盾构隧道管片衬砌结构——荷载结构模型

1、 保持围岩稳定，可以长期承受作用于盾保持围岩稳定，可以长期承受作用于盾 构隧道上的全部荷载；构隧道上的全部荷载； 可以承受施工过程中的千斤顶推力及注可以承受施工过程中的千斤顶推力及注 浆压力等施工荷载；浆压力等施工荷载； 满足防渗要求；满足防渗要求； 满足环境保护要求。满足环境保护要求。 基本要求： 1、盾构管片结构设计流程 l隧道的使用功能； l结构运营寿命； l运营空间要求，如净空、线路、施工精度等； l预埋件结构，如起吊件、连接预埋件等； l防水要求； l规范规定的要求等。 影响管片设计的因素包括： 设计条件的设定 荷载的计算 截面内力的计算 弯矩及轴力的单位应力 的计算；剪应力的计算

2、单位应力的校核 构件的设计计算 构造详图的设计 对于特殊荷载的设计 绘图 管片的制作 设计条件 隧道的线性 必要的内空断面 土质条件 管片种类 管片分块 主要荷载的计算 土质的分类（水土合算、分算） 垂直土压力的计算（采用松动土压力否？） 侧向土压力系数 地基反力系数 自重 荷载及结构模型的选定 惯用计算法 修正惯用法 梁-弹簧模型计算方法 部分地基弹簧模型，全周地基弹簧模型 管片主断面的假定 接头的模型化 对于主要荷载的主断面的单位应力的校核 容许应力与单位应力的校核 对主要荷载及附加荷载作用下的构件设计计算 接头的计算（螺栓、接头板、锚筋等） 纵肋的计算 底面板及横衬板的计算 注浆孔 吊具

3、 接头角度 锥形衬环 地震的影响 地基沉降的影响 邻接施工的影响 对相邻建（构）筑物的影响 并设隧道的影响 急弯施工的影响 附加荷载的计算 内部荷载 施工荷载 NO NO OK OK 管片设计流程 2、设计条件拟定 （1）隧道内空断面形状和尺寸 我国盾构技术概况我国盾构技术概况 隧隧 道道 内内 径径 工程名称车辆限界/mm隧道内径/mm备注 上海地铁52005500软土 南京地铁1号线52005500软土 南京地铁2号线52005500软土 北京地铁5号线52005400 广州地铁3号线客-大区间52005400围岩级 工程名称管片形式管片厚度/mm备注 上海地铁钢筋混凝土350软土 南京地

4、铁1号线钢筋混凝土350软土 南京地铁2号线钢筋混凝土350软土 北京地铁5号线钢筋混凝土300 广州地铁3号线客-大区间平板型钢筋混凝土300围岩级 管片管片 的形的形 式与式与 厚度厚度 我国盾构技术概况我国盾构技术概况 管管 片片 幅幅 宽宽 工程名称分块管片宽度/m最小曲率半径/m 南京地铁1号线K(21.5)+2L(68)3B(67.5)1.2400 南京地铁2号线K(21.5)+2L(68)3B(67.5)1.2400 北京地铁5号线K(22.5)+2L(67.5)3B(67.5)1.2300 广州地铁3号线客 -大区间 K+2L3B1.51500 管管 片片 分分 块块 地铁隧道

5、管片常用分块数为六块和七块两种在地铁隧道管片常用分块数为六块和七块两种在 国内上海地铁一号线、广州地铁一、二、三号线南京国内上海地铁一号线、广州地铁一、二、三号线南京 地铁一、二号线、成都地铁一号线盾构区间隧道都采地铁一、二号线、成都地铁一号线盾构区间隧道都采 用用六六块方案。块方案。 （2）管片类型 l钢筋混凝土管片 l钢管片 l铸铁管片 l复合管片 （3）管片的厚度与幅宽 管片厚度越大，其截面抗弯能力越强，可以节约钢筋用量，但同时也增 加了混凝土用量。管片厚度的选取应视管片接头部位和混凝土截面的受力情 况而定，根据经验，管片厚度一般为衬砌环外径的4%左右，但对于大断面 隧道，尤其是当采用钢

6、筋混凝土管片时，约为5.5%左右。 为了便于搬运和组装以及有利与隧道曲线段的施工，希望管片宽度小一些 为好；从降低每延米隧道衬砌的制造成本、减少接头个数和提高施工速度方 面考虑，则又希望幅宽大一些好。参照国内外大断面隧道的建设情况，幅宽 多数为2m。 （4）管片衬砌环的分块方式 管片分块方法总体上讲有等分模式及不等分模式，等分模式下由于没有 小封顶块，采用错缝拼装时管片整体刚度较为均匀，是一种理想的受力分 块方式；不等分模式一环管片一般是由几块A型管片（标准块）、两块B型 管片（邻接块）和一块K型管片（封顶块）组成。 封顶块 邻接块 （5）管片的接头角与插入角 由于K型管片插入方式分两种，沿半

7、径方向插入的角度称为接头角 （r），沿轴方向插入的角度称为插入角（1）。 如果是半径方向插入型管片，对于其中的K型管片的接头角度(r)依下 式计算。rk/2+，上式中的是为便于K型管片的插入所需要的富裕 角度，一般采用25。 如果是轴方向插入型管片，其中的K型管片一般不需要接头角度(r)。 但是，考虑到包括盾构机长度在内的施工条件和管片接头与管片环之间的 干扰，还是需要设定管片的插入角度(1)。管片的插入角度多取决于施工 条件，但是取1724的实例居多。 (6)管片环楔形量 盾构在曲线段施工和蛇行修正时，需要使用一种幅宽不等 的管片环,称为楔形管片环.楔形管片环中最大宽度与最小宽 度之差，称为

8、楔形量。 蛇行修正用楔形管片环的数量，会因工程区域内所包含的 缓曲线和急曲线区段的比例、有无S形曲线等的隧道线路、 影响盾构操作稳定性的周围围岩的情况而不同。 （a）普通环；（b）单侧楔形环；（c）两侧楔形环 (7)管片的拼装 盾构隧道管片的拼装方式有两种，通缝拼装和错缝拼装。 通缝拼装时，管片衬砌结构的整体刚度较小，导致变形较 大、内力较小。 采用错缝拼装时，管片衬砌结构的整体刚度较大，导致变 形较小、内力较大。对于管片的分块设计要求比通缝拼装条 件下较高。错缝拼装的拼转角度根据纵向螺栓的布置而定， 可以两环一组错缝拼装，也可以三环一组错缝拼装。 (1) (1) 在相同地层条件下，错缝式拼装

9、与通缝式拼装管片结构中的在相同地层条件下，错缝式拼装与通缝式拼装管片结构中的受拉受受拉受 压区域基本相同压区域基本相同，错缝式拼装盾构隧道中接头及其周围处的弯矩与相同条，错缝式拼装盾构隧道中接头及其周围处的弯矩与相同条 件下通缝式拼装管片相比有较大幅度的改变。错缝式拼装的最大弯矩较大，件下通缝式拼装管片相比有较大幅度的改变。错缝式拼装的最大弯矩较大， 而相应的轴力却较小，不同的拼装方式附加内力的大小和分布规律也有较而相应的轴力却较小，不同的拼装方式附加内力的大小和分布规律也有较 大的区别。这就给配筋提出了更高的要求。大的区别。这就给配筋提出了更高的要求。 (2) (2) 错缝拼装管片弯矩绝对值

10、的最大值较通缝拼装管片弯矩绝对值的最错缝拼装管片弯矩绝对值的最大值较通缝拼装管片弯矩绝对值的最 大值大，而在此位置错缝拼装的轴力较通缝拼装的轴力小，错缝拼装弯矩大值大，而在此位置错缝拼装的轴力较通缝拼装的轴力小，错缝拼装弯矩 绝对值最大值比通缝拼装弯矩绝对值最大值大绝对值最大值比通缝拼装弯矩绝对值最大值大5050左右，轴力小左右，轴力小2020左右，左右， 并且不同的拼装方式又有所不同。并且不同的拼装方式又有所不同。 (3) (3) 在相同埋深、相同地质条件下，通缝式拼装结构的位移值要比错缝在相同埋深、相同地质条件下，通缝式拼装结构的位移值要比错缝 式拼装结构的位移值大式拼装结构的位移值大20

11、20左右；不同的错缝式拼装方案下，结构的位移左右；不同的错缝式拼装方案下，结构的位移 值相差不大，在值相差不大，在1010以内。以内。 方法方法特点特点 标准衬砌环、左转标准衬砌环、左转 弯衬砌环和右转弯弯衬砌环和右转弯 衬砌环组合衬砌环组合 直线地段除施工纠偏外，采用标准衬砌环；曲线地段直线地段除施工纠偏外，采用标准衬砌环；曲线地段 可通过标准衬砌环与左、右转弯衬砌环组合使用，以可通过标准衬砌环与左、右转弯衬砌环组合使用，以 模拟曲线。此方法施工方便，操作简单。模拟曲线。此方法施工方便，操作简单。 左转弯衬砌环和右左转弯衬砌环和右 转弯衬砌环组合转弯衬砌环组合 通过左转弯环、右转弯环组合来拟

12、合线路，由于每环通过左转弯环、右转弯环组合来拟合线路，由于每环 均为楔形，拼装时施工操作相对麻烦一些，欧洲常采均为楔形，拼装时施工操作相对麻烦一些，欧洲常采 用，国内暂未看到报道采用。用，国内暂未看到报道采用。 通用管片环通用管片环 通过一种楔形环管片模拟线路、曲线及施工纠偏，管通过一种楔形环管片模拟线路、曲线及施工纠偏，管 片拼装时，衬砌环需扭转多种角度，封顶块有时会位片拼装时，衬砌环需扭转多种角度，封顶块有时会位 于隧道下半部，工艺相对复杂，大大降小模具数量，于隧道下半部，工艺相对复杂，大大降小模具数量， 降低造价。降低造价。 管片环组合方法管片环组合方法 d d 内 外 封顶块 /2/2

13、 曲线段直线段 平面视图 通用管片环 我国盾构技术概况我国盾构技术概况 楔形衬砌环与直线衬砌环的组合楔形衬砌环与直线衬砌环的组合 衬衬 砌砌 环环 形形 式式 楔形衬砌环之间相互组合楔形衬砌环之间相互组合 通用型管片环通用型管片环 国内目前只有在南京国内目前只有在南京 地铁施工中使用地铁施工中使用 深圳地铁首次采用深圳地铁首次采用 应用工程 管片厚度 （mm） 盾构外径 （m） 管片拼装 上海地铁3506.34通缝 南京地铁1号线3506.34错缝 南京地铁2号线3506.34错缝 北京地铁5号线3006.20错缝 广州地铁3号线客-大区间3006.30错缝 深圳地铁300错缝 管片管片 拼装

14、拼装 形式形式 (8)接头构造 管片的连接处一般称为接头，包括接缝、螺栓及其附近 （包括螺栓孔）的部位。 柔性接头由于允许在相邻管片间产生微小转动和压缩，使 得整个衬砌环能随内力而产生一定变形； 刚性接头则主要通过增加螺栓数量等手段力图在构造上使 接头刚度与构件本身相同。 目前的趋势：减薄衬砌厚度、减弱接头刚度和增加接头数 量等措施以达到增加衬砌柔性的目的。 管片接头管片接头环间接头环间接头 特征特征 对接方法对接方法紧固方法紧固方法对接方法对接方法紧固方法紧固方法 平板螺栓接平板螺栓接 头头 全面对接全面对接直螺栓直螺栓全面对接全面对接直螺栓直螺栓 有榫管片有榫管片部分对接部分对接斜螺栓斜螺

15、栓键式键式斜螺栓斜螺栓 环刚度小；环刚度小； 不需紧固；不需紧固； 斜螺栓施工斜螺栓施工 用；用； 高刚性构件高刚性构件 与带销螺栓与带销螺栓 并用并用 全面对接全面对接高刚性构件高刚性构件全面对接全面对接 并用带销螺并用带销螺 栓栓 环刚度大；环刚度大； 拼装作业快拼装作业快 速；速； 开尾销与快开尾销与快 速接头速接头 全面对接全面对接开尾销开尾销全面对接全面对接快速接头快速接头 环刚度大；环刚度大； 拼装机械化拼装机械化 快速化快速化 KL管片管片键式键式弯螺栓弯螺栓键式键式弯螺栓弯螺栓环刚度小环刚度小 凸凹型与销凸凹型与销 榫榫 凹形接头凹形接头销子销子键式键式销榫销榫 环刚度小；环刚

16、度小； 拼装快拼装快 长螺栓长螺栓全面对接全面对接长螺栓长螺栓全面对接全面对接长螺栓长螺栓环刚度大环刚度大 内表面光滑内表面光滑 管片管片 全面对接；全面对接； 部分对接；部分对接； 键式键式 水平开尾销水平开尾销键式键式销榫销榫 可调环刚度；可调环刚度； 拼装机械化拼装机械化 快速化快速化 国内外管片结构设计方法国内外管片结构设计方法 国 家 管片结构设计模型 设计土水压（v和h分别为垂直和水平 土水压力） 入江健二（1993）ITA（1978） 澳大利亚全周弹簧模型不详 v=全上覆土重 h=v +静水压力 奥地利全周弹簧模型弹性地基圆环法 浅埋隧道：v=全上覆土重 h=v 深埋隧道按泰沙基

17、土压力公式 西 德 局部弹簧模型（覆土深2d） 全周弹簧模型（覆土深2d） v=全上覆土重 h=v（=0.5） 法 国全周弹簧模型或有限元法 v=全上覆土重或泰沙基土压力 h=v（取经验值） 中 国均质圆环法或弹性铰模型 v=全上覆土重 h=v（取经验值） 日 本 惯用设计法、梁-弹簧 模型 惯用设计法 v=全上覆土重 h=v 西班牙 考虑地层与结构相互 作用的Buqera法 不详不计粘着力的泰沙基土压力 英 国全周弹簧模型法或Muir Wood法 v=全上覆土重（+水压） h=（1+）v/2（+水压） 美 国弹性地基圆环法 v=全上覆土重 h=v（=0.40.5）（+水压） 根据对管片接头的

18、不同力学模型假设，可将管片结构设根据对管片接头的不同力学模型假设，可将管片结构设 计方法主要分为计方法主要分为（修正）惯用法（修正）惯用法、多铰圆环法多铰圆环法和和梁弹簧模梁弹簧模 型法型法。不同设计方法的区别主要在于对管片接头抗弯刚度的。不同设计方法的区别主要在于对管片接头抗弯刚度的 取值差异。取值差异。 忽略接头刚度影响，假定接头 部位具有与管片结构相同的刚 度（惯用法模型） 部分考虑接头刚度影响，假定接 头部位具有与管片结构相同的刚 度（修正惯用法模型） 假定管片接头抗弯刚度为零 （多铰圆环法模型） 假定接头部位具有抗弯刚度k （弹性铰模型） 考虑内外衬砌间的相互作用 （层间压缩及剪切模

19、型） 考虑接头刚度影响，接头抗弯刚 度k、切向抗剪刚度kt和径向抗 剪刚度kn（梁-弹簧法模型） 接头演变过程接头演变过程 ( (修正修正) )惯用法惯用法 梁梁- -弹簧模型法弹簧模型法 多铰圆环法多铰圆环法 垂直土压力垂直土压力 水压力水压力 结构自重结构自重 上覆荷载上覆荷载 地基抗力地基抗力 衬砌衬砌 设计设计 荷载荷载 分类分类 主要主要 荷载荷载 次要次要 荷载荷载 特殊特殊 荷载荷载 内部荷载内部荷载 施工荷载施工荷载 地震的影响地震的影响 平行配置隧道的影响平行配置隧道的影响 邻近施工的影响邻近施工的影响 其它其它 荷载计算模式图荷载计算模式图 K0 K0 K0 0.5(1-K

20、0) 衬砌上应力分布 原位应力 挠曲形状 原来形状 刚性衬砌刚性衬砌柔性衬砌柔性衬砌 衬砌结构衬砌结构 力学模型力学模型 衬砌本衬砌本 体模型体模型 接头接头(接缝接缝) 模型模型 接头接头 刚度刚度 环向接头刚度环向接头刚度 纵向接头刚度纵向接头刚度 管片接头抗弯刚度管片接头抗弯刚度 定 义： 影响因素： 结构内力：弯矩、轴力、螺栓预紧力等 结构尺寸：幅长、幅宽、厚度、接缝宽度等 材料参数：管片混凝土、连接螺栓、衬垫 相对位置：螺栓位置、衬垫厚度 研究意义： 控制着衬砌结构设计安全性和经济性 优化结构设计 盾构隧道管片接头产生单位转角所需弯矩定义 为管片接头抗弯刚度k，综合反映了管片接头 力

21、学性能及承载能力 盾构隧道纵向结构性能盾构隧道纵向结构性能 迫 切 性 ： 理论模式： 研究意义： 起步晚，研究理论和计算模型不完善 等效弹性地基梁 三维骨架模型 等效刚度模型 完善现有结构计算模式 优化纵向结构设计 3、荷载计算 统计法 普氏理论 该理论认为：所有的岩体都不同程度的被节理、裂隙所切割， 因此可以视为有粘聚力的散粒体。 普氏还提出了基于概念的计算理论，从而确定 。认为在具有一定粘聚力的松散介质中开挖坑 道后，其上方会形成一个抛物线形的拱形洞顶，作用在支护 结构上的围岩压力就是自然平衡拱以内的松动岩体的重力。 Terzaghi理论 该理论认为：当隧道的埋深增加到某个限值后，围岩竖

22、向松 动压力随埋深的变化的幅度就趋近于零。 在深埋分析中主要采用Terzaghi理论，在浅埋分析中按全部 或部分地层压力计算土层压力的方法，并保证最小土压等效 高度不小于1.5-2倍隧道外径。 （2）荷载的分类与组合 将垂直土压力看做作用于衬砌顶部的均布荷载，其大小根据隧 道的覆土厚度、断面形状、外径和围岩条件决定。 当覆土厚度小于隧道外径，一般不考虑地基的拱效应。 当覆土厚度大于隧道外径时，地基产生拱效应的可能性比 较可靠，可以考虑在设计计算时采用松弛土压力。 在砂性土中，当覆土厚度大于12D（D为管片环外径）时 多采用松弛土压力。 在粘性土中，如果由硬质粘土（N8）构成的良好地基，当 覆土

23、厚度大于12D时多采用松弛土压力。 对于中等固结的粘土（4N8）或软粘土（2N4），将 隧道的全覆土作为土压力考虑的实例比较常见。 一般来说，当垂直土压力采用松弛土压力时，考虑施工时的荷载 以及隧道竣工后荷载的变化，往往设定一个土压力的下限值。在 排水、电力及通信隧道中一般将其作为相当于隧道外径2倍覆土 厚度的土压力，铁路隧道则采用隧道外径的1.01.5倍的覆土厚 度的土压力值或采用200kN/m2。 计算水平压力有两种方法： 对于粘性土，水压力作为土压力的一部分考虑； 对于砂性土和自立性好的硬质粘土及固结粉土，水压力与土 压力分开考虑； 对于中间土和岩质地层，可以将渗透系数10-410-3c

24、m/s作 为分界值。 在水压、土压合算时，地下水位以上用天然容重，地下 水位以下用饱和容重； 在水压、土压分算时，地下水位以上用天然容重，地下 水位以下用浮容重。 侧压力系数的选定对设计截面力有很大影响，要充分考虑地 基条件和荷载条件，同时参照类似工程进行慎重研究。 外水压力主要分析处理方法： 外水压力为作用于衬砌外缘的面力（常采用）； 外水压力当作渗透体积力（较符合外水压实际情况）。 对于土质隧道，作用在地下结构上的水压力，按静水压力计 算或把水作为土的一部分计入土压力。 水土分算法中，作用于衬砌结构上水压力有径向水压和 均布水压两种 K 地层抗力地层抗力为隧道结构产生变形向土体挤压时产生的

25、被动抗力，其 值根据Winkler假定计算。 式中，K-地层弹性抗力系数，参照 日本规范，可按表1.3-89进行分类 取值；-相应点的位移 影响盾构隧道侧向抗力的最主要因素有： 土层的软硬程度、含水量等和盾构隧道的埋置深度； 土层的先期固结状态；盾尾间隙填充物的填充质量； 盾构推进时对地层的剪切、挤压、纠偏等引起的土体的扰动； 土体扰动以后，土层的主固结和次固结； 土体的流变效应。 全周弹簧模型的地层反力按照管片径向及切向的变形量来评价， 根据Winkler假定计算。地基弹簧模型有只受压的部分地基弹簧 模型和受拉的全周弹簧模型有两种 计算模型 传统常用的模型有： 均使用梁结构模拟管片的壳体结构

26、 主要差别是对接头作用的考虑。 均质圆环模型 是将管片衬砌圆环视作弹性匀质圆环进行分析， 惯用法和修正惯用法均采用这种模型。 不考虑接头对整体刚度的折减和对局部弯矩的分配作 用（即=1，=0） 基于Winkler理论，假设地层反作用在水平方向45范围内 在软弱地层中计算截面内力偏小；反之则大 采用小于1的刚度有效系数来考虑环向接头对整环 刚度的影响 当采用错缝拼装方式时，出现弯矩传递现象，混凝土管片产生 附加弯矩，则管片设计的弯矩为（1+）M（M计算弯矩值）， 接头设计的弯矩为（1-）M，而设计的轴力值仍为计算轴力值N； 当采用通缝拼装方式时，=0 对于抗力，修正的惯用法采用局部弹簧抗力取代假设三角形分 布的地层抗力。 如果该模型过低评价值，则计算的衬砌环变形偏大，截面内 力