内部使用限界的确定
a. 车辆限界
• 车辆限界是指在平、直线路上运行中的车辆，可能达到的 最大运动包迹线。
• 确定车辆限界的各个控制点，要考虑车辆外轮廓横断面的 尺寸以及制造上的公差，车轮和钢轨之间及在支承中的机 械间隙、车体横向摆动和在弹簧上颤动倾斜等。
b. 建筑限界
• 建筑限界是决定隧道内轮廓尺寸的依据，是在车辆限界以 外一个形状类似的轮廓。
• 由车辆限界外增加适量安全间隙来求得，一般为 150~200mm。
圆形隧道断面的优点与组成
• 受力性能合理 • 易于盾构推进 • 便于管片的制作、拼装
衬砌的类型
按材料及形式分类 a. 装配式钢筋混凝土管片
• 箱型管片——用于较大直径的隧道。
• 平板形管片——用于较小直径的隧道
b. 铸铁管片
断面内力系数表
荷重
截面 位置
M（α）
内力
N（α）
P
自重 0 ~ gRH2 1 0.5cos sina gRH sin 0.5cos
G
上荷
0~ 2
qRH2 0.193 0.106cos 0.5sin2
qRH sin2 0.106cos
重
~ 2
qRH2 0.693 0.106cos sin
qRH sin 0.106cos
q
底部 反力
0~
2 ~ 2
PR
R2 H
0.057
0.106cos
0.106PR RH cos
PR
R2 H
(0.443
sin
0.106cos 0.5sin2 )
PR
PR RH sin2 sin 0.10cos
水压
0~
R2 0.5 0.25cos 0.52sin H
一般要求不出现裂缝： ck pc ftk
： 允许出现裂缝 max lim
盾构构件处于地下水的环境中，不允许出现裂缝，一般采用一或二级验算
标准。ftk 为混凝土轴心受拉强度标准值， pc 扣除全部预应力损失后抗裂验
算边缘的混凝土的预压应力。
ck
Mk W0
Nk A0
纵向接缝计算
纵向接缝中环向螺栓位置a的设置如图。
2 拱背土压
G
21
4
RH2
0.43RH2
3 竖向土压
• 软粘土中按h计算较为合适。
n
q i hi i 1
• 在砂土等抗剪强度较 大的地层内，且隧道埋 深超过隧道衬砌的外径 时，按“松动高度”理 论进行进算。
p
B0 c /
tan
B0
1 exp Nhomakorabeah B0
tan
q exp
h B0
管片接头类型
• 管片间的接头分两类：纵向接头、环向接头
• 从力学性质看可分为：柔性接头、刚性接头
螺栓接头
利用螺栓将接头板紧固起来，将管片环组装起来的抗拉连接结构。
弯螺栓连接形式
直螺栓连接形式
• 直螺栓受力性能好、效果显著、加工简单、但扩大了螺栓手 孔尺寸，影响了管片承受盾构千斤顶顶力的承载能力。
内力
0
4
M (0.2346 0.3536cos )PK RH2
N
0.3536cos PK RH
4
2
(0.3487
0.5
cos2
0.2357cos3
)PK
R2 H
(0.707cos cos 2 0.707sin2 cos )PK RH
Q
0.3536sinPK RH
(sin cos 0.707sin cos 2 )PK RH
) 2
Ag
Rg
e
0
x h0 e
h0
e2
2 Ag Rge bRw
其中：e
e0
h 2
a
纵向接缝强度计算简图
2.计算安全系数
x 0.55h0,属于大偏心受压:
MRW 0
N
Ke0 e0
h 2
x 2
Ag
Rg
h0
x 2
K e0
Ag
Rg
h0
x 2 Ne0
N h 2
• 弯螺栓能较少的影响管片的纵向承受能力，但其对抵抗圆环 横向内力的结构效能差，且加工麻烦。
铰接头
作为多铰环的环向接头，一般为转向接头结构。几乎不产生弯曲， 轴向压力占主导地位，在良好地基条件下是一种合理的结构。
销插入型接头接头
也可做环向接头来使用，但主要作为纵向接头使用。 在结构上的作用是加强了构件的链接，防止接头两边相对错动， 承担接头上的剪力。
衬砌内力计算方法
弯矩以衬砌环内侧受拉为正，外侧受拉为负；轴力以衬砌 环受压为正，受拉为负。
将各个荷载分别作用力法的基本结构上，求出 11,12,22, 1P , 2P ， 带入力法典型方程，求出 X1, X2 。可以得到这种荷载作用下 的 M , N 在基本结构上的分布。
将各个荷载的M , N 进行叠加，获得总的内力分布图。各个 荷载的内力分布见下表。
施工阶段
1千斤顶推力
盾构千斤顶施加在环缝面上，特别是千斤顶顶力存在偏心状态 时，极易使管片开裂和顶碎。
衬砌环受力 P / K
F
2 壁后注浆压力
在向盾尾管片与围岩间隙注浆时，注浆压力在管片注浆孔周边 将形成一个临时作用的偏心荷载，在此荷载作用下容易使管片 发生变形甚至破坏。 施工时的注浆压力一般为0.1～0.3MPa。
若管片内无接头， 1, 0
错缝拼装弯矩传递及分配示意图
课堂练习题
某地铁隧道埋深18.6m，隧道两侧土壤介质的容重
γ=19kN/m2，内摩擦角φ=12.5°，粘聚力c=20 kPa，有
地下水影响，地下水位距地面4m。预采用盾构法进行 设计施工。每环采用8块等长管片，管片厚350mm，宽 900mm。隧道内径为10m。
R2 1 0.25cos 0.52sin HR H
均布
荷载
0~
P1
R2 H
0.25 0.5cos2
P1RH cos
P1
侧压
0~
P2
R
2
H
(0.25sin2
0.083cos3
0.063cos 0.125)
P2RH cos(0.063 0.5cos 0.25cos2 )
P2
PK引起的圆环内力表
楔形接头
环向和纵向接头都可使用的结构，利用楔作用将管片拉合紧固的 接头。
榫接头
主要作为纵向接头使用的结构。接头部分设有凹凸，通过凹凸部 位的啮合作用进行的力传递。
分配带 传送带
开挖面端 .塑料预埋栓
接头螺栓孔
榫接部
.榫接部
分配带
接头螺栓 隧道口端
轴向接头面
塑料预埋栓
接头螺栓 周向接头面
6.2 衬砌圆环内力计算
荷载分布图
按自由变形均质 圆环计算内力
按日本修正惯用 法进行修正
按自由变形均质圆环计算内力
将圆环近似地认为是均质刚性圆环,为二次超静定结构。
q e1
g
Pk
Pe2 Pe1
X1 X2
X1 P=1 X2
11X1 21 X 2 1P 0
力法方程：
Pf 计算简图
12 X1 22 X 2 2P 0
30~50
厚度
• 直径为6.0m以下的隧道，管片厚度约为250~350mm • 直径为6.0m以上的隧道，管片厚度约为350~600mm。
装配式钢筋混凝土管片
分块
单线地下铁道衬砌一 般分成6~8块，双线的 分为8~10块，小断面 分为4~6块。
拼装形式
• 圆环的拼装形式：通缝、错缝。 • 错缝拼装，加强圆环接缝刚度，约束接缝变形。
tan
B1 RH [cos( / 4 / 2) sin( / 4 / 2) tan( / 4 / 2) tan( / 4 / 2)]
4 地面超载
一般取 20kN / m2
5 侧向均匀主动土压
p1
q
tan45
2
2c
tan45
2
6 侧向三角形主动土压
p2
2 RH
tan
2 45
基本荷载 附加荷载 特殊荷载
荷载分类
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
1. 内部荷载 2. 施工荷载 3. 地震的影响
1. 平行配置隧道的影响 2. 接近施工的影响 3. 其他
基本使用阶段
荷载简图
1 自重
g h
一般采用： h 25kN / m3
• 将由PK引起的圆环内力和其他衬砌外荷引起的圆环内力叠加， 得到最终的圆环内力。
日本修正惯用法修正
考虑接头的影响主要通过假定弯矩传递的比例来实现。
将衬砌环按均质圆环计算，取圆环抗弯刚度为EI 。
接头处内力：M j (1 ) M
Nj N
管片： M s (1 ) M
Ns N
0.6 0.8 0.3 0.5
接头的受力状态图
c1 0 管片外侧不会张开
B. 螺栓受拉破坏。螺栓先达到屈服，截面的受压区逐渐减少， 导致受压区混凝土压坏，属大偏心受压破坏
C. 混凝土受压破坏。接头的破坏是由于受压区混凝土达到抗 压强度，属小偏心受压破坏
1. 判断大小偏心，确定破坏形式
计算中和轴：MN 0
x
Rwbx(e
h0
采用均匀圆环并结合惯用修正法计算衬砌内力
6.3盾构法隧道衬砌的结构设计
管片断面设计：
A. 配筋计算 B. 裂缝验算
纵向接头设计
A. 接缝张开验算 B. 接头强度计算