盾构法隧道结构2PPT课件

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1、10 盾构法隧道结构盾构法隧道结构丁文其 教授同济大学地下建筑与工程系21806年年,工程师工程师 Brunel 针对松散饱和软土针对松散饱和软土层发明了最早的层发明了最早的网格式盾构网格式盾构并提出专利。并提出专利。1818年年, Brunel从蛆虫腐蛀船底成洞得到从蛆虫腐蛀船底成洞得到启发，提出了启发，提出了全封闭螺旋式全封闭螺旋式盾构工法盾构工法(土土压平衡盾构的原型压平衡盾构的原型)。18251843年，年， Brunel设计的设计的方形铸铁框方形铸铁框盾构盾构贯通了泰晤士河的第一条隧道。贯通了泰晤士河的第一条隧道。1869年年, Burlow和和Great负责建造泰晤士河负责建造泰晤

2、士河的第二条隧道，的第二条隧道， Great采用新开发的采用新开发的圆形圆形盾构、扇形铸铁管片盾构、扇形铸铁管片。1886年年, Great在南伦敦铁路隧道施工中使在南伦敦铁路隧道施工中使用了用了盾构和压气组合工法盾构和压气组合工法，为现在的盾构，为现在的盾构工法奠定了基础。工法奠定了基础。盾构工法盾构工法本章主要内容本章主要内容衬砌型式和构造砌型式和构造衬砌砌圆环内力内力计算算 衬砌断面砌断面设计隧道防水及其隧道防水及其综合合处理理盾构新型管片盾构新型管片衬砌形式砌形式 10.1 衬砌型式和构造砌型式和构造10.1.1 衬砌断面的型式与砌断面的型式与选型型p衬砌砌结构构在施工在施工阶段段保保

3、护开挖面以防止土体开挖面以防止土体变形、坍形、坍塌及泥水渗入，并承受盾构推塌及泥水渗入，并承受盾构推进时千斤千斤顶顶力及其它力及其它施工荷施工荷载；p在隧道在隧道竣工后竣工后作作为永久性支撑永久性支撑结构构，并防止泥水渗入，并防止泥水渗入，同同时支承支承衬砌周砌周围的水、土的水、土压力以及使用力以及使用阶段某些特段某些特殊需要的荷殊需要的荷载，以，以满足足结构的构的预期使用要求。期使用要求。p依据隧道的使用目的、地依据隧道的使用目的、地层条件以及施工方条件以及施工方法，法，合理合理选择衬砌的砌的强度、度、结构、形式和种构、形式和种类等。等。p盾构隧道横断面一般有盾构隧道横断面一般有圆形、矩形、

4、半形、矩形、半圆型、型、马蹄形、蹄形、椭圆形等多种型式，最常用的形等多种型式，最常用的为圆型与矩型型与矩型。p在在饱和含水和含水软土地土地层中修建隧道，由于中修建隧道，由于顶压和和侧压较为接近，接近，较有利的有利的结构型式是构型式是选用用圆形形结构构。（一）内部使用限界的确定（一）内部使用限界的确定隧道内隧道内轮廓的廓的净尺寸尺寸应根据建筑限界或工根据建筑限界或工艺要求并考要求并考虑曲曲线影响及盾构施工影响及盾构施工偏差和不均匀沉降偏差和不均匀沉降来决定。来决定。1. 车辆限界限界p车辆限界是指在平、直限界是指在平、直线路上运行路上运行中的中的车辆达到的最大运达到的最大运动包迹包迹线。p在确定

5、在确定车辆限界的各个控制点限界的各个控制点时，除除考考虑车辆外外轮廓横断面的尺寸外，廓横断面的尺寸外，还需考需考虑到制造上的公差，到制造上的公差，车轮和和钢轨之之间及在支承中的机械及在支承中的机械间隙、隙、车体横向体横向摆动和在和在弹簧上簧上颤动倾斜斜等。等。2. 建筑限界建筑限界p建筑限界是决定隧道内建筑限界是决定隧道内轮廓尺寸的廓尺寸的依据，依据，是在是在车辆限界以外一个形状限界以外一个形状类似的似的轮廓。廓。任何固定的任何固定的结构、构、设备、管、管线等都不得侵入等都不得侵入这个限界以个限界以内。内。p建筑限界建筑限界由由车辆限界外增加适量安限界外增加适量安全全间隙来求得隙来求得，其，其

6、值一般一般为150200mm。（二）（二）圆型隧道断面的型隧道断面的优点点1.可等同地可等同地承受各方向外部承受各方向外部压力力。饱和含水和含水软土地土地层中中顶压、侧压较为接近，更接近，更显示出示出圆形隧道断面的形隧道断面的优越性；越性；2.施工中施工中易于盾构推易于盾构推进；3.便于便于管片的制作、拼装管片的制作、拼装；4.盾构即使盾构即使发生生转动，对断面的利用也毫无妨碍。断面的利用也毫无妨碍。p用于用于圆形隧道的拼装式管片形隧道的拼装式管片衬砌一般由若干砌一般由若干块组成，分成，分块的数量由的数量由隧道直径、受力要求、运隧道直径、受力要求、运输和拼装能力等因素确定。和拼装能力等因素确定

7、。p管片类型管片类型分为标准块、邻接块和封顶块分为标准块、邻接块和封顶块三类。三类。p管片宽度管片宽度一般为一般为300mm2000mm，厚度为隧道外径的厚度为隧道外径的5%6%，块与块、，块与块、环与环之间用螺栓连接。环与环之间用螺栓连接。（三）（三）单双双层衬砌的砌的选用用p隧道隧道衬砌砌是直接支承地是直接支承地层，保持，保持规定定的隧道的隧道净空，防止渗漏，同空，防止渗漏，同时又能承又能承受施工荷受施工荷载的的结构构。p由由管片拼装的管片拼装的一次一次衬砌砌和必要和必要时在其在其内面灌注混凝土的内面灌注混凝土的二次二次衬砌砌所所组成成。p一一次次衬砌砌为承重承重结构的主体，二次构的主体，

8、二次衬砌主要是砌主要是为了一次了一次衬砌的砌的补强和防止和防止漏水与浸漏水与浸蚀而修筑的而修筑的。p由于由于防水或截水材料防水或截水材料质量的提高，可量的提高，可以以考考虑省略二次省略二次衬砌砌，采用，采用单层的一的一次次衬砌，既承重又防水砌，既承重又防水。p对于于有有压的的输水隧道水隧道，为了承受了承受较大大的内水的内水压力，需做二次力，需做二次衬砌砌。10.1.2 衬砌的分砌的分类及其比及其比较( (一一) )按材料及形式分按材料及形式分类 1钢筋混凝土管片筋混凝土管片 1)箱形管片箱形管片一般用于一般用于较大直径的隧道。大直径的隧道。单块管片重量管片重量较轻，管片本身，管片本身强度度不如

9、平板形管片，特不如平板形管片，特别在盾构在盾构顶力力作用下易开裂。作用下易开裂。 2)平板形管片平板形管片用于用于较小直径的隧道，小直径的隧道，单块管片重量管片重量较重，重，对盾构千斤盾构千斤顶顶力具有力具有较大的抵抗能力，正常运大的抵抗能力，正常运营时对隧道通隧道通风阻力阻力较小。小。2铸铁管片管片p国外在国外在饱和含水不和含水不稳定地定地层中中修建修建隧道隧道时较多采用多采用铸铁管片。管片。p管片管片较轻，耐耐蚀性好，机械加工后性好，机械加工后管片精度高管片精度高，能有效地防渗抗漏。，能有效地防渗抗漏。p缺点是金属消耗量大，机械加工量缺点是金属消耗量大，机械加工量也大，也大，价格昂价格昂贵

10、。p由于由于铸铁管片具有管片具有脆性破坏脆性破坏的特性，的特性，不宜用作承受冲不宜用作承受冲击荷重的隧道荷重的隧道衬砌砌结构。构。3钢管片管片p优点是重量点是重量轻、强度高。度高。p缺点缺点是是刚度小度小，耐，耐锈蚀性差，需性差，需进行机械加工以行机械加工以满足防水足防水要求。要求。成本成本昂昂贵，金属消耗量大，金属消耗量大，国外，国外在使用在使用钢管片的同管片的同时，再在其内，再在其内浇注混凝土或注混凝土或钢筋混凝土筋混凝土内内衬。 4复合管片复合管片p外壳外壳采用采用钢板制成，板制成，在在钢壳内壳内浇注注钢筋混凝土筋混凝土，组成一复合成一复合结构构，其其重量比重量比钢筋混凝土筋混凝土管片管

11、片轻，刚度比度比钢管片大，金属消耗量比管片大，金属消耗量比钢管片管片小。小。p缺点缺点是是钢板耐板耐蚀性差，加工性差，加工复复杂冗繁。冗繁。(二二)按按结构型式分构型式分类p根据不同的使用要求分成根据不同的使用要求分成箱形管片、平板形管片等箱形管片、平板形管片等几种几种结构型式。构型式。p钢筋混凝土管片筋混凝土管片四四侧都都设螺栓与相螺栓与相邻管片管片连接接。平板形管片在特定条。平板形管片在特定条件下件下可不可不设螺栓螺栓，称，称为砌砌块，砌，砌块四四侧设有不同几何形状的接有不同几何形状的接缝槽口，槽口，以便砌以便砌块间和和环间相互相互衔接起来。接起来。 1. 管片管片p适用于不适用于不稳定地

12、定地层内各种直径的隧道，接内各种直径的隧道，接缝间通通过螺栓予以螺栓予以连接。由接。由错缝拼装的可拼装的可视为一匀一匀质刚度度圆环，接，接缝由于由于设置了一排或二排的螺置了一排或二排的螺栓可承受栓可承受较大的正、大的正、负弯矩。弯矩。p环缝上上设置置纵向螺栓向螺栓，具有抵抗隧道，具有抵抗隧道纵向向变形的能力。管片拼装形的能力。管片拼装进度度大大为降低，增加工人降低，增加工人劳动强度，也相度，也相应地增高了施工和地增高了施工和衬砌砌费用。用。2砌砌块p 一般适用于含水量一般适用于含水量较少的少的稳定地定地层内。内。p由于隧道由于隧道衬砌的分砌的分块要求，使由砌要求，使由砌块拼成的拼成的圆环(超超

13、过三三块以上以上)成成为一个一个不不稳定的多定的多铰圆形形结构构。p衬砌砌结构在通构在通过变形后形后(变形量必形量必须予以限制予以限制)地地层介介质对衬砌砌环的的约束使束使圆环得以得以稳定。砌定。砌块间以及相以及相邻环间接接缝防水、防泥必防水、防泥必须得到得到满意的解决，否意的解决，否则会引起会引起圆环变形量的急形量的急剧增加而增加而导致致圆环丧失失稳定，定，形成工程事故。形成工程事故。p砌砌块由于在接由于在接缝上不上不设置螺栓，置螺栓，施工拼装施工拼装进度可加快度可加快，隧道的施工和，隧道的施工和衬砌砌费用也随之而降低。用也随之而降低。(三三) 按形成方式分按形成方式分类p分分为装配式装配式

14、衬砌和砌和挤压混凝土混凝土衬砌砌。p装配式装配式衬砌砌圆环是由分是由分块的的预制管片制管片在盾尾拼装而成的，按照管片所在位在盾尾拼装而成的，按照管片所在位置及拼装置及拼装顺序不同可将管片划分序不同可将管片划分为标准准块、邻接接块和封和封顶块。p有有铸铁、钢、混凝土、混凝土、钢筋混凝土管筋混凝土管片和砌片和砌块之分之分p装配式装配式衬砌的特点在于：砌的特点在于：1.安装后能立即承受荷安装后能立即承受荷载；2.管片生管片生产工厂化，工厂化，质量易于保量易于保证，管片安，管片安装机械化，方便快捷；装机械化，方便快捷；3.其接其接缝处防水需要采取特防水需要采取特别有效的措施。有效的措施。p盾尾后盾尾后

15、现浇混凝土的混凝土的挤压式式衬砌工砌工艺，即高，即高压作用下的盾尾作用下的盾尾处刚浇捣而未硬化的混凝土作而未硬化的混凝土作为盾尾推盾尾推进的后座，盾尾在推的后座，盾尾在推进的的过程中，程中，不不产生建筑空隙，生建筑空隙，空隙由注入的混凝土填充。空隙由注入的混凝土填充。p挤压混凝土混凝土衬砌砌施工方法特点：施工方法特点：1. 自自动化程度高，施工速度快；化程度高，施工速度快；2. 整体式整体式衬砌砌结构可以达到理想的受力、防水要构可以达到理想的受力、防水要求，建成的隧道有求，建成的隧道有满意的使用效果；意的使用效果；3. 采用采用钢纤维混凝土能提高薄形混凝土能提高薄形衬砌的抗裂性能；砌的抗裂性能

16、；4. 在渗透性在渗透性较大的砂大的砂砾层中要达到防水要求尚有中要达到防水要求尚有困困难。(四四)按构造型式分按构造型式分类p可分可分为单层及双及双层衬砌砌两种型式。两种型式。p修建在修建在饱和含水和含水软土地土地层内内的隧道，由于接的隧道，由于接缝防水防水问题，多，多选择双双层衬砌砌结构，外构，外层是装配式是装配式衬砌砌结构，内构，内层是混凝土或是混凝土或钢筋混凝土筋混凝土层。p双双层衬砌砌问题：开挖断面增大，增加了出土量；开挖断面增大，增加了出土量；施工工序复施工工序复杂，延，延长了施工期限，了施工期限，导致了隧道建致了隧道建设成本的增加。成本的增加。解决解决单层衬砌的防水技砌的防水技术和

17、使用效果，以逐步取代双和使用效果，以逐步取代双层衬砌砌结构。构。p外外层衬砌砌视作一施工作一施工临时支撑支撑结构构，简化了外化了外层衬砌的要求。砌的要求。p在内在内层现浇衬砌施工前，砌施工前，对外外层衬砌砌进行清理、堵漏和必要的行清理、堵漏和必要的结构构构构造造处理，然后再理，然后再浇捣内内衬层，并使内，并使内层衬砌与外砌与外层村砌村砌连成一起成一起视作作一整体一整体结构构(或近似整体或近似整体结构构)以共同抵抗外荷以共同抵抗外荷载。10.1.3 装配式装配式钢筋混凝土管片筋混凝土管片 环宽分分块 封封顶块形式形式 拼装方式拼装方式p根据国内外根据国内外实践践经验，无，无论是是钢筋混凝土管片或

18、筋混凝土管片或金属管片，金属管片，环宽一般在一般在3002000mm之之间。环宽过小小会会导致接致接缝数量的增加，加大隧道防水数量的增加，加大隧道防水的的难度；度；环宽过大大虽对防水有利，但也会使盾尾防水有利，但也会使盾尾长度增度增长而影响盾构的灵敏度；而影响盾构的灵敏度；单块管片重量也增大。管片重量也增大。(一一)环宽(二二)分分块p单线地下地下铁道道衬砌分砌分为68块，双双线分分为810块。小断面隧道可分。小断面隧道可分为46块。p少数采用少数采用4等份管片，把管片接等份管片，把管片接缝设置在内力置在内力较小小处，使，使衬砌砌环具有具有较好的好的刚度和度和强度，接度，接缝构造也可相构造也可

19、相应得到得到简化。管片的最大弧、弦化。管片的最大弧、弦长一般一般较少超少超过4 m，管片越薄其管片越薄其长度度应越短越短。 (三三)封封顶管片形式管片形式p考考虑到施工方便以及受力的需要，到施工方便以及受力的需要，趋向于采用向于采用小封小封顶形式形式。p封封顶块的拼装形式有两种：的拼装形式有两种：径向楔入和径向楔入和纵向插入向插入。后者封。后者封顶块受力情受力情况况较好好，在受荷后，封，在受荷后，封项块不易向内滑移，但缺点是需加不易向内滑移，但缺点是需加长盾构千斤盾构千斤顶行程。行程。(四四)拼装方式拼装方式p圆环的拼装方式：的拼装方式：通通缝、错缝所有所有衬砌砌环的的纵缝环环对齐的称的称为通

20、通缝；而；而环间纵缝相互相互错开，犹如开，犹如砖砌体一砌体一样的称的称为错缝。通通缝拼装拼装时为十字型式，在十字型式，在接接缝防水防水上丁字上丁字缝比十字比十字缝较易易处理。理。圆环衬砌砌采用采用错缝拼装拼装较普遍，其普遍，其优点在于能加点在于能加强圆环接接缝刚度，度，约束接束接缝变形，形，圆环近似地可按匀近似地可按匀质刚度考度考虑。当管片制作精度不当管片制作精度不够好好时，采用，采用错缝拼装形式容易管片在拼装形式容易管片在盾构推盾构推进过程中程中顶碎；另外在碎；另外在错缝拼装条件下，拼装条件下，环、纵缝相交相交处呈丁字型式；呈丁字型式；21通通缝 1.甲型：甲型：环向短直螺栓、向短直螺栓、纵

21、向向为头尾相尾相 接的接的长螺栓螺栓 2.乙型：乙型：环向向单头螺栓、螺栓、纵向向为弯螺栓弯螺栓 3.丙型：丙型：环向、向、纵向向为短直螺栓短直螺栓错缝： A-B-A, A-B-C错逢拼装形式10.1.4 管片接管片接缝（头）构造）构造p管片管片间的接的接缝（头）（下称接）（下称接头）有两）有两类：沿：沿纵向（接向（接头面平行于面平行于纵轴）的称）的称纵向接向接头，沿，沿环向（接向（接头面垂直于面垂直于纵轴）的称）的称环向接向接头。从其力学特性可分从其力学特性可分为柔性和柔性和刚性接性接头 ；前者要求相前者要求相邻管片管片间允允许产生微小的生微小的转动与与压缩，后者，后者则是通是通过增加螺栓数

22、增加螺栓数量等手段，力量等手段，力图在构造上使接在构造上使接头刚度与构件本身相同。度与构件本身相同。基本的接基本的接头结构有构有螺栓接螺栓接头、铰接接头、销插入式接插入式接头、楔、楔形接形接头、榫接、榫接头等等。等等。弯螺栓直螺栓斜直螺栓暗销接头纵径向销接头24滑动式销钉管片滑动式销钉（C型金属构件）滑动式销钉（T型金属构件）快速接头滑动式销钉管片安装后隧道传统的螺栓或销钉管片常规的螺栓或销钉管片安装成型后隧道内侧完全光滑型内侧完全光滑型单向接触组装的管片的构造（滑动式销钉管片单向接触组装的管片的构造（滑动式销钉管片）10.1.5 其它构造其它构造（一）（一）纵肋肋对钢管片和管片和钢筋混凝土箱

23、型管片，筋混凝土箱型管片，纵肋配置必肋配置必须保保证千斤千斤顶推力均推力均匀匀传递。钢制管片上，制管片上，纵肋必肋必须考考虑等等间隔配置，其数量至少要按隔配置，其数量至少要按2条条纵肋支肋支承承1块压力力垫的比例配置，否的比例配置，否则不可能均匀不可能均匀传递千斤千斤顶推力。推力。对箱型管片，箱型管片，纵肋的配置方法肋的配置方法应和和钢制管片的一制管片的一样，其数量一般和，其数量一般和盾构千斤盾构千斤顶数量相同。数量相同。（二）注（二）注浆孔孔为均匀注均匀注浆，通常每个管片上，通常每个管片上设置一个或一个以上注置一个或一个以上注浆孔孔。由于注。由于注浆孔数量的增加会增加可能的渗漏水通道，且目前

24、广泛采用盾尾同孔数量的增加会增加可能的渗漏水通道，且目前广泛采用盾尾同步壁后注步壁后注浆方式，管片上的注方式，管片上的注浆孔往往用作二次注孔往往用作二次注浆。因而，国内。因而，国内采用采用较多的是多的是每个管片上每个管片上仅设置一个注置一个注浆孔孔。注注浆孔直径孔直径须依据使用的注依据使用的注浆材料确定，材料确定，一般采用内径一般采用内径50mm左右。左右。（三）起吊（三）起吊环必必须考考虑设置起吊置起吊环。混凝土平板型管片和球墨混凝土平板型管片和球墨铸铁管片管片大多将壁大多将壁后注后注浆孔同孔同时兼作起吊兼作起吊环使用，而使用，而钢管片管片则需另需另设置起吊配件。置起吊配件。10.2 衬砌砌

25、圆环内力内力计算算p隧道隧道衬砌砌结构构设计必必须满足足两个基本要求两个基本要求：满足足施工及使用施工及使用阶段段结构构强度、度、刚度的要求，承度的要求，承受受诸如水、土如水、土压力及一些特殊使用要求的外荷力及一些特殊使用要求的外荷载；满足使用功能要求的足使用功能要求的环境条件境条件，保持隧道内部的，保持隧道内部的干燥和干燥和洁净，特，特别是在是在饱和含水和含水软土地土地层中采用中采用装配式装配式钢筋混凝土管片筋混凝土管片结构构时对衬砌防水的措施。砌防水的措施。10.2.1 钢筋混凝土管片的筋混凝土管片的设计要求和方法要求和方法p按照按照强度、度、变形、裂形、裂缝限制限制等需要分等需要分别验算

26、。算。p确定确定衬砌砌结构的几个工作构的几个工作阶段段施工荷施工荷载阶段，段，基本使用荷基本使用荷载阶段和特殊荷段和特殊荷载阶段，段，提出各个工提出各个工作作阶段的荷段的荷载和安全和安全质量指量指标要求要求(衬砌裂砌裂缝宽度，接度，接缝变形和直径形和直径变形的允形的允许量，隧道抗渗防漏指量，隧道抗渗防漏指标，结构安全度，构安全度，衬砌砌内表面平整度要求等内表面平整度要求等)，进行行各个各个工作工作阶段和段和组合合工作工作阶段的段的结构构验算。算。10.2.2 结构构计算方法的算方法的选择p 荷荷载结构法和地构法和地层结构法：下面着重介构法：下面着重介绍荷荷载结构法。构法。p荷荷载结构法：三要素

27、（荷构法：三要素（荷载模式，模式，结构模型，构模型，结构与地构与地层共同作用）共同作用）p 荷荷载模式：模式：浅埋与深埋、水土合算和分算浅埋与深埋、水土合算和分算p结构模型构模型:(1) 饱和含水地和含水地层中，常采用中，常采用匀匀质(等等刚度度)圆环计算方法算方法。(2) 在不在不稳定地定地层中，多中，多铰圆环结构构(铰的数量大于的数量大于8个个)处于于结构不构不稳定状定状态。(3) 在在稳定地定地层中，中，衬砌砌环按多按多铰圆环计算是十分算是十分经济合理的合理的。对圆环变形量要有一定的限制，形量要有一定的限制，并并对施工要求提出必要的技施工要求提出必要的技术措施。措施。p结构与地构与地层共

28、同作用：共同作用：全周模式和局部模式全周模式和局部模式10.2.3 荷载的确定荷载的确定10.2.3 荷荷载的确定的确定荷载分类荷载分类 表 10-2a基本荷载1.地层压力2.水压力3.自重4.上覆荷载的影响5.地基抗力附加荷载1.内部荷载2.施工荷载3.地震的影响特殊荷载1.平行配置隧道的影响2.接近施工的影响3.其他 计算工况 荷载种类荷载组合系数第一组合施 工 阶 段第二组合运 行 阶 段第三组合地 震 验 算地面超载1.4结构自重1.2地层垂直土压力1.2地层水平土压力1.2外水压力1.2道路设计荷载1.4盾构千斤顶顶力1.2不均匀注浆压力1.2地震荷载1.3表表 10-2b计算工况荷

29、载组合表计算工况荷载组合表(一一)基本使用基本使用阶段段(环宽按按1m考考虑)p深埋地层竖向土压：泰沙基公式以泰沙基公式以及及苏联的普的普罗托季雅柯托季雅柯诺夫公式。夫公式。p侧向主向主动土土压侧向主向主动士士压大都按大都按朗金公式朗金公式 计算。算。但但侧压常受地常受地层、施工方法和、施工方法和衬砌砌结构构刚度的影响，有度的影响，有时会出会出现很大的差异。例如在采用很大的差异。例如在采用挤压盾构法施工盾构法施工时，刚开开始始时侧压很大、很大、顶压小于小于侧压，隧道出，隧道出现“竖鸭蛋蛋”现象。象。含水砂土含水砂土层采用水土分算原采用水土分算原则，含水粘土，含水粘土层中中则采用水土采用水土合算

30、原合算原则。确定确定侧压系数系数时必必须谨慎慎对待待，日本隧道，日本隧道衬砌砌设计常常对侧压系数系数选择范范围大致在大致在0.30.8之之间，也有不超，也有不超过0.7的做法。的做法。(二二)施工施工阶段段1管片拼装管片拼装：钢筋混凝土管片拼装成筋混凝土管片拼装成环时，对纵向接向接缝拧紧螺栓，由于管片制作精度不高，螺栓，由于管片制作精度不高，环面接触不平，往往面接触不平，往往在在拧紧螺栓螺栓时，使，使管片局部出管片局部出现较大的集中大的集中应力力，导致管致管片开裂和存在着局部内片开裂和存在着局部内应力。力。2盾构推盾构推进：由于制作和拼装的由于制作和拼装的误差管片的差管片的环缝面往往面往往是参

31、差不平的。是参差不平的。当盾构千斤当盾构千斤顶施加在施加在环缝面上，特面上，特别是千是千斤斤顶顶力存在偏心状力存在偏心状态情况下，极易使管片开裂和情况下，极易使管片开裂和顶碎碎。3衬砌背后砌背后压注注：衬砌背后的建筑空隙内注以水泥砌背后的建筑空隙内注以水泥浆或水或水泥砂泥砂浆等材料。等材料。软土地土地层注注浆材料不是均匀分布在材料不是均匀分布在衬砌四砌四周，而周，而仅是是局部聚集在注局部聚集在注浆孔的一定范孔的一定范围内内，过高的注高的注浆压力常引起力常引起圆环变形和出形和出现局部的集中局部的集中应力，封力，封顶楔形楔形块管片也会向内滑移。管片也会向内滑移。 4衬砌砌环刚出盾尾：出盾尾：衬砌砌

32、顶部土部土压即迅速作用到即迅速作用到衬砌上，砌上，而而侧压却因某种原因未能及却因某种原因未能及时作用，作用，这时衬砌可能砌可能处于比于比基本使用基本使用阶段更段更为不利的工作条件。不利的工作条件。 p不利工作条件的因素很多，不利工作条件的因素很多，难以事先估以事先估计衬砌砌结构在施工构在施工阶段引起的。目前一般的段引起的。目前一般的处理方法是除理方法是除实地地观测和提出相和提出相应改改进措施外，措施外，还常常采用一个采用一个笼统的附加安全系数的附加安全系数，以保，以保证衬砌砌结构的一定安全度。构的一定安全度。(三三)特殊荷特殊荷载阶段段 p根据使用需要根据使用需要还得得进行特殊荷行特殊荷载阶段

33、的段的验算；算；p属于属于瞬瞬时性的荷性的荷载，且荷，且荷载作用作用时间又短，但往往是又短，但往往是控制控制衬砌砌结构构设计的关的关键。p可妥善合理可妥善合理选择结构的附加安全系数和适当提高建筑材料构的附加安全系数和适当提高建筑材料的物理力学性能指的物理力学性能指标。荷荷载结构法构法 自由自由变形与形与侧向向弹性抗力均性抗力均质模型模型日本修正的日本修正的惯用法用法: 等效等效刚度模型度模型多多铰圆环结构模型构模型直直( (曲曲) )梁梁接接头连续模型（梁模型（梁弹簧模型）簧模型）衬砌结构计算模型衬砌结构计算模型：10.2.4 衬砌内力计算衬砌内力计算（1）自由）自由变形均形均质模型模型在饱和

34、含水软土地层中，主要由于工程上的防水要求对由装配式衬砌组成的衬砌圆环，其接缝必须具有一定的刚度，以减小接缝变形量。由于相邻环间接错缝拼装，并设置一定数量的纵向螺栓或在环缝上设有凹凸榫槽，使纵缝刚度有了一定的提高。因此，圆环可近似地认为一均质刚度圆环。由于荷载的对称性，故整个圆环为二次超静定结构。按结构力学力法原理，可解出各千截面上的M、N值。(一)自由自由变形与形与侧向向弹性抗力均性抗力均质模型模型计算法算法（2）侧向向弹性抗力均性抗力均质模型模型国际隧协推荐两种估算方法，即 - 法法和旋转弹簧（半铰）K-（ 法）。（1） - 法p圆环抗弯刚度为EJ（为抗弯刚性的有效率，1），计及圆环水平直径

35、处变位y，两侧抗力pk=ky后，考虑错缝拼装管片接头部弯矩的传递，结构整体加强效果。p接头处 p管片 式中 弯矩调整系数0.6 0.8， 0.3 0.5 。如果管片环内没有接头，则=1， =0错缝拼装弯矩传递及分配示意图（二）日本修正（二）日本修正惯用法用法（2） K-x法弹簧铰模型用一个旋转弹簧（半铰）模拟接头，且假定弯矩与转角成正比p管片环没有接头，则K= ，x=0 。p若假定管片环的接头为铰接，则K= 0 ，x=1 (三三)多多铰圆环结构模型构模型计算法算法(1)日本山本稔法p该原理在于圆环多铰衬砌环在主和被动土压作用下产生变形，圆环由一不稳定结构逐渐转变成稳定结构，圆环变形过程中，铰不

36、发生突变。计算假定： 1)适用于圆形结构。 2)衬砌环在转动时，管片或砌块视作刚体处理。 3)衬砌环外围土抗力按均匀分布，土抗力的计算满足对砌环稳定性的要求，土抗力作用方向全部朝向圆心。 4)计算中不计及圆环与土壤介质间的摩擦力。 5)土抗力和变形间关系按Winkler公式计算。（四）（四） 直直(曲曲)梁梁接接头连续模型模型计算法算法（梁（梁弹簧模型）簧模型）结构力学方法构力学方法：建立在：建立在线弹性理性理论基基础上，即接上，即接头弹簧和管片本身均簧和管片本身均为弹性体。采用卡氏第二定性体。采用卡氏第二定理，先求得柔度理，先求得柔度阵，再，再对之求逆，即得到之求逆，即得到刚度度阵。日本日本

37、现行行设计法法：地：地层弹簧作用与否按平衡迭代簧作用与否按平衡迭代方式方式进行。行。对错缝式拼装，将式拼装，将纵向向连接螺栓作用接螺栓作用模模拟成接成接头元。元。以直梁弹簧元为例，有:纵向螺栓剪切模型向螺栓剪切模型其基本原理同上其基本原理同上纵向螺栓剪切模型纵向螺栓剪切模型 或:接头材料模式及其刚度系数接头材料模式及其刚度系数线性模式线性模式正负不对称正负不对称 正负对称正负对称 正负不对称正负不对称双双线性模式性模式正负不对称正负不对称 正负对称正负对称 正负不对称正负不对称地地层抗力模式抗力模式局部地层弹簧模式局部地层弹簧模式 全周地层弹簧模式全周地层弹簧模式地层弹性抗力由下式给出：地层弹

38、性抗力由下式给出：其中10.3 衬砌断面砌断面设计p在基本使用荷在基本使用荷载阶段，需段，需进行行抗裂或裂抗裂或裂缝限制，限制，强度和度和变形形等等验算。算。p组合合基本荷基本荷载阶段和特殊荷段和特殊荷载阶段的段的衬砌砌内力内力时，一般，一般仅进行行强度度检验，变形和裂形和裂缝开展可不予以考开展可不予以考虑。10.3.1 抗裂及裂抗裂及裂缝限制的限制的计算算(一一) 抗裂抗裂计算算(二二) 裂裂缝宽度度验算算10.3.2 衬砌断面砌断面强度度计算算p衬砌砌结构根据不同工作构根据不同工作阶段的最不利内力，分段的最不利内力，分别进行正行正负弯矩的偏弯矩的偏压构件构件强度度计算和截面算和截面选择。p

39、接接缝部位上的部分弯矩部位上的部分弯矩M值可通可通过纵向构造向构造设置，置，传递到相到相邻环的截面上去的截面上去(环缝面上的面上的纵向向传递能能力必力必须事先估算并于事后通事先估算并于事后通过结构构试验予以予以检定定)。p纵向向传递能力大致能力大致为2040M，其弯矩，其弯矩M值应乘以乘以传递系数系数1.3，而接，而接缝部位部位则乘以折减系数乘以折减系数0.7。10.3.3 衬砌砌圆环的直径的直径变形形计算算10.3.4 纵向接向接缝计算算(一一)接接缝张开的开的验算：算：p管片拼装之管片拼装之际由于受到螺栓由于受到螺栓预应力的作用，在力的作用，在接接缝上上产生生预压应力力当接当接缝受到外荷后

40、的受到外荷后的应力状力状态(二二)纵向接向接缝强度度计算算p都采用一种近似的都采用一种近似的计算方法，算方法，实际的接的接缝承承载能能力力必必须通通过接接头试验和整和整环试验求得求得。p一般一般接接缝强度的安全系数度的安全系数应大于大于断面断面强度安全系度安全系数。数。10.3.5 环缝的近似的近似计算算10.4 隧道防水及其隧道防水及其综合合处理理p必必须从管片生从管片生产工工艺，衬砌砌结构构设计，接，接缝防水防水材料等几个方面材料等几个方面进行行综合合处理，其中尤以理，其中尤以接接缝防防水材料的水材料的选择为突出的技突出的技术关关键。10.4.1 衬砌的抗渗砌的抗渗p衬砌埋砌埋设在含水地在

41、含水地层内，承受着一定静水内，承受着一定静水压力，必力，必须具有相当具有相当的抗渗能力，的抗渗能力，衬砌本身的抗渗能力要求：砌本身的抗渗能力要求： （1）合理提出）合理提出衬砌本身的砌本身的抗渗指抗渗指标。 （2）经过抗渗抗渗试验的混凝土的的混凝土的合适配合比合适配合比，严格控制水灰比，格控制水灰比，一般不大于一般不大于0.4，另加塑化，另加塑化剂以增加混凝土的和易性。以增加混凝土的和易性。 （3）衬砌构件的砌构件的最小混凝土厚度和最小混凝土厚度和钢筋保筋保护层。 （4）管片生管片生产工工艺：振：振捣方式和养方式和养护条件的条件的选择。 （5）严格的格的产品品质量量检验制度制度。 （6）减少管

42、片在堆放、运）减少管片在堆放、运输和拼装和拼装过程中的程中的损坏率坏率。10.4.2 管片制作精度管片制作精度p管片制作精度管片制作精度对于隧道防水效果具有很大的影响。管片制于隧道防水效果具有很大的影响。管片制作精度不作精度不够引起隧道漏水。引起隧道漏水。p制作精度制作精度较差的管片，差的管片，再加上拼装再加上拼装误差的累差的累计，往往，往往导数数衬砌拼装砌拼装缝不密不密贴而出而出现了了较大的初始接隙，当管片防水大的初始接隙，当管片防水密封密封垫的的弹性性变形量不能适形量不能适应初始接隙初始接隙时就会漏水。就会漏水。p管片制作精度的不管片制作精度的不够，造成管片的造成管片的顶碎和开裂碎和开裂，

43、造成漏水。，造成漏水。p必必须要有一个高精度的要有一个高精度的钢模。模。10.4.3 接接缝防水的基本技防水的基本技术要求要求 （1）保持永久的）保持永久的弹性状性状态和具有足和具有足够的承的承压能力，使之适能力，使之适应隧道隧道长期期处于于“蠕蠕动”状状态而而产生的接生的接缝张开和开和错动。 （2）具有令人）具有令人满意的意的弹性期性期龄和工作效能。和工作效能。 （3）与混凝土构件具有一定的粘）与混凝土构件具有一定的粘结力。力。 （4）能适）能适应地下水的侵地下水的侵蚀。p环缝密封密封垫需要有需要有足足够的承的承压能力和能力和弹性复原力性复原力，能承受和均布，能承受和均布盾构千斤盾构千斤顶顶

44、力，防止管片力，防止管片顶碎。并在千斤碎。并在千斤顶顶力往复作用下，力往复作用下，密封密封垫仍保持良好的仍保持良好的弹性性变形性能。形性能。p纵缝密封密封垫具有比具有比环缝密封密封垫相相对较低的承低的承压能力，能能力，能对管片的管片的纵缝初始初始缝隙隙进行填平行填平补齐，并，并对局部集中局部集中应力具有一定力具有一定缓冲和冲和抑制作用。抑制作用。p较可靠的是在可靠的是在环、纵缝沿隧道内沿隧道内侧设置置嵌嵌缝槽槽，在槽内填嵌密封，在槽内填嵌密封防水材料。防水材料。10.4.4 二次二次衬砌砌p常采用双常采用双层衬砌。砌。p在外在外层装配式装配式衬砌已砌已趋基本基本稳定的情况下，定的情况下，进行二

45、次内行二次内衬浇捣，在内在内衬混凝土混凝土浇筑前筑前应对隧道内隧道内侧的渗漏点的渗漏点进行修行修补堵漏，堵漏，污泥以高泥以高压水冲水冲浇、清理。、清理。p内内衬混凝土混凝土层的厚度根据防水和内的厚度根据防水和内衬混凝土施工的需要，至少混凝土施工的需要，至少不得小于不得小于150mm，也有厚达，也有厚达300mm。有在外有在外层衬砌砌结构内直接构内直接浇捣两次内两次内衬混凝土；混凝土；也有在外也有在外层衬砌的内砌的内侧面先面先喷注注20mm厚的找平厚的找平层，再，再铺设油毡或油毡或合成橡胶合成橡胶类的防水的防水层，再，再浇注内注内衬混凝土混凝土层。p内内衬混凝土一般都采用混凝土混凝土一般都采用混

46、凝土泵再加再加钢模台模台车配合分段配合分段进行，行，每段大致每段大致为8lOm左右。内左右。内衬混凝土每二十四小混凝土每二十四小时进行一个施行一个施工循工循环。隧道隧道顶拱部分混凝土拱部分混凝土质量不易保量不易保证，尚需，尚需预留留压浆孔孔进行行压注填注填实。p也有用也有用喷射混凝土射混凝土进行二次行二次衬砌。砌。10.4.5 其它其它p隧道防水隧道防水还有其它的一些附加措施可以采用，有其它的一些附加措施可以采用，诸如如隧道外隧道外围的的压浆，以及地，以及地层注注浆等，等，视不同情不同情况予以采用。况予以采用。10.5 盾构新型管片盾构新型管片衬衬砌形式砌形式简简介介10.5.1 双双圆盾构管

47、片盾构管片衬衬砌砌10.5.2 通用管片通用管片衬衬砌砌10.5.3 预应预应力管片力管片10.5.4 钢纤维钢纤维复合管片复合管片思考思考题1.盾构法隧道的适用条件和特点？2.盾构法隧道衬砌管片形式有哪些？举出三种常见型号并简述其各自特点和使用条件？3.盾构法隧道结构计算模式有那几种？各有何优劣？如何考虑接头的影响？4.盾构法隧道结构的水土荷载如何计算？试分析地层抗力对隧道结构内力的影响？5.简述几种新型管片形式的特点。6.盾构法圆形衬砌管片拼装方式有那几种？各有何有缺点和适用性？7.盾构法隧道衬砌内力分布与管片结构的关系？ 8.盾构法隧道衬砌结构断面选择时都应验算哪些内容，在验算时都应注意什么？9.盾构法隧道衬砌结构的防水、抗渗都可以采取那些措施。计算算题如图所示，为一软土地区地铁盾构隧道的横断面，又一块封顶块K,两块邻接块L,两块标准块B以及一块封底块D六块管片组成，衬砌外径6200mm,厚度为350mm,采用通缝拼装，混凝土强度为C50，环向螺栓为5.8级。管片裂缝宽度允许值为0.2mm,接缝张开允许值为3mm。地面超载为20kPa。试计算衬砌内力，画出内力图，并进行隧道抗浮、管片局部抗压、裂缝、接缝张开等验算及管片配筋计算。