盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)指導(dǎo)書

第三篇盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)指導(dǎo)書第一章基本情況介紹我國(guó)在城市地下鐵道的建設(shè)中，因埋深條件、周邊環(huán)境條件等因素的限制不允許采用明挖法施工時(shí)，礦山法暗挖施工是目前應(yīng)用較多的施工方法，但從已建地下鐵道的工程實(shí)踐上看，因其難于從根本上解決防滲漏水問(wèn)題、施工工藝復(fù)雜、施工期間的安全性和工程進(jìn)度難于控制等因素，在地下鐵道的建設(shè)中已受到越來(lái)越多的局限。而盾構(gòu)施工法以其良好的防滲漏水性、施工安全快速、對(duì)周圍環(huán)境的影響極小等優(yōu)點(diǎn)，在地下鐵道的建設(shè)中已成為重要的可選施工方法之一，在許多場(chǎng)合已成為首選方法。尤其是隨著近年國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)設(shè)備技術(shù)水平的提高、盾構(gòu)設(shè)備在工程成本中所占比重的下降，盾構(gòu)法施工的綜合工程造價(jià)已接進(jìn)甚至低于礦山法暗挖施工，特別是在地層條件差、地質(zhì)情況復(fù)雜、地下水位高等情況下盾構(gòu)法已具明顯技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性。隨著我國(guó)新一輪城市基礎(chǔ)設(shè)施大規(guī)模建設(shè)高潮的到來(lái)，地下鐵道的建設(shè)呈高速增長(zhǎng)之勢(shì)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，盾構(gòu)隧道技術(shù)在包括城市地下鐵道在內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中應(yīng)用前景十分廣闊。在世界各國(guó)的地下鐵道等城市地下基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)中，與我國(guó)一致，即主要采用盾構(gòu)法、礦山法及明挖法3大系列技術(shù)及各種輔助工法。根據(jù)日本1991年對(duì)東京、大阪等主要城市的統(tǒng)計(jì)，在總延長(zhǎng)75224米的城市隧道工程中，礦山法的比例占6.1%、盾構(gòu)法占60.9%、明挖法占33%。在建筑物密集和對(duì)周圍環(huán)境影響限制嚴(yán)格的大城市中，盾構(gòu)法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。第二章盾構(gòu)斷面及隧道線型設(shè)計(jì)2.1內(nèi)空及斷面形狀自1869年Greathead發(fā)明圓形回轉(zhuǎn)式盾構(gòu)機(jī)以來(lái)，盾構(gòu)隧道斷面的主要形狀為圓形。但隨著技術(shù)的進(jìn)步，盾構(gòu)斷面的形狀出現(xiàn)了半圓形、矩形以及馬蹄形等，但一般圓形斷面使用得最廣泛，成了盾構(gòu)斷面的標(biāo)準(zhǔn)形狀。其主要理由如下：=1\*GB3①一般條件下，對(duì)外壓是堅(jiān)固；=2\*GB3②施工中，便于盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)和管片的制作和拼裝；=3\*GB3③即使盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，也對(duì)斷面利用影響不大。最近，除單圓斷面外，又出現(xiàn)了雙圓盾構(gòu)隧道斷面，如日本廣島54號(hào)國(guó)道系統(tǒng)盾構(gòu)工程—世界首條雙圓盾構(gòu)工程、名古屋4號(hào)線隧道工程、千葉縣干線管道建設(shè)工程。而我國(guó)在上海市軌道交通建設(shè)中，也修建了國(guó)內(nèi)第一條楊浦線雙圓盾構(gòu)隧道工程。此外，隨著內(nèi)河及遠(yuǎn)洋航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展，在內(nèi)河、海灣（海峽）通行輪船的噸位和密度越來(lái)越大，要求橋下通行的凈空越來(lái)越高，跨度也越來(lái)越大，使修建橋梁的造價(jià)及難度大增。同時(shí)，受城市規(guī)劃的限制，不管是修建隧道還是道路橋梁，兩岸線路的銜接隨著城市的發(fā)展更為困難。因此，修建水下大斷面盾構(gòu)隧道跨越江河及海灣（海峽）就成為主要的可選方案，在某些情況下甚至成為唯一選擇。如我國(guó)目前正在規(guī)劃建設(shè)中的武漢越江大斷面盾構(gòu)公路隧道，杭州萬(wàn)慶春路大斷面盾構(gòu)隧道、南京越江大斷面盾構(gòu)隧道等。這些都是隨著盾構(gòu)技術(shù)的進(jìn)步，要求即能滿足使用目的，又能保證結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)具備功能強(qiáng)、造價(jià)低的結(jié)果。2.2不同用途隧道的內(nèi)空斷面盾構(gòu)隧道的內(nèi)徑一般取決于兩個(gè)因素，即滿足使用目的所必要的內(nèi)空（包括維修管理上的裕度和施工誤差）和施工上的安全性，而其外徑則是內(nèi)徑加襯砌厚度（一次襯砌或一次加二次襯砌）決定的。2.2.1單線地鐵尺寸的擬定地鐵列車沿著固定軌道高速運(yùn)行，需要在特定的空間中運(yùn)行。根據(jù)車輛輪廓尺寸和性能、線路特性、設(shè)備安裝及施工方法等因素竟技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較確定的空間尺寸稱為限界。為了確保運(yùn)營(yíng)的安全，各種建（構(gòu)）筑物和設(shè)備均不能侵入限界。地鐵限界包括車輛界限、設(shè)備界限、建筑界限、接觸軌和接觸網(wǎng)界限。標(biāo)稱隧道限界為5200mm。實(shí)際的隧道直徑和輪廓，應(yīng)使一個(gè)虛擬的標(biāo)稱直徑為5200mm的以理論軸線為中心的圓盤，在任何一個(gè)垂直于業(yè)主圖紙所定義的隧道理論軸線的平面內(nèi)通過(guò)隧道而不碰觸隧道的任何地方。以此為原則，目前國(guó)內(nèi)擬定隧道管片的內(nèi)徑尺寸，主要有5400mm和5500mm兩種單線地鐵尺寸。內(nèi)徑5400內(nèi)徑5500圖1單線地鐵內(nèi)空斷面尺寸2.2.2雙線地鐵尺寸的擬定（1）雙線單圓隧道斷面尺寸=1\*GB3①限界確定的原則車輛限界應(yīng)根據(jù)車輛主要尺寸等有關(guān)參數(shù)，并考慮靜態(tài)和動(dòng)態(tài)情況下，所達(dá)到的橫向和豎向偏移量及偏移角度，可按產(chǎn)生的最不利情況決定。接觸軌受電的車輛主要尺寸應(yīng)符合如下規(guī)定：車輛長(zhǎng)度：車體長(zhǎng)度19000mm，兩車輛中心距離19520mm；車輛最大寬度為2800mm；車輛高度為3515mm；車輛定距為12600mm；固定軸距2300mm；地板面距軌頂?shù)母叨葹?100mm；受流器安裝尺寸：受流器端部距車體橫向中心為1473mm；受流器中心距軌道頂部高度為140mm。=2\*GB3②雙線單圓隧道隧道限界區(qū)間直線地段各種類型隧道建筑限界，應(yīng)滿足各種設(shè)備安裝的要求。采用盾構(gòu)施工的圓形隧道，應(yīng)按全線最小曲線半徑計(jì)算加寬以確定隧道建筑界限。道岔的建筑限界。在直線段上應(yīng)根據(jù)不同種類的道岔和車輛的有關(guān)尺寸，計(jì)算出加寬和安裝設(shè)備所需的加高量，分別進(jìn)行加寬和加高。豎曲線的建筑限界，在直線上應(yīng)根據(jù)不同豎曲線半徑及車輛有關(guān)尺寸計(jì)算的加高量進(jìn)行加高。圖2雙線單圓隧道內(nèi)空斷面尺寸（2）雙線地鐵雙圓斷面尺寸=1\*GB3①限界確定的原則車輛限界應(yīng)根據(jù)車輛主要尺寸等有關(guān)參數(shù)，并考慮靜態(tài)和動(dòng)態(tài)情況下，所達(dá)到的橫向和豎向偏移量及偏移角度，可按產(chǎn)生的最不利情況決定。接觸軌受電的車輛主要尺寸應(yīng)符合如下規(guī)定：車輛長(zhǎng)度：車體長(zhǎng)度19000mm，兩車輛中心距離19520mm；車輛最大寬度為2800mm；車輛高度為3515mm；車輛定距為12600mm；固定軸距2300mm；地板面距軌頂?shù)母叨葹?100mm；受流器安裝尺寸：受流器端部距車體橫向中心為1473mm；受流器中心距軌道頂部高度為140mm。=2\*GB3②設(shè)備限界的確定設(shè)備限界應(yīng)根據(jù)車輛限界、軌道狀態(tài)不良引起車輛的偏移和傾斜，并計(jì)及適當(dāng)?shù)陌踩康纫蛩赜?jì)算確定。具體限界尺寸見(jiàn)《地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB）。=3\*GB3③建筑限界的確定建筑限界的確定應(yīng)按下列要求確定：區(qū)間直線地段各種類型的隧道建筑限界與設(shè)備限界之間的間距，應(yīng)能滿足各種設(shè)備安裝的要求。地段矩形和馬蹄形隧道建筑限界，應(yīng)按直線地段的建筑限界分別進(jìn)行加寬和加高，其加寬和加高量應(yīng)按下列公式計(jì)算：曲線內(nèi)側(cè)加寬：曲線外側(cè)加寬： ———車體長(zhǎng)度（mm） ———車輛定距（mm）a———車輛固定軸距（mm）R———圓曲線半徑（mm）h———超高值（mm）s———內(nèi)外軌中心距離（mm）（，）為計(jì)算加寬和加高的控制點(diǎn)坐標(biāo)值采用盾構(gòu)施工的圓形隧道，應(yīng)按全線最小曲線半徑確定隧道建筑限界。豎曲線地段的建筑限界，應(yīng)在直線地段上根據(jù)不同豎曲線半徑及車輛的有關(guān)尺寸計(jì)算的加高量進(jìn)行加高，其加高量應(yīng)按下列公式計(jì)算：凹形豎曲線：凸形豎曲線：，分別為凹凸形豎曲線半徑（mm）=4\*GB3④隧道相關(guān)限界的確定《地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB）所規(guī)定的單圓隧道直線段的限界為5200m，考慮管片制造誤差、施工誤差以及隧道在運(yùn)營(yíng)階段所產(chǎn)生的不均勻沉降的影響，將單圓隧道建筑限界直徑定為5400或5500mm。根據(jù)《地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB）規(guī)定，雙線地下鐵道，當(dāng)兩線間無(wú)墻柱及其它設(shè)備時(shí)，兩設(shè)備限界間應(yīng)有不小于100mm的安全量。查閱規(guī)范可知最大車型設(shè)備限界寬度為1703mm，再考慮考慮管片制造誤差、施工誤差以及隧道在運(yùn)營(yíng)階段所產(chǎn)生的不均勻沉降的影響，雙線間的距離為：2*[1703+70（設(shè)備安裝空間預(yù)計(jì)值）+50（雙線最小間距）+150（管片厚度預(yù)計(jì)值）+200（考慮誤差）]=4346mm，為方便施工，取為4400mm或其他。襯砌管片厚度為隧道內(nèi)徑的4～6%，即為216mm～324mm，為方便計(jì)算，先暫取為300mm，待以后計(jì)算完成后再最終確定。圖3雙線雙圓隧道內(nèi)空斷面尺寸（3）公路雙車道內(nèi)空斷面尺寸=1\*GB3①隧道主體工程主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)荷載：城—A級(jí)。隧道路面橫坡：1-2%。地震烈度：7o設(shè)防。設(shè)計(jì)車速：隧道內(nèi)60km/h。隧道建筑限界：按照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ026-90)和《城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ37-90)確定，凈空高5.2m。最大縱向坡度不得大于6％，而且隧道內(nèi)縱坡的連續(xù)長(zhǎng)度應(yīng)滿足相應(yīng)規(guī)范的要求。隧道防水等級(jí)為3級(jí)。在隧道內(nèi)右側(cè)設(shè)寬2.6m、長(zhǎng)9m的緊急停車帶若干處。隧道內(nèi)設(shè)橫向聯(lián)絡(luò)通道若干處。=2\*GB3②通行限界通行限界的確定依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ026-90)和《城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ37-90)進(jìn)行。根據(jù)市區(qū)車型的組成情況，設(shè)兩個(gè)小車道（行車道寬3.5m），或一個(gè)大車道（行車道寬3.75m）和一個(gè)小車道（行車道寬3.5m）等情況，行車道的兩側(cè)路緣帶寬設(shè)為0.5m，余寬（安全帶寬）設(shè)為0.25m。在行車道的右側(cè)設(shè)一檢修道,寬度設(shè)為0.5m，并加上余寬0.25m，共同組成檢修道的寬度，來(lái)滿足檢修道的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)在檢修道內(nèi)每隔100m設(shè)了0.5m寬1m長(zhǎng)的安全通道入口。所以通行限界寬度為9m和9.25m。檢修道凈高2.5m，行車道凈高為5.2m。如下圖所示。兩個(gè)小車道通行限界一個(gè)大車和一個(gè)小車道通行限界圖4公路雙車道通行限界（單位：cm）=3\*GB3③設(shè)備限界盾構(gòu)隧道的橫斷面設(shè)計(jì)除符合隧道通行限界的規(guī)定外，還要考慮通風(fēng)、排水、照明、防火、監(jiān)控、運(yùn)營(yíng)管理等附屬設(shè)施所需要的空間。盾構(gòu)隧道橫斷面頂部布置有射流風(fēng)機(jī)、車道信號(hào)燈、照明燈具、火災(zāi)探測(cè)器、水噴淋器、監(jiān)控?cái)z像機(jī)、揚(yáng)聲器等；隧道橫斷面中部設(shè)有消防滅火器與緊急電話；在行車道板下設(shè)有排水溝和排水管、消防用水管、電纜槽、人行通道等。圖5公路雙車道內(nèi)空斷面尺寸（單位：cm）=3\*GB3③建筑限界機(jī)內(nèi)空斷面尺寸盾構(gòu)隧道的橫斷面設(shè)計(jì)除符合隧道通行限界、設(shè)備限界的規(guī)定外，還要滿足建筑裝修和調(diào)整施工誤差所需要的空間。按照相應(yīng)規(guī)范取建筑裝修和調(diào)整施工誤差確定所需要的空間尺寸。由此得出盾構(gòu)隧道內(nèi)空斷面尺寸。如圖5示，一個(gè)大車道和一個(gè)小車道情況下隧道內(nèi)凈空直徑為10.000m。（4）公路三車道內(nèi)空斷面尺寸=1\*GB3①隧道主體工程主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)荷載：城—A級(jí)。隧道路面橫坡：1-2%。地震烈度：7o設(shè)防。設(shè)計(jì)車速：隧道內(nèi)100km/h。隧道建筑限界：按照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ026-90)和《城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ37-90)確定，凈空高5.2m。最大縱向坡度不得大于6％，而且隧道內(nèi)縱坡的連續(xù)長(zhǎng)度應(yīng)滿足相應(yīng)規(guī)范的要求。隧道防水等級(jí)為3級(jí)。隧道內(nèi)設(shè)橫向聯(lián)絡(luò)通道若干處。=2\*GB3②通行限界通行限界的確定依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ026-90)和《城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ37-90)進(jìn)行。規(guī)范規(guī)定高速公路和一級(jí)公路隧道內(nèi)應(yīng)設(shè)置檢修道。其它等級(jí)公路隧道，應(yīng)根據(jù)隧道所在地區(qū)的行人密度、隧道長(zhǎng)度、交通量及交通安全等因素確定人行道的設(shè)置。檢修道或人行道宜雙側(cè)設(shè)置，檢修道或人行道的寬度按規(guī)范規(guī)定選?。粰z修道或人行道的高度可按20～80cm取值，并綜合考慮以下因素：檢修人員步行時(shí)的安全；緊急情況時(shí)，駕乘人員拿取消防設(shè)備方便；滿足其下放置電纜、給水管等的空間尺寸要求。圖6公路三車道通行限界示意(單位:cm)建設(shè)規(guī)模為設(shè)計(jì)行車速度100km/h三車道隧道按以上限界的擬訂原則，限界擬訂如下：左側(cè)檢修道寬度取0.75m，左側(cè)向?qū)挾?.5m，行車道寬度3.75×3m，右側(cè)向?qū)挾?.0m，右側(cè)檢修道寬度取1.0m。通行限界寬度0.75+0.5+3.75+3.75+3.75+1.0+1.0=14.5m，檢修道凈高2.5m，通行限界凈高為5.0m。如圖6所示。=3\*GB3③建筑限界機(jī)內(nèi)空斷面尺寸橫斷面設(shè)計(jì)中除通行限界和設(shè)備限界外，考慮盾構(gòu)隧道施工時(shí)不可避免的建筑裝修、施工誤差、結(jié)構(gòu)變形、隧道沉降以及測(cè)量誤差等，預(yù)留10cm的富余量。擬定出如圖7所示的公路三車道內(nèi)空斷面尺寸。管片內(nèi)徑為14.954m。圖7公路三車道內(nèi)空斷面尺寸（單位：cm）2.3隧道平面、縱橫斷面設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)的不同（地鐵單線，地鐵雙線，公路雙車道和三車道等情況），分別依據(jù)各自規(guī)范的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如地鐵單線線路平面要求滿足：最小平面曲線半徑300m，曲線間水平夾直線最小長(zhǎng)度20m；縱斷面最小豎曲線半徑：3000m；最大坡度：一般為30‰等規(guī)定，進(jìn)行設(shè)計(jì)。第三章盾構(gòu)隧道襯砌設(shè)計(jì)計(jì)算3.1荷載計(jì)算（1）荷載的種類及其組合襯砌設(shè)計(jì)時(shí)所考慮的各種荷載，應(yīng)根據(jù)不同的條件和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行假定，并根據(jù)隧道的用途，組合這些荷載，計(jì)算截面內(nèi)力。如表1所示，可分為3類荷載。主荷載是設(shè)計(jì)時(shí)通常必須考慮的基本荷載。附加荷載是施工過(guò)程中和隧道竣工后所承受的作用荷載，這是必須根據(jù)隧道用途加以考慮的荷載。此外，特殊荷載，則是根據(jù)地層條件、隧道的使用條件等予以特別考慮的荷載。表1設(shè)計(jì)荷載的分類（2）主要荷載的計(jì)算圖8表示主要荷載的設(shè)計(jì)狀況。圖8主要荷載假定=1\*GB3①垂直土壓力和水平土壓力在垂直土壓力的設(shè)計(jì)計(jì)算中,主要存在一個(gè)是否考慮松弛土壓力的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō),對(duì)于非常軟弱的粘土地基或覆土厚度小于隧道直徑的工程,考慮到隧道開(kāi)挖后難以在隧道頂部產(chǎn)生拱效應(yīng),多不考慮松弛土壓力。除此之外的情況下,一般根據(jù)太沙基的松弛土壓力公式進(jìn)行計(jì)算。而對(duì)于水平土壓力,則存在水壓力和土壓力分別計(jì)算(土水分離)或者水壓力和土壓力一起計(jì)算的(土水一體)兩種方法。在不能明確其屬于哪一種情況時(shí),最好對(duì)兩種情況都進(jìn)行計(jì)算,選取對(duì)安全不利的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。還有一個(gè)問(wèn)題就是側(cè)向土壓力系數(shù)的取值問(wèn)題,一般考慮取主動(dòng)土壓力與靜止土壓力之間的數(shù)值。根據(jù)圍巖的性質(zhì),圍巖較好時(shí)取靠近主動(dòng)土壓力一側(cè),而圍巖較差時(shí)則取靠近靜止土壓力一側(cè)的土壓力系數(shù)。各國(guó)規(guī)范均對(duì)各種土有一些經(jīng)驗(yàn)性的建議值,其范圍在0.35～0.80的范圍之中。為了以后的設(shè)計(jì)能夠合理的取值,我國(guó)也應(yīng)加強(qiáng)這一方面的積累。對(duì)于水平地基抗力,存在兩種處理方法,一種是將地基抗力計(jì)算為三角形分布荷載進(jìn)行考慮如圖9(ａ),另一種是考慮為地基彈簧進(jìn)行計(jì)算如圖9(ｂ)。歐美國(guó)家多采用在管片環(huán)全周考慮彈簧的全周彈簧模型,而日本此前采用的是只將半徑方向的彈簧考慮為有效彈簧的部分彈簧模型,最近在鐵路隧道的設(shè)計(jì)中也采用全周彈簧模型進(jìn)行考慮。無(wú)論采用哪一種方法,都需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)性的地基抗力系數(shù)計(jì)算荷載的大小或彈簧系數(shù)。由于地基抗力系數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算影響較大,各國(guó)規(guī)范都提出一些經(jīng)驗(yàn)性的參考系數(shù)。這些經(jīng)驗(yàn)性系數(shù)多是根據(jù)大量工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)逆算統(tǒng)計(jì)而得。圖9管片設(shè)計(jì)方法比較垂直壓力根據(jù)隧道位置和地基條件，垂直土壓力有時(shí)采用總覆土壓力，有時(shí)采用松動(dòng)土壓力。通常，覆土厚度大于隧道外徑，在砂質(zhì)土或硬粘土情況下，用松動(dòng)土壓力；在其他地層，因不能獲得土的成拱效果，故采用總覆土壓力。計(jì)算松動(dòng)壓力時(shí)，通常采用太沙基公式。如下式所示。式中，——土的松動(dòng)高度；——水平土壓和垂直土壓之比（一般可取1.0）；——土的內(nèi)摩擦角；——土的黏著力；——上部荷載；——土的單位體積重；但在／小于情況下，則采用式中，1——換算覆蓋層厚度，1＝+／。水平土壓力作用于襯砌側(cè)面的水平土壓力，假定為由垂直土壓乘以側(cè)向土壓系數(shù)所得的均變荷載。側(cè)向土壓系數(shù)（）雖也可以采用設(shè)計(jì)方法計(jì)算，但一般是結(jié)合地質(zhì)條件和地基反力系數(shù)（k）選定。日本《隧道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（盾構(gòu)篇）》給出了側(cè)向土壓系數(shù)（）和地基反力系數(shù)（k）以及貫入度N值的列表關(guān)系。=2\*GB3②水壓力水壓力是計(jì)算土壓力時(shí)，考慮將水和土壓分開(kāi)的情況下給定的，豎向水壓力之差是作為浮力作用的，因此，需要根據(jù)其他荷載和陳其頂部的地基狀況，對(duì)隆起加以研究。=3\*GB3③自重襯砌的自重用下式給定：g=W／2Re式中，W——襯砌單位長(zhǎng)度重量（t／m）；Re——襯砌的形心半徑（m）。=4\*GB3④地基反力地基反力通常分為兩種，一種是獨(dú)立于地基位移而定的反力，另一種是從屬于地基而定的反力，具體要結(jié)合設(shè)計(jì)計(jì)算方法確定。實(shí)際上前者是作為與給定荷載相平衡的反力，預(yù)先假定其分布；后者是認(rèn)為與襯砌的地基內(nèi)位移有關(guān)而產(chǎn)生。3.2管片設(shè)計(jì)方法管片設(shè)計(jì)方法大致可分成以下三種：①勻質(zhì)圓環(huán)計(jì)算法將襯砌圓環(huán)考慮為彈性勻質(zhì)圓環(huán)，用小于1的剛度折減系數(shù)η來(lái)體現(xiàn)環(huán)向接頭的影響，不具體考慮接頭的位置，即僅降低襯砌圓環(huán)的整體抗彎剛度。用曲梁?jiǎn)卧M剛度折減后的襯砌圓。完全等剛度圓環(huán)勻質(zhì)圓環(huán)修正慣用法圖10勻質(zhì)圓環(huán)計(jì)算法同時(shí)，在計(jì)算中用大于1.0的系數(shù)ξ來(lái)表達(dá)錯(cuò)縫拼裝引起的附加內(nèi)力值，ξ值的大小，根據(jù)國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)來(lái)取。②多鉸圓環(huán)計(jì)算法假設(shè)管片接頭為鉸結(jié)構(gòu)，受多鉸圓環(huán)結(jié)構(gòu)的自身不穩(wěn)定性影響，主要用于隧道圍巖狀況良好且普遍具有抗力的情況下。多鉸圓環(huán)多鉸圓環(huán)計(jì)算法圖11多鉸圓環(huán)計(jì)算法=3\*GB3③考慮接頭位置與剛度的精確計(jì)算法在一襯砌圓環(huán)內(nèi)，考慮環(huán)向接頭的位置和接頭的剛度，用曲梁?jiǎn)卧M管片的實(shí)際狀況，用接頭抗彎剛度來(lái)體現(xiàn)環(huán)向接頭的實(shí)際抗彎剛度。為錯(cuò)縫式拼裝時(shí)，因縱向接頭將引起襯砌圓環(huán)間的相互咬合作用，此時(shí)根據(jù)錯(cuò)縫拼裝方式，除考慮計(jì)算對(duì)象的襯砌圓環(huán)外，將對(duì)其有影響的前后的襯砌圓環(huán)也作為對(duì)象，采用空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，并用圓環(huán)徑向抗剪剛度Kr和切向抗剪剛度Kt來(lái)體現(xiàn)縱向接頭的環(huán)間傳力效果。考慮接頭的位置與剛度梁-彈簧模型法圖12考慮接頭位置與剛度的精確計(jì)算法3.3日本修正慣用法（η-ζ法）按均質(zhì)圓環(huán)計(jì)算，但考慮環(huán)向接頭的存在，圓環(huán)整體的彎曲剛度降低，取圓環(huán)的抗彎剛度為ηEI算出圓環(huán)水平直徑處的變位δ計(jì)算兩側(cè)抗力kδ，然后考慮錯(cuò)縫拼裝后整體補(bǔ)強(qiáng)效果，進(jìn)行彎矩重分配＊。接頭處內(nèi)力MJ=（1-ζ）*MNJ=N管片Ms=（1+ζ）*MNs=N式中ζ—彎矩調(diào)整系數(shù)M，N—分別為均制圓環(huán)計(jì)算彎矩和軸力MJ，NJ—分別為調(diào)整后接頭彎矩和軸力Ms，Ns—分別為調(diào)整后管片彎矩和軸力如表2所示，為日本常用設(shè)計(jì)法的管片截面力計(jì)算公式。表2常用設(shè)計(jì)法的管片截面力計(jì)算公式荷載彎矩軸力剪力豎直荷載水平荷載水平三角形荷載水平地基反力當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)自重g當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)注：作為單環(huán),無(wú)論是采用錯(cuò)接頭還是順接頭,單環(huán)的剛度是相同的。但如果考慮相鄰管片環(huán)的相互影響,順接頭和錯(cuò)接頭的剛度則有所不同。順接頭由于相鄰環(huán)的接頭都在同一位置,環(huán)與環(huán)之間不存在剪應(yīng)力的傳遞,只要考慮單環(huán)的均勻剛度即可。此時(shí)使用一個(gè)剛度降低系數(shù)η(小于1的值),用ηＥＩ來(lái)表達(dá)環(huán)的剛度。錯(cuò)接頭由于環(huán)之間相鄰部位(管片與接頭)的剛度不同,會(huì)發(fā)生剪應(yīng)力的相互傳遞,此時(shí)需根據(jù)環(huán)間接頭來(lái)考慮均勻剛度。一般除用ηＥＩ來(lái)表達(dá)環(huán)的剛度以外,使用一個(gè)彎矩減少率ζ(小于1的值)來(lái)表達(dá)錯(cuò)接頭的應(yīng)力傳遞效應(yīng)。在相鄰管片環(huán)接頭部位,管片由于承受接頭所傳遞的剪應(yīng)力,其計(jì)算彎矩加大為(1+ζ)Ｍ,而在接頭部位則減小為(1+ζ)Ｍ來(lái)考慮。由此可看出,錯(cuò)接頭在結(jié)構(gòu)上是比較有利的。接頭傳遞彎矩示意圖，如圖13所示。圖13接頭傳遞彎矩示意圖3.4采用有有限元荷載—結(jié)構(gòu)計(jì)算模模式將管片襯襯砌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化化為勻質(zhì)圓環(huán)環(huán)，根據(jù)地下下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原原理，按荷載載—結(jié)構(gòu)計(jì)算模模式進(jìn)行內(nèi)力力計(jì)算分析。如如圖14所示。圖14荷載—結(jié)結(jié)構(gòu)計(jì)算模式式3.5管片設(shè)設(shè)計(jì)實(shí)例為清晰起起見(jiàn)，給出具具體實(shí)例，進(jìn)進(jìn)行管片設(shè)計(jì)計(jì)，參見(jiàn)附錄1—管片設(shè)計(jì)實(shí)實(shí)例。第四章管片配筋筋計(jì)算及檢算算4.1管片配配筋計(jì)算將管片視為矩形截截面的偏心受受壓構(gòu)件，參參照混凝土結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相相關(guān)原則和方方法，按《混混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB500010－2002）的規(guī)定對(duì)對(duì)管片的配筋筋進(jìn)行計(jì)算。具體參見(jiàn)附錄2———管片配筋計(jì)計(jì)算及檢算實(shí)實(shí)例。4.2檢算按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB500010-20002）進(jìn)行檢算算。設(shè)定的檢檢算標(biāo)準(zhǔn)如下下。=1\*GB3①材料設(shè)計(jì)值管片鋼筋Ⅱ級(jí)鋼強(qiáng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy＝310MPPa管片砼C50，軸軸心抗壓強(qiáng)度度設(shè)計(jì)值fc＝23.5MMPa管片砼C50，彎彎曲抗壓強(qiáng)度度設(shè)計(jì)值fcm＝26MPaa管片砼C50，抗抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)值ft＝2MPa管片螺拴(45號(hào)號(hào)鋼)抗拉壓強(qiáng)度度設(shè)計(jì)值fy＝320MPPa管片螺拴(45號(hào)號(hào)鋼)抗剪強(qiáng)度設(shè)設(shè)計(jì)值fs＝190Mppa=2\*GB3②結(jié)構(gòu)變形控制值直徑變形＜2‰DD環(huán)縫張開(kāi)＜2mmm縱縫張開(kāi)＜3mmm=3\*GB3③砼結(jié)構(gòu)允許裂縫開(kāi)開(kāi)展裂縫寬度＜0.22mm=4\*GB3④結(jié)構(gòu)抗浮安全系數(shù)數(shù)施工期≥1.033，使用期≥1.07具體參見(jiàn)附錄2———管片配筋計(jì)計(jì)算及檢算實(shí)實(shí)例。如不能通過(guò)，則重重新進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)。第五章設(shè)計(jì)圖紙紙?jiān)O(shè)計(jì)圖紙要求,全全部采用CAD繪制，圖紙紙量每人不能能少于16張A3，具體可包包括如下|：隧道平面布置圖；；隧道左、右線縱斷斷面圖；直線段襯砌環(huán)結(jié)構(gòu)構(gòu)圖；左、右轉(zhuǎn)彎襯砌環(huán)環(huán)結(jié)構(gòu)圖；特殊襯砌環(huán)結(jié)構(gòu)圖圖；管片的排版圖；螺栓、墊圈、螺母母及預(yù)埋件圖圖；結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖、配筋筋圖等附錄1——管片設(shè)計(jì)實(shí)例以下介紹平板型鋼鋼筋混凝土管管片的設(shè)計(jì)實(shí)實(shí)例。設(shè)計(jì)方方法采用日本本最普遍的常常用設(shè)計(jì)法。1設(shè)計(jì)條件設(shè)計(jì)條件如下：管片外徑管片寬管片厚（主梁高）覆土厚度地下水位（土水分離離）標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)值土的單位體積重量量土的浮重土的內(nèi)摩擦角土的黏著力地基反力系數(shù)側(cè)向土壓系數(shù)上部荷載千斤頂推力土質(zhì)砂質(zhì)土構(gòu)件的容許應(yīng)力參考下表1臨時(shí)荷載（千斤頂頂推力）的應(yīng)應(yīng)力為長(zhǎng)期應(yīng)應(yīng)力的1.65倍2平板型鋼筋混凝土土管片的設(shè)計(jì)計(jì)（1）作用于管片襯砌體體的外荷載的的計(jì)算由于假定土質(zhì)為砂砂質(zhì)土，所以以土壓和水壓壓按土水分離離處理。垂直直土壓的計(jì)算算參考《隧道道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（盾盾構(gòu)篇）及說(shuō)說(shuō)明》、《盾盾構(gòu)工程用標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)管片》等等，采用下列列所示的Teerzaghhi公式中的的松動(dòng)壓力。表1構(gòu)件件壓力鋼材SM490A混凝土鋼筋SD345螺栓4.66.88.810.9壓應(yīng)力（）19001502000－－－－拉應(yīng)力（）1900－20001200180024003000剪應(yīng)力（）－－－800110015001900土的松動(dòng)高度計(jì)算算式中——水平土壓壓和垂直土壓壓之比（一般般可取1.0）；——土的內(nèi)摩擦角，＝＝32.0o;;——土的黏著力，C＝＝0.0Pa；——土的單位體積重，；——隧道覆土厚度，；；——上部荷載，；——一次襯砌的外半徑徑，。計(jì)算結(jié)果為：土的的松動(dòng)高度，不不足管片外徑徑的2倍，根據(jù)《盾盾構(gòu)工程用標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)管片》取取最小松動(dòng)高高度等于管片片外徑的2倍，則：荷載的計(jì)算自重g：設(shè)混凝土管片的的單位容重（w）為2.6000t/m33g=2.600××h＝0.325（×104Pa）自重反力:上部垂直荷載P11:土壓：水壓：底部水壓：因土反力所以水平荷載:土壓水壓——隧道外半徑；——管片壁厚中心半徑徑；頂部，底部，所以土反力和位移假定作用于兩側(cè)的的水平土壓力力是隨著襯砌砌向地基內(nèi)位位移而產(chǎn)生的的，在襯砌水水平直徑的上上下450中心角范圍圍內(nèi)呈三角形形分布。水平平直徑上點(diǎn)的的土壓力與襯襯砌向地基內(nèi)內(nèi)的水平位移移成正比。考慮了土壓力的位位移：式中，——土、水水壓引起的B點(diǎn)位移；——土、水壓引起的與與上述方向相相反的B點(diǎn)位移；式中，E——彈彈性模量，E＝3.30××1010Pa；II——截面慣性矩矩，I＝土壓力荷載分布表2及圖1～4示出了根據(jù)荷載計(jì)計(jì)算結(jié)果獲得得的荷載分布布。表2荷載計(jì)算結(jié)果荷載名稱荷載強(qiáng)度p1pw113.000018.360垂直方向的荷載強(qiáng)強(qiáng)度pe15.360p(×104)Pap2pw216.35019.381pe22.010pg1.021q1qw113.06315.768垂直方向的荷載強(qiáng)強(qiáng)度qe12.705q(×104)Paq2qw216.28820.283qe23.995自重g(×1044)Pa0.325地基反力(×1004)Pa0.327砂質(zhì)土砂質(zhì)土圖1地質(zhì)條件圖圖2荷載分布圖3松動(dòng)高度圖4土壓力圖5隧道參數(shù)（2）管片環(huán)截面力的計(jì)計(jì)算計(jì)算相對(duì)于外荷載載的管片環(huán)截截面力時(shí)，各參數(shù)參數(shù)如下：：混凝土彈性模量E＝3.3×11010Pa彈性模量比n＝15抗彎剛度的有效率率＝1.0彎矩增大率＝＝0.0管片截面面積A＝1250ccm2管片截面慣性矩I＝162766cm4外荷載在管片環(huán)上上產(chǎn)生的截面面力，采用常常規(guī)計(jì)算法計(jì)計(jì)算，計(jì)算結(jié)結(jié)果如下表3：表3截面3-2荷載計(jì)算結(jié)結(jié)果AngleMNQ00.65227.80100.59627.906-0.393200.43928.202-0.705300.21228.636-0.87740-0.03929.131-0.87650-0.26529.605-0.71260-0.42929.688-0.43670-0.50730.244-0.11880-0.49830.3780.16890-0.42030.4290.368100-0.30030.4250.476110-0.16130.3880.5120-0.02630.3590.4991300.08730.36503461400.16830.4140.2261500.21530.5010.1171600.23730.5990.0431700.24330.6760.0091800.24430.705-0.000表4各截面內(nèi)力計(jì)算值值彎矩（正彎曲）產(chǎn)生位置00.65227.800彎矩（負(fù)彎曲）產(chǎn)生位置70-0.50730.244剪力產(chǎn)生位置30-0.8770.21228.636彎矩（正彎矩）最大正彎矩對(duì)應(yīng)最大負(fù)彎矩最大負(fù)彎矩對(duì)應(yīng)的軸力KNkNm的軸力KN365.8693316.5799-254.41993741.1299365.9042260.2533-254.44662684.8266（3）管頭螺栓的設(shè)計(jì)假設(shè)單塊管片的阻阻力矩（絕對(duì)對(duì)值的最小值值