地下建筑结构(中国地质大学孙金山)5

1、5 5 盾构法（TBMTBM法）隧道管片式衬砌结构盾构是在钢壳体保护下掘进隧道的一种设备。按掘进方式分为人工、半机械和机械化形式；按切削面上的挡土方式，分为开放型和封闭型；按向开挖面施加压力的方式，分为气压、泥水加压、削土加压和加泥方式。目前机械化盾构发展较快，应用较多，它由刀盘、刀具旋转切割地层，采用螺旋输送机或泥水管道运送碴土，在壳体内拼装预制管片，依靠液压千斤顶推进，形成掘进隧道的机电一体化高科技设备。盾构法盾构法18061806年年, ,工程师工程师 Brunel Brunel 针对松散饱和软针对松散饱和软土层发明了最早的土层发明了最早的网格式盾构网格式盾构并提出专利。并提出专利。18

2、181818年年, Brunel, Brunel从蛆虫腐蛀船底成洞得到从蛆虫腐蛀船底成洞得到启发，提出了启发，提出了全封闭螺旋式全封闭螺旋式盾构工法盾构工法( (土土压平衡盾构的原型压平衡盾构的原型) )。181825251841843 3年，年， BrunelBrunel设计的设计的方形铸铁方形铸铁框盾构框盾构贯通了泰晤士河的第一条隧道。贯通了泰晤士河的第一条隧道。18691869年年, Burlow, Burlow和和GreatGreat负责建造泰晤士负责建造泰晤士河的第二条隧道，河的第二条隧道， GreatGreat采用新开发的采用新开发的圆圆形盾构、扇形铸铁管片形盾构、扇形铸铁管片。1

3、881886 6年年, Great, Great在南伦敦铁路隧道施工中在南伦敦铁路隧道施工中使用了使用了盾构和压气组合工法盾构和压气组合工法，为现在的盾，为现在的盾构工法奠定了基础。构工法奠定了基础。3盾构工法盾构工法岩石隧道掘进机（TBM）施工技术 图11 Robbins敞开式全断面岩石掘进图12 海瑞克双护盾全断面岩石掘进机n主要组成位于尾部。动力系统：提供动力。用于操作控制和导向；激光装置。位于中部，控制室操作及导向系统：操作上，用于出渣除尘；除尘装置。也位于刀盘出渣除尘系统：铲渣斗部，用于切削；及其上的滚刀。位于前切削系统：旋转的刀盘,管片施工本章主要内容本章主要内容衬砌型式和构造衬砌

4、型式和构造衬砌圆环内力计算衬砌圆环内力计算衬砌断面设计衬砌断面设计隧道防水及其综合处理隧道防水及其综合处理盾构新型管片衬砌形式盾构新型管片衬砌形式 5.1 5.1 衬砌型式和构造衬砌型式和构造5.1.1 5.1.1 衬砌断面的型式与选型衬砌断面的型式与选型p衬砌结构衬砌结构在施工阶段在施工阶段保护开挖面以防止土体变形、坍保护开挖面以防止土体变形、坍塌及泥水渗入，并承受盾构推进时千斤顶顶力及其它塌及泥水渗入，并承受盾构推进时千斤顶顶力及其它施工荷载；施工荷载；p在隧道在隧道竣工后竣工后作为作为永久性支撑结构永久性支撑结构，并防止泥水渗入，并防止泥水渗入，同时支承衬砌周围的水、土压力以及使用阶段某

5、些特同时支承衬砌周围的水、土压力以及使用阶段某些特殊需要的荷载，以满足结构的预期使用要求。殊需要的荷载，以满足结构的预期使用要求。p依据隧道的使用目的、地层条件以及施工方依据隧道的使用目的、地层条件以及施工方法，法，合理选择衬砌的强度、结构、形式和种合理选择衬砌的强度、结构、形式和种类等。类等。p盾构隧道横断面一般有圆形、矩形、半圆型、盾构隧道横断面一般有圆形、矩形、半圆型、马蹄形、椭圆形等多种型式，最常用的为马蹄形、椭圆形等多种型式，最常用的为圆圆型型。p在饱和含水软土地层中修建隧道，由于顶压在饱和含水软土地层中修建隧道，由于顶压和侧压较为接近，较有利的结构型式是选用和侧压较为接近，较有利的

6、结构型式是选用圆形结构圆形结构。盾构机的分类 之二2、按照断面形状进行分类 A、单圆 B、双圆 C、三圆 D、矩形 E、球形5.1.2 5.1.2 衬砌的分类及其比较衬砌的分类及其比较( (一一) )按材料及形式分类按材料及形式分类 1 1钢筋混凝土管片钢筋混凝土管片 1) 1)箱形管片箱形管片一般用于较大直径的隧一般用于较大直径的隧道。单块管片重量较轻，管片本身道。单块管片重量较轻，管片本身强度不如平板形管片，特别在盾构强度不如平板形管片，特别在盾构顶力作用下易开裂。顶力作用下易开裂。 2)2)平板形管片平板形管片用于较小直径的隧道，用于较小直径的隧道，单块管片重量较重，对盾构千斤顶单块管片

7、重量较重，对盾构千斤顶顶力具有较大的抵抗能力，正常运顶力具有较大的抵抗能力，正常运营时对隧道通风阻力较小。营时对隧道通风阻力较小。2 2铸铁管片铸铁管片p国外在国外在饱和含水不稳定地层中饱和含水不稳定地层中修建修建隧道时较多采用铸铁管片。隧道时较多采用铸铁管片。p管片较轻，管片较轻，耐蚀性好，机械加工后耐蚀性好，机械加工后管片精度高管片精度高，能有效地防渗抗漏。，能有效地防渗抗漏。p缺点是金属消耗量大，机械加工量缺点是金属消耗量大，机械加工量也大，也大，价格昂贵。价格昂贵。p由于铸铁管片具有由于铸铁管片具有脆性破坏脆性破坏的特性，的特性，不宜用作承受冲击荷重的隧道衬砌不宜用作承受冲击荷重的隧道

8、衬砌结构。结构。3 3钢管片钢管片p优点是重量轻、强度高。优点是重量轻、强度高。p缺点是刚度小缺点是刚度小，耐锈蚀性差，耐锈蚀性差，需进行机械加工以满足防水要需进行机械加工以满足防水要求。求。成本昂贵成本昂贵，金属消耗量大，金属消耗量大，国外在使用钢管片的同时，再国外在使用钢管片的同时，再在其内浇注混凝土或钢筋混凝在其内浇注混凝土或钢筋混凝土内衬。土内衬。 4 4复合管片复合管片p外壳采用钢板制成，外壳采用钢板制成，在钢壳内在钢壳内浇注钢筋混凝土浇注钢筋混凝土，组成一复合，组成一复合结构，其重量比钢筋混凝土管结构，其重量比钢筋混凝土管片轻，刚度比钢管片大，金属片轻，刚度比钢管片大，金属消耗量比

9、钢管片小。消耗量比钢管片小。p缺点是钢板耐蚀性差，加工复缺点是钢板耐蚀性差，加工复杂冗繁。杂冗繁。( (二二) ) 按形成方式分类按形成方式分类p分为分为装配式衬砌和挤压混凝土衬砌装配式衬砌和挤压混凝土衬砌。p装配式衬砌装配式衬砌p圆环是由分块的预制管片在盾尾拼装圆环是由分块的预制管片在盾尾拼装而成的，按照管片所在位置及拼装顺而成的，按照管片所在位置及拼装顺序不同可将管片划分为序不同可将管片划分为标准块、邻接标准块、邻接块和封顶块。块和封顶块。p有铸铁、钢、混凝土、钢筋混凝土管有铸铁、钢、混凝土、钢筋混凝土管片和砌块之分片和砌块之分p装配式衬砌的特点在于：装配式衬砌的特点在于：1.1.安装后能

10、立即承受荷载；安装后能立即承受荷载；2.2.管片生产工厂化，质量易于保证，管片安管片生产工厂化，质量易于保证，管片安装机械化，方便快捷；装机械化，方便快捷；3.3.其接缝处防水需要采取特别有效的措施。其接缝处防水需要采取特别有效的措施。p盾尾后现浇混凝土的挤压式衬砌工艺，即高压盾尾后现浇混凝土的挤压式衬砌工艺，即高压作用下的盾尾处刚浇捣而未硬化的混凝土作为作用下的盾尾处刚浇捣而未硬化的混凝土作为盾尾推进的后座，盾尾在推进的过程中，盾尾推进的后座，盾尾在推进的过程中，不产不产生建筑空隙，生建筑空隙，空隙由注入的混凝土填充。空隙由注入的混凝土填充。p挤压混凝土衬砌挤压混凝土衬砌施工方法特点：施工方

11、法特点：1.1. 自动化程度高，施工速度快；自动化程度高，施工速度快；2.2. 整体式衬砌结构可以达到理想的受力、防水整体式衬砌结构可以达到理想的受力、防水要求，建成的隧道有满意的使用效果；要求，建成的隧道有满意的使用效果；3.3. 采用钢纤维混凝土能提高薄形衬砌的抗裂性采用钢纤维混凝土能提高薄形衬砌的抗裂性能；能；4.4. 在渗透性较大的砂砾层中要达到防水要求尚在渗透性较大的砂砾层中要达到防水要求尚有困难。有困难。挤压混凝土衬砌挤压混凝土衬砌( (四四) )按构造型式分类按构造型式分类p可分为可分为单层及双层衬砌单层及双层衬砌两种型式。两种型式。p修建在修建在饱和含水软土地层内饱和含水软土地

12、层内的隧道，由于接缝防水问题，多选择双层的隧道，由于接缝防水问题，多选择双层衬砌结构，外层是装配式衬砌结构，内层是混凝土或钢筋混凝土层。衬砌结构，外层是装配式衬砌结构，内层是混凝土或钢筋混凝土层。p双层衬砌问题：双层衬砌问题：开挖断面增大，增加了出土量；开挖断面增大，增加了出土量；施工工序复杂，延长了施工期限，导致了隧道建设成本的增加。施工工序复杂，延长了施工期限，导致了隧道建设成本的增加。解决单层衬砌的防水技术和使用效果，以逐步取代双层衬砌结构。解决单层衬砌的防水技术和使用效果，以逐步取代双层衬砌结构。p外层衬砌视外层衬砌视作一施工临时支撑结构作一施工临时支撑结构，简化了外层衬砌的要求。，简

13、化了外层衬砌的要求。p在内层现浇衬砌施工前，对外层衬砌进行清理、堵漏和必要的结构构在内层现浇衬砌施工前，对外层衬砌进行清理、堵漏和必要的结构构造处理，然后再浇捣内衬层，并使内层衬砌与外层村砌连成一起视作造处理，然后再浇捣内衬层，并使内层衬砌与外层村砌连成一起视作一整体结构一整体结构( (或近似整体结构或近似整体结构) )以共同抵抗外荷载。以共同抵抗外荷载。5.1.3 5.1.3 装配式钢筋混凝土管片装配式钢筋混凝土管片环宽分块封顶块形式拼装方式成型钢筋笼堆放合笼后钢模尺寸检查钢筋笼吊装入模表面压实管片入养护池养护三环试拼装及接缝测量管片堆场堆放管片的防水防水材料优质止水橡胶条( (一一) )环

14、宽环宽p根据国内外实践经验，无论是钢筋混凝土管片或根据国内外实践经验，无论是钢筋混凝土管片或金属管片，环宽一般在金属管片，环宽一般在3003002000mm2000mm之间。之间。环宽过小环宽过小会导致接缝数量的增加，加大隧道防水会导致接缝数量的增加，加大隧道防水的难度；的难度；环宽过大环宽过大虽对防水有利，但也会使盾尾长度增长虽对防水有利，但也会使盾尾长度增长而影响盾构的灵活性；单块管片重量也增大。而影响盾构的灵活性；单块管片重量也增大。( (二二) )分块分块p单线单线地下铁道衬砌分为地下铁道衬砌分为6 68 8块块，双线双线分为分为8 81010块块。小断面隧道可分为小断面隧道可分为4

15、46 6块。块。p少数采用少数采用4 4等份管片，把管片接缝设置在内力较小等份管片，把管片接缝设置在内力较小处，使衬砌环具有较好的刚度和强度，接缝构造处，使衬砌环具有较好的刚度和强度，接缝构造也可相应得到简化。管片的最大弧、弦长一般较也可相应得到简化。管片的最大弧、弦长一般较少超过少超过4 m4 m，管片越薄其长度应越短管片越薄其长度应越短。p管片类型管片类型分为标准块、邻接块和封顶块三类。分为标准块、邻接块和封顶块三类。p管片宽度管片宽度一般为一般为300mm2000mm，厚度为隧道外径的，厚度为隧道外径的5%6%，块，块与块、环与环之间用螺栓连接。与块、环与环之间用螺栓连接。 (三三)封顶

16、管片形式封顶管片形式p考虑到施工方便以及受力的需要，趋向于采用考虑到施工方便以及受力的需要，趋向于采用小封顶形式小封顶形式。p封顶块的拼装形式有两种：封顶块的拼装形式有两种：径向楔入和纵向插入径向楔入和纵向插入。后者封。后者封顶块顶块受力情况较好受力情况较好，在受荷后，封项块不易向内滑移，但缺，在受荷后，封项块不易向内滑移，但缺点是需加长盾构千斤顶行程。点是需加长盾构千斤顶行程。( (四四) )拼装方式拼装方式p圆环的拼装方式：圆环的拼装方式：通缝、错缝通缝、错缝所有衬砌环的纵缝环环对齐的称为所有衬砌环的纵缝环环对齐的称为通缝通缝；而环间纵缝相互；而环间纵缝相互错开，犹如砖砌体一样的称为错开，

17、犹如砖砌体一样的称为错缝错缝。通缝拼装时为十字型式，在通缝拼装时为十字型式，在接缝防水接缝防水上丁字缝比十字缝较上丁字缝比十字缝较易处理。易处理。圆环衬砌圆环衬砌采用采用错缝错缝拼装较普遍，其优点在于能加强圆环接拼装较普遍，其优点在于能加强圆环接缝刚度，约束接缝变形，圆环近似地可按匀质刚度考虑。缝刚度，约束接缝变形，圆环近似地可按匀质刚度考虑。当管片制作精度不够好时，采用错缝拼装形式容易管片在当管片制作精度不够好时，采用错缝拼装形式容易管片在盾构推进过程中顶碎；另外在错缝拼装条件下，盾构推进过程中顶碎；另外在错缝拼装条件下，环、纵缝环、纵缝相交处呈丁字型式；相交处呈丁字型式；通缝通缝 1. 1

18、.甲型：环向短直螺栓、纵向为头尾相甲型：环向短直螺栓、纵向为头尾相 接的长螺栓接的长螺栓 2. 2.乙型：环向单头螺栓、纵向为弯螺栓乙型：环向单头螺栓、纵向为弯螺栓 3. 3.丙型：环向、纵向为短直螺栓丙型：环向、纵向为短直螺栓错缝：错缝： A-B-A, A-B-CA-B-A, A-B-C51管片间接头纵向连接螺栓错逢拼装形式5.1.4 5.1.4 管片接缝（头）构造管片接缝（头）构造p管片间的接缝（头）（下称接头）有两类：沿纵向（接头管片间的接缝（头）（下称接头）有两类：沿纵向（接头面平行于纵轴）的称面平行于纵轴）的称纵向接头纵向接头，沿环向（接头面垂直于纵，沿环向（接头面垂直于纵轴）的称轴

19、）的称环向接头环向接头。从其力学特性可分为从其力学特性可分为柔性和刚性接头柔性和刚性接头 ；前者要求相邻管前者要求相邻管片间允许产生微小的转动与压缩，后者则是通过增加螺栓片间允许产生微小的转动与压缩，后者则是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。数量等手段，力图在构造上使接头刚度与构件本身相同。基本的接头结构有基本的接头结构有螺栓接头、铰接头、销插入式接头、楔螺栓接头、铰接头、销插入式接头、楔形接头、榫接头形接头、榫接头等等。等等。弯螺栓端 肋直螺栓环向螺栓弹性密封垫L斜直螺栓暗 梢暗销接头纵径向销接头54滑动式销钉管片滑动式销钉（C型金属构件）滑动式销钉（T型金属构件

20、）快速接头滑动式销钉管片安装后隧道传统的螺栓或销钉管片常规的螺栓或销钉管片安装成型后隧道内侧完全光滑型内侧完全光滑型 单向接触组装的管片的构造（滑动式销钉管片单向接触组装的管片的构造（滑动式销钉管片）5.1.5 5.1.5 其它构造其它构造（一）纵肋（一）纵肋对钢管片和钢筋混凝土箱型管片，纵肋配置必须保证千斤顶推力均对钢管片和钢筋混凝土箱型管片，纵肋配置必须保证千斤顶推力均匀传递。匀传递。钢制管片上，纵肋必须考虑等间隔配置，其数量至少要按钢制管片上，纵肋必须考虑等间隔配置，其数量至少要按2 2条纵肋支条纵肋支承承1 1块压力垫块压力垫的比例配置，否则不可能均匀传递千斤顶推力。的比例配置，否则不

21、可能均匀传递千斤顶推力。对箱型管片，纵肋的配置方法应和钢制管片的一样，其数量一般和对箱型管片，纵肋的配置方法应和钢制管片的一样，其数量一般和盾构千斤顶数量相同。盾构千斤顶数量相同。（二）注浆孔（二）注浆孔为均匀注浆，通常每个管片上为均匀注浆，通常每个管片上设置一个或一个以上注浆孔设置一个或一个以上注浆孔。由于注。由于注浆孔数量的增加会增加可能的渗漏水通道，且目前广泛采用盾尾同浆孔数量的增加会增加可能的渗漏水通道，且目前广泛采用盾尾同步壁后注浆方式，管片上的注浆孔往往用作二次注浆。因而，国内步壁后注浆方式，管片上的注浆孔往往用作二次注浆。因而，国内采用较多的是采用较多的是每个管片上仅设置一个注浆

22、孔每个管片上仅设置一个注浆孔。注浆孔直径须依据使用的注浆材料确定，注浆孔直径须依据使用的注浆材料确定，一般采用内径一般采用内径50mm50mm左右。左右。（三）起吊环（三）起吊环必须考虑设置起吊环。必须考虑设置起吊环。混凝土平板型管片和球墨铸铁管片混凝土平板型管片和球墨铸铁管片大多将壁大多将壁后注浆孔同时兼作起吊环使用，而后注浆孔同时兼作起吊环使用，而钢管片钢管片则需另设置起吊配件。则需另设置起吊配件。5.2 5.2 衬砌圆环内力计算衬砌圆环内力计算p隧道衬砌结构设计必须满足隧道衬砌结构设计必须满足两个基本要求两个基本要求：满足满足施工及使用阶段施工及使用阶段结构强度、刚度的要求，承结构强度、

23、刚度的要求，承受诸如水、土压力及一些特殊使用要求的外荷载；受诸如水、土压力及一些特殊使用要求的外荷载；满足使用功能要求的满足使用功能要求的环境条件环境条件，保持隧道内部的，保持隧道内部的干燥和洁净，特别是在饱和含水软土地层中采用干燥和洁净，特别是在饱和含水软土地层中采用装配式钢筋混凝土管片结构时对衬砌防水的措施。装配式钢筋混凝土管片结构时对衬砌防水的措施。5.2.1 5.2.1 钢筋混凝土管片的设计要求和方法钢筋混凝土管片的设计要求和方法p按照按照强度、变形、裂缝限制强度、变形、裂缝限制等需要分别验算。等需要分别验算。p确定衬砌结构的几个工作阶段确定衬砌结构的几个工作阶段施工荷载阶段，施工荷载

24、阶段，基本使用荷载阶段和特殊荷载阶段，基本使用荷载阶段和特殊荷载阶段，提出各个工提出各个工作阶段的荷载和安全质量指标要求作阶段的荷载和安全质量指标要求( (衬砌裂缝宽度，接衬砌裂缝宽度，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内表面平整度要求等) )，进行，进行各个各个工作阶段和工作阶段和组合组合工作工作阶段的结构验算。阶段的结构验算。5.2.2 5.2.2 结构计算方法的选择结构计算方法的选择p 荷载荷载结构法和地层结构法和地层结构法：下面着重介绍荷载结构法：下面着重介绍荷载结构结构法。法。p

25、荷载荷载结构法：三要素结构法：三要素 荷载模式：荷载模式：浅埋与深埋、水土合算和分算浅埋与深埋、水土合算和分算结构模型结构模型:(1) :(1) 饱和含水地层中，常采用饱和含水地层中，常采用匀质匀质( (等刚度等刚度) )圆环圆环计算方法计算方法。(2) (2) 在不稳定地层中，多铰圆环结构在不稳定地层中，多铰圆环结构( (铰的数量铰的数量大于大于8 8个个) )处于结构不稳定状态。处于结构不稳定状态。(3) (3) 在稳定地层中，在稳定地层中，衬砌环衬砌环按多铰圆环计算是十分经济合理的按多铰圆环计算是十分经济合理的。结构与地层共同作用：结构与地层共同作用：全周模式和局部模式全周模式和局部模式

26、土压力土压力土压力水压力地基反力水压力水压力土压力水压力地基反力超载5.2.3 5.2.3 荷载的确定5.2.3 5.2.3 荷载的确定荷载的确定荷载分类荷载分类 表 10-2a基本荷载 地层压力 水压力 自重 上覆荷载的影响 地基抗力附加荷载 内部荷载 施工荷载 地震的影响特殊荷载 平行配置隧道的影响 接近施工的影响 其他 计算工况 荷载种类荷载组合系数第一组合施 工 阶 段第二组合运 行 阶 段第三组合地 震 验 算地面超载1.4结构自重1.2地层垂直土压力1.2地层水平土压力1.2外水压力1.2道路设计荷载1.4盾构千斤顶顶力1.2不均匀注浆压力1.2地震荷载1.3计算工况荷载组合表(

27、(一一) )基本使用阶段基本使用阶段( (环宽按环宽按1m1m考虑考虑) )p深埋地层竖向土压：泰沙基公式以泰沙基公式以及苏联的普罗托季雅柯诺夫公式。及苏联的普罗托季雅柯诺夫公式。p侧向主动土压侧向主动土压侧向主动士压大都按侧向主动士压大都按朗金公式朗金公式 计算。计算。但侧压常受地层、施工方法和衬砌结构刚度的影响，有时但侧压常受地层、施工方法和衬砌结构刚度的影响，有时会出现很大的差异。例如在采用会出现很大的差异。例如在采用挤压盾构法施工时，刚开挤压盾构法施工时，刚开始时侧压很大、顶压小于侧压始时侧压很大、顶压小于侧压，隧道出现，隧道出现“竖鸭蛋竖鸭蛋”现象。现象。含水砂土层采用水土分算原则，

28、含水粘土层中则采用水土含水砂土层采用水土分算原则，含水粘土层中则采用水土合算原则。合算原则。确定侧压系数时确定侧压系数时必须谨慎对待必须谨慎对待，日本隧道衬砌设计常对侧，日本隧道衬砌设计常对侧压系数选择范围大致在压系数选择范围大致在0.30.30.80.8之间，也有不超过之间，也有不超过0.70.7的做的做法。法。( (二二) )施工阶段施工阶段1管片拼装管片拼装：钢筋混凝土管片拼装成环时，对纵向接缝钢筋混凝土管片拼装成环时，对纵向接缝拧紧螺栓，由于管片制作精度不高，环面接触不平，往往拧紧螺栓，由于管片制作精度不高，环面接触不平，往往在拧紧螺栓时，使在拧紧螺栓时，使管片局部出现较大的集中应力管

29、片局部出现较大的集中应力，导致管，导致管片开裂和存在着局部内应力。片开裂和存在着局部内应力。2 2盾构推进盾构推进：由于制作和拼装的误差管片的由于制作和拼装的误差管片的环缝面往往环缝面往往是参差不平的。是参差不平的。当盾构千斤顶施加在环缝面上，特别是千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斤顶顶力存在偏心状态情况下，极易使管片开裂和顶碎。3衬砌背后压注衬砌背后压注：衬砌背后的建筑空隙内注以水泥浆或水：衬砌背后的建筑空隙内注以水泥浆或水泥砂浆等材料。软土地层注浆材料不是均匀分布在衬砌四泥砂浆等材料。软土地层注浆材料不是均匀分布在衬砌四周，而仅是周，而

30、仅是局部聚集在注浆孔的一定范围内局部聚集在注浆孔的一定范围内，过高的注浆，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。管片也会向内滑移。 4 4衬砌环刚出盾尾：衬砌环刚出盾尾：衬砌顶部土压即迅速作用到衬砌上，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不利的工作条件。基本使用阶段更为不利的工作条件。 p不利工作条件的因素很多，难以事先估计衬砌结构在施工不利工作条件的因素很多，难以事先估计衬砌结构在施工阶段引起

31、的。目前一般的处理方法是除实地观测和提出相阶段引起的。目前一般的处理方法是除实地观测和提出相应改进措施外，还常应改进措施外，还常采用一个笼统的附加安全系数采用一个笼统的附加安全系数，以保，以保证衬砌结构的一定安全度。证衬砌结构的一定安全度。( (三三) )特殊荷载阶段特殊荷载阶段 p根据使用需要还得进行特殊荷载阶段的验算；根据使用需要还得进行特殊荷载阶段的验算；p属于属于瞬时性的荷载瞬时性的荷载，且荷载作用时间又短，但往往是，且荷载作用时间又短，但往往是控制控制衬砌结构设计的关键。衬砌结构设计的关键。p可妥善合理选择结构的附加安全系数和适当提高建筑材料可妥善合理选择结构的附加安全系数和适当提高

32、建筑材料的物理力学性能指标。的物理力学性能指标。荷载荷载 结构法结构法 自由变形与侧向弹性抗力均质模型自由变形与侧向弹性抗力均质模型日本修正的惯用法日本修正的惯用法: : 等效刚度模型等效刚度模型多铰圆环结构模型多铰圆环结构模型直直( (曲曲) )梁梁接头连续模型（梁接头连续模型（梁弹簧模型）弹簧模型）衬砌结构计算模型衬砌结构计算模型：5.2.4 5.2.4 衬砌内力计算(一)自由变形与侧向弹性抗力均质模型计算法自由变形与侧向弹性抗力均质模型计算法（1 1）自由变形均质模型）自由变形均质模型在饱和含水软土地层中，主要由于工程上的防水要求对由装配式衬砌组成的衬砌圆环，其接缝必须具有一定的刚度，以

33、减小接缝变形量。由于相邻环间接错缝拼装，并设置一定数量的纵向螺栓或在环缝上设有凹凸榫槽，使纵缝刚度有了一定的提高。因此，圆环可近似地认为一均质刚度圆环。由于荷载的对称性，故整个圆环为二次超静定结构。按结构力学力法原理，可解出各千截面上的M、N值。（2 2）侧向弹性抗力均质模型）侧向弹性抗力均质模型（二）日本修正惯用法（二）日本修正惯用法国际隧协推荐两种估算方法，即 - 法法和旋转弹簧（半铰）K-（ 法）。（1） - 法p圆环抗弯刚度为EJ（为抗弯刚性的有效率，1），计及圆环水平直径处变位y，两侧抗力pk=ky后，考虑错缝拼装管片接头部弯矩的传递，结构整体加强效果。p接头处 p管片 式中 弯矩调

34、整系数0.6 0.8， 0.3 0.5 。如果管片环内没有接头，则=1， =0隧道纵向M=Mj+MiB/2Mi/2Mi/2MjMi/2Mi/2BB/2错缝拼装弯矩传递及分配示意图NNMMjj)1 (NNMMss)1 (（2） K法1-5 旋转角度 弹簧铰模型用一个旋转弹簧（半铰）模拟接头，且假定弯矩与转角成正比KM p管片环没有接头，则K= ，0 。p若假定管片环的接头为铰接，则K= 0 ，1 ( (三三) )多铰圆环结构模型计算法多铰圆环结构模型计算法(1)日本山本稔法p该原理在于圆环多铰衬砌环在主和被动土压作用下产生变形，圆环由一不稳定结构逐渐转变成稳定结构，圆环变形过程中，铰不发生突变。

35、计算假定： 1)适用于圆形结构。 2)衬砌环在转动时，管片或砌块视作刚体处理。 3)衬砌环外围土抗力按均匀分布，土抗力的计算满足对砌环稳定性的要求，土抗力作用方向全部朝向圆心。 4)计算中不计及圆环与土壤介质间的摩擦力。 5)土抗力和变形间关系按Winkler公式计算。（四）（四） 直直( (曲曲) )梁梁 接头连续模型计算法接头连续模型计算法（梁（梁 弹簧模型）弹簧模型）2ns121管片接头纵向接头ns纵向螺栓剪切模型纵向螺栓剪切模型 a 全周弹簧模式b 45度水平弹簧模式5.3 5.3 衬砌断面设计衬砌断面设计p在基本使用荷载阶段，需进行在基本使用荷载阶段，需进行抗裂或裂缝抗裂或裂缝限制，

36、强度和变形限制，强度和变形等验算。等验算。p组合组合基本荷载阶段和特殊荷载阶段的衬砌基本荷载阶段和特殊荷载阶段的衬砌内力时，一般仅进行内力时，一般仅进行强度强度检验，变形和裂检验，变形和裂缝开展可不予以考虑。缝开展可不予以考虑。5.3.1 5.3.1 抗裂及裂缝限制的计算抗裂及裂缝限制的计算( (一一) ) 抗裂计算抗裂计算( (二二) ) 裂缝宽度验算裂缝宽度验算5.3.2 5.3.2 衬砌断面强度计算衬砌断面强度计算p衬砌结构根据不同工作阶段的最不利内力，分别进行衬砌结构根据不同工作阶段的最不利内力，分别进行正负弯矩的偏压构件强度计算和截面选择。正负弯矩的偏压构件强度计算和截面选择。p接缝

37、部位上的部分弯矩接缝部位上的部分弯矩M M值可通过纵向构造设置，传值可通过纵向构造设置，传递到相邻环的截面上去递到相邻环的截面上去( (环缝面上的纵向传递能力必环缝面上的纵向传递能力必须事先估算并于事后通过结构试验予以检定须事先估算并于事后通过结构试验予以检定) )。p纵向传递能力大致为纵向传递能力大致为20204040M M，其弯矩，其弯矩M M值应乘以值应乘以传递系数传递系数1.31.3，而接缝部位则乘以折减系数，而接缝部位则乘以折减系数0.70.7。5.3.35.3.3接缝计算接缝计算( (一一) )接缝张开的验算接缝张开的验算( (二二) )螺栓验算螺栓验算5.4 5.4 隧道防水及其

38、综合处理隧道防水及其综合处理p必须从管片生产工艺，衬砌结构设计，接缝防水必须从管片生产工艺，衬砌结构设计，接缝防水材料等几个方面进行综合处理，其中尤以材料等几个方面进行综合处理，其中尤以接缝防接缝防水材料的选择水材料的选择为突出的技术关键。为突出的技术关键。优质止水橡胶条5.4.1 5.4.1 衬砌的抗渗衬砌的抗渗p衬砌埋设在含水地层内，承受着一定静水压力，必须具有相当衬砌埋设在含水地层内，承受着一定静水压力，必须具有相当的抗渗能力，的抗渗能力，衬砌本身的抗渗能力要求：衬砌本身的抗渗能力要求： （1 1）合理提出衬砌本身的）合理提出衬砌本身的抗渗指标抗渗指标。 （2 2）经过抗渗试验的混凝土的

39、）经过抗渗试验的混凝土的合适配合比合适配合比，严格控制水灰比，严格控制水灰比，一般不大于一般不大于0.40.4，另加塑化剂以增加混凝土的和易性。，另加塑化剂以增加混凝土的和易性。 （3 3）衬砌构件的）衬砌构件的最小混凝土厚度和钢筋保护层最小混凝土厚度和钢筋保护层。 （4 4）管片生产工艺管片生产工艺：振捣方式和养护条件的选择。：振捣方式和养护条件的选择。 （5 5）严格的产品）严格的产品质量检验制度质量检验制度。 （6 6）减少管片在堆放、运输和拼装过程中的）减少管片在堆放、运输和拼装过程中的损坏率损坏率。5.4.2 5.4.2 管片制作精度管片制作精度p管片制作精度管片制作精度对于隧道防水效果具有很大的影响。管片制对于隧道防水效果具有很大的影响。管片制作精度不够引起隧道漏水。作精度不够引起隧道漏水。p制作精度较差的管片，制作精度较差的管片，再加上拼装误差的累计再加上拼装误差的累计，往往导数，往往导数衬砌拼装缝不密贴而出现了较大的初始接隙，当管片防水衬砌拼装缝不密贴而出现了较大的初始接隙，当管片防水密封垫的弹性变形量不能适应初始接隙密封垫的弹性变形量不能适应初始接隙时就会漏水。时就会漏水。p管片制作精度的不够，管片制作精度的不够，造成管片的顶碎和开裂造成管片的顶碎和开裂，造成漏水。，造成漏水。p必