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≤50

E=2.5×N≤125 MN/m2

q 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。Ｍ通过管片传递，（１－ζ）Ｍ通过接缝传递；　

Ｄ：衬砌直径；　

ＤＣ：矩心直径；　

ＲＯ、ＲＣ、Ｒｉ：分别为衬砌的外半径、矩心半径和内半径；　

γ、γ’、γＷ、γＣ：分别为土的重量、土的水下容重、水的容重和混凝土的容重；　

Ｈ：埋深；　

γＷ×Ｈｗ：衬砌拱顶处地下水压力；　

Ｐ０：附加荷载；　

Ｗ：衬砌纵向每米重量；　

Ｐｇ：静止荷载；　

Ｐｅｌ：衬砌拱顶处垂直土压；　

Ｐｗｌ：运用于弹性公式法的衬砌拱顶处垂直水压（见５．２节）；　

ｑｅｌ：衬砌拱顶处水平土压；　

ｑｗｌ：运用于弹性公式法的衬砌拱顶处水平水压（见５．２节）；　

Ｐｅ２：衬砌底部垂直土压；　

Ｐｗ２：运用于弹性公式法的衬砌底部的垂直水压（见５．２节）；　

Ｑｅ２：衬砌底部水平土压；　

Ｑｗ２：运用于弹性公式法的衬砌底部水平水压（见５．２节）；　

Ｐｗ：水压；　

Ｆｗ：浮力；　

λ：侧向土压系数；　

ｋ：地基反作用系数；　

δ：衬砌位移；　

Ｐｋ：地基反作用力　

Ｃ：土的粘聚力；　

φ：土的内摩擦角；　

ｆ’ｃｋ：混凝土额定强度（混凝土特性抗压强度）；　

ｆＹ：钢材屈服强度；　

Ｅｓ：钢材弹性模量。　

图Ⅱ-3 本指南中使用的符号举例

２　荷载　

２．１　荷载的种类　

在衬砌设计中应考虑下列荷载：　通常必须考虑下列荷载：　（1）围岩压力； （2）水压； （3）静止荷载； （4）附加荷载； （5）地基反作用力； 必要的话，应考虑下列荷载： （6）来自内部的荷载； （7）施工期间的荷载； （8）地震的影响； 特殊荷载：

（9）毗邻隧道的影响； （10）沉降的影响； （11）其他荷载。

２．２　围岩压力　

图Ⅱ－４所示为隧道及其周围围岩的断面图。应根据适当分析来确定围岩压力。例如，围岩压力应径向作用于衬砌或分为垂直围岩压力和水平围岩压力。对围岩压力分为垂直围岩压力和水平围岩压力这一情况，隧道拱顶处垂直围岩压力应为均布荷载，且如果设计的隧道为浅埋隧道时总是与埋深压力相等。如果设计的隧道为深埋隧道，可以根据Terzaghi 公式（见公式２．２．１）、Protodiaconov 公式或其他公式采用减少土压。　

水平围岩压力应为从拱顶至底板作用于衬砌矩心的均匀变化荷载。水平围岩压力的大小确定为垂直土压乘以侧向土压系数（见图Ⅱ－６（１）），其值可以确定为均布荷载或五角模型均匀变化荷载。设计计算中拟采用的侧向土压系数的值应介于静止侧向土压系数值与活动侧向土压系数值之间。设计人员应根据松弛和施工状况确定侧向土压系数的值。　

关于土压计算中所采用的土的容重，地下水位以上的土应采用潮湿容重，地下水位以下的土应采用水下容重。　

j

j i

i

el H H P P ∑∑++

=γ

γ0 （公式2.2.1）

式中， 0P =附加荷载；

i γ=处于地下水位以上的i 号地层土的容重；