盾构法隧道衬砌结构设计(设计)(内容详实)
盾构法隧道衬砌管片钢模的设计
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・上海建设科技
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园林绿化
五角场副中心周边道路绿化养护标准
附属绿化的养管问题通过区绿委办监督处理； 属于 道路绿化养管问题的， 由区绿化局公共绿化职能部 门负责监督专业绿化养护责任单位整改。 #" ! 养护措施 （ 将五角场核心区域范围内的道路绿化 （ 包 (）
’ 收稿日期： "$$% ! $% ! "+ )
’ ( ) 混凝土自重、 钢筋笼及其他预埋件对其的载
节省劳力、 便于管理， 缺点是噪声大。 在设计计算时， 应处理好振动力和刚度、 强度的关系， 使附着式振动 钢模具有一定的精度、 稳定性和使用寿命。 另外， 有 的附着式振动钢模的设计， 其底座不完全是端、 侧板 定位的基准， 因此在操作上规定了端、 侧板与底座间 联接螺栓的拧紧力矩和位置， 但螺栓联接的固有特 性会使这力矩和位置有所变化， 因而经常要在合模 时检测宽度是否在允许的精度范围内， 这对操作人 员提出了一定的技能要求。 !" !" # 整体式振动钢模 是把钢模安置在一个能固定钢模的振动平台 上， 该平台由弹簧或空气气囊支撑。 如采用空气气 囊， 则有一套控制平衡的装置确保钢模的重心不论 落在哪儿， 均能通过该自动平衡装置来调节空气气 囊的高度， 使振动平台始终保持在一个水平面上。 这 种振动的形式有气动、 电动， 液压传动。 整体式振动 钢模的设计应满足在同一个振动平台能使用于多个 钢模， 这样， 既便于设计管片制作的生产流水线， 又 使每个工位的操作专项、 单一， 不仅提高了操作效 率， 也方便了管理。 # 钢模设计的相关因素 钢模强度和刚度的设计计算决定了钢模精度、 稳定性和使用寿命。 钢模的设计计算不权是以流体 静压力原理为基础， 而且还应综合考虑管片制造厂 制造工艺的有关因素。 在钢模使用中一般会受到以 下的载荷作用和工艺因素的影响。
地下结构设计6：盾构法隧道支护结构设计
6.4 衬砌型式和构造
6.4.1 衬砌断面的型式与选型 盾构法隧道的衬砌结构在施工阶段作为隧道施工 的支护结构，它保护开挖面以防止土体变形，土 体坍塌及泥水渗入，并承受盾构推进时千斤顶顶 力及其它施工荷载； 在隧道竣工后作为永久性支撑结构，并防止泥水 渗入，同时支承衬砌周围的水、土压力以及使用 阶段和某些特殊需要的荷载，以满足结构的预期 使用要求。
2)按结构型式分类
隧道外层装配式钢筋混凝土衬砌结构根据不同 的使用要求分成箱形管片，平板形管片等几种 结构型式。 钢筋混凝土管片四侧都设有螺栓与相邻管片连 接起来。 平板形管片在特定条件下可不设螺栓，此时称 为砌块，砌块四侧设有不同几何形状的接缝槽 口，以便砌块间和环间相互衔接起来。
6.3 开挖面稳定
开挖面的稳定性是一个至关重要的多参函数， 主要包括： （1）土体类型和可变性；（2）开挖面几何 尺寸；（3）地下水；（4）土压力和初试土 压力；（5）开挖方式和支护方式。
对于隧道开挖面稳定已有很多的研究，大多数 结果是基于极限平衡法和极限分析法。目前计 算支撑压力的一种合理的和明确的方法是块体 多椎体法。
6.4.2 衬砌的分类及其比较
1)按材料及形式分类 （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 。
②平板形管片用于较小直径的隧道，单块管片重 量较重，对盾构千斤顶顶力具有较大的抵抗能力 ，正常运营时对隧道通风阻力较小。
6.2 盾构机的分类及选型
盾构机分类
按开挖面是否封闭：可分为密闭式和敞开式两类； 按平衡开挖面土压与水压的原理不同，密闭式盾构 机又可分为土压式（常用泥土压式）和泥水式两种 ； 敞开式盾构机按开挖方式又可分为手掘式、半机构 挖掘式和机械挖掘式三种 按盾构机的断面形状可分为圆形和异形盾构机两类 ，其中异形盾构机主要有多圆形、马蹄形和矩形。
地铁盾构隧道设计
盾构机的选型及设计 工程在前期准备时最重要的工作 盾构机选型考虑因素 地层土质条件 断面大小 线路周边环境 排土方式 地铁盾构常用的机型 泥水平衡盾构 土压平衡盾构
二.盾构机选型
泥水平衡式盾构
土压平衡式盾构
毋明钵村黔栈撅蝗为迢黄知菱蛆染瓢圣矫涵崔全熟恫坷侧虞腕月湍妹帽春地铁盾构隧道设计地铁盾构隧道设计
术恍虎哪齐普领朵器由沥耪莆关苍杯始妮牲又桓馅掺聘五摈壶奋炬针硒饥地铁盾构隧道设计地铁盾构隧道设计
四.隧道附属结构设计
稳赢恍操苯恫棍绵轧牙矛渝大忽暴狭贞逸灼指仕欲晓克构谊袋嫩疟比拱迄地铁盾构隧道设计地铁盾构隧道设计
四.附属结构设计
——工作井
工作井 盾构始发 盾构接受 盾构调头 盾构过站 站内过站、站外过站
捻固柴诵弊衰棍肢庙疏涪裹憾愁坑跋峪蔓网颗敲鸵煌扣各杖渺臀坪凤务聪地铁盾构隧道设计地铁盾构隧道设计
四.附属结构设计
——工作井
洞门密封 洞圈与盾构外径有一定的间隙 防止盾构出洞时及施工期间土体及浆液从该间隙中流失 在洞圈周围安装由橡胶帘布、扇形压板等组成的密封装置。
随触霉蔫撒歌琶先傅钉玄矿签撂坞瓣茫湾啊磁逊剐几拾渠富稽坚靖虑啸钻地铁盾构隧道设计地铁盾构隧道设计
地铁8号线下穿徐东平价人行通道
泳牲叹蛊沼判申孤震廊贯瞎乒徐快异抠稽驯剐肝度庐壁闪醉佬俺拍朗蒙碍地铁盾构隧道设计地铁盾构隧道设计
三.地铁盾构结构设计
——变形分析
变形控制 盾构施工控制 严格控制开挖面的出土量 提高施工的速度和连续性 及时同步注浆,缩短衬砌脱出盾尾的暴露时间 地层改良 高压旋喷桩、搅拌桩、灌浆 隔离桩
二.盾构机选型
——泥水平衡式盾构
脐瓤明盾爪徊桶展几峪励离待润舒端啄鼓迁循墓赦擎茸恋卜徊衍绢沸蓟追地铁盾构隧道设计地铁盾构隧道设计
盾构法隧道衬砌结构设计(设计)(内容详实)
课件类
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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
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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。
地铁盾构隧道设计ppt课件
抗浮安全系数： 不考虑侧摩阻力时，大于等于1.1
三.地铁盾构结构设计
——设计原则
单管大洞方案 内径10米，外径11米； 双管小洞方案 内径5.4米，外径6.0米；
三.地铁盾构结构设计
——断面方案
管片类型 钢管片 钢筋混凝土管片
——衬砌内力分析
计算结果示意
三.地铁盾构结构设计
——衬砌内力分析
土压力计算 土柱理论（H<2D） 压力拱理论（太沙基，普氏）（H>=2D）
三.地铁盾构结构设计
——变形分析
地面变形阶段 分五个阶段
三.地铁盾构结构设计
——变形分析
地面变形机理
阶段
沉降类型
主要原因
一
地铁8号线穿越竹叶山高架立交桥桩
地铁8号线下穿友谊大道通道
地铁8号线下——变形分析
变形控制 盾构施工控制 严格控制开挖面的出土量 提高施工的速度和连续性 及时同步注浆,缩短衬砌脱出盾尾的暴露时间 地层改良 高压旋喷桩、搅拌桩、灌浆 隔离桩
四.隧道附属结构设计
二.盾构机选型
盾构机的选型及设计 工程在前期准备时最重要的工作 盾构机选型考虑因素 地层土质条件 断面大小 线路周边环境 排土方式 地铁盾构常用的机型 泥水平衡盾构 土压平衡盾构
二.盾构机选型
泥水平衡式盾构
土压平衡式盾构
二.盾构机选型
——泥水平衡式盾构
二.盾构机选型
——土压平衡式盾构
二.盾构机选型
泥水平衡式盾构
土压平衡式盾构
比较项目
二.盾构机选型
——土层地质
粉细砂
盾构法隧道结构
6.1 衬砌形式和构造
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衬砌断面形式和构造
盾构隧道横断面一般由圆形、矩形、半圆形、马蹄形等，衬 砌最常用的断面形式为圆形与矩形。
内部使用限界的确定
a. 车辆限界
• 车辆限界是指在平、直线路上运行中的车辆，可能达到的 最大运动包迹线。
• 确定车辆限界的各个控制点，要考虑车辆外轮廓横断面的 尺寸以及制造上的公差，车轮和钢轨之间及在支承中的机 械间隙、车体横向摆动和在弹簧上颤动倾斜等。
盾构法隧道结构
It is applicable to work report, lecture and teaching
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第6章 盾构法隧道结构
衬砌形式和构造 衬砌圆环内力计算 盾构法隧道衬砌的结构设计 隧道防水及其综合处理 算例
On the evening of July 24, 2021
基本荷载 附加荷载 特殊荷载
荷载分类
1. 地层压力 2. 水压力 3. 自重 4. 上覆荷载的影响 5. 地基抗力
1. 内部荷载 2. 施工荷载 3. 地震的影响
1. 平行配置隧道的影响 2. 接近施工的影响 3. 其他
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基本使用阶段
荷载简图
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矩 形 盾 构 机
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盾 构 进 洞
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盾构衬砌
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盾构隧道衬砌设计实例
Design Example of Shield Tunnel Lining (1)Presented by Tunnel and Underground Technology issued by Japan Tunnelling Association1 Purpose of Usage of Planned Tunnel : Sewer tunnel2 Design Condition2.1 Dimension of SegmentType of segment : RC, Flat typeDiameter of segmental lining : Do=3350 mmRadius of centroid of segmental lining : Rc=1612.5 mmWidth of segment : b=1000 mmThickness of segment : t=125 mm2.2 Ground ConditionOverburden : H=15.0 mGroundwater table : G.L.-2.0 m Hw=15.0-2.0=13.0 mN Value : N=30Unit weight of soil : =18 kN/m3Submerged unit weight of soil : ƒ’=8 kN/m3Angle of internal friction of soil : =32 DegreeCohesion of soil : C=0 kN/m2Coefficient of reaction : k=20 MN/m3Coefficient of lateral earth pressure : =0.5Surcharge : p0=10 kN/m2Thrust force of shield jacks : T=1000 kN@10 piecesSoil condition : SandyAllowable stresses of materials :Concrete : Nominal Strength f’ck=42 MN/m2Allowable compressive strength ca=15 MN/m2Reinforcement (SD35) : Allowable strength ƒsa=200 MN/m2Bolt (Material 8.8): Allowable strength ƒBa =240 MN/m2In case to check the safety of segmental lining against the thrust force of shield jacks, the modified allowable stresses that are 165% of the above-mentioned ones can be adopted because segmental lining can be evaluated as a temporary structure.2.3 Design MethodThis shield tunnel shall be designed in accordance with Specification for Design and Construction of Shield Tunnel issued by Japan Society of Civil Engineers.How to compute member forces : Elastic equation method (See Table 5.2.1 in Guidelines)How to check the safety of lining : Allowable stress design method3 Load condition3.1 Computation of reduced Earth Pressure at Tunnel CrownThe vertical earth pressure at the tunnel crown (p e1) is computed by Terzahgi’s Formula.p e1=MAX(ƒ’h0,2ƒ’Do )h0=4.581 m (given by Terzahgi’s Formula(See Formula 2.2.1 in 2.2 Ground pressure of Guidelines.) < 2 Do =6.7 mp e1= 2ƒ’Do=53.60 kN/m23.2 Computation of LoadsDead load: g=ƒc@t=3.25 kN/m2 Where,ƒc=Unit weight of RC segment=26 kN/m3 :Reaction of dead load at bottom: p g=ƒg=10.21 kN/m2Vertical pressure at tunnel crownEarth pressure: p e1= 2ƒ’Do=53.60 kN/m2Water pressure: p w1=ƒwHw=130.00 kN/m2p 1= p e1+ p w1=183.60 kN/m2Vertical pressure at tunnel bottomWater pressure: p w2=ƒw(Do+Hw)=163.50 kN/m2Earth pressure: p e2= p e1+ p w1- p w2= 20.10 kN/m2Lateral pressure at tunnel crownEarth pressure: q e1=ƒ’(2Do+t/2)=27.05 kN/m2Water pressure: q w1=ƒw(Hw+t/2)=130.63 kN/m2q 1=q e1+q w1=157.68 kN/m2Lateral pressure at tunnel bottomEarth pressure: q e2=ƒ’(2Do+Do-t/2)=39.95 kN/m2Water pressure: q w2=ƒw(Hw+Do-t/2)=162.88 kN/m2q 2=q e2+q w2=202.83 kN/m2Reaction: =(2p1- q 1- q 2)/{24(EI+0.0454kRc4)}=0.00016374 mp k=kƒ=3.27 kN/m2Where,ƒ=Displacement of lining at tunnel springE=Modulus of elasticity of segment=33000000 kN/m2I=Moment of inertia of area of segment=0.00016276 m4/mk=Coefficient of reaction=20 MN/cm3Figure 3.1 shows the load condition to compute the member forces by using theelastic equation method.w2 e2p w2p e2p gFigure 3.1 Load condition4 Computation of Member ForcesTable 4.1 shows the result of computation of member forces of segmental lining.Table 4.1 Member forces of segmental lining(Deg) M (kN/m) N (kN/m) Q (kN/m)0 6.52 278.00 00.0010 5.96 279.07 -3.9320 4.39 282.02 -7.0530 2.12 286.36 -8.7740 -0.39 291.31 -8.7650 -2.65 296.05 -7.1260 -4.29 299.88 -4.3670 -5.07 302.44 -1.1880 -4.98 303.78 1.6890 -4.20 304.29 3.68100 -3.00 304.25 4.76 110 -1.61 303.88 5.00 120 -0.26 303.59 4.99 130 0.87 303.65 3.46140 1.68 304.14 2.26150 2.15 305.01 1.17160 2.37 305.99 0.43170 2.43 306.76 0.09180 2.44 307.05 0.00The maximum positive moment occurs at the tunnel crown (Section A) and the maximum negative moment occurs at the spring which is located at 70 degrees from the tunnel crown (Section B). Figure 4.1 shows the arrangement of bars in the segment.Figure 4.1 Section of segment and arrangement of bars5 Check of Safety of segmental LiningThe safety of segmental lining shall be checked at Section A , Section B and the joint part. And its safety against the thrust forces of shield jacks shall be checked.5.1 Section A and Section BFigure 5.1 shows the distribution of stress at Section A and Section B.Outside c Inside cAs’/ns’AsInside Outside c’Section A Section Bn=Ratio of moduli of elasticity between reinforcement and concrete=15Figure 5.1 Distribution of stress of critical sections of segmental liningTable 5.1 shows the computation result of the check of the safety of Section A andSection B.Table 5.1 Computation result of the check of the safety of Section A and Section BSection A B M (kNm/m) 6.52 -5.07N (kN/m) 278.000 302.44(MN/m2) (Compressive) 4.09 3.72c(MN/m2) (Compressive) - 0.26 c’(MN/m2) (Tensile) 12.02 -18.42s(MN/m2) (Compressive) 42.19 41.23s’’Both of Section A and Section B are safe.5.2 JointThe resisting moment of joint shall be not less than 60% of the one of segment body.5.2.1 Resisting Moment of Segment Body (M r)x=Depth between compressive extreme fiber and neutral axis when N=0x=-n(A s+A s’)/b+[{n(A s+A s’)/b}2+2b(A s d+A s’d’)]1/2 =3.711 cm (See Figures 4.1 and 5.1.)M rc=Resisting moment of segment body when the compressive extreme fiber stressreaches 15 MN/m2 which is the allowable compressive stress of concrete.M rs= Resisting moment of segment body when the reinforcement reaches 200 MN/m2which is the allowable stress of reinforcement.M rc=[bx(d-x/3)/2+nAs’(x-d’)(d-d’)/x]ƒca=22.24 kNm/RingM rs=[{bx(d-x/3)/2+nAs’(x-d’)(d-d’)/x}]x/{n(d-x)}ƒsa=13.87 kNm/RingM r=Min(M rc, M rs)= M rs=13.87 kNm/Ring5.2.2 Resisting Moment of Joint (M jr)x=Depth between compressive extreme fiber and neutral axis when N=0x=nA B[-1+{1+2bd/(nA B)}1/2]/b=3.011 cm (See Figure 5.2.)M jrc=Resisting moment of joint when the compressive extreme fiber stress reaches 15MN/m2 which is the allowable compressive stress of concrete.M jrB= Resisting moment of joint when the reinforcement reaches 240 MN/m2 which isthe allowable stress of bolt.M jrc=[bx(d-x/3)/2]ƒca=15.80 kNm/Ring M rs=[A B(d-x/3)’]ƒBa=10.18 kNm/RingM jr=Min(M jrc, M jrB)= M rs=10.18 kNm/Ring M jr/M r=10.18/13.87=0.733>0.6 OKA B=6.060 cm2(M22@2)Figure 5.2 Section of Joint5.3 Check of Safety against Thrust Forces of Shield Jackse=Eccentricity between center of working thrust force by one jack and centroid of segmental lining=1 cmls=Space between adjacent two jacks=10 cmA=Touching area of spreader of one jack on segmental lining=BtWhere, t=Thickness of segment=12.5 cmB=2ƒRc/Nj-ls=2ƒ 1.6125/10-0.1=0.9123 mWhere, Nj=Number of shield jacks=10 piecesA=Bt=0.1141 m2, I=Bt3/12=0.00014863 m4c=Maximum compressive stress of concrete of segment=P/A+Pe(h/2)/I=13 MN/m2 <ƒca=15• 1.65=24.75 MN/m2OKWhere, P=Thrust force of one shield jack=1000 kN(See Figure 5.3.)SegmentCentroid of mm Center of working forceof shield jackFigure 5.3 Segment and thrust force of shield jack6 ConclusionThe designed segmental lining is safe against the design loads.This design example is a design example in the Part III “References “ of Guidelines for Design of Shield Tunnel Lining issued by International Tunnelling Association. All of copyrights are reserved by International Tunnelling Association.。
第4章 盾构法隧道衬砌结构设计
4.2.2 荷载
1.荷载的种类 2.土压力 3.水压力 4.静荷载 5.地面超载 6.地基反作用力 7.内部荷载 8.施工时期的荷载 9地震荷载 10.其他荷载
4.2.3 衬砌材料 钢筋混凝土管片适用于初衬支护材料， 而现浇混凝土适合作为二次衬砌支护的材 料。对于没有现浇的内部衬砌支护，如果 外部管片衬砌支护需要的话，一次完成衬 砌也是允许的。 1.弹性模型 2.应力应变曲线
4.1.2 盾构设计程序包括的主要内容 （1）确定几何参数 （2）确定岩土参数 （3）选择危险断面 （4）确定TBM机的机械参数 （5）确定材料的属性 （6）设计荷载 （7）设计模型 （8）计算结果
4.1.3 盾构法设计常用名词及图示符号 （1）管片 （2）管片衬砌 （3）盾构中完成的管片衬砌 （4）扩大管片衬砌 （5）厚度 （6）宽度 （7）连接缝
4.2 盾构衬砌结构范围 适用于软土中，如淤泥质土层和冲洪积 土层，由高强混凝土组成的管片衬砌及盾构 开挖隧道的二次衬砌，也适用于由盾构机开 挖的地下软岩隧道的管片衬砌。
2.设计原理 设计原理是为了检验盾构隧道衬砌的 安全性。在隧道衬砌报告中，都应该阐述设 计计算的必要性、设计概念的假设、设计寿 命、检查永久安全性等问题。
4.2.4 安全系数 4.2.5 管片结构设计计算 4.2.6 断面安全性检验 4.2.7 连接缝构造计算 4.2.8 衬砌安全性校核 4.2.9 管片构造 4.2.10 管片的生产 4.2.11 二次衬砌
第4章 盾构法隧道衬砌结构设计
目录
4.1 概述 4.2 盾构衬砌结构设计方法 设计实例
4.1 盾构法概述
盾构法开挖隧道通常适用于软土而 不适用于岩石中。相关衬砌参数，如材 料的尺寸和强度不仅取决于地层情况， 也取决于施工状况。实际应用中盾构法 衬砌设计需要许多施工经验和理论知识。
隧道盾构管片衬砌参数的设计
第43卷第31期 山西建筑V d.43 No.312 0 1 7 年 1 1 月SHANXI ARCHITECTURE Nov.2017 •163 •文章编号：1009-6825 (2017)31-0163-02隧道盾构管片衬砌参数的设计张鹏(太原市热力公司，山西太原030012)摘要:根据某地铁隧道工程，对隧道衬砌内径，衬砌形式,管片拼装方式、厚度、分块及环宽进行了详细的论述，其分析成果对本 行业以及相关行业盾构隧道管片衬砌的设计提供了有益的尝试，具有很高的参考价值。
关键词:地铁隧道，管片衬砌，管片拼装，管片厚度中图分类号:U452.2随着地下空间技术的不断发展，非开挖技术已经被广泛的应用到很多行业里，各地地铁建设项目纷纷开工建设，地铁发展已经进人高峰期。
盾构法作为非开挖施工的一种方法，其适用于软土而不适用于岩石中。
相关衬砌参数，如材料的尺寸及强度不仅取决于地层情况，也取决于施工质量[1’2]。
实际应用中，盾构法衬砌设计需要更多的施工经验和理论知识。
盾构法已经被广泛的应用到各行各业，其成熟的施工工艺，越来越被认可。
1隧道盾构衬砌内径尺寸的确定1.1 圆形隧道理论内径的确定通常情况下,圆形隧道理论内径的确定要根据隧道路由的最小曲率半径考虑，同时要考虑隧道内设备布置空间的需要，并结合以往 A型车的设计经验，盾构圆形隧道的理论内径尺寸为5 200 mm。
1.2 圆形隧道实际净空尺寸的确定实际施工过程中会存在偏离设计的情况，并考虑隧道沉降误 差、结构变形误差以及测量带来的误差，在确定圆形隧道实际净 空尺寸时，要留出一定的余量，一般考虑周边预留150 mm的富裕SO-S9-O-S9-O-S SO-S9-O-S SO-S9-O-S9-O-S SO-S9-O-S9-O-S SO-S9-O-S SO-S9-O-S9-O-S SO-S9-C 宽度与整个管环的受力状态有关。
3结语过大的收敛变形会使隧道结构的受力状态发生变化,对结构 的承载力与耐久性有不利的影响。
浅谈市政隧道盾构衬砌结构设计方法
浅谈市政隧道盾构衬砌结构设计方法发布时间：2023-07-24T02:04:31.366Z 来源：《科技潮》2023年14期作者：徐爽[导读] 众所周知，市政隧道工程中的单圆盾构衬砌结构设计了单、双两层管片结构衬砌设计方案可供选用，同时总结吸纳国外盾构隧道工程案例经验。
大体来讲，城市地铁中多采用小直径盾构隧道，配合单层衬砌、公路等等大直径盾构隧道，衬砌结构相对复杂[2]。
上海市隧道工程轨道交通设计研究院上海 200235摘要：在市政工程中，隧道工程项目多采用盾构衬砌结构，该结构在隧道结构理论中占据重要地位，且种类繁多。
在本文中就简单探讨了市政隧道实际施工工程中的普通单圆隧道盾构衬砌结构设计方法，研究其中的设计参数内容，最后总结得出结果并进行讨论。
关键词：市政隧道工程；单圆盾构衬砌结构；设计方法；设计参数；结果讨论在城市化快速发展建设进程中，市政隧道工程建设规模也越来越大、技术应用内容越来越丰富。
在这其中，为解决愈发突出的空间资源矛盾，采用盾构结构来展开隧道施工工程非常有必要。
基于单圆盾构隧道的衬砌结构设计主张减小环境影响、节省地下空间、减少投资成本。
为此，有必要对市政隧道工程中的单圆盾构衬砌结构设计内容进行分析，了解结构参数内容[1]。
一、市政隧道工程中的单圆盾构衬砌结构设计要点（一）管片结构形式的设计要点众所周知，市政隧道工程中的单圆盾构衬砌结构设计了单、双两层管片结构衬砌设计方案可供选用，同时总结吸纳国外盾构隧道工程案例经验。
大体来讲，城市地铁中多采用小直径盾构隧道，配合单层衬砌、公路等等大直径盾构隧道，衬砌结构相对复杂[2]。
（二）单圆盾构衬砌结构的设计方案1计算衬砌片宽度首先，要计算衬砌片宽度，一般来说市政隧道工程中多采用钢筋混凝土管片来制作单圆盾构衬砌结构，它需要极为成熟的设计与施工经验。
在对衬砌环进行加宽加大过程中，也需要适当提高隧道纵向刚度，加速施工进度，有效降低造价成本。
如果按照国内市政隧道工程中的盾构结构展开设计，其小直径地铁区域区间中的隧道衬砌环宽度一般设计在1.2~1.5m。
盾构法隧道衬砌结构设计
力法方程为：
δ11 X1 + Δ1 p = 0 δ 22 X 2 +Δ 2 p =0
1 π πr δ11 = ∫ M ds = rdα = 0 EI ∫0 EI s 1 π πr 3 2 2 δ 22 = ∫ M 2 ds = ∫0 (−r cos α ) rdα = EI 0 EI
s 2 1
1 π Δ1 p = ∫0 M p rdα EI −r 2 π Δ2 p = ∫0 M p rdα EI
盾构法公路隧道
外环沉管隧道
长江西路隧道 翔殷路隧道 崇明越江隧道
黄浦江越江公路隧道工程 军工路隧道 已建隧道：6 条 大连路隧道 在建隧道：3 条
延安东路隧道
将建隧道：5 条
新建路隧道
已建隧道
人民路隧道 在建隧道
复兴东路隧道
2010年，黄浦江越江通道 打浦路隧道 车道总数 车道总数 西藏南路隧道
上中路隧道 龙耀路隧道
−0.106 cos α − 0.5sin α )
2
pR RH (sin 2 α − sin α + 0.106 cos α )
两个基本要求：
满足施工及使用阶段结构强度、刚度的要 求，承受诸如水、土压力及一些特殊使用要 求的外荷载； 满足使用功能要求的环境条件，保持隧道内 部的干燥和洁净，特别是在饱和含水软土地 层中采用装配式钢筋混凝土管片结构时对衬 砌防水的措施。
2.1 钢筋混凝土管片的设计要求和方法
按照强度、变形、裂缝限制等需要分别验算。 确定衬砌结构的几个工作阶段——施工荷载阶 段，基本使用荷载阶段和特殊荷载阶段，提出 各个工作阶段的荷载和安全质量指标要求(衬砌裂
缝宽度，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等) ，进行各个工作阶
盾构隧道衬砌设计指南(前言、第一章)
盾构隧道衬砌设计指南（前言、第一章）（国际隧道协会第二工作组） 摘要：本《指南》由国际隧协第二工作组（研究组）编写，分三章：第一章介绍设计程序概要；第二章为详细的设计方法；第三章提供了一些参考资料，包括设计实例。
由于盾构隧道衬砌的设计方法不同，因此本指南并未建议应把重点放在其中某一设计方法上。
本指南提供了一些盾构隧道衬砌的基本概念，以便为隧道衬砌设计提供参考和指导。
前言 尽管本《指南》介绍了一些盾构隧道衬砌的基本概念，但它并不替代各个国家及各个工程项目的相关规范。
根据《国际隧协章程》（ＩＴＡ．１９７６年）第二节所规定的国际隧协的目标，本指南的目的是推进盾构隧道的设计进步。
本《指南》的工作开始于１９９３年国际隧协第二工作组（研究组）的阿姆斯特丹会议。
经过多次研究、讨论和调查，本《指南》于１９９９年１２月完成。
本《指南》包括三章： 第一章 概述了盾构隧道设计程序； 第二章 介绍了详细的设计方法； 第三章 提供了一些参考资料，包括盾构隧道设计实例。
由于存在各种合适的盾构隧道衬砌设计方法，因此本《指南》并未建议优先考虑某一设计方法，而是介绍了全球普遍使用的设计方法。
盾构隧道通常在软弱围岩中开挖，而非在岩石中开挖。
隧道衬砌参数，如尺寸和材料强度，不仅受围岩条件的制约，而且还受施工条件的制约。
隧道衬砌设计实践需要丰富的经验与实践及理论知识。
因此，本《指南》不可能包括隧道衬砌设计的每个方面，但本《指南》将提供一些对设计实践人员十分有用的基本知识。
希望这些基本知识随着隧道施工技术的进步会不断改进。
第一章盾构隧道衬砌设计程序概要隧道规划工作之后，总是按如下顺序设计盾构隧道衬砌。
１ 坚持规范、规程和标准 拟建的隧道应按适当的规范标准、规程或标准进行设计，而这些规范标准、规程或标准由主管此项目的人员确定，或由项目负责人员与设计人员讨论确定。
２ 确定隧道内部尺寸 确定拟设计隧道的内径应考虑隧道用途所需空间尺寸的大小。
盾构隧道衬砌设计指南(第三章)
盾构隧道衬砌设计指南（第三章）（国际隧道协会第二工作组） 第三章设计实例设计实例1 （本设计实例由日本隧道协会编写）１ 隧道功能 设计的隧道将用作污水隧洞。
２ 设计条件 ２．１ 管片尺寸 管片类型：ＲＣ，平板型 管片衬砌直径：ＤＯ＝３３５０ｍｍ 管片衬砌矩心半径：ＲＣ＝１６１２．５ｍｍ 管片宽度：ｂ＝１０００ｍｍ 管片厚度：ｔ＝１２５ｍｍ ２．２ 围岩条件 埋深：Ｈ＝１５．０ｍ 地下水位：Ｇ．Ｌ．－２．０ｍ Ｈｗ＝１５．０－２．０＝１３．０ｍ Ｎ值：Ｎ＝３０ 土的容重：γ＝１８ｋＮ／ｍ３ 土的水下容重：γ’＝８ｋＮ／ｍ３ 土的内摩擦角：φ＝３２度 土的粘聚力：Ｃ＝０ ｋＮ／ｍ２ 反作用系数：ｋ＝２０ＭＮ／ｍ３ 侧向土压系数：λ＝０．５ 附加荷载：ＰＯ＝１０ｋＮ／ｍ２ 盾构千斤顶推力：Ｔ＝１０００ｋＮ＠１０个 岩土状况：砂质 材料允许应力： 混凝土： 额定强度ｆｃｋ＝４２ＭＮ／ｍ２ 允许抗压强度σｃａ＝１５ＭＮ／ｍ２ 钢筋（ＳＤ３５）： 允许强度σｓａ＝２００ＭＮ／ｍ２ 螺栓（材料８．８）： 允许强度σＢａ＝２４０ＭＮ／ｍ２ 在检验管片衬砌承受盾构千斤顶推力的安全性时，可以采用修正的允许应力值（修正的允许应力值是上述应力值的165%），这是因为管片衬砌可评定为临时结构。
２．３ 设计方法 本盾构隧道将依据日本土木工程师协会颁发的《盾构隧道设计与施工规范》进行设计。
l 如何检验／计算分力：弹性公式法（见本指南表Ⅱ－２）。
l如何检验衬砌的安全性：允许应力设计法。
３ 荷载条件 ３．１ 隧道拱顶处减低土压计算 用Ｔｅｒｚａｇｈｉ公式计算隧道拱顶处的垂直土压（Ｐｅｌ）。
Ｐｅｌ＝ＭＡＸ（γ’ｈ０，２γ’Ｄｏ） ｈ０＝４．５８１ｍ（由Ｔｅｒｚａｇｈｉ公式给出；见本《指南》２．２节“围岩压力”中的公式２．２．１）＜２Ｄ０＝６．７ｍ Ｐｅｌ＝２γ’Ｄ０＝５３．６０ｋＮ／ｍ２ ３．２ 荷载计算 静止荷载： ｇ＝γｃ＠ｔ＝３．２５ｋＮ／ｍ２ 式中： γｃ ＝ＲＣ管片的容重＝２６ｋＮ／ｍ３底部静止荷载的反作用：Ｐｇ＝πｇ＝１０．２１ｋＮ／ｍ２ 隧道拱顶处垂直压力： 土压：Ｐｅｌ＝２γ’Ｄｏ＝５３．６０ｋＮ／ｍ２ 水压：Ｐｗｌ＝γｗＨｗ＝１３０．００ｋＮ／ｍ２ Ｐ１＝ Ｐｅｌ＋Ｐｗｌ＝１８３．６０ｋＮ／ｍ２ 隧道底部垂直压力： 水压：Ｐｗ２＝γｗ（Ｄｏ＋Ｈｗ） ＝１６３．５０ｋＮ／ｍ２ 土压：Ｐｅ２＝Ｐｅｌ＋Ｐｗｌ－Ｐｗ２ ＝２０．１０ｋＮ／ｍ２ 隧道拱顶处侧向压力： 土压：ｑｅｌ＝ λγ’（２Ｄｏ＋ｔ／２） ＝２７．０５ｋＮ／ｍ２ 水压：ｑｗｌ＝γｗ （Ｈｗ＋ｔ／２） ＝１３０．６３ＫＮ／ｍ３ ｑ１＝ｑｅｌ＋ｑｗｌ＝１５７．６８ｋＮ／ｍ２ 隧道底部侧向压力： 土压：ｑｅ２＝ λγ’（２Ｄｏ＋ＤＯ－ｔ／２） ＝３９．９５ｋＮ／ｍ２ 水压：ｑｗ２＝γｗ（Ｈｗ＋ＤＯ－ｔ／２） ＝１６２．８８ｋＮ／ｍ２ ｑ２＝ｑｅ２＋ｑｗ２＝２０２．８３ｋＮ／ｍ２ 反作用力： )]0454.0(24/[)2(4211kRc EI q q p +−−=δ ＝０．０００１６３７４ｍ Ｐｋ＝ｋδ＝３．２７ｋＮ／ｍ２ 式中， δ＝隧道起拱线处衬砌的位移； Ｅ＝管片弹性模量＝３３００００００ｋＮ／ｍ２； Ｉ＝管片面积惯性矩； ＝０．０００１６２７６ｍ４／ｍ； ｋ＝反作用系数＝２０ＭＮ／ｃｍ３。
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。
盾构隧道衬砌设计指南(第二章)
盾构隧道衬砌设计指南（第二章）（国际隧道协会第二工作组） 第二章盾构隧道衬砌设计方法１ 总则 １．１ 应用范围 本《指南》为i）钢筋混凝土管片衬砌和ii）在非常软弱的地层（如冲积或洪积层）中修建的盾构隧道的二次衬砌的设计提供了总要求。
本《指南》亦可用于隧道掘进机（ＴＢＭ）在土层或软岩中开挖的岩石隧道的管片衬砌。
软弱围岩的物理性质如下： N≤50E=2.5×N≤125 MN/m2q u=N/80≤0.6 MN/ m2公式1.1.1式中，N：标贯试验得出的N值；E：土的弹性模量E；B-B断面A-A断面图Ⅱ-2 管片衬砌盾壳内完成的管片衬砌系统：所有管片都有盾壳内拼装、衬砌在盾壳内完成的管片衬砌系统。
扩大型管片衬砌系统：除封顶管片外，其他所有管片都在盾壳内拼装，而封顶管片在紧接盾壳之后插入，完成衬砌施作的管片衬砌系统。
厚度：隧道横截面上衬砌的厚度。
宽度：宽片的纵向长度。
接缝：衬砌中不连续的部分及管片之间的接触面。
接缝的类型： Ａ普通型接缝 a.具有连接件a)直型钢螺栓b)曲型钢螺栓c)可重复使用的倾斜型钢螺栓d)塑料或钢制连接件b.无连接件c.具有导向杆Ｂ雌雄型接缝 Ｃ铰接型接缝 a.凸凹面铰接型接缝b.双凸面铰接型接缝c.具有中心调节元件（钢杆件）的接型接缝d.无中心调节元件的铰接型接缝Ｄ销式接缝 环形接缝：环与环之间的接缝。
径向接缝：管片之间的纵向接缝。
接缝螺栓：连接管片的钢螺栓。
在实际设计和施工中，应选取适当的衬砌构成、管片形状、接缝和防水细节、公差等，以便高效、可靠、迅速地拼装管片。
选取上述内容，应考虑下列因素： l管片拼装方法、细节及拼装设备； l隧道的功能要求，包括寿命和防水要求； l围岩和地下水状况，包括地震状况； l隧道当地的施工习惯。
１．４ 符号 本《指南》中有下列符号（见图Ⅱ－３）： ｔ：厚度； Ａ：面积； Ｅ：弹性模量； Ｉ：面积惯性矩； ＥＩ：抗挠刚度； Ｍ：力矩； Ｎ：轴向力； Ｓ：剪切力； ζ：通过接缝处毗邻管片传递的力矩的增加量与Ｍ（１＋ζ）的比值。
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4.1.2盾构法隧道结构设计程序包括的主要内容
第四步：确定TBM机的机械参数
总推力、推力装置的数量、垫片数量、垫片形 状、注浆压力、安装所需空间。
第五步：确定材料的属性
混凝土标号及抗压强度、弹性模量；钢筋类
型及抗拉强度；垫圈类型、宽度及弹性性能；裂
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扩大管片衬砌：在管片衬砌系统中，除去关键的管片 外，其余管片均在盾构中安装，在盾构正后面，当
厚度：隧道横截 面上衬砌的厚度。 宽度：管片沿隧 道轴线方向上长
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封顶管片形式 小封顶块，拼装形式有两种：径向楔入、 纵向插入。
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连接缝的类型：
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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
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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
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(2)垂直土压力 当覆土厚度较小，小于2倍的隧道外径时。
pe1 p0 iHi j H j H Hi Hj
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(2)垂直土压力
• 当覆土厚度H＞2D时，地基中产生拱效应的可能性 较大，可以考虑在设计计算时采用松弛土压力（图 4－19）。
• 砂质,当H>1～2D（D为管片外径）时多采用松弛土 压力；
缝允许宽度。
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第六步：设计荷载 （1 分析作用于衬砌管片上的荷载影响及土压力(图4-2～图4-6)
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(2) 千斤顶的推力荷载 分析由于推进器垫板压在不同类型管片上荷载的影响
(图4-7)
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(3) 拖车和其它服 务设备的荷载主要 包括单轮承载(图48)
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4.2.2 荷载
1、荷载的种类
必须考虑的荷载： （1）土压力；（2）水压力；（3）静荷载；（4）超载； （5）地基反作用力（如果必须的话）。
应该考虑的荷载： （6）内部荷载；（7）施工期间的荷载；（8）地震效应。
特别荷载： （9）邻近隧道的影响；（10）沉降的影响；（11）其它荷
载。
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第四章 盾构法隧道衬砌结构设计
（设计）
主讲：孟杏微
本章重点、难点： 1、盾构法衬砌设计流程和设计的主要内容； 2、盾构隧道衬砌设计荷载；
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4.1盾构法概述
盾构法开挖隧道通常适用于软土而不是岩石中。 相关衬砌参数，如材料的尺寸及强度不仅取决于地 层情况，也取决于施工状况。实际应用中，盾构法
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
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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。
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v dh
v d v 2B1 dh
h 对于单边
水平应力，也即法向应力： v
摩擦力： v tan dh
黏聚力：C dh
1
R0
B1
R0
cot
• 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。
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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。
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第八步：计算结果 剪力、弯矩和挠度一般以表格的形式来展现，以此确定设计荷
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4.1.3设计常用名词及图示符号
管片： 盾构隧道最初
衬砌的弧形构件， 也适用于预制混 凝土管片。
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常用管片形状
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管片衬砌：隧道衬砌由管片组成，每一环的衬砌由数个 管片组成。盾构中完成的管片衬砌：在管片衬砌系统中
（4） 附属注浆荷：载扩展的注浆压力(图4-9)
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（5）静荷载、存储及装配荷载弯矩的影响(图4-10)
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第七步：设计模型
三维条件须通过二维条件的抽象计算来仿真，如太沙基假设。
（1）分析模型 使用的公式必须
符合国家标准与所选 设计荷载叠加的原则 （2）数值模型
使用符合国家标 准的有限元程序来完 成弹塑性状态下的应 力及应变分析，并进 行详细结构状态的仿 真(图4-12)
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计算中使用的符号范例
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4.2 盾构衬砌结构设计方法
• 软土的物理特征规定如下：
N 50 E 2.5N 125MN/m2 qu N / 80 0.6MN/m2
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设计原理：
设计原理是为检验盾构隧道衬砌的安全性。在 隧道衬砌报告中，都应该阐述设计计算的必要性、 设计概念的假设、设计寿命、检查永久安全性等问
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2、土压力
土压力应该沿隧道断面径向作用于衬砌上，或者分解 为水平和垂直方向的土压力。
隧道的断面及周围的课土件体类 情况图
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（1）水平土压力 从隧道衬砌拱部至底部，作用于衬砌形心处的水 平土压力。它的大小由垂直土压力乘以土的侧压 力系数所确定(图4-16）
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(2) 将垂直土压力作为作用于衬砌顶部的均布荷载来考虑。
（8）设计的批准 设计者认为所设计的衬砌结构安全、经济且适
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图4-1 盾构隧道衬砌设计的流程图
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4.1.2盾构法隧道结构设计程序包括的主要内容
第一步：确定几何参数 基准线、开挖直径、衬砌直径、衬砌厚度、圆环
第二步：确定岩土参数
特定处土的重力、内聚力、内摩擦角、弹性模量、 变形量、K0 第三步：选择危险断面