城市轨道交通结构设计与施工之盾构法隧道设计

城市轨道交通结构设计与施工StructuralDesignandConstructionofUrbanRailTransit主讲：周顺华教授同济大学交通运输工程学院第七章盾构法隧道设计

目录第一节盾构法隧道的基本原理第二节盾构法隧道衬砌结构第三节盾构隧道的结构设计第四节联络通道结构设计第五节平板形钢筋混凝土管片设计实例盾构隧道的基本原理

盾构法（Shield）隧道，是指在地表以下土层或松软岩层中采用盾构机掘进施工的隧道，主要用于当明挖隧道施工对城市生活干扰较大或隧道埋深、地质条件不适合于用明挖法或其他方法建造隧道的情况，具有不影响地面交通、减少对附近居民的噪声和振动影响、施工易于管理和施工不受风雨等气候条件影响等优点。

盾构法隧道是1823年由布鲁诺尔首创于英国伦敦泰晤士河的水底隧道。经过近二百年的发展，其施工机械和施工控制技术等越来越趋于成熟，已成为隧道建设特别是城市隧道建设中的主要施工方法。盾构类型

为保证围岩不发生坍塌失稳或控制施工引起的周围土体或建筑物的变形，盾构法隧道施工过程中通过盾构机体主动控制围岩的应力释放和变形，根据面板与前方土体的平衡形式的不同，可以分为不同平衡系统的盾构机。各种类型盾构掘进的支护面板盾构隧道断面形式就断面型式而言，大部分盾构法隧道的断面型式为单圆形。受城市既有地下构筑物的限制及适应不同工程的需要，近年来出现了双圆、三圆、矩形等多种断面型式，相应开发了双圆、三圆、矩形、球型盾构和子母盾构等。第二节盾构法隧道衬砌结构盾构隧道衬砌是直接支撑地层，防止渗漏，同时又能承受施工荷载的结构。一次衬砌二次衬砌预制装配式衬砌环的分块与拼装衬砌环分块形式衬砌环的拼装形式错缝拼装通缝拼装封顶块的拼装形式径向插入型轴向插入型管片间及环间的连接柔性连接相邻管片间产生微小的转动和压缩，使衬砌环能按内力分布状态产生相应的变形，以改善衬砌环的受力状态。刚性连接通过增加连接螺栓的排数，力图在构造上使接缝处的刚度与管片的刚度相同。管片片种种类类及及特特点点按截截面面形形式式分分类类箱型型中子子型型平板板型型曲线线地地段段或或修修正正蛇蛇行行施施工工时时用用到到的的管管片片为为楔楔形形管管片片，楔形形管管片片是是具具有有锥锥度度的的管管片片环环，，当当其其宽宽度度特特别别小小呈呈窄窄板板状状时时称称为为楔楔形形垫垫板板环环。。

种类特征钢铁管片混凝土类管片钢管片球墨铸铁管片钢筋混凝土（RC）管片复合型管片平板形中子形SC结构SRC结构特点重量轻、可以任意完整加固材料、中小盾构使用较多强度好、耐久性好、制作精度高、重量轻、可用作特殊管片成本低、使用最多、耐久性好、可构建实用、无障碍物衬砌混凝土和钢板有效复合构造，与钢筋混凝土管片相比厚度小存在问题容易变形、耐腐蚀性差成本较高、焊接困难厚度较大、重量大、易损伤抗腐蚀性差、接头构造复杂实例用于小、中断面。用于开口部位及小半径曲线部位。用于中、大断面。用于开口部位及小半径曲线等特殊部位。用于中、大口径断面。用于中、大口径断面。用于特殊部位。止水性接合精度高，止水性好结合处加工精度高，止水性好。如果考虑到接头表面的制作精度，则止水性好截面变形量小，故止水性比较好。耐久性必须对板等采取防腐措施必须采取防腐措施当虽有一定的耐久性（抗腐蚀性、耐热性）必须对钢板等采取防腐措施加工制作性加工场地较小、材质均匀，成品可靠性好厚度受到限制、加工精度高、材质均匀，成品可靠性好制作精度依靠模板精度、养护时间长

混凝土必须有养护时间。为了防止浇筑混凝土的变形，必须设简易的构件。

施工性对于千斤顶的推力强度与刚度要求都比较小、不易损伤、焊接性好，现场维修及加固等容易。重量比较轻，不用担心破损，搬运及拼装容易。对于千斤顶的推力，因有足够的断面在抵抗，故易于确保承载力。在搬运、拼装及推进时转角处等有开裂或破损等。对于千斤顶的推力，有足够的承载力。由于采用钢管包覆，可以在搬运、拼装时不易产生缺损或损伤。接头形式直螺栓直螺栓直螺栓\直螺栓，曲螺栓、插头、铰接接头直螺栓断面形式箱型箱型箱型\平板型平板型双圆圆盾盾构构隧隧道道的的衬衬砌砌结结构构横向向双双连连形形的的MF盾构构施施工工法法竖向向双双连连形形的的DOT施工工法法第三三节节盾盾构构隧隧道道的的结结构构设设计计一般般原原则则结构构设设计计首首先先应应确确保保隧隧道道结结构构的的安安全全性性，，即即能能够够承承受受从从开开工工到到竣竣工工后后的的长长期期使使用用荷荷载载（（静静、、动动荷荷载载））的的作作用用，，在在施施工工和和正正常常使使用用阶阶段段，，进进行行结结构构强强度度的的计计算算，，对对于于混混凝凝土土结结构构，，应应进进行行抗抗裂裂验验算算或或裂裂缝缝宽宽度度验验算算。。管片片设设计计时时可可将将其其视视为为单单纯纯承承受受弯弯矩矩、、轴轴力力及及剪剪力力的的线线性性梁梁来来处处理理。。为为了了取取得得较较好好的的经经济济效效益益，，在在工工程程地地质质条条件件好好、、周周围围土土层层能能提提供供一一定定抗抗力力的的前前提提下下，，衬衬砌砌结结构构可可设设计计得得柔柔和和一一些些，，但但圆圆衬衬砌砌环环变变形形的的大大小小对对结结构构受受力力、、接接缝缝张张角角、、接接缝缝防防水水和和地地表表变变形形等等均均有有影影响响，，设设计计时时需需对对衬衬砌砌结结构构的的变变形形进进行行验验算算，，作作必必要要的的控控制制。。结构构设设计计应应按按照照隧隧道道的的横横断断面面及及纵纵断断面面方方向向分分别别进进行行。。通通常常情情况况下下，，按按相相对对于于横横断断面面方方向向的的设设计计来来决决定定管管片片的的断断面面，，根根据据地地震震及及地地基基沉沉降降的的影影响响等等来来研研究究隧隧道道纵纵断断面面结结构构的的合合理理性性。。设计计条条件件的的设设定定荷载载的的计计算算构件件详详图图的的设设计计对于于特特殊殊荷荷载载的的设计计绘图图构件件的的设设计计计计算算截面面内内力力的的计计算算弯矩矩及及轴轴向向力力的的单单位位应应力力的的计计算算剪应应力力的的计计算算单位位应应力力的的校校核核管片片的的制制作作隧道道的的线线性性··必必要要的的内内空空断断面面·土土质质条条件件管管片片的的种种类类管管片片的的分分块块数数主要要荷荷载载计计算算附加加荷荷载载的的计计算算荷载载及及结结构构模模型型的的选选定定·惯惯用用计计算算方方法法·修修正正惯惯用用计计算算方方法法·梁梁————弹弹性性模模型型计计算算方方法法·部部分分地地基基弹弹簧簧模模型型，，全全周周地地基基弹弹簧簧模模型型·管管片片主主断断面面的的假假定定·对于于主主要要荷荷载载的的主主断断面面的的单单位位应应力力的的校校核核对于于主主要要荷荷载载及及附附加加荷荷载载作作用用下下的的构构件件的的设设计计计计算算·接头的计算算（螺栓、接接头板、锚筋筋等）·纵肋的计算算·地震的影响··地基沉降的的影响·邻接施工的的影响·对相相邻建（构））筑物的影响响注入孔·吊具·接头角度·锥形衬环nooknook荷载计算荷载分类主要荷载备注主荷载垂直和水平土压力；水压力；自重；上覆荷载的影响；地基反力设计时必须考虑的基本荷载附加荷载内部荷载；施工荷载；地震影响施工中或竣工后的荷载，根据隧道用途、施工条件及周围环境考虑的荷载特殊荷载并设隧道的影响；临近施工的影响；地基沉降的影响；其它荷载的影响考虑地层条件和隧道用途特殊性的荷载垂直土压力上覆土厚度小小于隧道外径径时，因地层层无拱效应，，垂直土压力力为上覆土的的水土重量。上覆土厚度大大于隧道外径径时，应根据据地层性质判判断其是否存存在拱效应，，进而决定是是否采用松弛弛土压力。松弛土压力的的计算方法一一般采用太沙沙基公式式中：-Terzaghi的松动土压力力；—松弛层的换算算高度；—水平土压力与与垂直土压力力之比（一般般取=1）；—土的内摩擦角角；—上覆荷载；—土的重度；—土的粘聚力；；但是，小于时可使用下式式：水平土压力作用于管环上上的侧面水平平土压力，可可按下式估算算：式中：—水平土压力（（KN/m2）—侧向土压系数数（无量纲）），可以考虑为静静止土压力、、主动土压力力或者按略小小于静止土压压力的值考虑虑；此外，还与土质、设设计计算方法法及施工方法法有关，所以以很难高精度度设定；侧向土压力系系数（λ）和地层反力力系数（K）土与水的考虑土的种类λ

K（kn/m3）N值得大致范围土水分离非常密实的砂性土密实的砂性土松散的砂性土0.35-0.450.45-0.550.50-0.6030-5010-300-10固结粘性土硬的粘性土中硬粘性土0.35-0.450.45-0.550.50-0.6530-5010-300-10土水一体中硬粘性土软粘土超软粘土0.55-0.650.65-0.750.70-0.855-100-50-自重荷载自重荷载是沿沿衬砌轴线分分布的竖直荷荷载，一次衬衬砌的自重荷荷载可按下式式计算：式中：—一次衬砌的自自重—单位长度衬砌砌的重力（KN/m）；—衬砌形心半径径（m）；—重力加速度（（9.8/s2）；—一次衬砌的体体密度（T/m3）上覆荷载地层反力施工荷载内部荷载地震荷载横截面的结构构内力计算目前，单圆盾盾构隧道有以以下几种管片片环的结构计计算模型及方方法：不考虑管片接接头抗弯刚度度降低，把管管环视为具有有和管片主截截面同样刚度度EI，且刚刚度均均匀的的环，，采用用弹性性匀质质圆环环法或或惯用用计算算法进进行计计算；；考虑管管片接接头抗抗弯刚刚度降降低，，把管管环视视为是是具有有均匀匀抗弯弯刚度度ηEI的环（（η<1为弯曲曲刚度度有效效率）），考考虑到到错接接头的的接头头部分分弯矩矩的分分配，，在从从根据据均匀弯弯曲刚刚度环环计算算出来来的截截面内内力中中，对对弯矩矩考虑虑一个个增减减（弯矩矩的提提高率率）。假设管管片环环是多多铰环环，采采用弹弹性铰铰圆环环法进进行计计算。。假设管管片环环是具具有旋旋转弹弹簧的的环，，以剪剪切弹弹簧评评价错错接头头的拼拼接效效应，，采用用梁弹弹簧模模型进进行计计算。不同计计算方方法的的示意意图及及荷载载取值值国别设计模型设计土压力及水压力地基反力系数澳大利亚全周地基弹簧模型（MuirWood.Curtis法）平板加载和测量结果的逆解析切线方向与工作面是否完全结合，摩擦力作用上线的结合比利时Schulza-Duddeck法利用FEM校核无正确决定系数的方法奥地利全周地基弹簧模型Schulza-Duddeck法只考虑半径方向上的反力英国通常为弹簧模型MuiWood的方法三轴试验或应力计算得到的应力-应变关系求解的地基反力系数。不考虑摩擦力美国弹性地基圆环法没解答西德覆土2D；部分弹簧模型（顶端除外）覆土

2D；全周弹簧模型德国部分地基弹簧模型Schulza-Duddeck法,但是，不考虑切线方向的荷载没解答法国全周地基弹簧模型或FEM中国弹性均质圆环法或弹性较模型用垂直或水平荷载板荷载试验结果来求西班牙考虑了地基与衬砌的作用的Buqera的方法

只考虑半径方向在软土土地层层中，，采采用通通缝拼拼装的的衬砌砌结构构可取取单环环按自自由变变形的的弹性性均质质圆环环、弹弹性铰铰圆环环进行行计算算分析析；采采用错错缝拼拼装的的衬砌砌结构构宜考考虑环环间剪剪力传传递的的影响响。弹性均均质圆圆环法法弹性均均质圆圆环法法的结结构内内力计计算模模型如图，，，由于结结构及及荷载载对称称，拱拱顶剪剪力等等于零零，整整个圆圆环为为二次次超静静定结结构。。根据据弹性性中心心处的的相对对角变变位和和相对对水平平位移移等于于零的的条件件，可可列出出力法法方程程：弹性铰铰圆环环法在实际际工程程中，，装配配式圆圆形管管片的的接头头能够够承担担一定定的弯弯矩、、轴力力和剪剪力，，且位位移与与相应应的内内力基基本上上呈线线性关关系，，因此此，可可以将将接头头简化化为理理想的的弹性性铰，，并用用接头头的刚刚度系系数K表示弹弹性铰铰的刚刚度特特征。。不考虑虑水平平抗力力时的的内力力计算算将x1,x2代入叠叠加法法得到到的结结构任任意截截面上上的内内力计计算公公式，，得到到各种荷荷载作作用下下的内内力，，其公公式为为：上述荷荷载作作用下下，水水平直直径A处的位位置为为：考虑抗抗力时时的内内力计计算当衬砌砌是刚刚性无无变形形时，，隧道道圆周周承载载的压压力为为：衬砌与与地层层间的的剪力力为：：被动荷荷载（（抗力力）为为为简化化计算算，利利用结结构和和荷载载的对对称性性，取取1/4圆周进进行计计算。。有叠叠加原原理，，所示示的计计算简简图。。在荷载载的作下下在抗力力荷载载作用用下：：在荷载载的作用用下任意截截面的的内力力：A点的总总变形形为梁－弹弹簧模模型计计算法法将管片片主截截面简简化为为圆弧弧梁或或直线线梁构构架，，将管管片接接头看看成是是旋转转弹簧簧、环环接头头为剪剪切弹弹簧，，用有有限元元计算算截面面内力力，计计算荷荷载可可用惯惯用荷荷载系系统或或将地地基抗抗力全全部或或部分分转换换成地地基弹弹簧。。如将将旋转转弹簧簧和剪剪切弹弹簧常常数同同时设设定为为零，，该方方法基基本上上与多多铰环环计算算法相相同；如将剪剪切弹弹簧常常数设设定为为零，，将旋旋转弹弹簧常常数设设定为为无穷穷大时时，则则与刚刚度均均匀环环的计计算法法相同同。因因此该该方法法不但但包含含了上上述两两个方方法，，同时时还可可以利利用管管环接接头刚刚度的的大小小表征征错接接接头头的拼拼接效效应。。结构纵纵向内内力计计算梁-弹簧模模型梁-弹簧模模型是是将隧隧道作作为一一根梁梁，将将隧道道周围围的土土体作作为地地基弹弹簧作作用在在梁上上的结结构模模型隧道的的等效效弹性性弯曲曲刚度度：纵向等等效弯弯曲刚刚度有有效率率：有限元元法有限单单元法法理论论上可可考虑虑结构构计算算时的的各种种影响响因素素，且且目前前有多多种通通用程程序作作为计计算平平台，，其在在隧道道纵向向计算算领域域获得得了一一定的的应用用，但但应考考虑盾盾构隧隧道结结构的的非连连续性性，如如螺栓栓、纵纵横向向接缝缝等。。管片接接头受受力计计算衬砌材材料允允许应应力及及构造造要求求允许应应力混凝土土的允允许应应力现场浇浇筑混混凝土土的允允许应应力钢筋的的允许许应力力螺栓的的允许许应力力设计基准强度

4345485154容许弯曲抗压应力

1617181920基准容许抗剪应力（弯曲剪切）①

0.710.730.740.760.77容许粘着应力（异性钢筋）

22.12.12.22.2容许承压应力全部加载

1516171819局部加载

②其中现场浇浇筑混混凝土土的允允许应应力规规定如如表设计基准强度

1821242730容许弯曲抗压应力

7891011基准容许抗剪应力（弯曲剪切）①

0.530.560.590.610.64容许粘着应力（异性钢筋）

1.41.51.61.71.8容许承压应力全部加载

678910局部加载

②其中螺栓的的允许许应力力如表钢材种类应力类别4.66.88.810.912.9允许抗拉应力120210290380430允许抗剪应力90150200270310其它设设计细细节及及构造造要求求螺栓配置注浆孔起吊环钢制管片及及混凝土平平板型管片片螺栓直径径螺栓直径（mm）161820222427303336最小螺栓孔直径（mm）1921-2323-2525-2727-2930-3233-3636-3939-41联络通道结结构设计联络通道作作为灾害情情况下的重重要逃生通通道，《地铁设计规规范》规定：“单单线区间隧隧道之间，，当隧道连连贯长度大大于600m时，应设联联络通道，，并在通道道两端设双双向开启的的甲级防火火门”，国国外相关的的规范中均均有类似的的规定。联络通道一一般位于各各段区间隧隧道的中部部，其位置置应选在地地面交通量量和地下管管线较少处处，以减少少施工时的的困难。地地铁盾构隧隧道工程中中常将其与与地下泵站站的建设结结合起来，，其基本构构造形式有有全贯通式式、上行侧侧式泵站、、下行侧式式泵站、上上下行侧式式泵站和深深井侧式泵泵站等5种形式：联络通道与与泵站合建建的型式图图一般，联络络通道断可可以做成矩矩形，从受受力有利的的角度，也也叫做成圆圆形和直墙墙拱型。联络通道通通常需要在在连续几环环管片一侧侧开口进洞洞施工。为为满足施工工工艺和结结构受力的的要求，这这几环管片片通常采取取与标准环环管片不同同的构造形形式和制造造工艺，称称其为特殊殊环管片，，常见特殊殊管片可分分为钢管片片环、钢管管片+混凝土、混混凝土等。。钢管片环构构造图钢管片+混凝土构造造图混凝土切割割管片洞口口加强构造造三种特殊换换管片的优优缺点种类应用情况及其优点应用中的问题钢管片环国内外曾广泛应用，北京地铁五号线中普遍采用。联络通道设计位置的相邻两环管片全部采用钢材加工而成，最为开口环管片强度高钢管片加工精度要求高，造价高；防腐防锈处理难度大，影响结构耐久性钢管片+混凝土管片环在北京地铁四、十号线中均有应用。拼装通过提前调整盾构姿态保证开口就位精度。较钢管片有效降低了造价开口管片和与其相连的邻接块圆心角与混凝土管片不同，无法利用既有模具生产，耐久性仍难保证混凝土切割管片在国内外地铁项目中应用逐渐增多。这种方式造价较为低廉；采取现场切割的办法形成洞口，对管片拼装就位精度没有特殊要求，开洞灵活管片切割时，需架设临时支撑，以保证施工期间盾构隧道的稳定特殊衬砌环环管片宜采采用钢筋混混凝土材料料制造，以以提高构件件耐久性，，方便生产产、拼装，，降低工程程造价。钢钢管片强度度较高，且且可以预制制洞口，将将洞口封堵堵块拆卸之之后就可进进洞开挖；；钢管片纵纵向螺栓孔孔数量比混混凝土管片片增加一倍倍，既可以以提高钢管管片之间的的连接强度度，又可以以提高开口口就位精度度。但是，，由于钢管管片采用与与标准环混混凝土管片片相同的构构造和精度度，其加工工精度达到到了模版级级，造价昂昂贵，大量量使用很不不经济；另另外，钢管管片防腐防防锈处理难难度高，实实际效果不不理想。结合钢筋混混凝土和钢钢管片各自自的优缺点点，特殊衬衬砌环管片片可优化成成“钢管片片+混凝土管片片”的组合合形式。开开口管片和和与其相连连的邻接块块圆心角与与混凝土管管片不同，，无法利用用既有模具具生产，仍仍采用钢材材加工，其其它管片使使用混凝土土管片代替替。特殊环管片片采用与标标准环相同同的环宽、、壁厚、内内外径以及及大致相同同的分块角角度，可以以满足盾构构机的掘进进和拼装要要求，并保保证隧道限限界的平顺顺。采用相相同的管片片端面构造造，拼装时时可以使用用通用的连连接构件和和防水材料料，并保证证接缝质量量。平板形钢筋筋混凝土管管片设计实实例设计条件作用于管片片衬砌体的的外荷载的的计算管片环截面面内力计算算主体应力管片接头螺栓栓的设计对千斤顶推力力的研究设计条件管片设计条件件项目取值项目取值项目取值管片外径管片宽管片厚（主梁高）覆土厚度地下水位13标准贯入试验值30土单位体积质量1.8t/m3土浮重0.8t/m3土摩擦角32土的粘聚力0地基反力系数20N/cm3侧向土压系数0.5上部荷载10MPa千斤顶推力106N×10土质砂质土设计条件构件的容许应应力构件应力钢材SM混凝土钢筋SD345螺栓4.66.88.810.9压应力（×105Pa）19001502000————拉应力（×105Pa）1900—20001200180024003000剪应力（×105Pa）———800110015001900作用于管片衬衬砌体的外荷荷载的计算由于假定土质质为砂质土，，所以土压和和水压按水土土分离处理。。垂直土压的的计算采用Terzaghi公式中的松动动土压。土的松动高度度系数（7-28）（7-28a）计算结果为，，土的松动高高度4.518m，不足管片外外径的两倍。。故取最小松松动高度等于于管片外径的的两倍，则6.7>4.518m荷载的计算土反力和位移移假定作用于两两侧的水平土土反力是随着着衬砌向地基基内位移产生生的，在衬砌砌水平直径的的上下中心心角范围内呈呈三角形（以以水平直径上上的点为顶点点）分布。水水平直径上点点的土反力与与衬砌向地基基内的水平位位移成正比，，考虑了土反反力的位移：：（7-29）式中：——土水压力引起起的点位移移；——土反力引起的的与上述方向向相反的点点位移0.00016374m作用于管片衬衬砌体的外荷荷载的计算土反力和位移移土质条件土反力荷载分布松动高度管片环截面内内力计算管片的主截面面管片环截面内内力计算外荷载在管片片环上产生的的截面力，采采用常规计算算法计算：（×104N.m/m）（×104N/m）（×104N/m）00.65227.8000.000100.59627.906-0.393200.43928.202-0.705300.21228