城市轨道交通结构设计与施工7第七章

城市轨道交通结构设计与施工7第七章第一页，共64页。第七章盾构法隧道设计第二页，共64页。

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第三页，共64页。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。第四页，共64页。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。第五页，共64页。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。第六页，共64页。第七页，共64页。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第八页，共64页。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第九页，共64页。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。第十页，共64页。管片种类及特点按截面形式分类箱型中子型平板型第十一页，共64页。曲线地段或修正蛇行施工时用到的管片为楔形管片，楔形管片是具有锥度的管片环，当其宽度特别小呈窄板状时称为楔形垫板环。第十二页，共64页。

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\平板型平板型第十三页，共64页。双圆盾构隧道的衬砌结构横向双连形的MF盾构施工法竖向双连形的DOT施工法第十四页，共64页。第三节盾构隧道的结构设计一般原则结构设计首先应确保隧道结构的安全性，即能够承受从开工到竣工后的长期使用荷载（静、动荷载）的作用，在施工和正常使用阶段，进行结构强度的计算，对于混凝土结构，应进行抗裂验算或裂缝宽度验算。管片设计时可将其视为单纯承受弯矩、轴力及剪力的线性梁来处理。为了取得较好的经济效益，在工程地质条件好、周围土层能提供一定抗力的前提下，衬砌结构可设计得柔和一些，但圆衬砌环变形的大小对结构受力、接缝张角、接缝防水和地表变形等均有影响，设计时需对衬砌结构的变形进行验算，作必要的控制。结构设计应按照隧道的横断面及纵断面方向分别进行。通常情况下，按相对于横断面方向的设计来决定管片的断面，根据地震及地基沉降的影响等来研究隧道纵断面结构的合理性。第十五页，共64页。设计条件的设定荷载的计算构件详图的设计对于特殊荷载的设计绘图构件的设计计算截面内力的计算弯矩及轴向力的单位应力的计算

剪应力的计算单位应力的校核

管片的制作隧道的线性·必要的内空断面·土质条件管片的种类管片的分块数主要荷载计算

附加荷载的计算荷载及结构模型的选定·惯用计算方法·修正惯用计算方法·梁——弹性模型计算方法·部分地基弹簧模型，全周地基弹簧模型·管片主断面的假定·对于主要荷载的主断面的单位应力的校核对于主要荷载及附加荷载作用下的构件的设计计算·接头的计算（螺栓、接头板、锚筋等）·纵肋的计算·地震的影响·地基沉降的影响·邻接施工的影响·对相邻建（构）筑物的影响注入孔·吊具·接头角度·锥形衬环nooknook第十六页，共64页。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于隧道外径时，因地层无拱效应，垂直土压力为上覆土的水土重量。上覆土厚度大于隧道外径时，应根据地层性质判断其是否存在拱效应，进而决定是否采用松弛土压力。松弛土压力的计算方法一般采用太沙基公式第十七页，共64页。式中：-Terzaghi的松动土压力；—松弛层的换算高度；—水平土压力与垂直土压力之比（一般取=1）；—土的内摩擦角；—上覆荷载；—土的重度；—土的粘聚力；但是，小于

时可使用下式：

第十八页，共64页。水平土压力作用于管环上的侧面水平土压力，可按下式估算：

式中：—水平土压力（KN/m2）—侧向土压系数（无量纲），

可以考虑为静止土压力、主动土压力或者按略小于静止土压力的值考虑；此外，

还与土质、设计计算方法及施工方法有关，所以很难高精度设定

；侧向土压力系数（λ

）和地层反力系数（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-

第十九页，共64页。自重荷载自重荷载是沿衬砌轴线分布的竖直荷载，一次衬砌的自重荷载可按下式计算：

式中：—一次衬砌的自重—单位长度衬砌的重力（KN/m）；—衬砌形心半径（m）；—重力加速度（9.8/s2）；—一次衬砌的体密度（T/m3）上覆荷载地层反力施工荷载内部荷载地震荷载

第二十页，共64页。横截面的结构内力计算目前，单圆盾构隧道有以下几种管片环的结构计算模型及方法：不考虑管片接头抗弯刚度降低，把管环视为具有和管片主截面同样刚度EI，且刚度均匀的环，采用弹性匀质圆环法或惯用计算法进行计算；考虑管片接头抗弯刚度降低，把管环视为是具有均匀抗弯刚度ηEI的环（η<1为弯曲刚度有效率），考虑到错接头的接头部分弯矩的分配，在从根据

均匀弯曲刚度环计算出来的截面内力中，对弯矩考虑一个增减

（弯矩的提高率

）。

假设管片环是多铰环，采用弹性铰圆环法进行计算。假设管片环是具有旋转弹簧的环，以剪切弹簧评价错接头的拼接效应，采用梁弹簧模型进行计算。第二十一页，共64页。不同计算方法的示意图及荷载取值第二十二页，共64页。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

只考虑半径方向第二十三页，共64页。在软土地层中，采用通缝拼装的衬砌结构可取单环按自由变形的弹性均质圆环、弹性铰圆环进行计算分析；采用错缝拼装的衬砌结构宜考虑环间剪力传递的影响。弹性均质圆环法弹性均质圆环法的结构内力计算模型如图，，

，第二十四页，共64页。由于结构及荷载对称，拱顶剪力等于零，整个圆环为二次超静定结构。根据弹性中心处的相对角变位和相对水平位移等于零的条件，可列出力法方程：

第二十五页，共64页。弹性铰圆环法在实际工程中，装配式圆形管片的接头能够承担一定的弯矩、轴力和剪力，且位移与相应的内力基本上呈线性关系，因此，可以将接头简化为理想的弹性铰，并用接头的刚度系数K表示弹性铰的刚度特征。不考虑水平抗力时的内力计算第二十六页，共64页。

将x1,x2代入叠加法得到的结构任意截面上的内力计算公式，得到各种荷载作用下的内力，其公式为：

第二十七页，共64页。

第二十八页，共64页。上述荷载作用下，水平直径A处的位置为：

第二十九页，共64页。考虑抗力时的内力计算当衬砌是刚性无变形时，隧道圆周承载的压力为：

衬砌与地层间的剪力为：

被动荷载（抗力）为

第三十页，共64页。为简化计算，利用结构和荷载的对称性，取1/4圆周进行计算。有叠加原理，所示的计算简图。第三十一页，共64页。在荷载的作下

在抗力荷载作用下：

在荷载的作用下第三十二页，共64页。任意截面的内力：

A点的总变形为

梁－弹簧模型计算法将管片主截面简化为圆弧梁或直线梁构架，将管片接头看成是旋转弹簧、环接头为剪切弹簧，用有限元计算截面内力，计算荷载可用惯用荷载系统或将地基抗力全部或部分转换成地基弹簧。如将旋转弹簧和剪切弹簧常数同时设定为零，该方法基本上与多铰环计算法相同；如将剪切弹簧常数设定为零，将旋转弹簧常数设定为无穷大时，则与刚度均匀环的计算法相同。因此该方法不但包含了上述两个方法，同时还可以利用管环接头刚度的大小表征错接接头的拼接效应。第三十三页，共64页。结构纵向内力计算梁-弹簧模型梁-弹簧模型是将隧道作为一根梁，将隧道周围的土体作为地基弹簧作用在梁上的结构模型第三十四页，共64页。隧道的等效弹性弯曲刚度：

纵向等效弯曲刚度有效率：

有限元法有限单元法理论上可考虑结构计算时的各种影响因素，且目前有多种通用程序作为计算平台，其在隧道纵向计算领域获得了一定的应用，但应考虑盾构隧道结构的非连续性，如螺栓、纵横向接缝等。管片接头受力计算第三十五页，共64页。衬砌材料允许应力及构造要求允许应力混凝土的允许应力现场浇筑混凝土的允许应力钢筋的允许应力螺栓的允许应力设计基准强度

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其中第三十六页，共64页。现场浇筑混凝土的允许应力规定如表设计基准强度

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其中螺栓的允许应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第三十七页，共64页。其它设计细节及构造要求螺栓配置注浆孔起吊环

钢制管片及混凝土平板型管片螺栓直径螺栓直径（mm）161820222427303336最小螺栓孔直径（mm）1921-2323-2525-2727-2930-3233-3636-3939-41第三十八页，共64页。联络通道结构设计联络通道作为灾害情况下的重要逃生通道，《地铁设计规范》规定：“单线区间隧道之间，当隧道连贯长度大于600m时，应设联络通道，并在通道两端设双向开启的甲级防火门”，国外相关的规范中均有类似的规定。联络通道一般位于各段区间隧道的中部，其位置应选在地面交通量和地下管线较少处，以减少施工时的困难。地铁盾构隧道工程中常将其与地下泵站的建设结合起来，其基本构造形式有全贯通式、上行侧式泵站、下行侧式泵站、上下行侧式泵站和深井侧式泵站等5种形式：第三十九页，共64页。联络通道与泵站合建的型式图第四十页，共64页。一般，联络通道断可以做成矩形，从受力有利的角度，也叫做成圆形和直墙拱型。第四十一页，共64页。联络通道通常需要在连续几环管片一侧开口进洞施工。为满足施工工艺和结构受力的要求，这几环管片通常采取与标准环管片不同的构造形式和制造工艺，称其为特殊环管片，常见特殊管片可分为钢管片环、钢管片+混凝土、混凝土等。钢管片环构造图钢管片+混凝土构造图第四十二页，共64页。混凝土切割管片洞口加强构造第四十三页，共64页。三种特殊换管片的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第四十四页，共64页。特殊衬砌环管片宜采用钢筋混凝土材料制造，以提高构件耐久性，方便生产、拼装，降低工程造价。钢管片强度较高，且可以预制洞口，将洞口封堵块拆卸之后就可进洞开挖；钢管片纵向螺栓孔数量比混凝土管片增加一倍，既可以提高钢管片之间的连接强度，又可以提高开口就位精度。但是，由于钢管片采用与标准环混凝土管片相同的构造和精度，其加工精度达到了模版级，造价昂贵，大量使用很不经济；另外，钢管片防腐防锈处理难度高，实际效果不理想。结合钢筋混凝土和钢管片各自的优缺点，特殊衬砌环管片可优化成“钢管片+混凝土管片”的组合形式。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，仍采用钢材加工，其它管片使用混凝土管片代替。特殊环管片采用与标准环相同的环宽、壁厚、内外径以及大致相同的分块角度，可以满足盾构机的掘进和拼装要求，并保证隧道限界的平顺。采用相同的管片端面构造，拼装时可以使用通用的连接构件和防水材料，并保证接缝质量。第四十五页，共64页。平板形钢筋混凝土管片设计实例设计条件作用于管片衬砌体的外荷载的计算管片环截面内力计算主体应力管片接头螺栓的设计对千斤顶推力的研究第四十六页，共64页。设计条件管片设计条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土质砂质土第四十七页，共64页。设计条件构件的容许应力构件应力钢材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第四十八页，共64页。作用于管片衬砌体的外荷载的计算由于假定土质为砂质土，所以土压和水压按水土分离处理。垂直土压的计算采用Terzaghi公式中的松动土压。土的松动高度系数（7-28）（7-28a）计算结果为，土的松动高度4.518m，不足管片外径的两倍。故取最小松动高度等于管片外径的两倍，则6.7>4.518m第四十九页，共64页。荷载的计算第五十页，共64页。土反力和位移假定作用于两侧的水平土反力是随着衬砌向地基内位移产生的，在衬砌水平直径的上下中心角范围内呈三角形（以水平直径上的点为顶点）分布。水平直径上点的土反力与衬砌向地基内的水平位移成正比，考虑了土反力的位移：（7-29）式中：——土水压力引起的点位移；——土反力引起的与上述方向相反的点位移第五十一页，共64页。0.00016374m第五十二页，共64页。作用于管片衬砌体的外荷载的计算土反力和位移土质条件土反力第五十三页，共64页。荷载分布松动高度第五十四页，共64页。管片环截面内力计算管片的主截面第五十五页，共64页。管片环截面内力计算外荷载在管片环上产生的截面力，采用常规计算法计算：（×104N.m/m）（×104N/m）（×104N/m）00.65227.8000.000100.59627.906-0.393200.43928.202-0.705300.21228.636-0.87740-0.039