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隧道工程的衬砌结构设计与施工隧道是现代交通建设中重要的基础设施之一，通过地下开挖形成的通道，通常用于道路、铁路和地铁等的交通运输方式。
而隧道的衬砌结构设计与施工是隧道工程的重要环节之一，它直接关系到隧道的使用寿命和安全性能。
一、衬砌结构设计隧道衬砌结构是指将隧道内部的固定土层覆盖以保持其形状和稳定性的一种结构。
它起到保护隧道免受岩石坠落、土方塌方以及地下水侵蚀等问题的影响。
隧道衬砌结构的设计需要根据具体的地质条件、交通要求和工程预算等因素进行综合考虑。
1. 衬砌材料选择隧道衬砌结构的材料选择是设计的重要一环。
常见的隧道衬砌材料有混凝土、预制混凝土块、钢质和纤维增强复合材料等。
不同的材料有着不同的优势和适应性，需要根据具体情况进行综合比较选择，同时还需要考虑到施工的可行性和经济性。
2. 结构形式设计隧道衬砌结构的形式设计是根据具体的隧道类型和地质条件等因素决定的。
常见的衬砌结构形式有方形衬砌、圆形衬砌以及不规则形状的衬砌等。
在设计中需要考虑到隧道的通行能力和安全性能，并进行合理的优化设计。
3. 衬砌厚度设计隧道衬砌结构的厚度设计是保证隧道稳定性和安全性能的关键因素。
根据地质条件和设计要求，需要确定适当的衬砌厚度来满足工程要求。
同时，还需要考虑到隧道的使用寿命和施工成本等因素。
二、衬砌施工隧道衬砌结构的施工是整个隧道工程的重要环节。
衬砌施工的质量直接影响隧道的使用寿命和安全性能，因此需要高度重视。
1. 施工材料准备在进行衬砌施工前，需要对施工材料进行准备。
包括混凝土、预制构件、钢材以及其他施工所需材料的准备和配送。
确保施工材料的质量和供应能够满足施工需求。
2. 衬砌施工方法隧道衬砌的施工方法有多种选择，常见的有预制块施工、浇筑施工等。
不同的施工方法有着不同的适应性和经济性，需要根据具体情况进行选择。
在施工过程中，要注意施工工艺的合理性和施工作业的安全性。
3. 质量控制隧道衬砌施工的质量控制是确保施工质量的关键因素之一。
第3章区间隧道衬砌结构设计3.1地下铁道线路上部建筑钢轨、联接零件、道床、轨枕、防爬设备及道岔共同组成地下铁道线路上部建筑。
地铁的特点有运量较大、快速迅捷、安全、准时、不污染环境，同时地铁可以修建在建筑物较多而且不便于发展地面交通的地方。
3.1.1 钢轨选定钢轨类型的主要因素是年通过量、速度、选定的轴负载、延长检修周期、检修工作量和振动噪声。
（1）钢轨类型综合国内外地铁钢轨类型和南昌轨道交通的实际情况，宜选用60kg/m的钢轨。
（2）钢轨铺设中山西路站至子固路站区间为直线段，在地下铁道内由于阳光不受影响，温度变化相对较小，铺设无缝线路。
对于无缝线路，采用换铺法进行施工，对于长轨条的焊接，采用基地焊接与工地焊接相结合的施工方式。
基地焊选用接触焊，工地焊可以选用铝热焊或移动式气压焊。
3.1.2 扣件地下铁道的钢轨扣件有刚性扣件及弹性扣件两种，考虑到中子区间地段线路采用整体式道床，因此扣件采用全弹性分开式扣件。
因为全弹性分开式扣件在垂直和横向均具有良好地弹性，相比而言更加适合整体式道床。
3.1.3 道床一般情况下有碎石道床和整体道床两种道床。
整体道床的类型较多，随着轨枕方式的不同，有短轨枕式整体道床、长枕式整体道床、纵向浮置板式整体道床等。
结合南昌铁路交通的实际情况，利用短轨枕整体道床设计区间，道床稳定、耐久性强、结构简单、造价低、施工简单。
钢筋混凝土短轨枕的预制混凝土采用C50，嵌入在混凝土道床，采用C30混凝土道床，布设中心沟，在单层钢筋网的内，钢筋网作为一个杂散电流排水加固。
3.1.4 道岔道岔有单开道岔和双开道岔等形式。
中山西路站至子固路站区间采用9号单开道岔。
3.2地下铁道区间隧道限界与净空本设计线路采用2B 型接触网带电车辆通过这条线，每列车编排6辆，最高时速是80公里/小时。
2B 型车车辆长度为19m ，最大宽度为28m ，车辆定距为12.6m ，车辆限界及设备限界详细参数参照《地铁设计规范》附录。
p隧道衬砌结构设计一、隧道结构计算模型1.荷载结构模型（结构力学模型）：松弛荷载理论以支护结构为承载体，围岩对支护结构的作用只是作用在结构上的荷载（包括主动的围岩压力和被动的弹性抗力）。
一般用结构力学方法对支护结构进行计算。
隧道支护结构与围岩的相互作用通过弹性抗力来体现。
2.地层结构模型（现代岩体力学模型）：岩承理论将支护结构与围岩视为一体，作为共同承受荷载的隧道结构体系。
模型中围岩是直接承载单元，支护结构只是用来约束和限制围岩的变形，是反映现代支护原理的计算方法。
二、隧道衬砌结构设计方法1.结构力学法（弹性理论）结构力学法，也就是荷载-结构模式的分析方法。
这里的结构是指衬砌结构，荷载主要是指开挖洞室后由松动岩土的自重所产生的地层压力。
一般把隧道支护结构在力学上和构造上作为拱形结构来处理，这个思想是从地面结构引申出来的。
拱形结构概念以下述假定为基础：被砌筑的衬砌视为结构的主体，围岩（或其一部分）只是被视为荷载，从本质上说这是与隧道工程的本质相矛盾的。
只要施工没有满足下述条件：制止松弛和由此产生的松弛压力；结构和围岩之间有效的、长期的紧密接触。
隧道结构就只能是个拱，而按拱形结构进行设计计算。
荷载-结构模型在荷载处理上大致经历了三个阶段：1主动荷载模式；2主动荷载+被动荷载模式；3实际荷载模式。
多数情况下采用第二种模式。
第二种模式考虑了结构和围岩之间的相互作用，即围岩对结构的约束作用——围岩抗力，局部体现了隧道作为地下结构的受力特点。
因此，它是第一种模式的进一步发展。
为了保证围岩约束抗力的存在，就必须保证结构与围岩之间的紧密接触。
在此，把围岩对结构形变的约束所产生的反作用谓之抗力，而且把它视为线弹性的，Ky σ=（K ——弹性抗力系数；y ——接触点的径向位移）。
实际上，在荷载作用下地基的变形是一个弹塑性过程。
现在计算方法是把荷载分为被动的弹性抗力与主动的侧压力。
其计算结果最终归结为验证安全系数是否满足设计要求。
第3章区间隧道衬砌结构设计3.1地下铁道线路上部建筑钢轨、联接零件、道床、轨枕、防爬设备及道岔共同组成地下铁道线路上部建筑。
地铁的特点有运量较大、快速迅捷、安全、准时、不污染环境，同时地铁可以修建在建筑物较多而且不便于发展地面交通的地方。
3.1.1 钢轨选定钢轨类型的主要因素是年通过量、速度、选定的轴负载、延长检修周期、检修工作量和振动噪声。
（1）钢轨类型综合国内外地铁钢轨类型和南昌轨道交通的实际情况，宜选用60kg/m的钢轨。
（2）钢轨铺设中山西路站至子固路站区间为直线段，在地下铁道内由于阳光不受影响，温度变化相对较小，铺设无缝线路。
对于无缝线路，采用换铺法进行施工，对于长轨条的焊接，采用基地焊接与工地焊接相结合的施工方式。
基地焊选用接触焊，工地焊可以选用铝热焊或移动式气压焊。
3.1.2扣件地下铁道的钢轨扣件有刚性扣件及弹性扣件两种，考虑到中子区间地段线路采用整体式道床，因此扣件采用全弹性分开式扣件。
因为全弹性分开式扣件在垂直和横向均具有良好地弹性，相比而言更加适合整体式道床。
3.1.3道床一般情况下有碎石道床和整体道床两种道床。
整体道床的类型较多，随着轨枕方式的不同，有短轨枕式整体道床、长枕式整体道床、纵向浮置板式整体道床等。
结合南昌铁路交通的实际情况，利用短轨枕整体道床设计区间，道床稳定、耐久性强、结构简单、造价低、施工简单。
钢筋混凝土短轨枕的预制混凝土采用C50，嵌入在混凝土道床，采用C30混凝土道床，布设中心沟，在单层钢筋网的内，钢筋网作为一个杂散电流排水加固。
3.1.4道岔道岔有单开道岔和双开道岔等形式。
中山西路站至子固路站区间采用9号单开道岔。
3.2地下铁道区间隧道限界与净空本设计线路采用2B 型接触网带电车辆通过这条线，每列车编排6辆，最高时速是80公里/小时。
2B 型车车辆长度为19m ，最大宽度为28m ，车辆定距为12.6m ，车辆限界及设备限界详细参数参照《地铁设计规范》附录。
第3章区间隧道衬砌结构设计3.1地下铁道线路上部建筑钢轨、联接零件、道床、轨枕、防爬设备及道岔共同组成地下铁道线路上部建筑。
地铁的特点有运量较大、快速迅捷、安全、准时、不污染环境，同时地铁可以修建在建筑物较多而且不便于发展地面交通的地方。
3.1.1 钢轨选定钢轨类型的主要因素是年通过量、速度、选定的轴负载、延长检修周期、检修工作量和振动噪声。
（1）钢轨类型综合国内外地铁钢轨类型和南昌轨道交通的实际情况，宜选用60kg/m的钢轨。
（2）钢轨铺设中山西路站至子固路站区间为直线段，在地下铁道内由于阳光不受影响，温度变化相对较小，铺设无缝线路。
对于无缝线路，采用换铺法进行施工，对于长轨条的焊接，采用基地焊接与工地焊接相结合的施工方式。
基地焊选用接触焊，工地焊可以选用铝热焊或移动式气压焊。
3.1.2扣件地下铁道的钢轨扣件有刚性扣件及弹性扣件两种，考虑到中子区间地段线路采用整体式道床，因此扣件采用全弹性分开式扣件。
因为全弹性分开式扣件在垂直和横向均具有良好地弹性，相比而言更加适合整体式道床。
3.1.3道床一般情况下有碎石道床和整体道床两种道床。
整体道床的类型较多，随着轨枕方式的不同，有短轨枕式整体道床、长枕式整体道床、纵向浮置板式整体道床等。
结合南昌铁路交通的实际情况，利用短轨枕整体道床设计区间，道床稳定、耐久性强、结构简单、造价低、施工简单。
钢筋混凝土短轨枕的预制混凝土采用C50，嵌入在混凝土道床，采用C30混凝土道床，布设中心沟，在单层钢筋网的内，钢筋网作为一个杂散电流排水加固。
3.1.4道岔道岔有单开道岔和双开道岔等形式。
中山西路站至子固路站区间采用9号单开道岔。
3.2地下铁道区间隧道限界与净空本设计线路采用2B 型接触网带电车辆通过这条线，每列车编排6辆，最高时速是80公里/小时。
2B 型车车辆长度为19m ，最大宽度为28m ，车辆定距为12.6m ，车辆限界及设备限界详细参数参照《地铁设计规范》附录。
由于区间是一个圆形盾构隧道施工，无论是在直线或曲线段，只能使用相同直径的盾构，要在直线上或不同曲线半径地段采用不同半径的盾构来施工是不可能的。
所以，按平面曲线最小曲线半径来选用盾构进行施工，才能够使得圆形隧道建筑限界满足要求。
（一）由于车厢纵轴线与线路中线的偏移而引起的加宽与加高a.曲线内侧加宽曲内dR8a l d d 22+=+=δ内曲内 （3-1）式中 l-车辆定距a-车辆固定轴距 R-圆曲线半径b.曲线外侧加宽曲外dRd 8a l -L d -R 8L 2222）（曲内曲外+== （3-2）（二）由于超高使车厢倾斜而引起的加宽与加高根据《规范》可知，“圆形或马蹄形隧道在曲线超高地段，应采用隧道中心向线路基准线内侧偏移的方法解决轨道超高造成的内外侧不均匀位移量”。
所以从减小衬砌直径、保证受力和降低工程量方面考虑，只需将隧道中心向线路基准线内侧偏移即可，盾构衬砌一般不进行该项加宽。
本设计不予计算。
c.顶部加高a h)cos 1(sin 21θθ--=a a H L h （3-3）式中 1L -车厢顶部的宽度 （三）总加宽与加高隧道加宽设计考虑区段最小平曲线半径R=350m.所以盾构隧道加宽加高如下：mm m R 4.580584.035082.26.128a l d d 2222==⨯+=+=+=δ内曲内m m 5.7035082.26.12198a l -L d -R 8L 2222222=⨯+-=+==）（）（曲内曲外R d mm R v E 90.133508076.076.022=⨯==rad G E 00968.0143590.13===θ mm H L h a a 8)cos 1(818.3sin 27.1)cos 1(sin 21=-⨯-⨯=--=θθθθ曲线总加宽：mm d d d 9.1285.704.58=+=+=曲外曲内总 曲线总加高：mm h h a 8==高（四）限界与净空具体设计见设计图，图号02。
3.3衬砌结构类型与设计3.3.1 管片类型比选盾构法隧道的衬砌有单层和双层，单层衬砌由装配式中衬砌构成，也可以采用挤压混凝土衬砌，当前，地铁盾构隧道一般采用的是装配式衬砌。
钢筋混凝土管片具有制作方便、刚度较大、耐久性和耐压性好、造价低等一系列特点，因此被广泛采用。
结合南昌市轨道交通特点，本设计采用钢筋混凝土土管片。
钢筋混凝土管片又有两种类型： （一）箱型管片箱型管片一般用于大直径隧道。
管片有大手孔和空腔。
因为空腔较大，因此可采用制螺栓连接。
该管片的优点是：方便螺栓的连接操作；能够减少混凝土材料的使用；材料量相同时候，箱型比板型管片的抗弯刚度更大。
缺点是：因为空腔背部的衬砌厚度有一定限度，在盾构千斤顶的压力作用下，可能会使管片混凝土剥落，甚至被压碎；因为存在空腔，应该将管片设计较厚，所以会导致开挖断面加大，不利于节省造价。
（二）板型管片板型管片呈弯曲的形状，它的手孔较小。
该种管片的优点是：因为空腔较小，大多是实心的，因此能承受千斤顶的较大压力；其内表面比箱型管片平整光滑、通风阻力小、对运营通风有利；当厚度相等时，板型管片的抗弯刚度及强度都比箱型管片大；对各种直径的隧道，都比较适用。
缺点是：一定要使用螺栓，不方便施工操作。
根据上述各类型管片的特点和《地铁设计规范》规定，隧道的衬砌类型选为钢筋混凝土预制单层板型管片衬砌。
考虑防水及一次衬砌到位，衬砌结构混凝土采用C50防水等级S10的混凝土。
3.3.2管片厚度及宽度的设计因为单层衬砌具有施工方法简单、工程进度短、投资较省的优点，所以盾构隧道采用单层装配式衬砌，管片选用平板型钢筋混凝土管片。
综合考虑，管片的厚度为40cm，采用C50混凝土。
使用环宽1.5m的管片有以下优点：一方面是减少了20%的环向接缝数量，降低了接缝漏水的几率，提高隧道防水质量；另一方面是减少了连接螺栓的使用量；此外还减少了20%的拼装时间，加快了施工速度。
综合考虑南昌实际情况，环宽为1.5m。
3.3.3分块在当前情况下，地铁隧道为中等直径的时候，衬砌环的分块数一般采用3个标准块+2个邻接块+1个封顶块，特点是方便运输，容易拼装。
本区间将采用这种分块方式。
中山西路站至子固路站区间盾构管片的标准块为67.5°，邻接块为67.5°，封顶块为22.5°。
3.3.4连接形式管片采用弯螺栓连接，环向采用12个M30螺栓，每接缝之间采用2个M30螺栓连接。
纵向环与环之间采用10个M30螺栓连接，按照36°等角布置。
在距离隧道内侧1/3衬砌厚度处设置纵环向螺栓孔。
3.3.5管片的拼装方式错缝方式和通缝方式是圆形管片衬砌拼装的两种方式。
通缝拼装方式可使装配方便，容易定位。
错缝拼装方式的优点：衬砌整体性较强，结构受力形态较优；由于错缝呈丁字形，有利于防水；当管片环面不光滑时，容易引起较大的拼装施工应力，使得纵向螺栓的连接不太容易，但环向螺栓容易穿。
因此，本设计采用错缝拼装方式。
3.3.6封顶块的插入方式与插入角径向和纵向两种插入方式是封顶块的不同插入方式。
随着盾构隧道的埋深越来越大，承受高水土压力的拱顶管片的抗剪强度成了问题，因此，多数采用纵向插入式。
考虑到南昌轨道交通的实际情况，本设计采用8°的插入角。
3.3.7接缝的构造凹凸榫的设置虽然会提高接缝刚度，减少不均匀沉降，但是却会增加管片制作、拼装的难度，是拼装和后期沉降过程中管片开裂的因素之一，客观上又削弱了管片防水性能。
而且当地层较硬时，如果接缝处开裂，这种开裂发生在管片背后会是看不见且无法修补的。
因此，管片环、纵缝均不设榫槽。
3.3.8注浆孔和吊装孔由于需要均匀地向衬砌背后进行回填注浆，每块管片上还需要设置一个注浆孔，内径取60mm。
不另外设置吊装孔，螺栓孔和注浆孔兼作管片吊装孔。
3.3.9防水考虑为了防止管片漏水，设置防水条槽。
此外，采用密封垫圈来使螺栓孔防水，背后注浆防水采用了包括密封垫圈的注浆孔防水盒防水环对注浆管万册的防水。
管片背面防水采用环氧树脂全面涂刷。
3.4区间隧道结构内力计算及结果分析本设计利用flac程序计算圆形管片结构使用阶段的结构内力。
由埋深方案比选图，地铁线路中山西路站至子固路站区间最不利工况位置处于线路里程CK13+240.99、CK13+416.25和CK13+21.28，其中CK13+21.28里程处为地质条件最为复杂处，CK13+240.99里程处为埋深最大处，CK13+416.25里程处穿过抚河。
需要经过flac计算，才能确定最不利截面。
由地铁区间纵断面地质资料图及设计勘察资料，可以得出上述三处的地质分布，分别如表3-1,、3-2和3-3.表3-1 CK13+21.28处地质表表3-2 CK13+240.99处地质表地层厚度（m）杂填土 4.6粉质黏土 3.4细砂9.0强风化0.8中分化10.2微风化 4.2表3-3 CK13+416.25处地质表地层厚度（m）水7.8粉质黏土 6.2强风化 1.0中分化9.8微风化15.0盾构隧道主要穿过中风化层，该层地质稳定，隧道受影响较小。
管片衬砌采用C50防水钢筋混凝土，其容重取26KN/m³，弹性模量为35.5GPa，但是考虑到管片拼装的衬砌圆环，其刚度比整体浇筑的圆环要小些，管片的刚度折减率取0.6，因此实际输入文件中管片的弹性模量为21.3GPa。
通过flac程序得到了三处的内力大小以及位移，分别如下所示。
图3-1 CK13+21.28处弯矩图图3-2 CK13+21.28处剪力图图3-3 CK13+21.28处轴力图图3-4 CK13+21.28处结构X方向位移图图3-5 CK13+21.28处结构Y方向位移图图3-6 CK13+240.99处弯矩图图3-7 CK13+240.99处剪力图图3-8 CK13+240.99处轴力图图3-9 CK13+240.99处结构X方向位移图图3-10 CK13+240.99处结构Y方向位移图图3-11 CK13+416.25处弯矩图图3-12 CK13+416.25处剪力图图3-13 CK13+416.25处轴力图图3-14 CK13+416.25处结构X方向位移图图3-15 CK13+416.25处结构Y方向位移图由上图可知，管片衬砌在CK13+21.28处最大弯矩为52.2mKN⋅,最大剪力为31.46KN，最大轴力为1397KN，管片衬砌在CK13+240.99处最大弯矩为44.5mKN⋅,最大剪力为25.36KN，最大轴力为1269KN，管片衬砌在CK13+416.25处最大弯矩为26.71mKN⋅,最大剪力为19.14KN，最大轴力为620KN。
所以工况CK13+21.28处结构所受荷载较大，结构内力较大，则此处断面为最不利断面。
