城市轨道交通结构设计与施工7第七章

1、城市轨道交通结构设计与施工 Structural Design and Construction of Urban Rail Transit 主讲：周顺华 教授 同济大学交通运输工程学院 第七章第七章 盾构法隧道设计盾构法隧道设计 目目 录录 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

2、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。

3、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。

4、 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。 种类种类 特征特征 钢铁管片钢铁管片 混凝土类管片混凝土类管片 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

5、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，

6、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

7、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

8、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

9、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 no ok no ok 荷载计算 荷载分类荷载分类主要荷载主要荷载备注备注 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

10、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 0101 tan/tan/ 11 0 0 (/) (1) tan KHBKHB v BcB epe K 10 / 4/ 2 cot() 2 BR 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： 01 tan/ 11 0 (/) (1) tan KH B v BcB e K

11、 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（ ）和地层反力系数（ K） 土与水的考虑土与水的考虑土的种类土的种类 K K（kn/m3）N值得大致范围值得大致范围 土水分离 非常密实的砂性 土 密实的砂性土 松散的砂性土 0.35-0.45 0.45-0.55 0.50-0.60 30-50 10-30 0-10 固结粘性土 硬的粘性土 中硬粘性土 0.35-0.45 0

12、.45-0.55 0.50-0.65 30-50 10-30 0-10 土水一体 中硬粘性土 软粘土 超软粘土 0.55-0.65 0.65-0.75 0.70-0.85 5-10 0-5 0- v 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 2 e W ga h R 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

13、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EI的环（4.518m 0 2Dh 荷载的计算 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 ： 21 （7-29） 式中： 土水压力引起的 点位移； 1 土反力引起的与上述方向相反的 点位移 2 4 112 4 (2) 24(.0454) c c pqq R EI

14、kR 0.00016374m 作用于管片衬砌体的外荷载的计算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 荷载分布 松动高度 管片环截面内力计算管片环截面内力计算 管片的主截面 管片环截面内力计算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） 00.65227.8000.000 100.59627.906-0.393 200.43928.202-0.705 300.21228.636-0.877 40-0.03929.131-0.876 500.26529.605-0.712 60-0.42929.9

15、88-0.436 70-0.50730.244-0.118 80-0.49830.3780.168 90-0.42030.4290.368 100-0.30030.4250.476 1100.16130.3880.500 120-0.02630.5950.449 1300.08730.3650.346 1400.16830.4140.226 1500.21530.5010.117 1600.23730.5990.043 1700.24330.6760.009 1800.24430.705-0.000 )( M N Q 截面内力的计算 最大截面力一览表（104 Nm/m ） 主体应力主体应力 承

16、受正弯矩和轴向力 应力分布（正弯矩） 管片接头螺栓的设计管片接头螺栓的设计 假设单块管片的阻力矩（绝对值得最小 值）的60%以上为管片街头的容许阻力矩。 单块管片的阻力矩 中心轴的位置： 2 ()()2 () ssss ss n AAn AAn xA dA d nbb 3.711cm 管片的接头参数 混凝土应力达容许应力 15MPa时的力矩：ca ca ()() 23 rcs bxxxd MdnAdd x 2.224104N.m/环 钢筋应力达容许应力c时的容许阻力矩为： ra s ()() 23 () s r bxxxd dnAdd x M n dx 1.387104N.m/环 由于则 ，单快管片的容许阻力矩为： rcrs MM r M 1.387104N.m 管片接头螺栓的设计管片接头螺栓的设计 管片接头的容许弯矩 中心轴的位置： 2 ( 11 B B nAbd x bnA ）3.011cm 接头的容许弯矩为管片的容许弯矩的60%时的螺栓应力： B 0.6 () 3 r B M x A d 196.3MPa 240106MPa 因此，采用直径为8.8mm的螺栓。 螺栓应力达到容许应力时的弯矩： BBa () 3 jrB x