第6章 盾构法隧道结构

RH w
9 水压力
（1）水土分算
①按静水压力计算
pw1 Dw w
pw2 RH (1 cos )
②按水平与垂直 水压力计算
9 水压力 （2）水土合算
采用水土合算法，计算其他荷载时，地下水 位以下的土体的重度应采用饱和重度，不再 单独计算水压力。

施工阶段
1千斤顶推力
的配筋计算方法及《混凝土结构设计规范》GB
50010-2002进行管片的配筋计算。
B.
裂缝验算
根据《混凝土结构设计规范》规定了三种级别的裂缝验算标准： 严格要求不出现裂缝： ck pc 0

一般要求不出现裂缝： ck pc ftk 允许出现裂缝： max lim
均匀圆环法计算 日本惯用修正法修正
• •
荷载的类型
• • 基本荷载是设计时必 须考虑的荷载。 附加荷载是施工中或 竣工后作用的荷载， 根据隧道的使用目的， 施工条件以及周围环 境进行考虑的荷载。 特殊荷载是根据围岩 条件、隧道的使用条 件所必须特殊考虑的 荷载。
荷载分类
基本荷载
1. 2. 3. 4. 5.

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。
• •
b. 建筑限界
• •

建筑限界是决定隧道内轮廓尺寸的依据，是在车辆限界以 外一个形状类似的轮廓。 由车辆限界外增加适量安全间隙来求得，一般为 150~200mm。

铰接头
作为多铰环的环向接头，一般为转向接头结构。几乎不产生弯曲， 轴向压力占主导地位，在良好地基条件下是一种合理的结构。

销插入型接头接头
也可做环向接头来使用，但主要作为纵向接头使用。 在结构上的作用是加强了构件的链接，防止接头两边相对错动， 承担接头上的剪力。

楔形接头
环向和纵向接头都可使用的结构，利用楔作用将管片拉合紧固的 接头。
0~ 0~
2 P1 R2 0 . 25 0 . 5 cos H


பைடு நூலகம்
P1 RH cos
P2 RH cos (0.063 0.5 cos 0.25cos )
2
P1 P2
2 3 P2 R 2 ( 0 . 25 sin 0 . 083 cos H
0.063cos 0.125)
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
盾 构 机
矩 形 盾 构 机
盾 构 进 洞
盾构衬砌
6.1 衬砌形式和构造
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。
计算简图
衬砌内力计算方法
弯矩以衬砌环内侧受拉为正，外侧受拉为负；轴力以衬砌 环受压为正，受拉为负。 将各个荷载分别作用力法的基本结构上，求出 11, 12 , 22 , 1P , 2 P ， 带入力法典型方程，求出 X1 , X 2 。可以得到这种荷载作用下 的 M , N 在基本结构上的分布。
盾构构件处于地下水的环境中，不允许出现裂缝，一般采用一或二级验算 pc 扣除全部预应力损失后抗裂验 标准。 ftk 为混凝土轴心受拉强度标准值， 算边缘的混凝土的预压应力。
地层压力 水压力 自重 上覆荷载的影响 地基抗力
附加荷载
•
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
特殊荷载

基本使用阶段
1 自重 g h
3 25 kN / m 一般采用： h
2 拱背土压
2 2 G 2 1 RH 0.43RH 4
PR R 2 ( 0.443 sin H 0.106cos 0.5 sin2 )
H
底部 反力 水压 均布 荷载 侧压

2
~
PR RH sin sin 0.10cos
2
H


PR
2 2 0 ~ R 0.5 0.25cos 0.52sin R 1 0.25cos 0.52sin HR
将各个荷载的 M , N 进行叠加，获得总的内力分布图。各个 荷载的内力分布见下表。
断面内力系数表 荷重 自重 上荷 重 截面 位置 内力 P G
M（α）
2 1 0.5 cos sina gRH
2 qRH 0.193 0.106cos 0.5 sin2
N（α）
0~
0.3536cosPK RH
0.3536sinPK RH
•
将由PK引起的圆环内力和其他衬砌外荷引起的圆环内力叠加， 得到最终的圆环内力。

日本修正惯用法修正
考虑接头的影响主要通过假定弯矩传递的比例来实现。 将衬砌环按均质圆环计算，取圆环抗弯刚度为 EI 。 接头处内力： M j (1 ) M
荷载简图
3 竖向土压
• 软粘土中按 h计算较为合适。
q i hi
i 1 n
• 在砂土等抗剪强度较 大的地层内，且隧道埋 深超过隧道衬砌的外径 时，按“松动高度”理 论进行进算。
p
h h B0 c / B0 1 e xp tan q e xp tan tan B B 0 0
B1 RH [cos( / 4 / 2) sin( / 4 / 2) tan( / 4 / 2) tan( / 4 / 2)]
4 地面超载
一般取 20kN / m 2
5 侧向均匀主动土压
p1 q tan 45 2c tan 45 2 2

榫接头
主要作为纵向接头使用的结构。接头部分设有凹凸，通过凹凸部 位的啮合作用进行的力传递。
榫接部 分配带 传送带 接头螺栓孔 .榫接部 分配带 开挖面端 接头螺栓 隧道口端 .塑料预埋栓 轴向接头面
接头螺栓
塑料预埋栓
周向接头面
6.2 衬砌圆环内力计算

荷载计算
荷载的类型 荷载的计算
• •

结构内力计算
6.3盾构法隧道衬砌的结构设计

A.
管片断面设计：
配筋计算
B.
裂缝验算

A. B.
纵向接头设计
接缝张开验算
接头强度计算

环向接头设计
管片断面设计
A.
配筋计算 从内力分析结果可知，盾构隧道衬砌管片一般为偏心 受压构件，可以按照压弯构件进行截面配筋计算。设
计过程如下：
①根据不同阶段，进行最不利荷载组合； ②根据内力计算结果，选出危险截面进行配筋计 算； ③针对每个管片，按照钢筋混凝土偏心受压构件

拼装形式
• • 圆环的拼装形式：通缝、错缝。 错缝拼装，加强圆环接缝刚度，约束接缝变形。
管片接头类型
• 管片间的接头分两类：纵向接头、环向接头
• 从力学性质看可分为：柔性接头、刚性接头

螺栓接头
利用螺栓将接头板紧固起来，将管片环组装起来的抗拉连接结构。
弯螺栓连接形式
直螺栓连接形式
• •
直螺栓受力性能好、效果显著、加工简单、但扩大了螺栓手 孔尺寸，影响了管片承受盾构千斤顶顶力的承载能力。 弯螺栓能较少的影响管片的纵向承受能力，但其对抵抗圆环 横向内力的结构效能差，且加工麻烦。
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 时，极易使管片开裂和顶碎。 衬砌环受力
P / K F
2 壁后注浆压力
在向盾尾管片与围岩间隙注浆时，注浆压力在管片注浆孔周边 将形成一个临时作用的偏心荷载，在此荷载作用下容易使管片 发生变形甚至破坏。 施工时的注浆压力一般为0.1～0.3MPa。
隧道外径与管片环宽锥度的经验值
隧道外径（m） 锥度（mm）
D外<3 15~30
3<D外<6 20~40
D外>6 30~50

厚度
直径为6.0m以下的隧道，管片厚度约为250~350mm 直径为6.0m以上的隧道，管片厚度约为350~600mm。
• •
装配式钢筋混凝土管片

分块
单线地下铁道衬砌一 般分成6~8块，双线的 分为8~10块，小断面 分为4~6块。
圆形隧道断面的优点与组成
• • • 受力性能合理 易于盾构推进 便于管片的制作、拼装
衬砌的类型

按材料及形式分类 a. 装配式钢筋混凝土管片
• 箱型管片——用于较大直径的隧道。
•
平板形管片——用于较小直径的隧道
b. 铸铁管片
国外在饱和含水不稳定地层中修建隧道时多采用铸铁管片。 不宜用做承受冲击荷载的隧道衬砌结构。
Nj N
管片： M s (1 ) M Ns N
0.6 0.8 0.3 0.5
1, 0 若管片内无接头，
错缝拼装弯矩传递及分配示意图
课堂练习题
某地铁隧道埋深18.6m，隧道两侧土壤介质的容重 γ=19kN/m2，内摩擦角φ=12.5°，粘聚力c=20 kPa，有 地下水影响，地下水位距地面4m。预采用盾构法进行 设计施工。每环采用8块等长管片，管片厚350mm，宽 900mm。隧道内径为10m。 采用均匀圆环并结合惯用修正法计算衬砌内力

施工阶段
3 管片拼装
管片制作精度不高，环面接触不平，在拧紧螺栓时，使管片局 部出现应力集中，导致管片开裂和存在局部内应力。
4 其他施工荷载
后配套拖车自重的影响、整圆器等推进油缸荷载、刀盘旋转力 的影响、盾构形式及开挖面的各种设备等，有时渣车及管片运 输车的荷载也会对管片产生影响。
衬砌内力计算方法
6 侧向三角形主动土压
p2 2 RH tan2 45 2
7 侧向土壤抗力
pk k y(kN / m 2 )
4 2q p1 p2 q RH y 4 24 EI 0.045kRH
一般取 0.25 ~ 0.8
土的种类 固结密实黏性土 极坚实砂质土 密实砂质土 硬黏性土

按自由变形均质 圆环计算内力

按日本修正惯用
法进行修正
荷载分布图

按自由变形均质圆环计算内力
将圆环近似地认为是均质刚性圆环,为二次超静定结构。
qe1 g Pk X2
P e2 P e1
X1 X2
X1 P =1
力法方程：
Pf
11 X1 21 X 2 1P 0
12 X1 22 X 2 2 P 0


地层基床系数值 k（kN/m³ ） 30000~50000 10000~30000 土的种类 中等黏性土 松散砂质土 软弱黏性土 非常软黏性土 k（kN/m³ ） 5000~10000 0~10000 0~5000 0
8 拱底反力压
PR q g 0.2146 RH

2
水土分算时不用 考虑
PK引起的圆环内力表
内力
M N Q
0

4

4


2
2 (0.2346 0.3536cos ) PK RH
(0.3487 0.5 cos2 0.2357cos3 )PK R2 H
(0.707cos cos2 0.707sin2 cos ) PK RH (sin cos 0.707sin cos2 ) PK RH
c. 钢管片
重量轻，强度高，但刚度小，耐锈蚀性差，需进行机械 加工以满足防水要求，金属消耗量大，成本昂贵。
d. 复合管片
外壳采用钢板制成，在钢壳内浇筑钢筋混凝土。重量轻； 刚度大，金属消耗量小；耐蚀性差，加工复杂。
装配式钢筋混凝土管片

环宽
• • • 一般在300~2000mm之间，常用的是750~900mm。 环宽过小导致接缝数量的增加进而加大隧道防水的困 难。 环宽过大会使盾尾长度增长而影响盾构的灵敏度。
0~
gRH sin 0.5 cos

2



2
qRH sin2 0.106cos
qRH sin 0.106cos 0.106PR RH cos


~
qR 0.693 0.106cos sin
2 H
q
0~

2
0.057 0.106cos PR R2 H