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4.1.1盾构法衬砌设计流程 （6）安全性校核 设计者应该对照计算出的内力来校核衬砌的安
（7）评估 如果设计的初衬砌不满足设计荷载要求或设计 衬砌安全但不经济，设计者应该改变衬砌的条件并 且重新设计。 （8）设计的批准 设计者认为所设计的衬砌结构安全、经济且适
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4.1.2盾构法隧道结构设计程序包括的主要内容
第四步：确定TBM机的机械参数 总推力、推力装置的数量、垫片数量、垫片形 状、注浆压力、安装所需空间。 第五步：确定材料的属性 混凝土标号及抗压强度、弹性模量；钢筋类 型及抗拉强度；垫圈类型、宽度及弹性性能；裂 缝允许宽度。
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• 软土的物理特征规定如下：
N 50 E 2.5N 125MN/m
2 2
qu N / 80 0.6MN/m
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设计原理：
设计原理是为检验盾构隧道衬砌的安全性。在 隧道衬砌报告中，都应该阐述设计计算的必要性、 设计概念的假设、设计寿命、检查永久安全性等问
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v
dh
h
对于单边
水平应力，也即法向应力： v
v d v
摩擦力： v tan dh
2 B1 dh
黏聚力：C dh
1 B1 R0 cot ( ) 2 4 2
R0
破坏面与水平方向的夹角 45

2
2B （ 1 v +d v）-2B 1 v (2 v tan 2 B 1 2C)dh 0
宽度：管片沿隧 道轴线方向上长
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封顶管片形式
小封顶块，拼装形式有两种：径向楔入、
纵向插入。
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连接缝的类型：
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计算中使用的符号范例
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4.2 盾构衬砌结构设计方法
(2) 将垂直土压力作为作用于衬砌顶部的均布荷载来考虑。
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(2)垂直土压力 当覆土厚度较小，小于2倍的隧道外径时。
pe1 p0 i Hi j H j
H Hi H j
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(2)垂直土压力 • 当覆土厚度H＞2D时，地基中产生拱效应的可能性 较大，可以考虑在设计计算时采用松弛土压力（图 4－19）。 • 砂质,当H>1～2D（D为管片外径）时多采用松弛土 压力； • 粘性, 硬质粘土（N≥0）良好地基，H>1～2D时多 采用松弛土压力 • 中等固结的粘土（4≤N＜8）和软粘土（2≤N＜4） ,将隧道的全覆土重力作为土压力考虑实例比较常 见。
层情况，也取决于施工状况。实际应用中，盾构法
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4.1.1盾构法衬砌设计流程
（1）遵守相关规划、规范或标准 （2 设计的隧道内径应该由隧道功能所需要的地 下空间决定。 地铁隧道 公路隧道； 给、排水管道计算流量； 普通管道
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4.1.1盾构法衬砌设计流程
（3）荷载类型的确定 作用在衬砌上的荷载包括土压力、水压力、静荷 载、超载及盾构千斤顶的推力等 （4）衬砌条件的确定 设计者应该确定衬砌的条件，如衬砌的尺寸（厚 （5）计算内力 设计者应该通过使用合适的计算模型及设计方法
2、土压力 土压力应该沿隧道断面径向作用于衬砌上，或者分解 为水平和垂直方向的土压力。
隧道的断面及周围的土体情况图
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（1）水平土压力 从隧道衬砌拱部至底部，作用于衬砌形心处的水 平土压力。它的大小由垂直土压力乘以土的侧压 力系数所确定(图4-16）
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（4） 附属注浆荷：载扩展的注浆压力(图4-9)
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（5）静荷载、存储及装配荷载弯矩的影响(图4-10)
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第七步：设计模型 三维条件须通过二维条件的抽象计算来仿真，如太沙基假设。 （1）分析模型 使用的公式必须 符合国家标准与所选 设计荷载叠加的原则 （2）数值模型 使用符合国家标 准的有限元程序来完 成弹塑性状态下的应 力及应变分析，并进 行详细结构状态的仿 真(图4-12)
4.2.2.6 地基反作用力 当计算衬砌中的内力时，必须确定地基反力 的作用范围、大小及方向。地基反力通常分为两 种： (1)独立于地基位移而定的反力pe2； (2)从属于地基位移而定的反力。
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地基反力是地基反作 用力系数和衬砌位移 的产物，由围岩韧度 和管片衬砌刚度决定， 而管片衬砌的刚度取 决于管片刚度及接缝
pe1 p0 H
t qe1 ( pe1 ) 2 t qe 2 [ pe1 (2 Rc )] 2
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t
Rc
当H w －2Rc;H 2D
pe1 h0
t qe1 ( pe1 ) 2 t qe 2 [ pe1 (2 Rc )], 不考虑H w 2
摩擦力
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重力
黏聚力
C H H B1 (1 )[1 exp( K 0 tan )] p0 exp[ K 0 tan ] B1 B1 B1 h0 K 0 tan
如果隧道位于潜水位以上
pe1 h0
当h0 H w
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pe1 ' h0
t Rc (1 cos )] 2
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若采用垂直均布荷载和水平均匀变化的荷载组合，则衬 砌顶部和底部的水压力分别为
pw1 w Hw
t 2 Rc )] w ( H w 2 R0 ) 2 衬砌侧向水压力： pw 2 w [ H w (2 t qw1 w ( H w ) 2 t qw 2 w [ H w ( 2 Rc )] 2
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t
Rc
当－2Rc H w 0 ;H 2D, 成拱
pe1 h0
t qe1 ( pe1 ) 2 qe 2 t [ pe1 '(2 Rc ( H w )) ( H w )] 2－2Rc;H 2D, 不成拱
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t Rc R0 2
pw

Rc
pg
qw 2
qe 2
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4.2.2.4 静荷载 静荷载（管片自重） 是作用于隧道横断面 形心上的垂直方向荷 载，一次衬砌的静荷 载按照等式（4-19） 或（4-20）来计算
W g 2 R c
如果断面是矩形
g ct
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(2)垂直土压力 • 松弛土压力的计算，一般采用太沙基公式。垂 直土压力的下限值虽然根据隧道使用目的的不 同，但一般将其作为相当于隧道外径的 2 倍的 覆土厚度的土压力值。当地层为互层分布时， 以地层构成中的支配地层为基础，将地层假设 为单一土层进行计算，或者就以互层的状态进 行松弛土压力的计算。
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• 水平土压力也能用五边形模型估计为均载或均匀可 变荷载。
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qe1 qe 2 qe 2
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4.2.2.3水压力
一般情况下作用在衬砌上的水压力为静水压力
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若采用静水压力，则管片上各点处的水压力为
pw w [ H w
pe1 'h0
t qe1 ( pe1 ') 2
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t qe 2 [ pe1 '(2 Rc )] 2
t
Rc
当－2Rc H w 0 ;H 2D, 不成拱
pe1 p0 H
t qe1 ( pe1 ) 2 qe 2 t [ pe1 '(2 Rc ( H w )) ( H w )] 2
t
Rc
当0 H w h0且2D H , 成拱 拱以上土对隧道压力不予考虑
pe1 (h0 Hw ) ' Hw
t qe1 ( pe1 ') 2
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t qe 2 [ pe1 '(2 Rc )] 2
t
Rc
当Hw h0;H w 0; H 2D
当
p0

H：不考虑p0的影响
C H B1 (1 )[1 exp( K 0 tan )] B1 B1 h0 K 0 tan C H B1 ( )[1 exp( K 0 tan )] B1 B1 v h0 K 0 tan
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地面超载增加了作用于衬砌上的土压力， 道路交通荷载、铁路交通荷载、建筑物的重量 地面超载及其参考值如下： 公路车辆 铁路车辆 建筑物
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公路车辆荷载：10kN/m2；
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铁路车辆荷载：25kN/m2
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建筑物的重量：10kN/m2
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t
Rc
当H w 0，H 2D, 不成拱
拱顶表面压力
pe1 p0 (H Hw ) ' Hw
t qe1 ( pe1 ') 2 t qe 2 [ pe1 '(2 Rc )] 2
D _ 衬砌外直径 t D 2( RC ) 2