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
段和组合工作阶段的结构验算。
2.2 结构计算方法的选择
荷载—结构法和地层—结构法。 荷载模式：浅埋与深埋、水土合算和分算 结构模型：(1) 饱和含水地层中，常采用匀质(等刚度) 圆环计算方法。(2) 在不稳定地层中，多铰圆环结构 (铰的数量大于3个)处于结构不稳定状态，当圆环外围 土层给圆环结构提供了附加约束，使得随着多铰圆环 的变形而提供了相应的地层抗力，于是多铰圆环就处 于稳定状态。(3) 在稳定地层中，衬砌环按多铰圆环计 算是十分经济合理的。对圆环变形量要有一定的限 制，并对施工要求提出必要的技术措施。
拱背土压G
h
g pk
α
RH
H
q
pk
H+2RH
p2 p1
p1 p2
1
pR
ϕ⎞ ϕ⎞ ⎛ ⎛ p1 = q ⋅ tg ⎜ 45° − ⎟ − 2c ⋅ tg ⎜ 45° − ⎟ 2⎠ 2⎠ ⎝ ⎝
2
g
加权平均值
γ= ϕ=
c=
γ 1h1 + γ 2 h2 +……+ γ n hn
h1 + h2 +……+ hn
断面内力系数表
荷重 自重g 截面位置 M 0~π 0~π/2 上荷重q π/2~π 0~π/2 底部反力pR 水压qw 均布荷载p1 侧压p2 π/2~π 0~π 0~π 0~π
2 gRH (1 − 0.5 cos α − α sin α )
内力 N
gRH (α sin α − 0.5 cos α )
ϕ1h1 + ϕ2 h2 +……+ ϕn hn
h1 + h2 +……+ hn c1h1 + c2 h2 +……+ cn hn h1 + h2 +……+ hn
H
6．侧向三角形主动土压
pR
7. 侧向土壤抗力
p2⎛ p2 = 2 RH ⋅ γ ⋅ tg ⎜ 45° − ⎟ 2⎠ ⎝
2010年，黄浦江越江通道 17处 17处
94条 94条
将建隧道
盾构隧道发展趋势：长、大、深、快
直径m
16
14
12
打 浦 路 隧 道
延 安 东 路 北 线
延 安 东 路 南 线
大 连 路 隧 道
复 兴 东 路 隧 道
翔 殷 路 隧 道
上 中 路 隧 道
14.87
西 藏 南 路 隧 道
崇 15.43 明 越 江 隧 道
3. 衬砌背后压注：衬砌背后的建筑空隙内注以水泥浆或水泥砂 浆等材料。软土地层注浆材料不是均匀分布在衬砌四周，而仅是局 部聚集在注浆孔的一定范围内，过高的注浆压力常引起圆环变形和 出现局部的集中应力，封顶楔形块管片也会向内滑移。 4. 衬砌环刚出盾尾：衬砌顶部土压即迅速作用到衬砌上，而侧 压却因某种原因未能及时作用，这时衬砌可能处于比基本使用阶段 更为不利的工作条件。
特殊荷载
计算工况荷载组合表
计算工况 荷载种类 地面超载 结构自重 地层垂直土压力 地层水平土压力 外水压力 道路设计荷载 盾构千斤顶顶力 不均匀注浆压力 地震荷载 荷载组合 系数 1.4 1.2 1.2 1.2 1.2 1.4 1.2 1.2 1.3 第一组合 施工阶段 √ √ √ √ √ √ √ √ 第二组合 第三组合 运行阶段 地震验算 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √
衬砌结构的设计步骤
按使用要求设计验算 衬砌结构设计方案 结构试验 设计方案修改和加强 投产付之使用 现场进行实地观察 修改和完善
2.3 荷载的确定
荷载分类
基本荷载 1. 2. 3. 4. 5. 地层压力 水压力 自重 上覆荷载的影响 地基抗力
附加荷载
6. 内部荷载 7. 施工荷载 8. 地震的影响 9. 平行配置隧道的影响 10.接近施工的影响 11.其他
适用条件
在松软含水地层中修建隧道、水底隧道及地 下铁道时采用各种不同形式的盾构施工最有 意义，特别是该施工方法属地表以下暗挖施 工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季 节等条件的影响
轨道交通工程
盾构法公路隧道
黄浦江越江公路隧道工程 已建隧道：7 条 在建隧道：5 条 将建隧道：2 条
2.2 公路隧道工程
2 qRH (0.193 + 0.106 cos α
− 0.5sin 2 α )
2 qRH (0.693 + 0.106 cos α − sin α ) 2 pR RH (0.057 − 0.106 cos α ) 2 pR RH (−0.443 + sin α
qRH (sin 2 α − 0.106 cos α ) qRH (sin α − 0.106 cos α ) 0.106 pR RH cos α
建造盾构工作井 盾构机安装就位 始发井洞口加固 初推段掘进施工 掘进机设备转换 盾构连续掘进施工 接收井洞口加固 盾构机进入接收井
盾构机掘进—移动的地下作业车间
盾构机
衬砌管片
注浆体
隧道管片
钢管片 钢筋混凝土管片
2. 衬砌圆环内力计算
隧道建设费用昂贵 地铁:轻轨=4:1 隧道衬砌费用 占整个隧道工程造价的40～50％左右 隧道衬砌结构设计 安全可靠、经济合理
2.4 衬砌内力计算
荷载—结构法 衬砌结构计算模型： 自由变形与侧向弹性抗力均质模型 日本修正的惯用法 多铰圆环结构模型
(一)自由变形与侧向弹性抗力均质模型计算法 （1）自由变形均质模型
在饱和含水软土地层中，主要由于工程上的防水要求，对 由装配式衬砌组成的衬砌圆环，其接缝必须具有一定的刚 度，以减小接缝变形量。 由于相邻环间接错缝拼装，并设置一定数量的纵向螺栓或 在环缝上设有凹凸榫槽，使纵缝刚度有了一定的提高。因 此，圆环可近似地认为是一均质等刚度圆环。 由于荷载的对称性，拱顶剪力等于零，故整个圆环为二次 超静定结构。按结构力学力法原理，可解出各个截面上的M、 N值。
(二)施工阶段
1． 管片拼装 ：钢筋混凝土管片拼装成环时，对纵向接缝 拧紧螺栓，由于管片制作精度不高，环面接触不平，往往在 拧紧螺栓时，使管片局部出现较大的集中应力，导致管片开 裂和存在着局部内应力。 2． 盾构推进 ：由于制作和拼装的误差，管片的环缝面往 往是参差不平的。当盾构千斤顶施加在环缝面上，特别是千 斤顶顶力存在偏心状态情况下，极易使管片开裂和顶碎。
2
拱背土压G
h
g pk
α
RH
H
q
pk
p1 p2
1
g
按温克尔局部变形理论计算，抗力图形呈一等腰三角形，抗力范围按 与水平直径上下呈45º考虑。
衬砌圆环侧向地层(弹性)压缩(kN/m3)
pk = k ⋅ y
衬砌圆环在水平直径处的变形量(m)
4 (2q − p1 − p2 + πg ) RH y= 4 24(η EI + 0.0454kRH )
普氏公式
2 B0 p= γ 3 tgϕ
侧向主动土压
侧向主动士压大都按朗金公式计算。 但侧压常受地层、施工方法和衬砌结构刚度的影响，有 时会出现很大的差异。例如在采用挤压盾构法施工时， 刚开始时侧压很大、顶压小于侧压，隧道出现“竖鸭蛋” 现象。 含水砂土层采用水土分算原则，含水粘土层中则采用水 土合算原则。 确定侧压系数时必须谨慎对待，日本隧道衬砌设计常对 侧压系数选择范围大致在0.3～0.8之间，也有不超过0.7 的做法。
衬砌顶部以上各个土层的容重，在地下水位一下的土层容重取受浮土容重
n
q = ∑ γ i ⋅ hi
i =1
衬砌顶部以上各个土层的厚度
3．拱背土压
⎛ π⎞ 2 2 G = 2 ⎜1 − ⎟ RH ⋅ γ = 0.43RH γ ⎝ 4⎠
H
4．地面超载 当隧道埋深较浅时，必须考虑地 面荷载的影响，一般取20kN/m2。 5.侧向均匀主动土压
11.32
11.58 11.22 11.22 11.22
11.36
10
10.2
8 1965 1984 1993 2001 2002 2003 2004 2005 2006
年份
上中路隧道
上中路隧道气压调节式泥水平衡盾构，φ14.87m
长江越江通道
崇明越江隧道泥水平衡盾构，φ15.43m
盾构法隧道施工工序
衬砌圆环抗弯刚度的折减系数，η = 0.25~0.8
衬砌圆环抗弯刚度(kN·m2)
H
8．水压 按静水压考虑
拱背土压G
h
pR
9．拱底反力
平均后的竖 向土压力 平均后的 拱背压力
p2 p1
H+2RH
qw = γ w ⋅ ( H + RH (1 − cos α ))
g pk
α
RH
H
q
pk
p1 p2
1
g
π pR = q + πg + 0.2146γ RH − RH 2
衬砌结构在施工阶段引起的不利工作条件的因素很多，难以事先 估计。目前一般的处理方法是除实地观测和提出相应改进措施外， 还常采用一个笼统的附加安全系数，以保证衬砌结构一定的安全度。
(三)特殊荷载阶段
根据使用需要还得进行特殊荷载阶段的验算； 属于瞬时性的荷载，且荷载作用时间又短，但往 往是控制衬砌结构设计的关键。 可妥善合理选择结构的附加安全系数和适当提高 建筑材料的物理力学性能指标。
√
(一)基本使用阶段(环宽按1m考虑)
H
拱背土压G
h
g pk
α
RH
H
q
pk
H+2RH
p2 p1
p1 p2
1
pR
g
管片厚度
拱背土压G
h
p2 p1
H+2RH
g = γc ⋅t
钢筋混凝土容重(kN/m3)，一般采用25~26
g pk
α
RH
H
q
1. 结构自重
H
pk
p1 p2
1
kN/m3
pR
g
2．竖向土压
X1 =
−Δ1 p
δ11
−Δ 2 p
−r = EI
∫
π
0
M p dα
πr EI
1 π = − ∫ M p dα π 0
−r 2 = EI
X2 =
∫
π
0
M p cos α dα πr 3 2 EI
δ 22
2 π = − ∫ M p cos α dα πr 0
内力
M α = X 1 − X 2 r cos α + M p Nα = X 2 cos α + N p
盾构法隧道
——衬砌结构设计
本讲要点
掌握衬砌结构设计要求和方法； 掌握荷载确定方法； 掌握自由变形计算方法及考虑地层弹性抗 力的处理方法； 理解日本修正惯用法； 理解多铰圆环结构的计算方法。
1. 概述
盾构（shield）是一种钢制的活动防护装置或 活动支撑，是通过软弱含水层，特别是河底、 海底，以及城市居民区修建隧道的一种机械。 头部可以安全地开挖地层，尾部可以装配预 制管片或砌块，迅速地拼装成隧道永久衬砌。 盾构推进主要依靠盾构内部设置的千斤顶。
平均后的 自重压力 抵消后的平 均水压力
几点说明 深埋地层竖向土压：太沙基公式
以及苏联的普罗托季雅柯诺夫公式。
隧道埋设在土壤本身具有较大的抗剪强度的地 层内(例如在砂土层中) 隧道埋设深度超过隧道衬砌的外径(h>D)
竖向土压(松动荷载)
⎛ h ⎞⎤ ⎛ h ⎞ B0 (γ − c / B0 ) ⎡ 太沙基公式 p = ⎢1 − exp ⎜ − tgϕ ⎟ ⎥ + q ⋅ exp ⎜ − tgϕ ⎟ tgϕ ⎝ B0 ⎠⎦ ⎝ B0 ⎠ ⎣