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第第6 6章章 盾构法隧道结构盾构法隧道结构u衬砌形式和构造u衬砌圆环内力计算u盾构法隧道衬砌的结构设计u隧道防水及其综合处理u算例1 2 3 盾构机4 矩形盾构机5 盾构进洞6 盾构衬砌7 6.1 衬砌形式和构造衬砌形式和构造l衬砌断面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p内部使用限界的确定a.a.车辆限界车辆限界•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8 b.b.建筑限界建筑限界p圆形隧道断面的优点与组成•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•受力性能合理•易于盾构推进•便于管片的制作、拼装9 l衬砌的类型衬砌的类型p按材料及形式分类a.装配式钢筋混凝土管片•箱型管片箱型管片————用于较大直径的隧道10 •平板形管片平板形管片————用于较小直径的隧道11 12 b.b.铸铁管片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13 c.c.钢管片钢管片重量轻，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14 d.d.复合管片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15 l装配式钢筋混凝土管片装配式钢筋混凝土管片p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隧道外径（m）D外<33
弯螺栓连接形式直螺栓连接形式p螺栓接头•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20 p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21 p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p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22 p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23 6.2 衬砌圆环内力计算衬砌圆环内力计算p荷载计算•荷载的类型•荷载的计算p结构内力计算•均匀圆环法计算•日本惯用修正法修正24 l荷载的类型荷载的类型基本荷载1.地层压力2.水压力3.自重4.上覆荷载的影响5.地基抗力附加荷载1.内部荷载2.施工荷载3.地震的影响特殊荷载1.平行配置隧道的影响2.接近施工的影响3.其他•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25 p基本使用阶段荷载简图1 1 自重自重一般采用：2 2 拱背土压拱背土压26 3 3 竖向土压竖向土压•软粘土中按 计算较为合适• 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27 5 5 侧向均匀主动土压侧向均匀主动土压4 4 地面超载地面超载一般取6 6 侧向三角形主动土压侧向三角形主动土压28 8 8 拱底反力压拱底反力压7 7 侧向土壤抗力侧向土壤抗力一般取地层基床系数值土的种类k（kN/m³）土的种类k（kN/m³）固结密实黏性土极坚实砂质土30000~50000中等黏性土松散砂质土软弱黏性土非常软黏性土5000~100000~100000~50000密实砂质土硬黏性土10000~30000水土分算时不用考虑29 9 9 水压力水压力（（1 1）水土分算）水土分算①按静水压力计算按静水压力计算②②按水平与垂直按水平与垂直 水压力计算水压力计算30 9 9 水压力水压力（（2 2）水土合算）水土合算采用水土合算法，计算其他荷载时，地下水位采用水土合算法，计算其他荷载时，地下水位以下的土体的重度应采用以下的土体的重度应采用饱和重度饱和重度，，不再单独不再单独计算水压力。
计算水压力31 p施工阶段1 1千斤顶推力千斤顶推力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2 2 壁后注浆压力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0.1～0.3MPa32 p施工阶段3 3 管片拼装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 4 其他施工荷载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33 l衬砌内力计算方法衬砌内力计算方法p按自由变形均质圆环计算内力荷载分布图p按日本修正惯用法进行修正34 计算简图将圆环近似地认为是均质刚性圆环,为二次超静定结构力法方程力法方程：p按自由变形均质圆环计算内力35 l衬砌内力计算方法衬砌内力计算方法 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 ，带入力法典型方程，求出 。
可以得到这种荷载作用下的 在基本结构上的分布 将各个荷载的 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 36 荷重截面位置内力PM（α）N（α）自重G上荷重q底部反力PR水压均布荷载P1侧压P2断面内力系数表37 内力MNQPK引起的圆环内力表•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38 p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错缝拼装弯矩传递及分配示意图将衬砌环按均质圆环计算，取圆环抗弯刚度为 接头处内力：管片：若管片内无接头，39 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采用均匀圆环并结合惯用修正法计算衬砌内力40 6.3盾构法隧道衬砌的结构设计盾构法隧道衬砌的结构设计l管片断面设计：A.配筋计算B.裂缝验算l纵向接头设计A.接缝张开验算B.接头强度计算l环向接头设计41 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偏心受压构件受压构件，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最不利荷载组合； ②根据内力计算结果，选出危险截面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l管片断面设计管片断面设计42 p严格要求不出现裂缝：p一般要求不出现裂缝：p 允许出现裂缝：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标准 为混凝土轴心受拉强度标准值， 扣除全部预应力损失后抗裂验算边缘的混凝土的预压应力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：43 纵向接缝中环向螺栓位置a的设置如图在设有双排螺栓时，内外排螺栓孔的位置离管片内外侧部小于100mm，而当仅设有单排螺栓时，则螺栓孔位置大致为管片厚度的1/3处l纵向接缝计算纵向接缝计算44 l纵向接缝计算纵向接缝计算在基本使用荷载阶段需分别进行接缝变形及接缝强度计算在基本使用荷载和特殊荷载组合阶段需进行接缝强度计算A.接缝张开破坏接头的受力状态图管片外侧不会张开45 B.螺栓螺栓受拉受拉破坏。
螺栓破坏螺栓先达到屈服先达到屈服，，截面的受压区逐渐减少截面的受压区逐渐减少，，导致受压区混凝土压坏导致受压区混凝土压坏，，属属大偏心大偏心受压受压破坏破坏C.混凝土混凝土受压破坏受压破坏接头的破坏是由于受压区混凝土达到接头的破坏是由于受压区混凝土达到抗抗压强度，压强度，属属小偏心小偏心受压受压破坏破坏46 1.判断大小偏心，确定破坏形式纵向接缝强度计算简图计算中和轴：其中：47 在基本使用荷载阶段要满足不小于1.55的要求2.计算安全系数48 l环向接头环向接头设计设计环向接头承受的主要荷载包括：①①隧道的差异沉降隧道的差异沉降②②相邻环施加的剪应力相邻环施加的剪应力③③隧道轴线方向的不均匀伸长或压缩造成对接头的拉隧道轴线方向的不均匀伸长或压缩造成对接头的拉/压应力压应力环由于荷载不易确定，计算复杂，环向接头采用与纵向接头连接螺栓同等性能的螺栓，有时取直径略小一些、强度等级低一点的螺栓49 6.4 隧道防水及其综合处理隧道防水及其综合处理需从管片生产工艺、衬砌结构设计、接缝防水材料等几个方面进行综合处理，其中以接缝防水材料的选择为突出的关键技术l衬砌的抗渗衬砌的抗渗p合理提出衬砌本身的抗渗指标p控制水灰比，一般不大于0.4，另加塑化剂以增加混凝土的和易性p衬砌构件的最小混凝土厚度和钢筋保护层p管片生产工艺：振捣方式和养护条件的选择p严格的产品质量检验制度p减少管片在堆放、运输和拼装过程中的损坏率。
50 l管片制作精度管片制作精度管片制作精度不够而引起隧道漏水，使得钢筋混凝土管片在含水地层中应用和发展受限以合成橡胶为基材的齿槽形管片定型密封垫防水效果好l接缝防水的基本技术要求接缝防水的基本技术要求p保持永久的弹性状态和具有足够的承压能力，使之适应隧道长期处于“蠕动”状态而产生的接缝张开和错动p具有令人满意的弹性期龄和工作效能p与混凝土构件具有一定的粘结力p能适应地下水的侵蚀51 l二次衬砌二次衬砌l其他其他在外层装配式衬砌已趋基本稳定的情况下，进行二次内衬浇捣内衬混凝土层的厚度不得小于150mm，一般采用混凝土泵再加钢模台车配合分段进行，每段大致8~10m隧道外围的压浆以及地层注浆等附加措施也可采用52 算例算例设计一地铁隧道，该隧道采用单层装配式板形钢筋混凝土管片，隧设计一地铁隧道，该隧道采用单层装配式板形钢筋混凝土管片，隧道内径道内径5.4m，隧道外径，隧道外径6.0m ，管片厚度，管片厚度300mm，幅宽，幅宽1000mm,管片分为管片分为8块选用HRB335钢筋，混凝土为钢筋，混凝土为C50，接缝采用型号为，接缝采用型号为M36的螺栓进行连接该断面的顶板埋深为的螺栓进行连接。
该断面的顶板埋深为18m，地下水位，地下水位5m53 地层埋深示意图54 A.A. 荷载计算荷载计算•垂直荷载•均布侧载•三角形侧载•自重 因为 ，取55 拱底反力侧向土壤抗力56 •水压力按水平和竖向水压力进行计算按水平和竖向水压力进行计算带入计算表计算时，各水压力分别带入带入计算表计算时，各水压力分别带入竖向荷载，拱底竖向荷载，拱底反力，均匀侧向土压力和三角形侧向土压力反力，均匀侧向土压力和三角形侧向土压力的公式进行的公式进行计算计算57 B.B.内力计算内力计算•垂首先采用均匀圆环法进行内力计算，然后在用日本修正惯用法进行修正•将内力计算的结果带入断面内力系数表计算结果如下：M、、N表表58 M、、N表表59 B.B. 内力计算内力计算•用日本日本惯用修正法修正取 如图，分别对0°，22.5°，45°，67.5°，90°，112.5°，135°，157.5°，180°处的内力进行修正60 设以此类推，对余下的角度进行修正结果见下表：在0°处在22.5°处61 修正后的修正后的M、、N表表62 修正后的修正后的M、、N表表90.0019.11785.3495.0035.59802.24100.0042.31818.14105.0047.73832.60110.0044.17849.64112.5036.78864.03120.0022.48880.06125.0037.25880.08130.0049.86879.38135.0041.48878.58140.0064.43878.28145.0041.48879.01150.0046.61885.22157.5020.85895.30160.00-5.24902.29165.00-48.51916.47170.00-87.67929.31175.00-135.84945.21180.00-129.60961.5963 从衬砌分块图中可以看出，所有衬砌管片都是统一尺寸，为简化管片加工和拼装过程，采用相同配筋。
对内力计算表中的所有荷载组合进行配筋计算，选出最大配筋面积作为实际配筋面积配筋计算方法见《混凝土结构设计规范》，计算结果如下：C.C.配筋计算配筋计算64 从上表中可以看出算得的配筋面积都不满足最小配筋要求，按构造要求，受压侧和受拉侧都选用8Φ14, ，钢筋配置见下图65 C.C.配筋计算配筋计算66 由配筋计算结果可知，130°处受拉钢筋面积最大，故取130°截面进行验算未采用预应力钢筋，故 为截面面积，C50混凝土抗拉强度 满足规范要求C.C.裂缝验算裂缝验算67 D.D. 纵向纵向接缝验算接缝验算•接缝张开度验算 螺栓在管片内侧，外侧接缝更易张开整个衬砌环的轴力都为压力，如果压力大于弯矩在受拉翼缘处产生的力，全截面受压，接缝不会张开外侧受拉时弯矩为负根据内力计算结果可知，只有45°和180°处的弯矩为负,为危险接缝分别对其进行验算接缝不会张开•45°处68 D.D. 纵向纵向接缝验算接缝验算•接缝张开度验算接缝不会张开•180°处69 •接缝强度验算接缝采用型号为M36的螺栓进行连接，配置如下图D.D. 纵向纵向接缝验算接缝验算在上面的接缝张开度验算中，45°和180°处全截面受压，再对0°，90°和135°处接缝进行验算。
70 全截面受压•0°处全截面受压•90°处71 全截面受压•135°处由以上计算结果可知，所有接缝处都为全截面受压，螺栓不会受到拉力故可按构造配置螺栓。
