盾构法施工管片设计

衬砌
经验比较 计算分析
工程筹划
工期控制 场地和交通
环境保护
2. 设计计划 综合
工程的技术可行性分析 工程的安全可靠性分析 工程综合技术经济比较
重 点、 难 点、 风解 险决 点、 方 亮案 点
3. 管片模具设计 设计程序及过程控制
第一步：根据功能要求、周边控制条件和既有设备情况等确定隧道的形状和内径
3. 管片模具设计 设计程序及过程控制
第五步：根据隧道直径、地质情况、受力和 安装要求，确定管片的连接方式，以及连接 件的数量和分布。
管片的连接通常采用螺栓连接，螺栓连接的数 量块间一般2-3个，环间考虑地质情况、抗震要求 等设置，一般每块不少于2根，一环对于中小直径 盾构控制在10-16个。 为满足错缝拼装要求，环间螺栓必须360度范围 内均匀设置。 由于螺栓接头需要人工操作，难以实现拼装的 自动化，快速化，因此不少工程环间开始采用钢销 、CONEX接头；块间采用推入锁定接头、钢制T\C型 零件接头、设置榫槽取消接头、销子接头等，开发 出来CONEX系列管片、销子. 快速接头管片、一次 成型管片、AS管片等。 国内管片接头的形式比较单一，呆板，很有必 要结合工程情况进行创新和试验。
A1
A2
B K
C A3
max. l
min. l ma x. l
CL
C
K
A3
B
A2 A1
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A1
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A3
楔形环在不同的角度安装，其水平向和竖向的楔形量发生变化
平面曲线拟合示意
3. 管片模具设计 设计程序及过程控制
衬砌环组合形式
方法
特点
标准衬砌环、左转弯衬砌 环和右转弯衬砌环组合
直线地段除施工纠偏外，多采用标准衬砌环；曲线 地段可通过标准衬砌环与左、右转弯衬砌环组合使 用以模拟曲线。施工方便，操作简单
左转弯衬砌环和右转弯衬 砌环组合
通过左转弯环、右转弯环组合来拟和线路。由于每 环均为楔形，拼装时施工操作相对麻烦一些。欧洲 常采用，国内地铁区间未采用。
满足抗渗要求：≥250mm；（不尽合理，对于小型盾构，厚度偏大）
根据荷载情况，进行结构分析验证。
3. 管片模具设计 设计程序及过程控制
第四步：根据机械情况、施工经验、进度要求、耐久性考虑，结合技术经济比较，判 断是否采用矩形管片，如果采用梯形、六边形、翼型等管片，应同步对管片的连接形 式进行考虑确定，最好在实施期间进行管片和接头的模型或实物试验。
隧道形状 采用常规的圆形隧道是否可行 是否必须采用异型盾构：矩形、椭圆形、双圆或三圆 如果采用异型盾构，设备问题、结构问题、线路问题能否解决，有没有其他方 案能就解决问题，同时需要进行深入的技术经济比较
隧道内径 明确隧道的功能：铁路或地铁交通、公路或市政交通、共同沟、雨污水隧道（ 有无内压）、管线或管沟隧道等； 根据功能要求确定设备限界、建筑限界，根据变形和工艺要求，进而确定结构 限界，明确最小隧道内径； 根据既有设备情况，核定内径是否经济；核定设备采购能否满足工程筹划要求 ；核定是否满足投标承诺或变更承诺能否可行。 综合考虑上述情况，确定内径。
万能管片
通过一种楔形环管片模拟直线、曲线及施工纠偏。 管片排版时，衬砌环需扭转多种角度，封顶块有时 位于隧道下半部，管片拼装相对复杂，国内深圳地 铁中有采用。
3. 管片模具设计 设计程序及过程控制
楔形量的确定
楔形环可以采用单面楔形或双面楔形皆可，国内皆有应用。 日本经验：楔形量除应根据管片种类、管片宽度、管片环外径、曲线半径、曲线区间楔形 管片环使用比例、管片制作的方便性确定外，还应根据盾尾操作空隙而定。总结过去的使用经 验，由于配筋上的制约，绝大多数混凝土类管片的楔形量在75mm以内。 楔形量的确定除满足现状线路外，也应考虑满足盾构机的最小使用半径。 楔形量的确定需要考虑错缝拼装条件下，由于管片扭转造成线路拟合的复杂性，需要有一 定的余量。 楔形量的确定最好能够较优的满足线路拟合需要，一般以在多种曲线半径下，通过与标准 环的组合实现错缝拼状为宜。 由于管片拼装的不可准确预测性，楔形量的数值不是唯一的。
1. 特点和分类 — 分类
经过多年的发展，管片的类型有30多种，有些是材料不同，有些是形状差异， 有些是接头形式不同，有些为了增加管片的耐久性，有些为了降低制作费用， 下面简单的根据材料和形状进行分类
铸铁管片：早期应用多 钢筋混凝土管片：占绝大多数 复合管片：SRC管片、MN管片、AS管片、钢+混凝土、铸铁+混凝土等
3. 管片模具设计 设计程序及过程控制
第三步：根据经验比较、结构受力分析，抗渗要求等，再结合既有设备情况，确定管 片的厚度，进而确定管片外径。
一般为5%-6%D 结合地区经验和管片直径进行判断； 可以根据配筋量进行调整； 必须考虑设备供应情况； 可以考虑地区管片的通用性，利于施工组织；
3. 管片模具设计 设计程序及过程控制
第九步：设计综合，核定管片参数能否满足机械要求、K块设计是否满足拼状要求； 手孔设计能否满足脱摸和受力、钢筋布置要求；标识是否全面等等。
第十步：线路拟和和纠偏设计，主要通过设置转弯环或设置垫片来解决。
CL
Байду номын сангаас
K
C
B
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A1
A3 A2
CL
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3. 管片模具设计 设计程序及过程控制
第一步：根据功能要求、周边控制条件和既有设备情况等确定隧道的形状和内径
3. 管片模具设计 设计程序及过程控制
第二步：根据功能要求、耐久性、受力等要求确定隧道采用单、双层衬砌
一般情况下采用单层衬砌，但对于污水隧道、有内压隧道、或管片衬砌里钢 铁等易腐蚀材料采用较多、或结构受力十分复杂、或运营条件对结构腐蚀性较强 等情况下，宜采用双层衬砌。
障碍物勘察： 地上、地下结构物；埋设物；水井和旧井；建筑物及临时建筑物遗
迹；规划建筑
地形地质要全面、准确
使用功能应明晰
原则标准应确定
2. 设计计划 总体控制
隧道形状和净空
线路
平面设计：线位、小曲线、近接施工 纵断面设计：埋深和坡度
工法
主体隧道：盾构法、矿山法或复合 附属结构：明挖法、矿山法、顶管法 辅助工法：注浆、冷冻、旋喷桩、搅拌桩、托换
无特殊要求或考虑，宜采用矩形管片，因为设备通用性强，施工经验成熟； 矩形管片设计经验成熟，而梯形、六边形、翼型在国内几乎没有应用，在国外 应用相对也很少，如采用必须进行充分的调研和准备，并进行试验研究。 采用梯形、六边形、翼型等管片，通常管片的连接形式采用销钉、榫或插销、 取消螺栓选采用榫槽等形式，以达到简化拼装或边掘进边拼装的效果，加快施工 进度，因此对机械、施工组织、结构受力分析都有一些特殊的要求，因此必须综 合考虑（不能仅仅考虑结构设计），同时对接头的进货进行考察； 采用梯形、六边形、翼型等管片，对线路拟和需要专门进行论证。 以下程序主要针对矩形管片设计进行。
西班牙 忽略粘聚力的Terzaghi松弛土压力公式（λ=1.0）
英国 美国 日本
Pv=全覆土荷载（+水压力）； Pe=（1+λ）/2Pv（+静水压力）（λ=k0） Pv=全覆土荷载（+水压力）； Pe=λPv（+静水压力）（λ=0.4～0.5）
型号 小型盾构 中型盾构 大型盾构
管片宽度 0.8-1m 1-1.5m 1.5-2.8m
3. 管片模具设计 设计程序及过程控制
第七步：进行管片的分块设计
管片的分块不宜过多，这样拼状时间长，材料 用量也大；也不宜过少，这样管片体量过大，不利 于拼状和运输。 对于中等直径盾构，一般采用六分块或七方案 ：一块封顶块+二块邻接块+三块标准块。 小直径盾构管片多采用5-6分块；大型盾构管片 经常分为7-9块。 管片分块必须重点考虑K块的设计，是采用大封 顶块，还是采用小封顶块，需根据螺栓的设置、千 斤顶的行程控制、手孔的布置以及封顶块的拼状方 式进行总体综合考虑。 封顶块的设计需要考虑管片的拼状条件，一般 条件下，最后拼状封顶块时，k块和两侧邻接块在 任何部位两者间的最小水平间隙不宜小于25mm，如 果减少间隙，需要盾构机制造商同意。为插入方便 ，K块的水平投影线与中轴线的水平角度控制在8度 左右；为保证K块在注浆压力下的稳定，其中剖面 处中心径向的旋转角度宜控制在3.5度左右。
3. 管片模具设计 设计程序及过程控制
第八步：进行管片细部设计
管片手孔设计：满足螺栓安装的工艺要求；满足 管片的脱摸要求；螺栓尽可能通用；手孔间距不要 过大，避免钢筋不好布置，也不宜过小，脱摸时易 掉块；手孔距离结构边不宜小于150mm，削弱结构 易于开裂等。 管片标识设计： 模具编号、块编号、直径或半 径标识、螺栓孔位置标识等； 起吊孔或注浆孔设计，在中小直径盾构中，两者 经常合一，注意起吊孔应设置在管片的重心位置， 避免拼状时由于附加弯矩造成不稳定。对于中小直 径盾构，起吊孔或注浆孔应优先选用高分子材料， 保证结构的耐久性。对于大型盾构，经常采用真空 吸盘起吊，定位孔和注浆孔需要结合机械进行设计 。 接触面设计：是否设置榫槽；是否设置缓冲材料 ；防水槽位置和尺寸；嵌缝槽形状等。
管片环外径D。 楔形量(mm) 楔形角
Do<4m
15~75 20‘-115’
4m~Do<6m 6m-~Do<8m 8m~Do<10m
30--80 20‘-70‘
30~90 15‘-50’
40~90 15‘-35’
iom~DO
40~70 10‘-25’
3. 管片模具设计 设计程序及过程控制
4. 结构计算分析
矩形管片：占绝大多数 梯形或平行四边形管片：CONEX系列 翼型管片： 六角形管片：双重螺旋管片、蜂窝型管片、螺旋形管片等
2. 设计计划 基础资料
边界条件要清楚
总体调查：土地的现状和规划、道路交通现状及规划、环境和文物保护、地表水 体、工程用地、用电和供水等控制性工程环境条件
环境保护调查： 噪声和振动、地基变形、地下水、缺氧气体和沼气等有害气体、化学 注浆等 、渣土处理及运输等
管片的设计和选型
主要内容
1、特点和分类 3、管片模具设计 5、管片配筋 7、异型盾构
2、 设计计划 4、结构计算分析 6、防水设计 8、发展趋势
1. 特点和分类 — 特点
预制构件 形状不标准。 需要组合拼装，组合拼装精度要求高。 组合拼装后整体具有良好的防水性能。 能模拟空间曲线。 三维承载，受力复杂 加工精度高。
荷载
国名
澳大 利亚
水土压力计算方法 Pv=全覆土荷载； Pe=λPv+静水压力（λ≥μ（1－μ））
奥地利
浅埋隧道：Pv=全覆土荷载；Pe=λPv+静水压力； 深埋隧道：Terzaghi松弛土压力公式
比利时 德国
法国
Schulze-Duddeck法 Pv=全覆土荷载；Pe=λPv（λ=0.5） Pv=全覆土荷载或Terzaghi松弛土压力公式； Pe=λPv（λ按经验取值）
斜螺栓连接 环缝插销连接
A A
DATUM P LA N = RA DIUS VECTOR
=
B
B
弯螺栓连接 直螺栓连接
3. 管片模具设计 设计程序及过程控制
第六步：根据机械、运输系统、施工组织、平曲线情况等，综 合考虑确定管片宽度。
如有条件，管片尽可能宽点，以提高施工速度，节约造价。 管片宽度主要取决于掘进机和隧道直径，如果管片过宽，则机械过 长，灵敏性差。而且管片运输困难。 管片的宽度必须与盾构机相匹配：与盾构机的千斤顶行程匹配；宽 度大，管片重，需与管片拼状机的能力匹配； 管片宽度必须考虑封顶块的拼状方式：千斤顶的行程=管片宽度B+ （B-封顶块拼状搭接长度L）+150（200）余量； 管片宽度大，一次出渣量大，为提高掘进效率，必须尽快把渣土运 输出去，因此水平运输系统和垂直运输系统应匹配合理，以利于发挥 效率。 管片宽度还要考虑螺栓数量和管片分块，譬如6m直径的地铁隧道， 同样2000mm的千斤顶行程的盾构机，在10个环间螺栓条件下可以作成 小封顶块，通过加大封顶块拼状搭接长度（1200mm）能够作成1500mm 宽管片；而在16个环间螺栓条件下，由于难以做成小封顶块，为满足 拼状要求，封顶块拼状搭接长度很难做到800mm，因此基本只能做 1300mm的管片。