盾构隧道设计基本概念

1、盾构隧道设计基本概念盾构管片的几何设计隧道线形的选择平纵断面的拟合隧道的中线线是由直直线及曲曲线组成成。设计计常常采采用楔形形衬砌环环（见 REF _Ref276213616 h * MERGEFORMAT 图图 11），来实实现盾构构隧道在在曲线上上偏转及及纠偏，楔楔形衬砌砌环最大大宽度与与最小宽宽度之差差称为楔楔形量。一般来说，楔形量的确定具有经验性，应考虑管片种类、环宽、直径、曲线半径、曲线区间楔形管片环使用比例、管片制作的方便性、盾尾操作空隙因素综合确定；管片楔形量还必须为施工留出适当的余裕。如下图所示，阴影部分是管片的平面投影图，圆弧是隧道设计中心线，圆弧中心点O1是隧道的转弯半径所

2、在的中心点，O2是理论上能拼出的最小转弯半径时的圆心，则O2PO1P。a）普通环环 b）单侧侧楔形环环 c）两侧侧楔形环环图 STYLEREF 1 s 1 SEQ 图图 * ARRABIIC s 11 1 楔形衬衬砌环（-楔形角角、-楔形量量）图 STYLEREF 1 s 1 SEQ 图图 * ARRABIIC s 11 2楔形量量与转弯弯半径示示意图日本曾统计计管片外外径与楔楔形量的的相关关关系，如如下图所所示。图 STYLEREF 1 s 1 SEQ 图图 * ARRABIIC s 11 3楔形量量的施工工统计盾构工程程用标准准管片（19990年）规规定管片片环外径径与楔形形量的关关系如

3、REF _Ref282681517 h * MERGEFORMAT 表表 111所示。表 STYLEREF 1 s 1 SEQ 表表 * ARRABIIC s 11 1 楔形量量与管片片环外径径的关系系管片环外径径D0D04mm4mD006m6mD008m8mD0010mm10mDD0楔形量（mmm）1575530800309004090040700目前，多采采用楔形形衬砌环环与直线线衬砌环环的组合合、左右右楔形衬衬砌环以以及通用用型管片片。标准环+楔楔形环管片拼装时时，根据据隧道线线路的不不同，直直线段采采用标准准环管片片，曲线线段采用用楔形管管片（左左转弯环环、右转转弯环）用用于隧道道的转

4、弯弯和纠偏偏。楔形形环的楔楔形角由由标准管管片的宽宽度、外外径和施施工曲线线的半径径而定。采采用这类类管片时时，至少少需三种种管片模模具，即即标准环环管模、左左转弯环环管模和和右转弯弯环管模模。a）直线段段b）曲线段段图 STYLEREF 1 s1SEQ 图图 * ARRABIIC s 114 标准环+楔形环环拟合线线路通常，以短短折线拟拟合曲线线，在设设计时常常以2标准环+1楔形环环来拟合合；不得得以（极极端困难难）时，以1标准环+1楔形环环来拟合合。一般地，短短折线偏偏离圆曲曲线或缓缓和曲线线量不宜宜大于55mm，也也有人提提出控制制在100mm。这这就意味味着环宽宽与直径径如何匹匹配是设

5、设计需要要进一步步考虑的的问题。楔形量确定定方法可采采用下式式计算：式中 R隧道道中心曲曲线半径径（mm）；楔形量量（mm）；m楔形形环数；n普通通环数；BT楔楔形环的的最大宽宽度（mm）；B普通通环的宽宽度（mm）；D0管管片外径径（mm）。当前常见的的楔形量量20mmm550mmm居多。全楔形环（通通用环）通用管片为为只采用用一种类类型的楔楔形管片片环，经经过组合合优化，使使得楔形形管片适适用于直直线段隧隧道和曲曲线隧道道。由于于只需一一种管片片类型，可可节省钢钢模数量量，且管管片拼装装自动化化程度高高。从理理论上而而言，通通用管片片可适用用于所有有单圆盾盾构施工工的隧道道工程，其其理由在

6、在于，通通过通用用管片的的有序旋旋转可完完成直线线段和不不同半径径的曲线线段以及及空间曲曲线段。在在隧道的的实际设设计过程程中，通通用管片片更适用用于轴线线存在较较多曲线线段以及及空间曲曲线段的的隧道。a）直线段段b）曲线段段图 STYLEREF 1 s 1SEQ 图图 * ARRABIIC s 115 标准环+楔形环环拟合线线路当采用通用用管片拟拟合曲线线时，通通风拼装装情况下下，最小小转弯半半径的计计算可采采用如下下公式：错缝拼装时时，则可按下下式计算算理论最最小转弯弯半径：式中 Raa管片理理论上的的最小转转弯半径径；n纵向向螺栓的的分组数数，即拼拼装点位位总数；B管片片环宽；D1管管片

7、外径径；单面楔楔形量；另外，还有有一种为为左右楔楔形衬砌砌环，这种管管片组合合形式采采用了两两种类型型的楔形形衬砌环环，根据据线路偏偏转方向向及施工工纠偏的的需要，设设计左转转弯、右右转弯楔楔形衬砌砌环，在在直线段段通过左左转弯和和右转弯弯衬砌环环一一对对应组合合形成直直线。管管模类型型有两种种。施工前，根根据设计计轴线的的走向和和管片的的几何特特征对管管片预先先进行统统筹安排排，即“设计排排版”；施工时时，根据据测得的的盾构走走势和管管片姿态态进一步步确定新新的选型型方案。管片的的线形拟合往往往通过过盾构导导向系统统、管片片排版拟拟合系统统进行分分析。拟拟合排版版的流程程图大致致如下：图 S

8、TYLEREF 1 s 1 SEQ 图图 * ARRABIIC s 11 6 拟合排排版流程程图单一衬砌与与复合衬衬砌单一管线衬衬砌的楔楔形量宜宜控制在在较小范范围内；而复合式式衬砌，可可视管片片结构为为临时承承载结构构或降低低刚度参参与永久久承载，可可采用较较大楔形形量，比比如50mmm1100mmm。重视竖曲线线的拟合合由于竖曲线线常常是是平曲线线的几倍倍到几十倍，因此此在线形形拟合时时容易忽忽视；需需要注意意的是，由由于重力力的因素素，竖曲曲线实施施时更易出现现错台或或张开现现象，进进而引起起破损或或漏水。因此，应重视在有竖曲线情况下的管片排版情况。横断面设计计隧道内轮廓廓的内涵涵表 S

9、TYLEREF 1 s 1 SEQ 表表 * ARRABIIC s 11 2不同用用途的隧隧道断面面考虑的的问题隧道用途内轮廓概要要二次衬砌施施作目的的坡度排水管道基本上都是是将整个个内空断断面作为为可用空空间进行内面装装修确保保粗糙系系数；防止向隧道道内侧漏漏水、防防止一次次衬砌劣劣化；修正盾构的的曲折掘掘进管渠内流速速最低0.660.8m/s，最高高3m/s。给水管道在内空断面面内设置置水道管管与管理理用通道道防止向隧道道内侧漏漏水；修正盾构的的曲折掘掘进电力设置电缆、电电缆架及及管理用用通道防止向隧道道内侧漏漏水；一般不受限限制日本:200%上，27%下通讯设置电缆、电电缆架及及管理用用

10、通道防止向隧道道内侧漏漏水；铁路除了车辆的的建筑限限界外，还还设置管管理用通通道、架架线及电电气设备备与通信信设备等等防止向隧道道内侧漏漏水；修正列车产产生的振振动及噪噪声；修正盾构的的曲折掘掘进燃气管道设置燃气导导管，在在与内空空断面之之间的空空隙之中中多半都都用砂或或混凝土土填充基本上用砂砂浆等填填充；道路除车辆的建建筑限界界之外，还还设置换换气管道道、换气气用设备备、避难难及管理理用通道道、电气气与通信信及防灾灾设备等等防止火灾破破坏一次次衬砌；防止向隧道道内侧漏漏水；修正盾构的的曲折掘掘进地下河基本上都将将整个内内断面作作为可用用空间使使用基本上不施施作二次次衬砌地下贮留管管基本上都将

11、将整个内内断面作作为可用用空间使使用进行内表面面装修，确确保粗糙糙系数；防止向隧道道内侧漏漏水；修正盾构的的曲折掘掘进注：二次衬衬砌还有有补强加加固管片片的作用用。盾构隧道净净空在具具有与用用途相适适应的形形状和大大小的同同时，还还应考虑虑施工因因素来决决定。其其标准断断面形状状为圆形形。隧道道大小的的计算如如下：D=2（RR1+tt1+tt2+t3）式中，D隧道外外径；R1不不同用途途的必要要内空断断面的半半径；t1二二次衬砌砌的厚度度（按其其目的，一一般为2030ccm）；t2施工余余量（考考虑盾构构掘进时时的曲折折行进及及拼装误误差等当当实施二二次衬砌砌时，也也有时将将这些余余量包括括在

12、二次次衬砌厚厚度中）；t3一一次衬砌砌厚度。对于地铁隧隧道，选选择单洞洞双线隧隧道还是是双线单单洞隧道道时，要要根据沿沿线条件件、障碍碍物、地地形及地地质、地地下车站站规划等等条件进进行综合合地论证。净净空断面面除考虑虑建筑限限界之外外，还要要考虑轨轨道结构构、维修修躲避通通道、车车辆电缆缆、信号号通讯、照照明通风风等附属属设备所所需的空空间和盾盾构施工工误差（上上下、左左右偏差差、变形形和下沉沉等），施施工误差差一般为为501500mm。对于公路隧隧道，除除要按照照规定的的公路级级别考虑虑建筑限限界之外外，还需需要考虑虑一定的的富余量量（如检修修通道、照照明设备备、防灾灾设备、监监视设备备、

13、通风风设备（如如射流风风机）、内内装修和和附属设设备的空空间）和和盾构施施工误差差来确定定。施工工误差一一般为501500mm，并并结合施施工条件件来确定定，公路隧道道断面布布置如 REF _Ref282528522 h * MERGEFORMAT 图图 177所示。图 STYLEREF 1 s 1 SEQ 图图 * ARRABIIC s 11 7公路隧隧道断面面布置效效果图通常，公路路隧道中中会考虑虑在一定定的间隔隔设置紧紧急停车车带而缩缩小路面面宽度或或变更断断面尺寸寸，由于于盾构隧隧道施工工时不能能更改断断面，因因此在净净空断面面拟合时时，还需综合合地考虑虑隧道的的耐久性性、施工工性和经

14、经济性。盾构隧道断断面增大大，造价价增加，结构自自稳性会会变差；但从长长期考虑虑，较大大的断面面对通行行能力或或使用性性能方面面有很大大的发展展和富裕裕空间。管片分块图 STYLEREF 1 s 1 SEQ 图 * ARAABICC ss 1 8 管片的的构成图图管片是事先先在工厂厂制作好好的预制制件，在在构筑隧隧道时运运至现场场并拼装装成环。管管环通常常由A型管片片（标准准块）、B型管片片（邻接接块）和和K型管片片（封顶顶块）构构成（见见 REF _Ref276713441 h * MERGEFORMAT 图188）。通常常，随着着盾构直直径的增增大，管管片分块块数量增增加。较少的管片片分块

15、具具有降低低施工制制造成本本、加快快拼装速速度和衬衬砌提高高止水性性能等优优点，但但是单块块管片尺尺寸和重重量将会会增加，给给管片搬搬运和拼拼装等施施工带来来诸多问问题。另另外，从从结构受受力和变变形的角角度看，不不同的分分块形式式（分块块数量、管管片大小小的差异异、K块大小小等）对对结构分分析也有有一定的的影响，因因此设计计中应对对管片分分块数量量以及形形式进行行综合地地研究。日本曾对近近20年修建建的100多条盾盾构隧道道统计表表明，对对于钢筋筋混凝土土平板型型管片，外外径在57mm的分块块数量为为57块，以6块居多多；弧长长多为3.224.5m；标准块块的重量量多为2050kkN；分块块

16、数为68块的K块插入入角多为为7.55117.55。内部结构的的建立公路隧道除除了管片片结构设设计外，还还要考虑虑行车道道板的结结构设计计，通常常考虑轮轮载的最最不利位位置、自自重荷载载的等作作用效应应，对结结构进行行内力计计算。管片设计管片设计是是按隧道道的横断断面和纵纵断面方方向分别别来进行行的。通通常情况况下，按按相对于于横断面面方向的的设计来来决定管管片的断断面，一一般根据据地震及及地基沉沉降的影影响等来来分析研研究纵断断面方向向。可以以认为管管片按照照横断面面进行设设计，按按照纵断断面进行行稳定性性验算。目前，对于于横断面面的设计计较为成成熟，纵纵断面的的稳定性性设计国国内做的的不多

17、。管片类型a）钢筋混混凝土管管片a）复合管管片图 STYLEREF 1 s 1 SEQ 图图 * ARRABIIC s 11 9 管片的的类型（按按材质分分）管片按照材材质的不不同，主主要可分分为钢筋筋混凝土土管片、铁铁质管片片、钢管管片以及及钢板与与钢筋混混凝土复复合管片片（见REF _Ref283829408 h * MMERGGEFOORMAAT 图图 19）。按照照断面形形式的不不同主要要有箱形形、平板板形管片片（见 REF _Ref276685937 h * MERGEFORMAT 图图 1110）。a）铸铁管管片 b）钢筋筋混凝土土箱形管管片 cc）平板板形管片片图 STYLERE

18、F 1 s 1 SEQ 图图 * ARRABIIC s 11 100 管片的的类型钢筋混凝土土管片成成本低，耐耐久性好好，是目目前常用用的管片片形式。钢钢管片和和铸铁管管片的延延性和强强度好，管管片较轻轻，安装装运输方方便，耐耐蚀性好好，机械械加工后后管片精精度高，能能有效地地防渗抗抗漏，常常用于隧隧道通过过高层建建筑或桥桥梁地段段，以及及地层不不均匀的的地段。复合管片的构造形式是：外周、内弧面或外弧面采用钢板焊接，在钢壳内部用钢筋混凝土浇灌，形成由钢板和钢筋混凝土复合的管片，常用于区间隧道的特殊段，如隧道与工作井交界处，旁通道连接处，变形缝处，垂直顶升段以及有特殊要求的泵房交界和通风井交界处

19、等。有时也用于高压水条件下的输水隧道中。由于其耐腐蚀性差，造价较高，无特殊要求时不宜大量采用。箱形管片是是指因手手孔较大大而呈肋肋板型结结构的管管片。手手孔大不不仅方便便螺栓的的穿入和和拧紧，而而且也节节省了大大量的材材料，并并使单块块管片重重量减轻轻。箱形形管片通通常使用用在大直直径隧道道中，但但若设计计不当时时，在盾盾构推进进油缸的的作用下下容易开开裂。平板型管片片是指手手孔较小小而呈现现曲板型型结构的的管片，由由于管片片截面削削弱小，对对盾构推推进油缸缸具有较较大的抵抵抗能力力，正常常运营时时对隧道道通风阻阻力也小小。目前，国内内的盾构构隧道（地地铁、铁铁路、公公路隧道道）大多多采用平平

20、板型钢钢筋混凝凝土管片片。管片厚度和和环宽（1）管片片厚度管片厚度由由隧道外外径、土土质条件件、上覆覆土厚度度、结构耐耐腐蚀性性等因素素共同确确定，同同时其厚厚度还必必须能够够承受住住施工时时的千斤斤顶推力力，并考考虑隧道道的使用用目的。当当官片厚厚度太薄薄时，施施工时容容易产生生损伤，进进而导致致结构稳稳定性变变差。通通常厚度度增加结结构强度度变大，且且结构的的内力会会有所增增大。管管片的厚厚度一般般为管片片外径的的4%左右，大大直径的的管片厚厚度约为为外径的的5.55%。（2）环宽宽从搬运、拼拼装和曲曲线部位位的施工工性来看看，管片片宽度小小对施工工较为有有利，但但是环宽宽的减小小将增大大

21、管片环环数的增增加，进进而也会会导致环环缝接头头数量的的增大，从从降低管管片制作作成本、提提高施工工速度和和提高止止水性等等角度看看，较大大的环宽宽较为有有利，但但施工时时又会有有所不便便，且对对盾构千千斤顶的的行程要要求加大大。同时时，随着着盾构断断面的加加大，环环宽也随随之增加加，目前前国内常常用的管管片环宽宽尺寸有有1m、1.22m、1.55m、1.88m、2m。设计中，管管片环宽宽的选择择应根据据隧道的的断面、线线形、造造价、防防水，并并结合实实际的施施工经验验等因素素综合确确定。接头构造管片接头一一般包括括接缝、螺螺栓及其其附近（如如螺栓孔孔）的部部位。接接头的设设计需要要从力学学、

22、防水水及施工工运输等等方面进进行考虑虑。总的的来说，接接头的构构造一般般有连接接件、榫榫槽、传传力衬垫垫、弹性性密封垫垫和嵌缝缝等部分分组成。（1）接头头形式接头的对接接方式主主要有全全面对接接式、部部分表面面对接式式、键式式、搭接接式和凹凹式等。目前盾构箱型管片的接缝多采用平面接触连接，平板型管片多采用全面对接式或有凹凸榫槽的搭接形式。当采用凹凸榫槽的搭接形式时，管片接头抗剪验算的时候，一般不考虑凹凸榫槽的抗剪能力，仅将其看成抗剪的储备。表 STYLEREF 1 s 1 SEQ 表表 * ARRABIIC s 11 3按接头头的对接接方法的的分类对接方法概要特征使用接头的的可能性性应用情况制

23、造构造施工纵缝环缝全面对接式式棱部需要进进行倒角角处理，有有密封槽槽处要对对模板进进行加工工有效高度大大，采用用高强度度接头时时可得到到较高的的承载力力；需设设紧固装装置来抵抵抗剪力力施工时因拼拼装误差差易在管管片棱部部及转角角处产生生破损OO目前普遍采采用部分表面对对接式加工较为费费事接触有效高高度较低低，接头头表面为为易于旋旋转的结结构，接接头弯矩矩较全面面对接式式小；需需设紧固固装置来来抵抗剪剪力需有较高的的拼装精精度，尤尤其是半半径方向向；需通通过紧固固装置保保证拼装装时的稳稳定性OO日本东京电电力都营地铁112号线东京煤气（横横滨干线线）键式加工较为费费事即使不设紧紧固装置置，也能能

24、传递剪剪力；在在拼装时时需要设设导轨在管片内表表面因没没有直接接对接，所所以不会会因施工工荷载所所产生的的应力集集中而使使棱角及及转角处处遭到破破坏；拼拼装就位位比较容容易，适适合自动动化控制制OO凹凸榫国内内有采用用，如北北京地铁铁14号线；武汉长长江隧道道；南京长江隧隧道采用用在接缝缝端面凹凹槽中放放置圆形形剪力棒棒；东京电力（环T东海松松原桥管管路）；都营地地铁12号线搭接式在搭接的边边界部分分易于产产生缺角角需设紧固装装置以抵抵抗剪力力要考虑管片片的拼装装效率；施工时时因拼装装误差易易在管片片棱部及及转角处处产生破破损O英国有实例例凹式模板的曲面面加工比比较复杂杂近似铰接的的结构；接头

25、容容许旋转转，变形形大；当当为点接接触时，不不能抵抗抗剪力需要有较高高的拼装装精度；端部不不容易因因施工荷荷载而产产生应力力集中，棱棱角和转转角不易易破坏OO东北新干线线第二上上野隧道道（2）接头头紧固件件按照接头的的紧固方方法不同同，可分分为有螺螺栓连接接（直螺螺栓、弯弯螺栓、斜斜插螺栓栓、贯通通螺栓等等）、无无螺栓连连接以及及销钉连连接等，如REF _Ref283796392 h * MMERGGEFOORMAAT 表表 14所示示。表 STYLEREF 1 s 1 SEQ 表表 * ARRABIIC s 11 4接头紧固固件形式式直螺栓弯螺栓斜螺栓贯通螺栓开尾销水平开尾销销高刚性构件件插

26、入式高刚刚性构件件长螺栓销榫快速接头锚接头销子及螺栓栓并用目前国内盾盾构隧道道的接头头多采用用螺栓连连接形式式，通常常环间螺螺栓的尺尺寸小于于等于管管片与管管片之间间的连接接螺栓直直径。盾构构工程用用标准管管片（19990）曾曾确定了了接头螺螺栓的标标准配制制方法：对于混凝凝土平板板型管片片，尤其其需要考考虑接头头部的应应力传递递和配筋筋上的制制约、与与楔形管管片的匹匹配等可可制作性性和截面面缺损部部分的平平衡等因因素，确确定管片片宽度方方向的螺螺栓配置置；对于箱型型混凝土土管片，当当管片厚厚度较小小时多沿沿宽度方方向一排排均匀配配置3根螺栓栓，管片片厚度较较大时，可可按照双双排布置置，外侧侧

27、2根内侧3根；对于环间间接头螺螺栓，不不论管片片的种类类和高度度如何，大大多为1排配置置在离管管片内侧侧1/441/2的位置置上。钢管片的接接头螺栓栓设计时时采用以以管片边边缘为回回转中心心的模型型计算螺螺栓受力力；混凝凝土管片片则按照照螺栓被视视为受拉拉钢筋的的钢筋混混凝土截截面进行行设计和和验算。（3）传力力衬垫在接缝处设设置的传传力衬垫垫可作为为管片接接头受力力的缓冲冲，控制制管片开开裂。由由于传力力衬垫的的弹性模模量远小小于混凝凝土，因因此衬垫垫的厚度度对接头头刚度的的影响较较大，可可以认为为接头的的变形很很大程度度上取决决于衬垫垫的变形形。（4）嵌缝缝和弹性性密封垫垫嵌缝是在管管片环

28、缝缝、纵缝缝的内侧侧设置的的嵌缝槽槽，在槽槽内添加加止水材材料来达达到防水水的目的的，通常常是接缝缝弹性密密封垫防防水的补补充，断断面形式式如下图图所示。图 STYLEREF 1 s 1 SEQ 图图 * ARRABIIC s 11 111 嵌缝槽槽形式示示意图弹性密封垫垫是加设设在接缝缝处防止止外部水水渗进隧隧道的一一道防线线，根据据盾构尺尺寸、设设计水压压力的不不同，可可沿管片片厚度方方向设置置一道或或两道密密封垫防防水。吊装定位、预预留注浆浆与螺栓栓孔（1）注浆浆孔目前，由于于多采用用盾尾同同步注浆浆技术，管管片上的的注浆孔孔大多只只有一个个，多用用作二次次补注浆浆用。注注浆孔位位于管片

29、片的中心心，且未未沿着管管片厚度度方向全全部贯通通，同时注注浆孔的的减少对对衬砌防防水有利利。设计计时，其其孔径的的大小须须根据使使用的注注浆材料料确定，一一般采用用内径550mmm。（2）吊装装孔管片上必须须考虑设设置吊装装孔。通通常，混混凝土平平板型管管片多将将吊装孔孔和注浆浆孔合并并，在设设计时就就需要考考虑作业业的方便便性和安安全性来来确定其其形状、尺尺寸、材材料和位位置等。（3）螺栓栓孔表 STYLEREF 1 s 1 SEQ 表表 * ARRABIIC s 11 5钢管片片和混凝凝土平板板型管片片螺栓孔孔尺寸范范围螺栓直径（mm）161820222427303336螺栓孔直径径（m

30、m）192123323255252772729930322333663639939411*注：螺栓栓直径为为螺栓规规格；螺螺栓孔直直径为最最小处的的尺寸表 STYLEREF 1 s 1 SEQ 表表 * ARRABIIC s 11 6 混凝土土箱形管管片螺栓栓孔尺寸寸范围（不不使用套套管）螺栓直径（mm）273033螺栓孔直径径（mm）323333538838411*注：螺栓栓直径为为螺栓规规格；螺螺栓孔直直径为最最小处的的尺寸封顶块（KK块）的设设计（1）K块块的大小小K块的大小小对于结结构内力力有一定定的影响响，研究究计算表表明K块存在在会导致致管片的的弯矩和和剪力的的最大值值有所增增加、

31、且且K块的位位置的变变形量有有所增加加，同时时当小K块位于于拱底部部的时候候其受力力不合理理；但增增大K块对于施施工拼装装不利，因此设计前对于K块大小的选择也应有所重视。（2）K块块的插入入角度和和接头角角度管片的拼装装是从隧隧道底部部开始，先先安装标标准块（A管片），依依次安装装相邻块块（B管片），最最后安装装封顶块块（K管片）。K块根据管片拼装方式的不同，有从隧道内侧向半径方向插入的径向插入型、从隧道轴向插入的轴向插入型以及两者并用的类型（见 REF _Ref276686683 h * MERGEFORMAT 图 112）。目前多采用径向插入和轴向插入并用的形式，径向搭接2/3管片宽度，再

32、轴向插入。a）径向插插入b）轴向插插入图 STYLEREF 1 s 1 SEQ 图图 * ARRABIIC s 11 122 K管片的的插入型型式对于径向插插入型管管片，K块需要要有一定定的接头头角度（r），其其等于r=kk/2+便于于K块插入入所设定定的富裕裕角度，通通常为25，在在不妨碍碍操作的的情况下下，设计计时宜取取小值；k管管片圆心心角。图 STYLEREF 1 s 1 SEQ 图图 * ARRABIIC s 11 133 沿半径径方向插插入型管管片对于轴向插插入的管管片，K块需要设设定接头头角度以以便于K块沿轴轴向的插插入，通通常插入入角1多设计计为17244，其值值多取决决于施工

33、工条件。随着管片圆心角、厚度的增大，插入角也会有所增加。a-a断面面图 STYLEREF 1 s 1 SEQ 图图 * ARRABIIC s 11 144 沿轴向向插入型型管片目前设计的的K管片多多为接头头角度和和插入角角度均有有的情况况。结构计算与与验算衬砌结构计计算方法法与模型型目前，对于于管片衬衬砌的设设计大多多采用荷荷载-结构模模型，使使用极限限状态法法或容许应应力法。也也有采地地层结构构模型的的三维有有限元计计算方法法。按照对于接接头的处处理方式式不同，管片衬砌设计方法大致可以分为以下三种：将管片环视作抗弯刚度均匀的圆环；将管片环视作铰接圆环；将管片环视作有旋转弹簧连接的圆环。从具有

34、代表表性的设设计方法法来看，对对于第种，有有惯用设设计法和和修正惯惯用设计计法；对对于第种有多多铰圆环环解析法法；对于于第种，则则有梁-弹簧模模型、壳壳-弹簧模模型、梁梁-接头模模型、壳壳-接头模模型等。按照计算模模式的不不同，可可将管片片计算模模型分为为如REF _Ref283105993 h * MMERGGEFOORMAAT 图图 21所示示。图 STYLEREF 1 s 2 SEQ 图图 * ARRABIIC s 11 1 按照计计算模式式不同的的管片计计算模型型分类按照对管片片的不同同模拟，衬砌计算模型又可分为如REF _Ref283106118 h * MERGEFORMAT 图

35、22所示。图 STYLEREF 1 s 2 SEQ 图图 * ARRABIIC s 11 2 按照管管片模拟拟形式不不同的管管片计算算模型分分类按照结构内内力计算算结果看看，通常常内力的的大小规规律如下下：多铰圆环法法壳-弹簧模模型（实实体模型型）梁梁-弹簧（接接头）模模型（修修正）惯惯用法修正惯用法法修正惯用法法与惯用用法一样样，均是将管管片环视视为刚度度均等的的环，但但其在惯惯用法的的基础上上引入了了抗弯刚刚度有效效率（1，一般般取0.660.8）和弯弯矩增减减率（一般取0.10.3），以接接头刚度度的降低低代表衬衬砌环的的整环刚刚度的下下降。图 STYLEREF 1 s 2 SEQ 图图

36、 * ARRABIIC s 11 3 接头引引起的弯弯矩传递递管片环是具具有EI刚度度的均质质圆环，这这比惯用用设计法法更接近近实际。由于接头的存在，将向相邻管片传递部分弯矩，使得错缝拼装管片间内力进行重分配，其中(1+)M为主截面的设计弯矩，接头的设计弯矩取为(1-)M，如 REF _Ref278298008 h * MERGEFORMAT 图 23所示。参数和值因管片的种类、接头的结构形式、错缝拼装方式以及结构形式的不同而不同，主要是根据实验或经验来缺定，其计算荷载系统与惯用法相同。当模型中=1，=0时，则成为惯用法模型，因此该模型实际上是对修正惯用法模型的修正。多铰圆环法法多铰圆环法法将

37、管片片接头作作为铰结结构来进进行结构构内力的的计算。该该设计思思路起源源于英国国，工程程实例在在欧洲各各国及前前苏联等等较多。由于多铰的的圆环本身是一个不稳稳定的结构物物，其在在隧道周周围的围围压作用用下才成成为稳定定结构，因因此对作作用于管管环的荷荷载分布布以及地地基反力力的评价价极为重重要，伴伴随环的的变形和和变形而产生生的地层层抗力，大大多采用用温克尔尔(Wiinkller)的假设设，用地地基弹簧簧来表示示地层和和管片环环间的相相互作用用。相比于其他他设计方方法，多多铰圆环环法计算算所得管管片环弯弯矩会有有相当大大的减少少，有利利于节省省工程成成本。但但是，该该方法受受隧道所所处围岩岩条

38、件适适应性所所限，还还需深入入研究隧隧道施工工对围岩岩的扰动动影响以以及隧道道结构的的防水可可靠性等等。梁-弹簧模模型（M-K法）梁-弹簧模模型考虑虑错接头头的拼装装效应而而采用的的方法，又又叫M-K法。该模模型考虑虑了相邻邻环接头头对于中中间环内内力的影影响（通通常取两两个半环环和中间间整环计计算，以以中间整整环作为为分析对对象），其重点是管片接头刚度的取值，即管片间的旋转刚度和环间的剪切刚度，对于接头刚度的取值，最好最直接的是通过管片接头试验确定，其次是采用经验类比和数值模拟的方法。管片接头旋旋转刚度度，是通通过接头头的关系系曲线的的斜率来来表示的的，目前前国内外外的研究究普遍认认为，该该

39、值的大大小会随随着管片片结构形形式的变变化而变变化。即即使在管管片结构构形式确确定的情情况下，由由于曲线线具有非非线性特特征，使使得在整整个工作作过程中中也不完全全是一个个常量，一一般只能能通过有有针对性性的结构构试验或或者相应应的数值值模拟得得到接头头的关系系曲线，再再取主要要工作区区间曲线线的（平均、割割线、两两点间）斜率作为接头旋转刚度的值。REF _Ref280031508 h * MERGEFORMAT 表 21和REF _Ref280031512 h * MERGEFORMAT 表 22分别为国内、日本部分盾构隧道管片接头旋转刚度的取值。表 STYLEREF 1 s 2 SEQ 表

40、表 * ARRABIIC s 11 1 国内部分分盾构隧隧道管片片接头旋旋转刚度度值统计计工程名称管片外径(m)管 片环向螺栓接头旋转刚刚度105 kNm/rrad厚度(cm)环宽(cm)分块形式南京长江隧隧道14.5602007+2+113M36斜斜37.55-4-99.5武汉长江隧隧道11502009等分4M36弯弯4，-2.4 (模)广深港狮子子洋隧道道10.8502005+2+114，-5 (模)南水北调中中线穿黄黄8.7401604+2+114M30直直0.450.661（试试）-0.445-0.552（试试）某水工盾构构隧道8.90.120.885(试)成都火车站站北站北北延隧道道

41、110.52009等分2*2M336 直4，-2.4南京地铁南南北线6.2351203+2+110.52，-0.663 (模)南京地铁区区间盾构构隧道6.20.351003+2+110.5，-0.33 (模)广州地铁6301503+2+112M24弯弯0.0122，-0.0023 (模)*注：表中中括号内内容为计计算旋转转刚度所所采用的的方法，分分别为试试验方法法（简称称“试”）和数数值模拟拟方法（简简称“模”）表 STYLEREF 1 s 2 SEQ 表表 * ARRABIIC s 11 2日本管管片接头头旋转刚刚度的参参考值管片弹簧系数实实测值k（+）kNm/rrad备注外径（m）宽度（m

42、）厚度（m）3.150.90.12551.044.41033钢板接头11根螺栓栓4.050.90.17552.2221.001003钢板接头11根螺栓栓4.550.90.21.022.91033钢板接头11根螺栓栓5.077.11033系杆供接头头1根螺栓栓5.100.90.21.4110.771003系杆供接头头1根螺栓栓6.000.90.254.3221.331003钢板接头11根螺栓栓6.901.00.351.933.01044球墨铸铁接接头3根螺栓栓7.601.00.30.581.8861104球墨铸铁接接头2根螺栓栓2.397.4491104系杆供接头头2根螺栓栓7.80（复复合管片

43、片）1.00.31.253.8871104钢板接头22根螺栓栓2.8514.71104系杆供接头头2根螺栓栓9.50（复复合管片片）1.20.43.425.3341104系杆供接头头2根螺栓栓9.8（箱箱型管片片）1.00.551.445.1181104长大直螺栓栓接头5根螺栓栓13.9001.50.652.377.9941105系杆供接头头2根螺栓栓13.900（复合合管片）5.9420.431055系杆供接头头2根螺栓栓M-K法通通常是考考虑三环环管片，其其中第一一和第三三环取半半环（见见REF _Ref283105794 h * MEERGEEFORRMATT 图 24），荷载载也取一一

44、半，因因此能够够较为准准确地考考虑错缝缝拼装下下相邻环环接头对对中间环环的影响响。对于于环间螺螺栓的剪剪切刚度度，目前前尚未确确立用解解析方式式来评价价该值的的手法，如如果过小小评价该该值，则则计算结结果偏于于危险，当当不能进进行试验验时，通通常是采采用该值值为无穷穷大的计计算方法法。当考虑虑抗震情情况是，多将环间剪切刚度不取为无穷大。图 STYLEREF 1 s 2 SEQ 图图 * ARRABIIC s 11 4管片模模型弹性铰圆环环链杆法法弹性铰圆环环链杆法法其实是是简化了了的M-K法，即即只分析析一环管管片的内内力，通通过旋转转弹簧来来模拟管管片之间间的接头头，通过过径向和和切向的的土

45、弹簧簧来模拟拟地层与与管片的的相互作作用。也也相当于于通缝情情况下的的的M-K法计算算。纵向计算结构设计中中，一般般是根据据平面应应变假设设，取隧隧道某l环或邻邻接3环为研研究对象象，采用用静力模模型，将将研究对对象的受受力分析析结果作作为设计计依据，而而较少考考虑隧道道的纵向向受力和和变形行行为。事事实上，埋埋设于土土层中的的盾构隧隧道沿纵纵向为一一个细长长结构，柔柔性较大大，当受受到来自自周围环环境的干干扰时更更易发生生变形，而而当该变变形增大大到一定定程度时时则将导导致结构构的破坏坏性事故故发生。与管片环向向变形特特性相比比而言，盾盾构隧道道的纵向向特性更更为脆弱弱且其后后果往往往对隧道

46、道结构不不利，如如当纵向向变形曲曲率达到到一定量量之后，隧隧道即可可能出现现环缝张张开量过过大而漏漏水或管管片环纵纵向受拉拉破坏。盾盾构隧道道的纵向向受力变变形与其其环向结结构性能能密不可可分，但但这与隧隧道结构构良好的的横向变变形适应应能力相相比并不不突出，隧隧道变形形的薄弱弱环节仍仍然是纵纵向特性性。对于采用盾盾构法修修建而成成的盾构构隧道施施工变形形主要受受以下3方面因因素的影影响，其其一是土土体性质质，即作作为施工工对象的的土层压压缩模量量、粘聚聚力、内内摩擦角角等参数数变化；其二是是施工过过程中隧隧道、盾盾构机和和相应地地层的相相互作用用影响；其三是是盾构隧隧道施工工因素，其其中主要

47、要包括操操作人员员的熟练练程度、机机器自身身结构性性能、开开挖仓密密闭性等等因素。对于不同的的研究内内容，隧隧道纵向向力学性性能的模模拟可以以采用荷荷载-结构模模型和地地层-结构模模型。通通常是将将一环内内的管片片进行刚刚度等效效，简化化块间接接头；而而对于环环间接头头，可以以采用接接触单元元、弹簧簧单元、杆杆单元、梁梁单元或或者实体体单元进进行模拟拟。计算荷载的的取法土压力采用荷载-结构模型型计算时时，对于于粘性土土层往往往采用水水土合算算的方法法，砂性性土层采采用水土土分算。目前，土压力的计算方法主要有如下形式：全土柱理论、泰沙基理论、比尔鲍曼理论、谢家修理论、铁路隧道理论、普氏拱理论以及

48、通过现场量测得出的土压力值。在有条件的情况下，最好能够通过现场量测得出接近实际的土压力的大小和分布形式，大量成果表明实际的侧向土压力值大于计算的侧向土压力值，这对结构受力是较为有利的；计算理论方面，目前多采用的是泰沙基卸载拱理论和全土柱理论，也曾有人提出在北京地层更适合采用比尔鲍曼法。水压力对于砂性土土地层，采采用水土土分算时时，从均均匀受力力的角度度考虑，只只要管片片抗压强强度满足足要求，水水压力越越大结构构受力效效果越好好，越接接近于轴轴心受压压构件。因因此从偏偏于安全全的考虑虑，内力力计算时时采用最最低的地地下水位位（或无无水状况况）得出出的弯矩矩是最大大的，相相应的配配筋量也也是最大大

49、的。油缸顶推局局部承压压分析管片开裂大大多出现现在施工工阶段，且且与盾构构千斤顶顶推力直直接相关关，产生生管片裂裂缝的原原因主要要为衬砌砌环面的的不平整整因素，使使得千斤斤顶作用用下产生生管片的的应力集集中；以以及当千千斤顶合合力不与与衬砌中中心重合合时使得得隧道纵纵向产生生附加弯弯矩，易易引起环环间接头头张开。在设计阶段段可采用用数值法来来模拟千千斤顶作作用下管管片的受受力状态态，通过过管片体体的应力力、接触触状态分分析等了解管管片应力力集中部部位进而而寻找解解决方案案，如手手孔部位位局部加加强筋的的配置等等。工程经验表表明，在在千斤顶顶的作用用下，位位于远离离千斤顶顶一侧的的管片环环向接缝

50、缝边缘是是衬砌裂裂缝多发发地区，其其走向多多半是从从手孔转转角部位位沿着与与环缝大大约455的方向向延伸，手手孔处靠靠近管片片边缘的的裂缝多多于远离离管片边边缘一侧侧的裂缝缝。吊装孔破损损检算抗剪计计算对于吊装孔孔抗剪的的检算，考考虑到其其吊装时时要承受受整个管管片的重重量，可可假设管管片抗剪剪破裂面面与管片片径向成成45角，按照照混凝土土抗剪验验算进行行检算。背后注浆压压力分析析注浆压力的的计算可可采用如如下公式式：同步注浆压压力最小小值=（注浆浆孔所在在点水土土压力+管道中中的压力力损失+0.2Baar）1. 0同步注浆压压力最大大值=（注浆浆孔所在在点水土土压力+管道中中的压力力损失+0

51、.2Baar）1.25其中：管道道中的压压力损失失需要在在盾构机机现场组组装时进进行注浆浆试验来来确定。施工中，往往往将注注浆压力力和注浆浆量两个个参数同同时考虑虑，以达达到合理理的壁后后注浆效效果。对于盾构背背后注浆浆压力对对土体和和管片的的影响分分析，可可采用解解析方法法或数值值模拟方方法。通通常，在在相同土土质和注注浆参数数下，管管片注浆浆对管片片产生的的压力要要大于盾盾尾注浆浆对管片片产生的的压力。随随着注浆浆浆液扩扩散半径径的增大大，其对对管片产产生的压压力也会会随之增增加。注注浆压力力的大小小对控制制地层的的竖向和和水平变变形均有有较大的的影响。图 STYLEREF 1 s 2 S

52、EQ 图图 * ARRABIIC s 11 5注浆压力力作用示示意图在注浆过程程中，若若注浆压压力过大大，将产产生一系系列的危危害：1）管片间间的接头头将可能能受到严严重的破破坏，容容易使管管片错台台，有可可能引发发重大的的工程事事故；2）引起地地表的有有害隆起起；3）破坏管管片衬砌砌；4）损害盾盾尾的密密封。若注浆压力力过小，就就无法保保证注浆浆量，注注浆将达达不到预预计的效效果，注注浆层将将会有余余留的空空隙，地地层将会会向隧道道方向移移动，不不仅地表表将产生生较大幅幅度的沉沉陷，而而且影响响地表建建筑物与与地下管管线的安安全。三维动态仿仿真分析析主要要针对小小净距或或邻近重重要建、构构筑

53、物，推荐FLLAC33D在城市中修修建盾构构隧道，各各线路之之间的近近距离施施工，以以及隧道道下穿、侧侧穿重要要建、构构筑物是是不可避避免的，为为了能够够较好地地评价新新建项目目在施工工中对既既有建、构构筑物的的影响，人人们往往往采用三三维有限限元软件件来近似似模拟实实际情况况，目前前应用较较多的为为FLAAC3DD、ANSSYS以及MIDDAS-GTSS等，推推荐采用用FLAAC3DD。盾构隧道施施工中盾盾构机渐渐进向前前，而周周围土体体则是相相对静止止的。有有限元法法难以做做到完全全模拟盾盾构的连连续推进进过程，必必须作一一定的简简化。通通常是建建立地层层-结构模模型，将将盾构推推进作为为

54、一个非非连续的的过程来来研究。假假设盾构构一步一一步跳跃跃式向前前推进，每每次向前前推进的的长度(纵向)恰好为为一个衬衬砌单元元宽度，用用改变单单元材料料的方法法(刚度迁迁移法)来反映映盾构的的前进。进进而分析析盾构隧隧道施工工对既有有建、构构筑物的的影响以以及对地地层的扰扰动等。在模拟盾构构掘进的的过程时时，其中中掌子面面开挖卸卸载的模模拟以及及壁后注注浆的模模拟（注注浆区域域以及注注浆过程程）是模模型考虑虑的重点点，也是是影响模模拟结果果准确性性的重要要因素。地面沉降一一般估算算方法目前，对于于地表沉沉降的估估算大多多采用Pecck公式，该该公式是是通过对对隧道地地表沉降降的实测测数据分分

55、析得到到的，认认为沉降降曲线近近似呈概概率正态态分布，施施工引起起的地表表沉降是是在不排排水的条条件下由由地层损损失所引引起，地地表沉降降槽的体体积应等等于地层层损失的的体积。ZZ最大曲率点xS反弯点2WiSmax2Ro图STYLEREF 1 s2SEQ 图 * ARAABICC ss 166 沉降槽槽横向分分布横向分布地地面沉降降估算公公式为：式中： s(xx)沉降降量（mm）； smaax最大沉沉降量（mm）；x距隧隧道中心心线处距距离（m）； i沉降槽槽宽度系系数（m），由由查图表表或公式式求得； V盾构隧隧道单位位长度地地层损失失（m3/m）； Z地面至至隧道中中心深度度（m）Peck

56、公公式中有两个个重要参参数：沉沉降槽宽宽度系数数i和地层层损失V。在V的理论论计算中中仅考虑虑了盾构构机构造造造成的的地层损损失，而而实际施施工中除除这部分分地层损损失外，还还有开挖挖面应力力释放、盾盾体的摩摩擦剪切切作用、壁壁后注浆浆等因素素产生的的地层损损失，因因此地层层损失值值和各施施工参数数之间的的关系密密不可分分。单位长度地地层损失失V经常被被表示为为隧道理理论开挖挖面积与与体积损损失率V1的乘积积：通常，体积积损失率率多在0.11%00.5%之间。管片张开量量分析对于接缝张张开量的的计算，国国内目前前无统一一的相关关规定，既既可以通通过三维维的数值值模拟来来直接计计算，也也可以通通

57、过计算算得出的的接头内内力采用用解析方方法计算算。采用解析方方法计算算纵缝的的接缝张张开量的的思路主主要有如如下几个个：（a）混凝凝土塑性性+压弯构构件+材料力力学的方方法此方法假定定受压区区混凝土土进入塑塑性阶段段，按照照偏心受受压构件件计算出出管片的的受压区区高度，并并近似为为中性轴轴位置，再再依据材料料力学的的知识直直接求接接缝张开开量。公式如下： （ SEQ 公公式 * ARRABIIC s 11 1）式中：M*弯矩值值（修正正惯用法法取断面面最大正正弯矩（1-），梁梁弹簧模模型取接接头处弯弯矩）；h管片片厚度；x中性性轴位置置，多取取为混凝凝土受压压区高度度；K回回转系数数，根据据经

58、验，多为K=1；Rc计计算半径径；EI管管片刚度度。图 STYLEREF 1 s 2 SEQ 图图 * ARRABIIC s 11 7 管片张张开量计计算示意意图（b）混凝凝土受弯弯构件方方法该方法是根根据接缝缝处计算算内力MM、N，把管管片等效效成钢筋筋混凝土土受弯构构件，按按照钢筋筋混凝土土截面核核算办法法计算管管片纵缝缝张开量量，计算算简图如如 REF _Ref280229133 h * MERGEFORMAT 图 288所示。图 STYLEREF 1 s 2 SEQ 图图 * ARRABIIC s 11 8 纵缝张张开量计计算简图图计算公式如如下： （ SEQ 公公式 * ARRABI

59、IC s 11 2）式中：曲率半半径；接缝张张开角；M计算算弯矩；E I管片的的抗弯刚刚度。（c）梁-弹簧模模型求解解张开量量方法通过接头旋旋转刚度度的定义义可知，在在弯矩已已知后接接头的旋旋转角度度可通过过公式直直接求出出。由于于梁-弹簧模模型可以以直接计计算出接接头的内内力（轴轴力、剪剪力以及及弯矩），因因此可通通过公式式（3）求出出管片分分离后的的旋转角角度，式式中为分分离后的的旋转刚刚度，可可通过试试验、解解析、数数值模拟拟等手段段求出，也也可假设设其等于于分离前前的。 （ SEQ 公公式 * ARRABIIC s 11 3）（d）假设设接头螺螺栓达到到容许拉拉应力的的方法该方法是假假

60、定接头头转角在在管片端端部，螺螺栓受拉拉并达到到容许应应力，计计算出螺螺栓的伸伸长量，假假设混凝凝土端面面在变形形后仍为为平面，进进而通过过三角函函数的关关系求出出接缝张张开量。这种方法没没有考虑虑隧道断断面大小小与接缝缝张开量量的关系系，因此此只要管管片厚度度、螺栓栓位置和和长度相相同，接接缝的张张开量就就相等。而而且在正正常使用用阶段，螺螺栓应力力很少会会达到容容许应力力值，因因此该方方法的计计算结果果偏于保保守。衬砌外侧张张开量按按下式计计算： （ SEQ 公公式 * ARRABIIC s 11 4）式中，螺栓伸伸长量， ；h管片片厚度；he为为螺栓中中心到管管片近边边的距离离。（e）国