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。管片种类及特点按截面形式分类箱型中子型平板型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。

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。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：

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-

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

横截蝇面的辩结构快内力圣计算目前，业单圆盾准构隧道始有以下蓬几种管灯片环的施结构计殿算模型调及方法睛：不考汪虑管由片接敬头抗扎弯刚旧度降洞低，棒把管铲环视旗为具仿有和海管片模主截辽面同站样刚男度EI，且刚度本均匀的环吐，采用弹站性匀质圆造环法或惯码用计算法葛进行计算项；考虑伏管片盘接头锤抗弯芽刚度研降低鲜，把棵管环催视为砍是具戚有均营匀抗脖弯刚鸡度ηEI的环（η<罗1为弯曲啊刚度有剩效率）乖，考虑摸到错接神头的接罢头部分架弯矩的很分配，腔在从根罢据均匀弯曲谎刚度环计摘算出来的驴截面内力土中，对弯花矩考虑一匀个增减（弯矩察的提高吃率）。假设管片封环是多铰律环，采用暑弹性铰圆穴环法进行棕计算。假设管片栏环是具有往旋转弹簧镜的环，以宾剪切弹簧粪评价错接驱头的拼接绿效应，采距用梁弹簧矩模型进行片计算。不同暗计算座方法贝的示茧意图厚及荷矛载取矩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蓝土地危层中山，状采用迹通缝对拼装鸟的衬贱砌结绑构可沿取单伙环按航自由酸变形菠的弹顽性均味质圆店环、成弹性显铰圆筝环进沉行计玩算分叨析；马采用肢错缝数拼装液的衬认砌结日构宜呼考虑究环间尾剪力纳传递闲的影唐响。弹性均质朝圆环法弹性兰均质占圆环故法的泻结构炮内力岂计算台模型如图，，，由于象结构洪及荷拜载对器称，跑拱顶携剪力引等于省零，秃整个般圆环毫为二妹次超思静定殃结构摄。根恭据弹漆性中赞心处歼的相递对角掏变位脉和相洁对水躲平位添移等划于零洁的条萍件，真可列谁出力但法方非程：弹性铰搅圆环法在实际炼工程中左，装配咬式圆形篮管片的距接头能茧够承担耀一定的渗弯矩、锋轴力和男剪力，难且位移伏与相应萍的内力偏基本上竭呈线性袍关系，扁因此，艳可以将费接头简殿化为理冰想的弹占性铰，圆并用接才头的刚抽度系数K表示弹性舟铰的刚度夜特征。不考挤虑水校平抗银力时边的内柔力计游算将x1铸,x2代入番叠加岂法得凝到的驻结构搅任意铁截面次上的改内力乒计算铁公式茎，得屯到各种荷馆载作用傅下的内睬力，其激公式为晕：上述荷示载作用昆下，水谜平直径A处的躁位置排为：考虑句抗力渡时的组内力抬计算当衬砌是煎刚性无变远形时，隧膀道圆周承侨载的压力湿为：衬砌与哈地层间丢的剪力孔为：被动荷载炼（抗力）掀为为简化计乓算，利用托结构和荷袄载的对称意性，取1/漠4圆周进行以计算。有谨叠加原理辞，所示的朱计算简图妻。在荷载的作下在抗力荷揉载作用下艇：在荷载的作用下任意拌截面顽的内筛力：A点的锐总变晌形为梁－弹福簧模型且计算法将管轧片主谨截面但简化其为圆龟弧梁军或直差线梁袭构架汁，将怕管片妙接头拔看成僻是旋盟转弹洁簧、甩环接项头为编剪切诉弹簧仿，用敬有限骂元计茂算截善面内锣力，牧计算富荷载听可用祝惯用断荷载沸系统呆或将春地基功抗力字全部准或部故分转祥换成达地基意弹簧鸟。如借将旋云转弹唯簧和喝剪切保弹簧普常数仅同时举设定纪为零怜，该番方法梨基本珍上与舱多铰泪环计堤算法罗相同；如将剪膨切弹簧向常数设敢定为零雨，将旋聋转弹簧指常数设赞定为无带穷大时侮，则与死刚度均砖匀环的脏计算法主相同。卡因此该责方法不乞但包含伍了上述港两个方违法，同足时还可锁以利用敲管环接刃头刚度她的大小拼表征错律接接头枯的拼接穴效应。结构躲纵向片内力遭计算梁-弹簧模下型梁-弹簧群模型激是将奴隧道葵作为昏一根庙梁，固将隧琴道周触围的界土体衡作为磨地基爹弹簧考作用先在梁颂上的占结构岗模型隧道的等床效弹性弯劳曲刚度：纵向等究效弯曲嘉刚度有脉效率：有限脉元法有限单元搂法理论上异可考虑结妻构计算时局的各种影蒸响因素，叛且目前有猾多种通用望程序作为窝计算平台胁，其在隧寻道纵向计阀算领域获恳得了一定薯的应用，诊但应考虑疫盾构隧道蚁结构的非震连续性，塔如螺栓、惧纵横向接宜缝等。管片桃接头银受力斩计算衬砌材料额允许应力济及构造要刮求允许刚应力混凝店土的驴允许浴应力现场浇捕筑混凝芦土的允拥许应力钢筋欺的允搜许应些力螺栓申的允欺许应示力设计基准强度

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其中现场拳浇筑肿混凝柏土的庭允许散应力躲规定肆如表设计基准强度

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其中螺栓的齐允许应陆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其它设监计细节颈及构造或要求螺栓配语置注浆孔起吊环钢制管充片及混京凝土平死板型管杏片螺栓移直径螺栓直径（mm）161820222427303336最小螺栓孔直径（mm）1921-2323-2525-2727-2930-3233-3636-3939-41联络粗通道金结构悉设计联络延通道妖作为果灾害似情况往下的挪重要拿逃生辨通道败，《地铁设涨计规范》规定：悉“单线菌区间隧扣道之间丛，当隧租道连贯六长度大蹄于60接0m时，应设鞠联络通道雅，并在通倍道两端设潜双向开启祝的甲级防粒火门”，越国外相关展的规范中响均有类似显的规定。联络剂通道若一般氏位于盒各段昏区间装隧道烤的中撞部，则其位露置应目选在戒地面佩交通公量和央地下图管线狡较少挑处，仅以减明少施库工时锋的困衡难。哪地铁把盾构采隧道湖工程雅中常宫将其颈与地杂下泵菠站的推建设努结合劈燕起来尤，其测基本薄构造史形式伴有全忽贯通率式、干上行翠侧式葛泵站垫、下廊行侧谦式泵旧站、准上下骄行侧霞式泵教站和厌深井页侧式孟泵站邮等5种形盗式：联络械通道丧与泵著站合快建的早型式扬图一般成，联左络通疤道断竟可以扩做成者矩形临，从棉受力呢有利舌的角绒度，学也叫熟做成遇圆形治和直旗墙拱巡寿型。联络通挑道通常煎需要在瞎连续几饶环管片女一侧开垄口进洞卖施工。输为满足拘施工工诱艺和结活构受力来的要求敞，这几酱环管片熟通常采帮取与标基准环管刻片不同艺的构造鼠形式和沫制造工唐艺，称宫其为特古殊环管徐片，常稳见特殊仗管片可周分为钢剧管片环顶、钢管群片+混凝土、起混凝土等睡。钢管片炎环构造板图钢管片+混凝薄土构铃造图混凝土胃切割管诱片洞口燥加强构参造三种特剩殊换管职片的优搬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觉环管片宜使采用钢筋怪混凝土材泥料制造，哭以提高构番件耐久性氧，方便生虚产、拼装哈，降低工什程造价。卸钢管片强叹度较高，结且可以预达制洞口，条将洞口封偶堵块拆卸统之后就可拢进洞开挖党；钢管片感纵向螺栓扫孔数量比务混凝土管闭片增加一浩倍，既可熄以提高钢没管片之间撒的连接强息度，又可鹅以提高开照口就位精轨度。但是把，由于钢闻管片采用建与标准环高混凝土管桃片相同的恭构造和精绪度，其加坡工精度达风到了模版脂级，造价内昂贵，大歌量使用很引不经济；占另外，钢丸管片防腐拐防锈处理钻难度高，念实际效果狗不理想。结合钢筋敬混凝土和溉钢管片各思自的优缺留点，特殊款衬砌环管序片可优化供成“钢管乒片+混凝土准管片”发的组合捏形式。哈开口管稠片和与锈其相连佩的邻接槽块圆心娱角与混低凝土管智片不同散，无法紧利用既挠有模具齐生产，堵仍采用叠钢材加陈工，其蛋它管片骨使用混津凝土管辟片代替垦。特殊外环管宋片采因用与桐标准羽环相状同的旱环宽启、壁臣厚、曾内外筛径以贝及大补致相趁同的唯分块袋角度党，可眨以满宵足盾导构机鱼的掘势进和轰拼装其要求兔，并框保证猫隧道狼限界窑的平颜顺。骡采用肚相同添的管制片端援面构较造，盗拼装奔时可经以使市用通除用的味连接师构件除和防算水材境料，陪并保区证接喇缝质日量。平板役形钢渗筋混替凝土否管片雕设计教实例设计穴条件作用于念管片衬暂砌体的钱外荷载追的计算管片叹环截坟面内土力计悟算主体应喷力管片接头捐螺栓的设掌计对千胞斤顶样推力羡的研病究设计条件管片唇设计闭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土质砂质土设计华条件构件木的容比许应访力构件应力钢材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作用窄于管钥片衬洲砌体饥的外耐荷载掠的计蹦算由于假鉴定土质迁为砂质惊土，所旨以土压批和水压家按水土峡分离处绑理。垂刮直土压照的计算椅采用Ter趋zag永hi公式妙中的兼松动愉土压辱。土的松动话高度系数（7-笑28）（7-2镜8a）计算结果巡寿为，土的毅松动高度4.援51含8m，不泳足管雕片外恭径的搁两倍衰。故每取最雾小松闹动高能度等益于管扇片外球径的山两倍垫，则6.7>嗓4.51尖8m荷载的歪计算土反力和画位移假定作用峰于两侧的拍水平土反鹿力是随着躲衬砌向地肯基内位移炭产生的，扔在衬砌水伟平直径的册上下中猫心角范围慈内呈三角逗形（以水滚平直径上句的点为顶陡点）分布乘。水平直桐径上点的捞土反力与杂衬砌向地莲基内的水当平位移成财正比，考霜虑了土反借力的位移耗：（7-29）式中：——土水勇压力场引起东的摩点位亲移；——土反力引侮起的与上老述方向相逗反的点添位移0.描00防01坑63晌74哭m作用于管株片衬砌体脚的外荷载兴的计算土反扶力和抽位移土质条件土反姐力荷载骆分布松动高慌度管片环截置面内力计委算管片殿的主雁截面管片环信截面内绞力计算外荷载在粗管片环上办产生的截亮面力，采占用常规计而算法计算述：（×104N.m/m）（×104N/m）（×104N/m）00.65227.8000.000100.59627.906-0.393200.43928.202-0.705300.21228.636-0.87740-0.03929.131-0.876500.26529.605-0.71260-0.42929.988-0.436