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1、盾构隧道管片衬砌结构 荷载-结构模型, 保持围岩稳定，可以长期承受作用于盾构隧道上的全部荷载； 可以承受施工过程中的千斤顶推力及注浆压力等施工荷载； 满足防渗要求； 满足环境保护要求。,基本要求：,1、盾构管片结构设计流程,隧道的使用功能； 结构运营寿命； 运营空间要求，如净空、线路、施工精度等； 预埋件结构，如起吊件、连接预埋件等； 防水要求； 规范规定的要求等。,影响管片设计的因素包括：,管片设计流程,2、设计条件拟定,（1）隧道内空断面形状和尺寸,我国盾构技术概况,国内地铁盾构隧道管片结构的设计及使用,隧道内径,管片的形式与厚度,我国盾构技术概况,国内地铁盾构隧道管片结构的设计及使用,管
2、片幅宽,管片分块,地铁隧道管片常用分块数为六块和七块两种在国内上海地铁一号线、广州地铁一、二、三号线南京地铁一、二号线、成都地铁一号线盾构区间隧道都采用六块方案。,（2）管片类型,钢筋混凝土管片 钢管片 铸铁管片 复合管片,（3）管片的厚度与幅宽,管片厚度越大，其截面抗弯能力越强，可以节约钢筋用量，但同时也增加了混凝土用量。管片厚度的选取应视管片接头部位和混凝土截面的受力情况而定，根据经验，管片厚度一般为衬砌环外径的4%左右，但对于大断面隧道，尤其是当采用钢筋混凝土管片时，约为5.5%左右。,为了便于搬运和组装以及有利与隧道曲线段的施工，希望管片宽度小一些为好；从降低每延米隧道衬砌的制造成本、
3、减少接头个数和提高施工速度方面考虑，则又希望幅宽大一些好。参照国内外大断面隧道的建设情况，幅宽多数为2m。,（4）管片衬砌环的分块方式,管片分块方法总体上讲有等分模式及不等分模式，等分模式下由于没有小封顶块，采用错缝拼装时管片整体刚度较为均匀，是一种理想的受力分块方式；不等分模式一环管片一般是由几块A型管片（标准块）、两块B型管片（邻接块）和一块K型管片（封顶块）组成。,封顶块,邻接块,（5）管片的接头角与插入角,由于K型管片插入方式分两种，沿半径方向插入的角度称为接头角（r），沿轴方向插入的角度称为插入角（1）。 如果是半径方向插入型管片，对于其中的K型管片的接头角度(r)依下式计算。rk/
4、2+，上式中的是为便于K型管片的插入所需要的富裕角度，一般采用25。 如果是轴方向插入型管片，其中的K型管片一般不需要接头角度(r)。但是，考虑到包括盾构机长度在内的施工条件和管片接头与管片环之间的干扰，还是需要设定管片的插入角度(1)。管片的插入角度多取决于施工条件，但是取1724的实例居多。,(6)管片环楔形量,盾构在曲线段施工和蛇行修正时，需要使用一种幅宽不等的管片环,称为楔形管片环.楔形管片环中最大宽度与最小宽度之差，称为楔形量。 蛇行修正用楔形管片环的数量，会因工程区域内所包含的缓曲线和急曲线区段的比例、有无S形曲线等的隧道线路、影响盾构操作稳定性的周围围岩的情况而不同。,（a）普通
5、环；（b）单侧楔形环；（c）两侧楔形环,(7)管片的拼装,盾构隧道管片的拼装方式有两种，通缝拼装和错缝拼装。 通缝拼装时，管片衬砌结构的整体刚度较小，导致变形较大、内力较小。 采用错缝拼装时，管片衬砌结构的整体刚度较大，导致变形较小、内力较大。对于管片的分块设计要求比通缝拼装条件下较高。错缝拼装的拼转角度根据纵向螺栓的布置而定，可以两环一组错缝拼装，也可以三环一组错缝拼装。,(1) 在相同地层条件下，错缝式拼装与通缝式拼装管片结构中的受拉受压区域基本相同，错缝式拼装盾构隧道中接头及其周围处的弯矩与相同条件下通缝式拼装管片相比有较大幅度的改变。错缝式拼装的最大弯矩较大，而相应的轴力却较小，不同的
6、拼装方式附加内力的大小和分布规律也有较大的区别。这就给配筋提出了更高的要求。 (2) 错缝拼装管片弯矩绝对值的最大值较通缝拼装管片弯矩绝对值的最大值大，而在此位置错缝拼装的轴力较通缝拼装的轴力小，错缝拼装弯矩绝对值最大值比通缝拼装弯矩绝对值最大值大50左右，轴力小20左右，并且不同的拼装方式又有所不同。 (3) 在相同埋深、相同地质条件下，通缝式拼装结构的位移值要比错缝式拼装结构的位移值大20左右；不同的错缝式拼装方案下，结构的位移值相差不大，在10以内。,管片环组合方法,我国盾构技术概况,国内地铁盾构隧道管片结构的设计及使用,楔形衬砌环与直线衬砌环的组合,衬砌环形式,楔形衬砌环之间相互组合,
7、通用型管片环,国内目前只有在南京 地铁施工中使用,深圳地铁首次采用,管片拼装形式,(8)接头构造,管片的连接处一般称为接头，包括接缝、螺栓及其附近（包括螺栓孔）的部位。,柔性接头由于允许在相邻管片间产生微小转动和压缩，使得整个衬砌环能随内力而产生一定变形； 刚性接头则主要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。 目前的趋势：减薄衬砌厚度、减弱接头刚度和增加接头数量等措施以达到增加衬砌柔性的目的。,二.盾构隧道管片衬砌结构 计算方法,国内外管片结构设计方法,根据对管片接头的不同力学模型假设，可将管片结构设计方法主要分为（修正）惯用法、多铰圆环法和梁弹簧模型法。不同设计方法的区
8、别主要在于对管片接头抗弯刚度的取值差异。,接头演变过程,2.1盾构隧道衬砌结构计算方法特征分析,(修正)惯用法,梁-弹簧模型法,多铰圆环法,2.2盾构隧道衬砌结构计算荷载,垂直土压力 水压力 结构自重 上覆荷载 地基抗力,衬砌设计荷载分类,主要荷载,次要荷载,特殊荷载,内部荷载 施工荷载 地震的影响,平行配置隧道的影响 邻近施工的影响 其它,荷载计算模式图,2.3衬砌结构与地层之间的作用,刚性衬砌,柔性衬砌,衬砌圆环与周围土体的相互作用通过设置在衬砌全环只能受压的径向弹簧单元和切向弹簧单元来体现，这些单元受拉时将自动脱离，弹簧单元的刚度由衬砌周围土体的地基抗力系数决定,2.4衬砌结构的力学模型
9、和计算方法,衬砌结构 力学模型,衬砌本 体模型,接头(接缝) 模型,特征参数,接头 刚度,环向接头刚度 纵向接头刚度,表征接头性能的最重要的参数是接头抗弯刚度，被定义为接头产生单位转角所需要的弯矩，即K=dM/d，就是接头刚度等于接头处弯矩的增量与接头处接缝的相对转角的增量之比。K值越大，表示每增加单位转角，所需增加弯矩的值越大。,管片接头抗弯刚度,定 义：,影响因素：,结构内力：弯矩、轴力、螺栓预紧力等,结构尺寸：幅长、幅宽、厚度、接缝宽度等,材料参数：管片混凝土、连接螺栓、衬垫,相对位置：螺栓位置、衬垫厚度,研究意义：,控制着衬砌结构设计安全性和经济性,优化结构设计,盾构隧道管片接头产生单
10、位转角所需弯矩定义为管片接头抗弯刚度k，综合反映了管片接头力学性能及承载能力,盾构隧道纵向结构性能,迫切性：,理论模式：,研究意义：,起步晚，研究理论和计算模型不完善,等效弹性地基梁 三维骨架模型 等效刚度模型,完善现有结构计算模式 优化纵向结构设计,3、荷载计算,统计法,普氏理论,该理论认为：所有的岩体都不同程度的被节理、裂隙所切割，因此可以视为有粘聚力的散粒体。,普氏还提出了基于自然平衡拱概念的计算理论，从而确定围岩的松动压力。认为在具有一定粘聚力的松散介质中开挖坑道后，其上方会形成一个抛物线形的拱形洞顶，作用在支护结构上的围岩压力就是自然平衡拱以内的松动岩体的重力。,Terzaghi理论
11、,该理论认为：当隧道的埋深增加到某个限值后，围岩竖向松动压力随埋深的变化的幅度就趋近于零。,在深埋分析中主要采用Terzaghi理论，在浅埋分析中按全部或部分地层压力计算土层压力的方法，并保证最小土压等效高度不小于1.5-2倍隧道外径。,（2）荷载的分类与组合,将垂直土压力看做作用于衬砌顶部的均布荷载，其大小根据隧道的覆土厚度、断面形状、外径和围岩条件决定。,当覆土厚度小于隧道外径，一般不考虑地基的拱效应。 当覆土厚度大于隧道外径时，地基产生拱效应的可能性比较可靠，可以考虑在设计计算时采用松弛土压力。 在砂性土中，当覆土厚度大于12D（D为管片环外径）时多采用松弛土压力。 在粘性土中，如果由硬
12、质粘土（N8）构成的良好地基，当覆土厚度大于12D时多采用松弛土压力。 对于中等固结的粘土（4N8）或软粘土（2N4），将隧道的全覆土作为土压力考虑的实例比较常见。,一般来说，当垂直土压力采用松弛土压力时，考虑施工时的荷载以及隧道竣工后荷载的变化，往往设定一个土压力的下限值。在排水、电力及通信隧道中一般将其作为相当于隧道外径2倍覆土厚度的土压力，铁路隧道则采用隧道外径的1.01.5倍的覆土厚度的土压力值或采用200kN/m2。,计算水平压力有两种方法： 对于粘性土，水压力作为土压力的一部分考虑； 对于砂性土和自立性好的硬质粘土及固结粉土，水压力与土压力分开考虑； 对于中间土和岩质地层，可以将渗
13、透系数10-410-3cm/s作为分界值。,在水压、土压合算时，地下水位以上用天然容重，地下水位以下用饱和容重； 在水压、土压分算时，地下水位以上用天然容重，地下水位以下用浮容重。,侧压力系数的选定对设计截面力有很大影响，要充分考虑地基条件和荷载条件，同时参照类似工程进行慎重研究。,外水压力主要分析处理方法： 外水压力为作用于衬砌外缘的面力（常采用）； 外水压力当作渗透体积力（较符合外水压实际情况）。,对于土质隧道，作用在地下结构上的水压力，按静水压力计算或把水作为土的一部分计入土压力。,水土分算法中，作用于衬砌结构上水压力有径向水压和均布水压两种,地层抗力为隧道结构产生变形向土体挤压时产生的
14、被动抗力，其值根据Winkler假定计算。,式中，K-地层弹性抗力系数，参照日本规范，可按表1.3-89进行分类取值；-相应点的位移,影响盾构隧道侧向抗力的最主要因素有： 土层的软硬程度、含水量等和盾构隧道的埋置深度； 土层的先期固结状态；盾尾间隙填充物的填充质量； 盾构推进时对地层的剪切、挤压、纠偏等引起的土体的扰动； 土体扰动以后，土层的主固结和次固结； 土体的流变效应。,全周弹簧模型的地层反力按照管片径向及切向的变形量来评价，根据Winkler假定计算。地基弹簧模型有只受压的部分地基弹簧模型和受拉的全周弹簧模型有两种,计算模型,传统常用的模型有： 惯用法（和修正惯用法） 铰接圆环模型 梁
15、-弹簧模型 均使用梁结构模拟管片的壳体结构 主要差别是对接头作用的考虑。,均质圆环模型,均质圆环模型是将管片衬砌圆环视作弹性匀质圆环进行分析，惯用法和修正惯用法均采用这种模型。,惯用法不考虑接头对整体刚度的折减和对局部弯矩的分配作用（即=1，=0） 基于Winkler理论，假设地层反作用在水平方向45范围内按三角形形态分布。,惯用法在软弱地层中计算截面内力偏小；反之则大,修正惯用法采用小于1的刚度有效系数来考虑环向接头对整环刚度的影响,当采用错缝拼装方式时，出现弯矩传递现象，混凝土管片产生附加弯矩，则管片设计的弯矩为（1+）M（M计算弯矩值），接头设计的弯矩为（1-）M，而设计的轴力值仍为计算
16、轴力值N；当采用通缝拼装方式时，=0,对于抗力，修正的惯用法采用局部弹簧抗力取代假设三角形分布的地层抗力。 如果该模型过低评价值，则计算的衬砌环变形偏大，截面内力偏小，应充分研究该取值。,铰接圆环模型,铰接圆环模型认为管片间接头不能传递弯矩，是一个可自由转动的铰，其弯曲刚度为0，管片环的块与块之间通过自由铰接而连成一个多铰圆环。,为了使管片环容易发生变形而获得良好的地层抗力，该模型管片环间多数采用通缝拼装，在地层稳定后将管片接头螺栓拆除，使管片接头能自由转动； 适用范围：通常用在地层条件较好的岩层,梁-弹簧模型,梁-弹簧模型是在使用曲梁或直梁单元模拟管片的同时具体考虑接头的位置和接头刚度的计算模型，该模型采用接头抗弯刚度K来体现环向接头的实际抗弯刚度。,当采用通缝式拼装时，在理想情况下各环的受力情况相同； 当使用错缝式拼装时，纵向接头引起衬砌圆
