地铁盾构法施工管片衬砌结构设计

地

铁

与

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轨

结

课

论

文

学院：力建与建筑工程学院班级：土木09-9班

姓名：梁智

学号：02090417

地铁盾构法施工管片衬砌结构设计

摘要：隧道衬砌是承受隧道周围的水、土等荷载，以确保隧道结构净空和安全的地下结构。衬砌分为一次衬砌和二次衬砌。一次衬砌最常用的是管片拼装式衬砌。采用拼装式衬砌时，一次衬砌到隧道轴向（纵向）一定长度（通常为1000mm~ 2000mm）的一段环状物称为管环；管环沿周向分割成n块弧状板块，该弧状板块既称为管片。管片的拼装设计、管环的分块设计等的合理性对隧道的承载能力、稳定性等性质起到至关重要的作用。

关键字：盾构隧道管片分块通缝拼装和错缝拼装

1、设计思路

管片设计是从隧道横断面和纵断面方向两个方面进行。通常，管片的断面取决于横断面方向的设计，而地震、地基沉降带来的影响等，一般根据需要在纵断面方向的设计中进行研究。

2、设计需要考虑的因素

管片从隧道施工开始到施工完毕后的很长时间内，都要担负着支撑各种荷载和确保隧道安全的使命。管片衬砌的设计目的就是确认覆盖整个隧道的衬砌的安全性，同时找出最合理最经济的衬砌结构。

但隧道结构应力由于施工条件、地质条件、环境条件等因素的不同，复杂多样、并且作用荷重也是一个不确定因素，所以正确把握这些现象是非常困难的。因此在设计衬砌时，首先应对各种条件做充分勘察，然后再从经验和理论两个方面去设定去设定荷重及选择计算方法。管片设计时需要考虑的因素如下：

2.1 确保隧道构造的安全

必须保证能够承受从开工到竣工后的长期使用阶段作用于隧道上的各种荷载（静、动荷载）作用。

2.2降低成本

就盾构隧道而言，管片制作成本通常占盾构法隧道总造价的30%—50%，合理的设计管片就是降低盾构隧道造价的关键环节。

2.3制作及施工容易

管片设计时，还应考虑管片制造（制作工艺、养护方法）、管片拼装成管环，直至串接成一次衬砌施工的方便性，并考虑对其他施工工序的影响小等因素。

3、管片设计原则

3.1 边界条件确定

按施工工艺及工程水文地质特点确定设计荷载及边界条件，从结构和非结构两方面做出符合技术标准的设计。

3.2构造形式的选择

根据隧道的用途、土质条件及施工方法等因素选择管片的种类、构造、形式及强度。

中小直径的上下水隧道，电力电信隧道多采用钢筋混凝土管片和钢管片；对铁路、公路等大直径隧道而言，已选择钢筋混凝土管片为主，偶尔也会使用铁铸管片和钢管片。无论什么地层都应先对钢筋混凝土箱型和平板型管片的适应性进行论证。当存在特殊荷载作用时也可考虑铁铸管片和钢管片的适用性。

在计算管环的断面应力时，应根据管片的种类、接头方式、接头的位置组合产生的接头效应等因素确切的评价衬砌构造特征。计算管环断面应力时，是把管环看作具有均质刚度的环还是看做多铰支环，或是看做具有转动弹簧和剪切弹簧环来考虑，应根据隧道的用途、地质土层、衬砌构造特征决定。

3.3按允许应力法设计计算

管片设计须在充分满足与用途相对应的构造安全性的基础上，进而在选用合格材料、合理施工方法的前提下，按允许应力法进行设计计算。

技术经济性比较

全面考虑工程造价、使用年限、长期维修费用及运营中的经济效益，对设计做经济技术性比选。

4、主体结构设计

4.1管片的外径

盾构发隧道中由于一次衬砌是采用管片拼装而成，因此习惯把隧道的外径称为管片的外径，管片的外径取决于隧道净空和衬砌厚度（管片厚度、二次衬砌厚度等）。对于地铁区间单线隧道，管片的外径一般为6.0米左右。

4.2管片的厚度与幅宽

管片的厚度是指盾构隧道一次衬砌的厚度。对于箱型管片，则为管片的主梁高。管片幅宽是指一环管片在隧道纵向的宽度。

管片的厚度与隧道断面大小的比，取决于土质条件、覆盖层的厚度等，最主要的是取决于荷载条件。一般情况下。管片厚度为管片外径的4%左右，但对于大直径的隧道，尤其是箱型管片，约为5.5%左右。

管片的幅宽应根据隧道的断面，结合实际施工经验，选择在经济性、施工性方面较合理的尺寸。从便于搬运、组装以及出于对隧道曲线段上施工时盾尾长度的考虑，管片幅宽是小一些为好。但是，从降低管片制造成本，减少易出现漏水等缺陷的接头部数量、提高施工速度等方面考虑，则幅宽大一些为好。根据目前经验，是隧道断面大小而异，幅宽一般在300~1500mm范围之内。采用钢管片时，多为750~1200mm；采用混凝土管片时，多为900~1200mm。

4.3管片的分块

盾构隧道的衬砌有多块预制管片在盾尾内拼装而成，管片环的分块主要由管片制作、运输、安装等方面的实践经验确定，但应满足受力要求。从过去

的经验及实际运用情况来看。地铁隧道分块为6~8块较多。上下水道、电力

通信等隧道一般分为5~7块。

管片A型管片、两块B型管片和一块封顶

的K型管片组成，如下图所示。K型管片有从

隧道内侧插入的（半径方向插入型），也有从隧

道轴方向插入的（轴方向插入型）。

4.4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（αr），沿轴方向插入的

角度称为插入角（α1）。K型管片的接头角和插入角度必须

界面内力传递、组装作业施工条件和管片生产条

件确定。

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（αr）以下式计算αr=θk/2+θw，上式中的θw是为便于K型管片的插入所需要的富裕角度，

一般采用02~05，但在不妨碍操作的前提下，小一些为好。

如果是轴向插入型管片，其中K型管片一般不需要接头角度（αr）。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（α1）。管片的插入角度多取决于施工条件，但是取017~024的居多。

4.5管片的楔形量

盾构在曲线段施工和蛇形修正时，需要使用一种幅宽不等的管片环，称为楔形管片环。当其宽度特别小呈窄板状时称为楔形垫板环。楔形管片环中最大宽度与最小宽度称为楔形量。

通常，蛇形修正用楔形管片环数量大概是直线区间所需管片环数量3%~5%。如果是可以将蛇形修正楔形管片环作为缓曲线用楔形管片环使用，而且可以使用的缓曲线线区间比较长时，楔形管片环的数量应为直线区间和这些缓曲线区间所需环数之和的3%~5%。

楔形量出了根据管片种类、管片宽度、管片环外径、曲线区间楔形管片环使用比例、管片制作的方便性确定外，还应根据盾尾操作间隙而定。总结过去的使用经验，绝大多数混凝土管片环的楔形量在75mm以内。对于口径大于10m的或特殊形状的隧道，楔形量的确定还需进一步计算校核。

4.6管片的拼装

盾构隧道的拼装方式有两种，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。而采用错缝拼装时，管片衬砌结构的整体刚度较大，导致变形较小、内力较大。同时错缝拼装时，要求纵向螺

栓的布置能够进行一定角度的错缝拼装，因此，对于管片的分块设计要求比通缝拼装条件下要高。错缝拼装的偏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，通常将K型管片放在隧道拱顶0

90范围以内。

一般情况下，一条线上需要三种管片环来模拟直线和曲线线形，但是为了减少管片模具，降低工程造价，而且方便管片的生产、运输和吊装等，因此提出了管片通用环的概念，将直线段上的管片环直接设计成楔形环，用两楔形环一组错缝拼装来模拟直线线形。其中基本拼装方式是：第一环K型管片在左侧水平位置（指的是K型管片的中心位置）；第二环K型管片在右侧水平位置（相当于第二环在第一环的基础上又转0

180）。同时还可以模拟曲线线形和用于蛇形修正。

5、小结

在通缝和错缝式拼装的情况下，管片内力总体分布规律大致相同，但受错缝式拼装影响，纵向和环向接头相互作用所产生的附加内力使得相同地质和埋深条件下的错缝式拼装管片环最大弯矩值较通缝式拼装约大20%，而相应轴力却较通缝式拼装约小10%，由此说明错缝式拼装所引起的管片附加内力较为明显，这虽然对管片环的整体承载较为不利，却提高了结构的整体性，使得错缝式拼装管片环最大位移值较通缝式拼装约小20%。

对我国现行地铁区间盾构隧道地质和埋深条件而言，即使管片结构出现了细小裂缝，衬砌结构还能承受较大荷载，从而使得实际工程中盾构隧道出现坍塌的可能性极小，因此在相关设计中应将管片环的最大变形量作为结构设计控制标准。

参考文献

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