，纠偏时的阻力，局部气压或泥水压力，阻力
板阻力等。
日本盾构总推力经验公式
P (70 100) D2(N )
4
隧道名称 荷兰Vehicular 美国林肯隧道 美Brooklyn-
battery
美QueenMidtown
比Antwerpen
直径 D(m) 9.17 9.63 9.63
9.65
9.50
长度 L(m) 5.73 4.71 4.71
5.70
5.50
灵敏 度L/D 0.63 0.49 0.49
• 2.满足所提出的安全质量指标要求：裂缝开展宽度，接缝变形和直 径变形的允许量，隧道抗渗防漏指标，结构安全度，衬砌内表面平 整度要求 ，满足使用要求的工作环境，保持隧道内部的干燥和洁净。
4.2 内力计算法1——不考虑弹性反力
• 饱和含水地层中 ，因内擦角φ值很小，主动与被动土 压力几乎是相等，结构变形不能产生很大抗力 。
4.3 内力计算法3——多铰圆环法
将管片接缝看作为一个“铰”，整个圆环变成一个多铰圆环。 基于： 连接方法由刚性连接向柔性连接过渡。 虽属不稳定结构，但因有外围土层提供的附加约束和多铰圆 环的变形而提供了相应的地层抗力，促使多铰圆环仍处于稳 定状态。
适用于装配式衬砌结构，构造接缝螺栓可作为铰处理。 （1）日本山本稔（rěn ）法
盾构隧道所处地层参数平均化
例： 江坪河水电站泄洪洞衬砌结构FLAC3D分析
环宽与厚度
• 国内外常用的环宽是750~1000m； • 曲线段推进时设有楔形管片，按隧道曲率半径计算； • 管片厚度一般为250~600mm。
分块
• 大断面隧道可分成6~8~10块，小断面可分为4~6块。 • 管片的最大弧长一般不超过4 m，管片愈薄其长度应越短。
拼装型式
• 一般有通缝、错缝拼装两种。 • 纵缝环环对齐的称通缝，适用于需要拆除管片修建旁侧通道或结构
需要比较柔的情况下，以便于进行结构处理。 • 纵缝互相错开，对称错缝，其优点在于能加强圆环接缝刚度，使圆
形结构可近似地按均质圆环等刚度考虑，因此使用较普遍的，缺点 是错缝拼装容易使管片顶碎。
环、纵向螺栓
• 环向螺栓根据接缝内力情况可设置成单排或双排。 • 双排：外排螺栓抵抗负弯矩，内排螺栓抵抗正弯矩。 • 纵向螺栓目的是使隧道衬砌结构具有抵抗隧道纵向变形的能力 ，一
（2）装配阶段自重作用下自由变形圆环的计算
4.2 内力计算法2——假定弹性反力的计算方法 （1）日本惯用方法 假定弹性反力为三角形分布。
（2）布加耶娃法 假定圆环受到竖向荷载后，其顶部变形是朝衬砌内的，不产
生弹性抗力，形成顶拱90°范围的脱离区。其余部分产生朝向地 层的变形，因此产生了弹性反力。弹性反力分布图形呈一新月 形。假定水平直径处的变形为ya，底部变形为yb。
0.59
0.576
重量 盾构千斤 W(t) 顶（只数）
400
30
304
28
315
28
28
275
32
Rotherhite 9.35 5.49 0.586
40
原苏联莫斯科
地铁
9.50 4.73 0.5 340
36
中国上海打浦
路隧道
10.20 6.63 0.65 400
40
中国上海延安
东路隧道
11.26 7.80 0.69 480
• L=L0+L1+L2+L3 • L0—盾尾长度； • L1—支承环长度； • L2—切口环长度； • L3—前檐长度。
盾构灵敏度L/D
• 经验数值 : • 小型盾构D=2~3m，L/D=1.5 • 中型盾构D=3~6m, L/D=1.00 • 大型盾构D=6~9m, L/D=0.75 • 特大型盾构D＞12m, L/D=0.45~0.75
第二篇 盾构法修建的地下工程
第一章 概述 第二章 盾构法隧道施工 第三章 盾构法隧道设计 第四章 盾构法在不同地下工程中的应用
Hale Waihona Puke Baidu
第一节 盾构几何尺寸的选定
主要指盾构外径D和盾构长度L、盾构灵敏度L/D。 最小建筑空隙值x ： x=mα=m D=d+2(x+δ l)
d
δ=0.02+0.01（D-4）
盾构长度L
块管片设3~4个螺栓。 • 螺栓材料一般采用高强度合金钢，直螺栓 。
第四节 衬砌内力计算与管片结构设计 4.1 设计原则
隧道衬砌费用占40%~50%，安全可靠、经济合理 。
• 1.满足结构的强度和刚度 ：土层压力、水压力以及特殊荷载，按梁式 模型计算埋在土中圆环的内力和位移，以及管片（如钢筋混凝土管片） 的裂缝宽度限制等。 覆土最深、顶压与侧压相差最大处：按施工阶段和使用阶段荷载最不 利组合情况下计算，同时按使用阶段与特殊荷载阶段组合情况下的管 片强度验算 。 覆土最浅处：断面仅进行使用阶段和特殊荷载阶段组合情况下的管片 强度验算。
假定： 1）适用于圆形结构； 2）管片作刚体处理； 3）弹性反力按均布形式分布，方向指向圆 心； 4）不计圆环与地层之间的摩擦； 5）地层弹性反力和变形间的关系按温克尔 假定计算。
（2）前苏联多铰圆环 假定衬砌与地层之间不产生
相对位移，弹性反力分布形式 不同于日本法。
4.4 内力计算法4——有限单元法
44
(104N) 6000 6440 6440 5600 6400 6700
3500
8000
8800
盾壳厚 附注
度(mm) 70
63=12.7 63=12.7
70
第三节 装配式圆形衬砌设计
• “管片”是建成隧道后的永久性支撑结构，应满足强度 要求、使用要求；
• 施工阶段须装配简便、容易替换、承受盾构千斤顶顶 力及其它施工荷载。
• 不考虑弹性反力的计算方法，也称为自由变形圆环计 算方法。
（1）围岩压力作用下自由变形圆环的计算
采用弹性中心法。 由于结构和荷载对称，拱顶剪力为0，整个圆环为二次超静定结构。 根据弹性中心处的相对角变和相对水平位移等于零的条件，列出力法典 型方程：
第二节 盾构千斤顶推力计算
阻力包括：
• 盾构外表面与四周地层的摩阻力； • 盾尾内壳与衬砌结构之间的摩阻力； • 盾构切口部分刃口切入土层的阻力； • 盾构切口环切入土层时的正面阻力； • 开挖面正面支撑阻力； • 以及盾构自重引起的阻力，纠偏时的阻力，局部气压或泥水压力，阻力
板阻力等。
日本盾构总推力经验公式
P (70 100) D2(N )
4
隧道名称 荷兰Vehicular 美国林肯隧道 美Brooklyn-
battery
美QueenMidtown
比Antwerpen
直径 D(m) 9.17 9.63 9.63
9.65
9.50
长度 L(m) 5.73 4.71 4.71
5.70
5.50
灵敏 度L/D 0.63 0.49 0.49
• 2.满足所提出的安全质量指标要求：裂缝开展宽度，接缝变形和直 径变形的允许量，隧道抗渗防漏指标，结构安全度，衬砌内表面平 整度要求 ，满足使用要求的工作环境，保持隧道内部的干燥和洁净。
4.2 内力计算法1——不考虑弹性反力
• 饱和含水地层中 ，因内擦角φ值很小，主动与被动土 压力几乎是相等，结构变形不能产生很大抗力 。
4.3 内力计算法3——多铰圆环法
将管片接缝看作为一个“铰”，整个圆环变成一个多铰圆环。 基于： 连接方法由刚性连接向柔性连接过渡。 虽属不稳定结构，但因有外围土层提供的附加约束和多铰圆 环的变形而提供了相应的地层抗力，促使多铰圆环仍处于稳 定状态。
适用于装配式衬砌结构，构造接缝螺栓可作为铰处理。 （1）日本山本稔（rěn ）法
盾构隧道所处地层参数平均化
例： 江坪河水电站泄洪洞衬砌结构FLAC3D分析
环宽与厚度
• 国内外常用的环宽是750~1000m； • 曲线段推进时设有楔形管片，按隧道曲率半径计算； • 管片厚度一般为250~600mm。
分块
• 大断面隧道可分成6~8~10块，小断面可分为4~6块。 • 管片的最大弧长一般不超过4 m，管片愈薄其长度应越短。
拼装型式
• 一般有通缝、错缝拼装两种。 • 纵缝环环对齐的称通缝，适用于需要拆除管片修建旁侧通道或结构
需要比较柔的情况下，以便于进行结构处理。 • 纵缝互相错开，对称错缝，其优点在于能加强圆环接缝刚度，使圆
形结构可近似地按均质圆环等刚度考虑，因此使用较普遍的，缺点 是错缝拼装容易使管片顶碎。
环、纵向螺栓
• 环向螺栓根据接缝内力情况可设置成单排或双排。 • 双排：外排螺栓抵抗负弯矩，内排螺栓抵抗正弯矩。 • 纵向螺栓目的是使隧道衬砌结构具有抵抗隧道纵向变形的能力 ，一
（2）装配阶段自重作用下自由变形圆环的计算
4.2 内力计算法2——假定弹性反力的计算方法 （1）日本惯用方法 假定弹性反力为三角形分布。
（2）布加耶娃法 假定圆环受到竖向荷载后，其顶部变形是朝衬砌内的，不产
生弹性抗力，形成顶拱90°范围的脱离区。其余部分产生朝向地 层的变形，因此产生了弹性反力。弹性反力分布图形呈一新月 形。假定水平直径处的变形为ya，底部变形为yb。
0.59
0.576
重量 盾构千斤 W(t) 顶（只数）
400
30
304
28
315
28
28
275
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Rotherhite 9.35 5.49 0.586
40
原苏联莫斯科
地铁
9.50 4.73 0.5 340
36
中国上海打浦
路隧道
10.20 6.63 0.65 400
40
中国上海延安
东路隧道
11.26 7.80 0.69 480
• L=L0+L1+L2+L3 • L0—盾尾长度； • L1—支承环长度； • L2—切口环长度； • L3—前檐长度。
盾构灵敏度L/D
• 经验数值 : • 小型盾构D=2~3m，L/D=1.5 • 中型盾构D=3~6m, L/D=1.00 • 大型盾构D=6~9m, L/D=0.75 • 特大型盾构D＞12m, L/D=0.45~0.75
第二篇 盾构法修建的地下工程
第一章 概述 第二章 盾构法隧道施工 第三章 盾构法隧道设计 第四章 盾构法在不同地下工程中的应用
Hale Waihona Puke Baidu
第一节 盾构几何尺寸的选定
主要指盾构外径D和盾构长度L、盾构灵敏度L/D。 最小建筑空隙值x ： x=mα=m D=d+2(x+δ l)
d
δ=0.02+0.01（D-4）
盾构长度L
块管片设3~4个螺栓。 • 螺栓材料一般采用高强度合金钢，直螺栓 。
第四节 衬砌内力计算与管片结构设计 4.1 设计原则
隧道衬砌费用占40%~50%，安全可靠、经济合理 。
• 1.满足结构的强度和刚度 ：土层压力、水压力以及特殊荷载，按梁式 模型计算埋在土中圆环的内力和位移，以及管片（如钢筋混凝土管片） 的裂缝宽度限制等。 覆土最深、顶压与侧压相差最大处：按施工阶段和使用阶段荷载最不 利组合情况下计算，同时按使用阶段与特殊荷载阶段组合情况下的管 片强度验算 。 覆土最浅处：断面仅进行使用阶段和特殊荷载阶段组合情况下的管片 强度验算。
假定： 1）适用于圆形结构； 2）管片作刚体处理； 3）弹性反力按均布形式分布，方向指向圆 心； 4）不计圆环与地层之间的摩擦； 5）地层弹性反力和变形间的关系按温克尔 假定计算。
（2）前苏联多铰圆环 假定衬砌与地层之间不产生
相对位移，弹性反力分布形式 不同于日本法。
4.4 内力计算法4——有限单元法
44
(104N) 6000 6440 6440 5600 6400 6700
3500
8000
8800
盾壳厚 附注
度(mm) 70
63=12.7 63=12.7
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第三节 装配式圆形衬砌设计
• “管片”是建成隧道后的永久性支撑结构，应满足强度 要求、使用要求；
• 施工阶段须装配简便、容易替换、承受盾构千斤顶顶 力及其它施工荷载。