第八章 盾构法隧道结构

2.竖向土压
( kN / m )
2
q

i 1
n
i
hi
( kN / m )
2
三、荷载的确定 （一）基本使用阶段
（衬砌环宽按1m考虑）
3．拱背土压
G 2(1

4
2 2 ) RH 0.43 RH
( kN / m 2 )
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
4 按形成方式分类
装配式衬砌： • 直接承受荷载； • 工厂生产，质量易保证，安装方便； • 接缝防水需采取措施。
三 衬砌的分类
4 按形成方式分类 挤压式混凝土衬砌： 自动化程度高，施工速度快； 整体式衬砌结构，满足受力和防水要求； 适用于多种地层，但对渗透性的的砂砾层中要达到防
水要求困难。
2
侧压的计算在含水砂土层中，采用水土分离原则计算 而在含水粘土层中则采用水、土不分离的原则。
3）地层侧向弹性抗力
文克列尔局部变形理论
pk k y
压缩系数k值的确定和试验测定
三、荷载的确定 （二）施工阶段
1．管片拼装：纵向接缝拧紧螺栓，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 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。 衬砌环的受力
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按照强度、变形、裂缝限制等需要分 别进行验算。
三、荷载的确定
日本盾构隧道规范荷载分类方法 1. 地层压力 2. 水压力 基本荷载： 3. 自重 必须考虑 4. 上覆荷载影响 5. 地基抗力
( kN / m )
2
8．水压 : 按静水压考虑 9．拱底反力
2 p R q g 0.2146 RH RH ( kN / m ) 2
载荷确定的几个问题
1）竖向土压 软粘土情况下，按隧道顶部全部土压考虑。具有较大 的抗剪强度的地层内隧道埋深超过隧道衬砌的外径 “松动高度”理论 泰沙基公式
4 盾构
盾构种类：
（1）全面开放式 工作面全部或大部分是敞开的，要求工作面自稳或采 用辅助工法保持工作面稳定。
4 盾构
盾构种类：
（2）部分开放式 工作面封闭，但在其一部分上设有可调的出渣口。要 求工作面自稳或采用辅助工法保持工作面稳定。
4 盾构
（3）闭胸式 盾构前部有隔板，工作面与隔板的切削刀腔内充满土砂
管片拼装及预应力
管片试拼装、螺栓预应力
6 衬砌结构（管片）的生产（采用工厂化流水作业）
钢筋笼生产
管片浇捣 蒸汽养护 管片水中养护及抗渗试验 管片精度测试及其保证体系
管片拼装及预应力
管片试拼装、螺栓预应力
6 衬砌结构（管片）的生产（采用工厂化流水作业）
钢筋笼生产
管片浇捣 蒸汽养护 管片水中养护及抗渗试验 管片精度测试及其保证体系
四 装配式钢筋混凝土管片构造
环宽 一般在300～2000mm之间，常用的是750～900mm .
四 装配式钢筋混凝土管片构造
分块 衬砌圆环的分块主要考虑在管片制作、运输、安装等方面 的实践经验而定。铁道：单线6~8，双线8~10，输水、 通信5~7。
四 装配式钢筋混凝土管片构造
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。
管片拼装及预应力
管片试拼装、螺栓预应力
第三节 衬砌圆环内力计算 一 、隧道衬砌结构基本使用要求
满足结构强度、刚度的要求，以承受诸如水、土压力以及 一些特殊使用要求的外荷载。
提供一个能满足使用要求的工作环境，保持隧道内部的干
燥和洁净。
二、 钢筋混凝土管片的设计要求和方法
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
4）复合管片：外壳钢板，内浇混凝土
质量较轻，刚度较大，但钢板耐蚀性差，加工复杂。
三 衬砌的分类
2 按结构型式分类
管片：接缝通过螺栓连接。
增强衬砌整体性，承载能力高，适用于不稳定地层中各种直 径隧道，工作量大，增加施工费用和材料费用。
砌块：拼装，之间无连接，地层约束使圆环稳定
适用于含水量少的稳定地层中，施工速度加快，降低施工费 用和衬砌费用。接缝间的防水和防泥解决不好，会使圆环丧


地铁区间隧道
排水污水隧道


引水隧道
公用管线隧道
二 盾构法隧道的设计内容
第1阶段：隧道方案设计，包括选线，平面设计、 纵断面设计、横断面设计、埋置深度、隧道断面形 状与尺寸； 第2阶段：衬砌结构与构造设计，管片的分类、 厚度。分块、接头形式、管片孔洞、螺孔等； 第3阶段：管片内力计算及断面设计
第二节 衬砌的形式和构造 一 、衬砌作用：承重、防水
在施工阶段中，作为施工临时支撑用，并承受盾构千斤顶 顶力以及其它施工荷重。 竣工后，作为隧道永久性支撑结构，支承衬砌结构周围的 水、土压力以及使用阶段某些特殊需要的荷重。 防止泥、水渗入，满足隧道结构的预期使用要求。
二、盾构隧道的断面形状
6 盾构法施工的缺点
• 施工设备费用较高，工程规模小时，造价高； • 盾构一次掘进的长度有限（最长2500m）； • 覆土较浅时，地表沉降较难控制 • 用于施工小曲率半径隧道时，盾构转向困难。
7 盾构法施工的适用范围
适用于各类软土地层和软岩地层的隧 道掘进，尤其适用于城市地下隧道工程。
水底公路隧道
第八章
第一节 概述
盾构法隧道结构
第二节 衬砌形式和构造
第三节 衬砌内力计算 第四节 衬砌断面设计 第五节 隧道防水处理
第一节 概述
一、盾构法隧道施工简介
1 基本概念
盾构法是在盾构保护下修筑软土隧道的一类施工 方法。这类方法的特点是地层掘进、出土运输、衬砌 拼装、接缝防水和盾尾间隙注浆充填等作业都在盾构 保护下进行，并需随时排除地下水和控制地面沉降， 因而是工艺技术要求高、综合性强的一类施工方法。
2 盾构法主要施工程序
1、建造盾构工作井 2、盾构掘进机安装就位 3、出洞口土体加固
4、初推段掘进施工
5、掘进机设备转换 6、盾构连续掘进施工 7、接收井洞口土体加固 8、盾构进入接收井， 并运出地面
盾构组装
盾构出发井
管片拼装
盾构出洞
4 盾构
隧道掘进机，具有保护条件及隧道施工功能的钢结构体。 盾构外壳、开挖系统、掘进系统、管片拼装系统、控制系统
箱形管片
平板形管片
三、衬砌的分类
1 按材料及形式分类
2）铸铁管片：常用球墨铸铁
耐蚀性、延性和防水性能好，质量轻、强度高，易于制 成薄壁结构，搬运方便，精度高，外形准确，安装速度 快，缺点是耗费金属，机械加工量大，造价高，不宜承 受冲击荷载。
3）钢管片：型钢或钢板
强度高，延性好，质量轻，但是其刚度较小，耐蚀性差 ，造价高。
P [ ] / K F
D2 P (700 ~ 1000) 4
三、荷载的确定 （二）施工阶段
3．衬砌背后压注 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，必须对注浆压力进行一
定的控制。
最大注浆压力
平均注浆压力

注浆孔



注浆孔


或泥浆，对土砂和泥浆施以足够的约束力，保持工作面得稳
定。土压平衡式盾构、泥水平衡式盾构
5 盾构法施工的优点
场地作业少，隐蔽性好，因噪音、振动引起的环境影响小
隧道施工的费用和技术难度基本不受覆土深浅的影响，适宜于 建造覆土深的隧道
穿越河底或海底时，隧道施工不影响航道，也完全不受气候的 影响 穿越地面建筑群和地下管线密集区时，周围可不受施工影响 自动化程度高、劳动强度低、施工速度较快
附加荷载： 据使用目的、施工条件 、周围环境
特殊荷载： 据围岩、隧道条件
6. 7. 8. 9. 10. 11.
内部荷载 施工荷载 地震的影响
平行配置隧道的影响 接近施工的影响 其他
计算工况荷载组合表
荷载组 合系数 地面超载 1.4 第一组合 施工阶段 √ 第二组合 运行阶段 √ 第三组合 地震验算 √
四 装配式钢筋混凝土管片构造
拼装型式 圆环的拼装型式有通缝、错缝两种 环、纵向螺栓 环向螺栓是根据衬砌接缝内力情况设置成单排或双排的。 纵向螺栓是按管片分块（拼装形式）结构受力等要求设置
五 管片接头构造
螺栓接头：环向、纵向
五 管片接头构造
销插入型接头：纵向
6 衬砌结构（管片）的生产（采用工厂化流水作业）
1. 隧道断面形式的选择，根据隧道的使 用要求、施工技术的可能、地层的特性、 隧道受力等因素确定。
二、盾构隧道的断面形状
2. 内部使用限界的确定
隧道内部轮廓的净尺寸应根据建筑限界或工艺要 求并考虑曲线影响、盾构施工偏差、隧道不均匀沉 降决定。
1．车辆限界 指在平、直线路上运行的车辆，可能达到的最大运动 包迹线，就是车辆运行中横断面的极限位置。
失稳定。
三 衬砌的分类
3 按构造型式分类 单层衬砌：
双层衬砌：外层管片拼装，内层现浇钢筋混凝土结构。
增大开挖断面，工序复杂，延长工期，费用高；防水效果取决于 外层衬砌。
• 单双层衬砌选用
根据隧道功能、外围土层特点、隧道受力条件，如地铁区 间隧道、输水管道，饱和含水软土层采用双层衬砌。
三 衬砌的分类
B0 ( c / B0 ) h h p 1 exp( tg ) q exp( tg ) tg B0 B0
普氏公式
2 B0 p 3 tg
载荷确定的几个问题 2）侧向主动土压
朗金公式百度文库
p Htg ( 45 ) 2c tg ( 45 ) 2 2
制造要求
3. 每环做检漏试验，每100环抽取3环做水平拼装试验; 4. 管片表面平整，无缺棱、掉角、麻面和漏露筋。 5. 管片存储、运输采取防护措施，防止损坏，腐蚀和污损。
6 衬砌结构（管片）的生产（采用工厂化流水作业）
钢筋笼生产
管片浇捣 蒸汽养护 管片水中养护及抗渗试验 管片精度测试及其保证体系
材料要求
1. 钢筋：钢筋及其焊接，预埋件规格和质量符合规定。 2. 混凝土：控制配比，强度，抗渗等级满足要求，防止 裂缝产生。 制造要求
1. 管片制造满足《地下铁道工程施工及验收规范》（
GB50-2003）; 2. 每5环检测混凝土抗压强度，每10环检测混凝土抗渗指
标；
6 衬砌结构（管片）的生产（采用工厂化流水作业）





三、荷载的确定 （二）施工阶段
4．衬砌环刚出盾尾的初期. 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
管片拼装及预应力
管片试拼装、螺栓预应力
6 衬砌结构（管片）的生产（采用工厂化流水作业）
钢筋笼生产
管片浇捣 蒸汽养护 管片水中养护及抗渗试验 管片精度测试及其保证体系
管片拼装及预应力
管片试拼装、螺栓预应力
6 衬砌结构（管片）的生产（采用工厂化流水作业）
钢筋笼生产
管片浇捣 蒸汽养护 管片水中养护及抗渗试验 管片精度测试及其保证体系
三、荷载的确定
5．侧向均匀主动土压
p1 q tg ( 45 ) 2ctg ( 45 ) 2 2
2
( kN / m 2 )
6．侧向三角形主动土压
p2 2 RH tg ( 45
2

2
)
( kN / m 2 )
三、荷载的确定
7．侧向土壤抗力
Pk k y
结构自重 垂直土压力 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
1.2 1.2 1.2
1.2 1.4 1.2 1.2 1.3
√ √ √
√ √ √ √
√ √ √
√ √
√ √ √
√ √
√
三、荷载的确定
三、荷载的确定 （一）基本使用阶段
（衬砌环宽按1m考虑）
1.自重
g h
2. 内部使用限界的确定
（2） 建筑限界
在车辆限界以外—个形状类似的轮廓，是决定隧道内轮廓尺寸 的依据。任何固定的结构、设备、管线等不得侵入这个限界以内。 建筑限界在车辆限界外为150一200mm。
三、衬砌的分类
1 按材料及形式分类 1)钢筋混凝土管片：
优点有一定的强度，加工制作比较容易，耐腐蚀，造价低，是最 为常用的管片；缺点较为笨重，运输、安装及施工过程中易损坏。