盾构隧道设计基本概念.docx

1、盾构隧道设计基本概念盾构隧道设计基本概念1盾构管片的几何设计1.1隧道线形的选择平纵断面的拟合隧道的中线是由直线及曲线组成。设计常常采用楔形衬砌环（见图 11），来实现盾构隧道在曲线上偏转及纠偏，楔形衬砌环最大宽度与最小宽度之差称为楔形量。一般来说，楔形量的确定具有经验性，应考虑管片种类、环宽、直径、曲线半径、曲线区间楔形管片环使用比例、管片制作的方便性、盾尾操作空隙因素综合确定；管片楔形量还必须为施工留出适当的余裕。如下图所示，阴影部分是管片的平面投影图，圆弧是隧道设计中心线，圆弧中心点O1是隧道的转弯半径所在的中心点，O2是理论上能拼出的最小转弯半径时的圆心，则O2PO1P。a）普通环 b

2、）单侧楔形环 c）两侧楔形环图 11 楔形衬砌环（-楔形角、-楔形量）图 12 楔形量与转弯半径示意图日本曾统计管片外径与楔形量的相关关系，如下图所示。图 13 楔形量的施工统计盾构工程用标准管片（1990年）规定管片环外径与楔形量的关系如表 11所示。表 11 楔形量与管片环外径的关系管片环外径D0D04m4mD06m6mD08m8mD010m10mD0楔形量（mm）15753080309040904070目前，多采用楔形衬砌环与直线衬砌环的组合、左右楔形衬砌环以及通用型管片。1.1.1标准环+楔形环管片拼装时，根据隧道线路的不同，直线段采用标准环管片，曲线段采用楔形管片（左转弯环、右转弯环

3、）用于隧道的转弯和纠偏。楔形环的楔形角由标准管片的宽度、外径和施工曲线的半径而定。采用这类管片时，至少需三种管片模具，即标准环管模、左转弯环管模和右转弯环管模。a）直线段b）曲线段图 14 标准环+楔形环拟合线路通常，以短折线拟合曲线，在设计时常以2标准环+1楔形环来拟合；不得以（极端困难）时，以1标准环+1楔形环来拟合。 一般地，短折线偏离圆曲线或缓和曲线量不宜大于5mm，也有人提出控制在10mm。这就意味着环宽与直径如何匹配是设计需要进一步考虑的问题。1楔形量确定方法可采用下式计算：式中 R隧道中心曲线半径（mm）；楔形量（mm）；m楔形环数；n普通环数；BT楔形环的最大宽度（mm）；B普

4、通环的宽度（mm）；D0管片外径（mm）。2当前常见的楔形量20mm50mm居多。1.1.2全楔形环（通用环）通用管片为只采用一种类型的楔形管片环，经过组合优化，使得楔形管片适用于直线段隧道和曲线隧道。由于只需一种管片类型，可节省钢模数量，且管片拼装自动化程度高。从理论上而言，通用管片可适用于所有单圆盾构施工的隧道工程，其理由在于，通过通用管片的有序旋转可完成直线段和不同半径的曲线段以及空间曲线段。在隧道的实际设计过程中，通用管片更适用于轴线存在较多曲线段以及空间曲线段的隧道。a）直线段b）曲线段图 15 标准环+楔形环拟合线路当采用通用管片拟合曲线时，通风拼装情况下，最小转弯半径的计算可采用

5、如下公式：错缝拼装时，则可按下式计算理论最小转弯半径：式中 Ra管片理论上的最小转弯半径；n纵向螺栓的分组数，即拼装点位总数；B管片环宽；D1管片外径；单面楔形量；另外，还有一种为左右楔形衬砌环，这种管片组合形式采用了两种类型的楔形衬砌环，根据线路偏转方向及施工纠偏的需要，设计左转弯、右转弯楔形衬砌环，在直线段通过左转弯和右转弯衬砌环一一对应组合形成直线。管模类型有两种。施工前，根据设计轴线的走向和管片的几何特征对管片预先进行统筹安排，即“设计排版”；施工时，根据测得的盾构走势和管片姿态进一步确定新的选型方案。管片的线形拟合往往通过盾构导向系统、管片排版拟合系统进行分析。拟合排版的流程图大致如

6、下：图 16 拟合排版流程图1.1.3单一衬砌与复合衬砌单一管线衬砌的楔形量宜控制在较小范围内；而复合式衬砌，可视管片结构为临时承载结构或降低刚度参与永久承载，可采用较大楔形量，比如50mm100mm。1.1.4重视竖曲线的拟合由于竖曲线常常是平曲线的几倍到几十倍，因此在线形拟合时容易忽视；需要注意的是，由于重力的因素，竖曲线实施时更易出现错台或张开现象，进而引起破损或漏水。因此，应重视在有竖曲线情况下的管片排版情况。1.2横断面设计1.2.1隧道内轮廓的内涵表 12 不同用途的隧道断面考虑的问题隧道用途内轮廓概要二次衬砌施作目的坡度排水管道基本上都是将整个内空断面作为可用空间进行内面装修确保

7、粗糙系数；防止向隧道内侧漏水、防止一次衬砌劣化；修正盾构的曲折掘进管渠内流速最低0.60.8m/s，最高3m/s。给水管道在内空断面内设置水道管与管理用通道防止向隧道内侧漏水；修正盾构的曲折掘进电力设置电缆、电缆架及管理用通道防止向隧道内侧漏水；一般不受限制日本:20%上，27%下通讯设置电缆、电缆架及管理用通道防止向隧道内侧漏水；铁路除了车辆的建筑限界外，还设置管理用通道、架线及电气设备与通信设备等防止向隧道内侧漏水；修正列车产生的振动及噪声；修正盾构的曲折掘进燃气管道设置燃气导管，在与内空断面之间的空隙之中多半都用砂或混凝土填充基本上用砂浆等填充；道路除车辆的建筑限界之外，还设置换气管道、

8、换气用设备、避难及管理用通道、电气与通信及防灾设备等防止火灾破坏一次衬砌；防止向隧道内侧漏水；修正盾构的曲折掘进地下河基本上都将整个内断面作为可用空间使用基本上不施作二次衬砌地下贮留管基本上都将整个内断面作为可用空间使用进行内表面装修，确保粗糙系数；防止向隧道内侧漏水；修正盾构的曲折掘进注：二次衬砌还有补强加固管片的作用。盾构隧道净空在具有与用途相适应的形状和大小的同时，还应考虑施工因素来决定。其标准断面形状为圆形。隧道大小的计算如下：D=2（R1+t1+t2+t3）式中，D隧道外径；R1不同用途的必要内空断面的半径；t1二次衬砌的厚度（按其目的，一般为2030cm）；t2施工余量（考虑盾构掘

9、进时的曲折行进及拼装误差等当实施二次衬砌时，也有时将这些余量包括在二次衬砌厚度中）；t3一次衬砌厚度。对于地铁隧道，选择单洞双线隧道还是双线单洞隧道时，要根据沿线条件、障碍物、地形及地质、地下车站规划等条件进行综合地论证。净空断面除考虑建筑限界之外，还要考虑轨道结构、维修躲避通道、车辆电缆、信号通讯、照明通风等附属设备所需的空间和盾构施工误差（上下、左右偏差、变形和下沉等），施工误差一般为50150mm。对于公路隧道，除要按照规定的公路级别考虑建筑限界之外，还需要考虑一定的富余量（如检修通道、照明设备、防灾设备、监视设备、通风设备（如射流风机）、内装修和附属设备的空间）和盾构施工误差来确定。施

10、工误差一般为50150mm，并结合施工条件来确定，公路隧道断面布置如图 17所示。图 17 公路隧道断面布置效果图通常，公路隧道中会考虑在一定的间隔设置紧急停车带而缩小路面宽度或变更断面尺寸，由于盾构隧道施工时不能更改断面，因此在净空断面拟合时，还需综合地考虑隧道的耐久性、施工性和经济性。盾构隧道断面增大，造价增加，结构自稳性会变差；但从长期考虑，较大的断面对通行能力或使用性能方面有很大的发展和富裕空间。1.2.2管片分块图18 管片的构成图管片是事先在工厂制作好的预制件，在构筑隧道时运至现场并拼装成环。管环通常由A型管片（标准块）、B型管片（邻接块）和K型管片（封顶块）构成（见图18）。通常

11、，随着盾构直径的增大，管片分块数量增加。较少的管片分块具有降低施工制造成本、加快拼装速度和衬砌提高止水性能等优点，但是单块管片尺寸和重量将会增加，给管片搬运和拼装等施工带来诸多问题。另外，从结构受力和变形的角度看，不同的分块形式（分块数量、管片大小的差异、K块大小等）对结构分析也有一定的影响，因此设计中应对管片分块数量以及形式进行综合地研究。日本曾对近20年修建的100多条盾构隧道统计表明，对于钢筋混凝土平板型管片，外径在57m的分块数量为57块，以6块居多；弧长多为3.24.5m；标准块的重量多为2050kN；分块数为68块的K块插入角多为7.517.5。1.2.3内部结构的建立公路隧道除了

12、管片结构设计外，还要考虑行车道板的结构设计，通常考虑轮载的最不利位置、自重荷载的等作用效应，对结构进行内力计算。1.3管片设计管片设计是按隧道的横断面和纵断面方向分别来进行的。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，一般根据地震及地基沉降的影响等来分析研究纵断面方向。可以认为管片按照横断面进行设计，按照纵断面进行稳定性验算。目前，对于横断面的设计较为成熟，纵断面的稳定性设计国内做的不多。1.3.1管片类型a）钢筋混凝土管片a）复合管片图 19 管片的类型（按材质分）管片按照材质的不同，主要可分为钢筋混凝土管片、铁质管片、钢管片以及钢板与钢筋混凝土复合管片（见图 19）。按照断面形

13、式的不同主要有箱形、平板形管片（见图 110）。a）铸铁管片 b）钢筋混凝土箱形管片 c）平板形管片图 110 管片的类型钢筋混凝土管片成本低，耐久性好，是目前常用的管片形式。钢管片和铸铁管片的延性和强度好，管片较轻，安装运输方便，耐蚀性好，机械加工后管片精度高，能有效地防渗抗漏，常用于隧道通过高层建筑或桥梁地段，以及地层不均匀的地段。复合管片的构造形式是：外周、内弧面或外弧面采用钢板焊接，在钢壳内部用钢筋混凝土浇灌，形成由钢板和钢筋混凝土复合的管片，常用于区间隧道的特殊段，如隧道与工作井交界处，旁通道连接处，变形缝处，垂直顶升段以及有特殊要求的泵房交界和通风井交界处等。有时也用于高压水条件下

14、的输水隧道中。由于其耐腐蚀性差，造价较高，无特殊要求时不宜大量采用。箱形管片是指因手孔较大而呈肋板型结构的管片。手孔大不仅方便螺栓的穿入和拧紧，而且也节省了大量的材料，并使单块管片重量减轻。箱形管片通常使用在大直径隧道中，但若设计不当时，在盾构推进油缸的作用下容易开裂。平板型管片是指手孔较小而呈现曲板型结构的管片，由于管片截面削弱小，对盾构推进油缸具有较大的抵抗能力，正常运营时对隧道通风阻力也小。目前，国内的盾构隧道（地铁、铁路、公路隧道）大多采用平板型钢筋混凝土管片。1.3.2管片厚度和环宽（1）管片厚度管片厚度由隧道外径、土质条件、上覆土厚度、结构耐腐蚀性等因素共同确定，同时其厚度还必须能

15、够承受住施工时的千斤顶推力，并考虑隧道的使用目的。当官片厚度太薄时，施工时容易产生损伤，进而导致结构稳定性变差。通常厚度增加结构强度变大，且结构的内力会有所增大。管片的厚度一般为管片外径的4%左右，大直径的管片厚度约为外径的5.5%。（2）环宽从搬运、拼装和曲线部位的施工性来看，管片宽度小对施工较为有利，但是环宽的减小将增大管片环数的增加，进而也会导致环缝接头数量的增大，从降低管片制作成本、提高施工速度和提高止水性等角度看，较大的环宽较为有利，但施工时又会有所不便，且对盾构千斤顶的行程要求加大。同时，随着盾构断面的加大，环宽也随之增加，目前国内常用的管片环宽尺寸有1m、1.2m、1.5m、1.

16、8m、2m。设计中，管片环宽的选择应根据隧道的断面、线形、造价、防水，并结合实际的施工经验等因素综合确定。1.3.3接头构造管片接头一般包括接缝、螺栓及其附近（如螺栓孔）的部位。接头的设计需要从力学、防水及施工运输等方面进行考虑。总的来说，接头的构造一般有连接件、榫槽、传力衬垫、弹性密封垫和嵌缝等部分组成。（1）接头形式 接头的对接方式主要有全面对接式、部分表面对接式、键式、搭接式和凹式等。目前盾构箱型管片的接缝多采用平面接触连接，平板型管片多采用全面对接式或有凹凸榫槽的搭接形式。当采用凹凸榫槽的搭接形式时，管片接头抗剪验算的时候，一般不考虑凹凸榫槽的抗剪能力，仅将其看成抗剪的储备。表 13

17、按接头的对接方法的分类对接方法概要特征使用接头的可能性应用情况制造构造施工纵缝环缝全面对接式棱部需要进行倒角处理，有密封槽处要对模板进行加工有效高度大，采用高强度接头时可得到较高的承载力；需设紧固装置来抵抗剪力施工时因拼装误差易在管片棱部及转角处产生破损OO目前普遍采用部分表面对接式加工较为费事接触有效高度较低，接头表面为易于旋转的结构，接头弯矩较全面对接式小；需设紧固装置来抵抗剪力需有较高的拼装精度，尤其是半径方向；需通过紧固装置保证拼装时的稳定性OO日本东京电力都营地铁12号线东京煤气（横滨干线）键式加工较为费事即使不设紧固装置，也能传递剪力；在拼装时需要设导轨在管片内表面因没有直接对接，

18、所以不会因施工荷载所产生的应力集中而使棱角及转角处遭到破坏；拼装就位比较容易，适合自动化控制OO凹凸榫国内有采用，如北京地铁14号线；武汉长江隧道；南京长江隧道采用在接缝端面凹槽中放置圆形剪力棒；东京电力（环T东海松原桥管路）；都营地铁12号线搭接式在搭接的边界部分易于产生缺角需设紧固装置以抵抗剪力要考虑管片的拼装效率；施工时因拼装误差易在管片棱部及转角处产生破损O英国有实例凹式模板的曲面加工比较复杂近似铰接的结构；接头容许旋转，变形大；当为点接触时，不能抵抗剪力需要有较高的拼装精度；端部不容易因施工荷载而产生应力集中，棱角和转角不易破坏OO东北新干线第二上野隧道（2）接头紧固件按照接头的紧固

19、方法不同，可分为有螺栓连接（直螺栓、弯螺栓、斜插螺栓、贯通螺栓等）、无螺栓连接以及销钉连接等，如表 14所示。表 14 接头紧固件形式a）直螺栓b）弯螺栓c）斜螺栓d）贯通螺栓e）开尾销f）水平开尾销g）高刚性构件h）插入式高刚性构件i）长螺栓j）销榫k）快速接头l）锚接头m）销子及螺栓并用目前国内盾构隧道的接头多采用螺栓连接形式，通常环间螺栓的尺寸小于等于管片与管片之间的连接螺栓直径。盾构工程用标准管片（1990）曾确定了接头螺栓的标准配制方法： 对于混凝土平板型管片，尤其需要考虑接头部的应力传递和配筋上的制约、与楔形管片的匹配等可制作性和截面缺损部分的平衡等因素，确定管片宽度方向的螺栓配置

20、；对于箱型混凝土管片，当管片厚度较小时多沿宽度方向一排均匀配置3根螺栓，管片厚度较大时，可按照双排布置，外侧2根内侧3根；对于环间接头螺栓，不论管片的种类和高度如何，大多为1排配置在离管片内侧1/41/2的位置上。钢管片的接头螺栓设计时采用以管片边缘为回转中心的模型计算螺栓受力；混凝土管片则按照螺栓被视为受拉钢筋的钢筋混凝土截面进行设计和验算。（3）传力衬垫在接缝处设置的传力衬垫可作为管片接头受力的缓冲，控制管片开裂。由于传力衬垫的弹性模量远小于混凝土，因此衬垫的厚度对接头刚度的影响较大，可以认为接头的变形很大程度上取决于衬垫的变形。 （4）嵌缝和弹性密封垫嵌缝是在管片环缝、纵缝的内侧设置的嵌

21、缝槽，在槽内添加止水材料来达到防水的目的，通常是接缝弹性密封垫防水的补充，断面形式如下图所示。图 111 嵌缝槽形式示意图弹性密封垫是加设在接缝处防止外部水渗进隧道的一道防线，根据盾构尺寸、设计水压力的不同，可沿管片厚度方向设置一道或两道密封垫防水。1.3.4吊装定位、预留注浆与螺栓孔（1）注浆孔目前，由于多采用盾尾同步注浆技术，管片上的注浆孔大多只有一个，多用作二次补注浆用。注浆孔位于管片的中心，且未沿着管片厚度方向全部贯通，同时注浆孔的减少对衬砌防水有利。设计时，其孔径的大小须根据使用的注浆材料确定，一般采用内径50mm。（2）吊装孔管片上必须考虑设置吊装孔。通常，混凝土平板型管片多将吊装

22、孔和注浆孔合并，在设计时就需要考虑作业的方便性和安全性来确定其形状、尺寸、材料和位置等。（3）螺栓孔表 15 钢管片和混凝土平板型管片螺栓孔尺寸范围螺栓直径（mm）161820222427303336螺栓孔直径（mm）1921232325252727293032333636393941*注：螺栓直径为螺栓规格；螺栓孔直径为最小处的尺寸表 16 混凝土箱形管片螺栓孔尺寸范围（不使用套管）螺栓直径（mm）273033螺栓孔直径（mm）323335383841*注：螺栓直径为螺栓规格；螺栓孔直径为最小处的尺寸1.3.5封顶块（K块）的设计（1）K块的大小K块的大小对于结构内力有一定的影响，研究计算表

23、明K块存在会导致管片的弯矩和剪力的最大值有所增加、且K块的位置的变形量有所增加，同时当小K块位于拱底部的时候其受力不合理；但增大K块对于施工拼装不利，因此设计前对于K块大小的选择也应有所重视。 （2）K块的插入角度和接头角度管片的拼装是从隧道底部开始，先安装标准块（A管片），依次安装相邻块（B管片），最后安装封顶块（K管片）。K块根据管片拼装方式的不同，有从隧道内侧向半径方向插入的径向插入型、从隧道轴向插入的轴向插入型以及两者并用的类型（见图 112）。目前多采用径向插入和轴向插入并用的形式，径向搭接2/3管片宽度，再轴向插入。a）径向插入b）轴向插入图 112 K管片的插入型式对于径向插入型

24、管片，K块需要有一定的接头角度（r），其等于r=k/2+便于K块插入所设定的富裕角度，通常为25，在不妨碍操作的情况下，设计时宜取小值；k管片圆心角。图 113 沿半径方向插入型管片对于轴向插入的管片，K块需要设定接头角度以便于K块沿轴向的插入，通常插入角1多设计为1724，其值多取决于施工条件。随着管片圆心角、厚度的增大，插入角也会有所增加。a-a断面图 114 沿轴向插入型管片目前设计的K管片多为接头角度和插入角度均有的情况。2结构计算与验算2.1衬砌结构计算方法与模型目前，对于管片衬砌的设计大多采用荷载-结构模型，使用极限状态法或容许应力法。也有采地层结构模型的三维有限元计算方法。 按照

25、对于接头的处理方式不同，管片衬砌设计方法大致可以分为以下三种：将管片环视作抗弯刚度均匀的圆环；将管片环视作铰接圆环；将管片环视作有旋转弹簧连接的圆环。从具有代表性的设计方法来看，对于第种，有惯用设计法和修正惯用设计法；对于第种有多铰圆环解析法；对于第种，则有梁-弹簧模型、壳-弹簧模型、梁-接头模型、壳-接头模型等。按照计算模式的不同，可将管片计算模型分为如图 21所示。图 21 按照计算模式不同的管片计算模型分类按照对管片的不同模拟，衬砌计算模型又可分为如图 22所示。图 22 按照管片模拟形式不同的管片计算模型分类按照结构内力计算结果看，通常内力的大小规律如下：多铰圆环法壳-弹簧模型（实体模

26、型）梁-弹簧（接头）模型（修正）惯用法1修正惯用法修正惯用法与惯用法一样，均是将管片环视为刚度均等的环，但其在惯用法的基础上引入了抗弯刚度有效率（1，一般取0.60.8）和弯矩增减率（一般取0.10.3），以接头刚度的降低代表衬砌环的整环刚度的下降。图 23 接头引起的弯矩传递管片环是具有EI刚度的均质圆环，这比惯用设计法更接近实际。由于接头的存在，将向相邻管片传递部分弯矩，使得错缝拼装管片间内力进行重分配，其中(1+)M为主截面的设计弯矩，接头的设计弯矩取为(1-)M，如图 23所示。参数和值因管片的种类、接头的结构形式、错缝拼装方式以及结构形式的不同而不同，主要是根据实验或经验来缺定，其计

27、算荷载系统与惯用法相同。当模型中=1，=0时，则成为惯用法模型，因此该模型实际上是对修正惯用法模型的修正。2多铰圆环法多铰圆环法将管片接头作为铰结构来进行结构内力的计算。该设计思路起源于英国，工程实例在欧洲各国及前苏联等较多。由于多铰的圆环本身是一个不稳定的结构物，其在隧道周围的围压作用下才成为稳定结构，因此对作用于管环的荷载分布以及地基反力的评价极为重要，伴随环的变形和变形而产生的地层抗力，大多采用温克尔(Winkler)的假设，用地基弹簧来表示地层和管片环间的相互作用。相比于其他设计方法，多铰圆环法计算所得管片环弯矩会有相当大的减少，有利于节省工程成本。但是，该方法受隧道所处围岩条件适应性

28、所限，还需深入研究隧道施工对围岩的扰动影响以及隧道结构的防水可靠性等。3梁-弹簧模型（M-K法）梁-弹簧模型考虑错接头的拼装效应而采用的方法，又叫M-K法。该模型考虑了相邻环接头对于中间环内力的影响（通常取两个半环和中间整环计算，以中间整环作为分析对象），其重点是管片接头刚度的取值，即管片间的旋转刚度和环间的剪切刚度，对于接头刚度的取值，最好最直接的是通过管片接头试验确定，其次是采用经验类比和数值模拟的方法。管片接头旋转刚度，是通过接头的关系曲线的斜率来表示的，目前国内外的研究普遍认为，该值的大小会随着管片结构形式的变化而变化。即使在管片结构形式确定的情况下，由于曲线具有非线性特征，使得在整个

29、工作过程中也不完全是一个常量，一般只能通过有针对性的结构试验或者相应的数值模拟得到接头的关系曲线，再取主要工作区间曲线的（平均、割线、两点间）斜率作为接头旋转刚度的值。表 21和表 22分别为国内、日本部分盾构隧道管片接头旋转刚度的取值。表 21 国内部分盾构隧道管片接头旋转刚度值统计工程名称管片外径(m)管 片环向螺栓接头旋转刚度105 kNm/rad厚度(cm)环宽(cm)分块形式南京长江隧道14.5602007+2+13M36斜37.5-4-9.5武汉长江隧道11502009等分4M36弯4，-2.4 (模)广深港狮子洋隧道10.8502005+2+14，-5 (模)南水北调中线穿黄8.7401604+2+14M30直0.450.61（试）-0.45-0.52（试）某水工盾构隧道8.90.120.85(试)成都火车站北站北延隧道110.52009等分2*2M36 直4，-2.4南京地铁南北线6.2351203+2+10.52，-0.63 (模)南京地铁区间盾构隧道6.20.351003+2+10.5，-0.3 (模)广州地铁6301503+2+1