输水盾构隧洞复合衬砌结构设计计算研究

隧洞衬砌结构计算书项目名称___________ 日期________________设计者____________ 校对者______________一、示意图：1．依据规范及参考书目：《水工隧洞设计规范》（DL/T 5195-2004，以下简称《规范》）《水工混凝土结构设计规范》（SL 191-2008），以下简称《砼规》《隧洞》（中国水利水电出版社，熊启钧编著）《水工隧洞和调压室水工隧洞部分》（水利电力出版社，潘家铮编著）2．几何参数：半跨宽度L1 ＝ 2.000 m ；顶拱半中心角α＝60.00°拱顶厚度D1 ＝0.400 m；拱脚厚度D2 ＝0.600 m侧墙厚度D3 ＝0.600 m；侧墙高度H2 ＝ 4.000 m 隧洞衬砌断面形式：圆拱直墙形底板厚度D4 ＝0.600 m3．荷载信息：0.00 m6.00 m ；外水压力折减系数β＝0.40 Q1＝70.00kN/m ；顶部山岩压力中间值Q3＝40.00kN/m ；侧向山岩压力下侧值Q5＝0.00kN/m ；底部山岩压力中间值顶拱围岩弹抗系数K1 ＝500.0 MN/m3 侧墙围岩弹抗系数K2 ＝500.0 MN/m 3 底板围岩弹抗系数K3＝500.0 MN/m 3顶拱灌浆压力P d ＝0.00 kPa；P d 作用半中心角αp ＝0.00° 其他部位灌浆压力P e ＝0.00 kPa4．分项系数：基本资料：内水压力水头H i ＝外水压力水头Ho ＝顶部山岩压力端部值侧向山岩压力上侧值底部山岩压力端部值Q2＝70.00kN/mQ4＝50.00kN/m建筑物级 1 级；荷载效应组合：基本组钢筋混凝土构件的承载力安全系数K ＝ 1.35 衬砌自重分项系数γQ1 ＝ 1.10；山岩压力分项系数γQ2 ＝ 1.00 内水压力分项系数γQ4 ＝ 1.00 ；外水压力分项系数γQ5 ＝1.00 灌浆压力分项系数γQ3 ＝ 1.005．材料信息：混凝土强度等级：C25 轴心抗压强度标准值f ck ＝16.70 N/mm 2；轴心抗拉强度标准值f tk ＝ 1.78 N/mm 2 轴心抗压强度设计值f c ＝11.90 N/mm 2；轴心抗拉强度设计值f t ＝ 1.27 N/mm2 混凝土弹性模量E c ＝ 2.80×104 N/mm 2纵向受力钢筋种类：Ⅱ级钢筋强度设计值f y ＝300 N/mm 2；弹性模量E s ＝ 2.00× 105 N/mm钢筋合力点到衬砌内、外边缘的距离 a ＝0.050 m三、内力计算：N -- 衬砌计算截面的轴向力，kN ，以拉为正；Q -- 衬砌计算截面的剪力，kN，以逆时针转动为正；M -- 衬砌计算截面的弯矩，kN· m，以内边受拉为正u -- 衬砌计算截面的切向位移，mm ；v -- 衬砌计算截面的法向位移，mm ；ψ-- 衬砌计算截面的转角位移，度；k -- 衬砌计算截面的围岩抗力，kPa 计算节点编号顺序为：底板或底拱、底圆按照从左到右编号；顶板板或顶拱、顶圆按照从右到左编号；其余部位按照从下到上编号；1．承载能力极限状态下的内力计算：经过 3 次迭代运算后,各点设定抗力条件和法向位移一致。

某水电站引水隧洞衬砌结构计算书目录1 计算总说明 (1)1.1 计算目的及要求 (1)1.2 基本资料 (1)1.3 计算原则和假定 (1)1.4 材料参数 (2)1.5 参考书目及资料 (2)2 计算过程 (3)2.1 围岩分担内压 (3)2.2 按初拟配筋计算钢筋应力 (8)2.3 按限裂标准复核钢筋应力 (9)2.4 抗外压计算 (11)3 计算成果及分析 (13)4 附图........................................... 错误！未定义书签。

引水隧洞衬砌结构计算书1 计算总说明1.1 计算目的及要求本算稿采用高压隧洞的透水衬砌方法（公式法）对某水电站引水隧洞进行内力和配筋计算，为施工详图设计阶段引水隧洞衬砌的施工图绘制提供合理的数据依据。

1.2 基本资料引水隧洞布置于XX河左岸，进水口至调压室引水隧洞长全长15541.226 m，为有压隧洞。

引水隧洞建筑物为3级，结构安全级别为Ⅱ级。

沿线山体雄厚，设计洞轴线与主要结构面呈较大角度相交，具备基本的地形地质条件，围岩类别以Ⅲ类为主，局部稳定性差，应及时采取支护措施；少部分洞段属Ⅱ类围岩，基本稳定，Ⅳ~Ⅴ类围岩不稳定。

Ⅱ、Ⅲ1类围岩段，采用马蹄形断面(喷锚支护方式)，Ⅲ2、Ⅳ、Ⅴ类围岩段采用马蹄形或圆形断面（钢筋混凝土衬砌支护方式），本算稿仅针对钢筋混凝土衬砌支护段进行结构计算。

围岩分类及参数详见附页互提资料单。

1.3 计算原则和假定高压隧洞的结构设计采用了透水衬砌方法进行计算，本工程采用公式法进行计算。

公式法：考虑变形协调，计算圆形断面在内水压力作用下围岩、混凝土、钢筋的应力和变形，以及混凝土裂缝开展宽度。

充水过程：初次充水，内水压力达到一定程度后，高压隧洞衬砌体开裂，内水压力以渗透压力，即体积力的形式作用在混凝土衬体和围岩上，使混凝土衬体内、外水压的压差逐渐降低或趋于平衡，从而在钢筋混凝土上产生的应力都较小。

2021年3月第9章盾构隧道衬砌结构1.基本概念1.1隧道衬砌隧道衬砌，英文为Tunnel Lining 。

盾构隧道的衬砌一般为预制管片，预制管片英文为Segment 。

1.2衬砌结构分类（1）按施工方法分类衬砌分为：预制管片、二次浇筑衬砌即拼装管片的内部，做了现浇的二次衬砌、压注混凝土衬砌（ECL 工法）。

是否需要内部做二次衬砌，取决于隧道的用途及结构计算，例如南水北调工程穿越黄河的盾构隧洞及珠江三角洲水资源配置工程盾构隧洞，就做了内部二衬。

（2）按材料分类，管片可分为：钢筋混凝土管片（RC ）（如图9.1所示）、铸铁管片、钢管片、钢纤维混凝土管片、合成材料。

图9.1盾构管片试拼装（佛山地铁）（错缝拼装，5+1块）1.3管片外形与尺寸管片外形可分为四边形的，六角蜂窝形的。

四边形的，例如：深圳地铁快线长隧道，例如11号线、14号线等。

管片外径6700mm ，内径6000mm ，厚度350mm ，宽度1.5m ，纵向螺栓16个，管片分度22.5°，采用左右转弯环+标准环的形式。

管片统一采用1+2+3形式（即：1块封顶块（F ），2块邻接块（L1）、（L2）、3块标准块（B1）、（B2）、（B3））。

止水条采用三元乙丙橡胶及遇水膨胀橡胶条，如图9.2所示。

K 块图9.2用于深圳地铁的Փ6700盾构管片（14号线，2020年）日本的一个六角形管片的案例，并采用插销式接头的案例：隧道直径为Ф6600mm，单线隧道衬砌主要采用6等分的RC平板型管片，环宽1600mm，厚320mm，管片连结采用新研制的FAKT插销式接头。

部分段采用环宽1250mm、厚250mm的蜂窝形RC管片。

如图9.3、图9.4所示。

图9.3日本的六角蜂窝状管片示意图图9.4在盾构隧道中待拼装的六角形管片（傅德明2012）中国在引水隧道中也用过六角形管片（山西万家寨引水工程）。

1.4管环类型：为了满足盾构隧道在曲线上偏转及蛇行纠偏的需要，应设计楔形衬砌环。

盾构隧道衬砌结构内力计算方法的对比浅析邵岩 孟旭 央王卿（工程设计院）［摘要］简要介绍了盾构衬砌常用的荷载-结构计算方法，并通过算例计算分析，揭示了不同模型简化计算盾构衬砌内力的大小、分布规律，并提出了自己的见解，为以后的设计计算提供了有益的参考和提示。

［关键词］盾构衬砌内力计算荷载-结构法1引言盾构法隧道的衬砌结构在施工阶段作为隧道施工的支护结构，用于保护开挖面以防止土体变形、坍塌及泥水渗入，并承受盾构推进时千斤顶顶力及其他施工荷载；在隧道竣工后作为永久性支撑结构，并防止泥水渗入，同时支撑衬砌周围的水、土压力以及使用阶段和某些特殊需要的荷载，以满足结构的预期使用要求。

盾构法隧道的设计内容基本上包括三个阶段：第一阶段为隧道的方案设计，以确定隧道的线路、线形、埋置深度以及隧道的横断面形状和尺寸等；第二阶段为衬砌结构与构造设计，其中包括管片的分类、厚度、分块、接头形式、管片孔洞、螺孔等；第三阶段为管片的内力计算，衬砌断面设计。

管片厚度、配筋率、混凝土强度等设计参数的合理与否, 对体现盾构法的优越性、降低工程造价及提高工程经济性影响甚大，其设计的合理性与管片采用的计算模型密切相关。

因此，选择合理的管片计算模型至关重要。

2盾构衬砌计算方法介绍目前关于盾构管片的设计还没有统一的设计计算方法，很多时候是用经验类比的方法进行设计。

对于装配式盾构衬砌结构，常采用如图1所示的计算方法。

2.1有限单元法有限单元法通常是基于地层—结构理论，认为衬砌与地层一起构成受力变形的整体,并可按连续介质力学原理来计算衬砌和周边地层的内力和变形。

通常做法是将土体与盾构衬砌联合建模，依靠现代化的ANSYS等有限元计算软件，可以模拟施工过程中隧道衬砌以及周围土体的受力情况。

图1装配式衬砌计算方法但是此种方法有其缺陷，管节的连接处难以简化和建模，通常采用折减整体衬砌刚度的方法来反应纵横向管节连接的影响。

2.2荷载-结构法［1］目前,国内外盾构隧道衬砌结构设计主要以荷载—结构计算模式为主。

文章编号:1673-0836(2005)05-0707-06盾构隧道衬砌结构内力计算方法的对比分析研究X曾东洋,何川(西南交通大学地下工程系,成都610031)摘要:在对目前国内外盾构隧道衬砌结构设计中普遍采用的惯用法、修正惯用法、多铰圆环法和梁-弹簧模型计算法进行详细介绍的基础上,以南京地铁南北线为研究对象,运用不同设计方法对盾构隧道在不同埋深下的管片环最大变形量、轴力、弯矩、剪力、螺栓剪力等的大小、分布规律及影响因素进行了系统研究,深入探讨了设计方法对盾构隧道衬砌结构设计所造成的影响。

关键词:盾构隧道衬砌;惯用法;修正惯用法;多铰圆环法;梁-弹簧模型中图分类号:U451文献标识码:AComparison and Analysis Research of Different ShieldTunnel Lining Internal Forces Design MethodsZE NG Dong-yang,HE Chuan(De p t.of Tunnel&Undergroun d Enginee rin g,Southwest Jiaotong University,Chengdu610031,China) Abstract:On the basis of detailed descrip tion of different methods widely used in the shield tunnel lining design wowa-days,such as the routine method,the modified routine method,the mul ti-hinge ring method and the beam-sprin g meth-od,a systematic investigation on the distribution and influential factors of the shield tunnel segment ring deformation,ax i s force,moment,segmen t shear force and bolt shear force with different desi gn method and cover depth of the Nanjing Metro South-North Line are carried out,influences of different desi gn methods on the shield tunnel linin g design are also dis-cussed.Keywords:shield tunnel lining;routine method;modified routine method;mult-i hinge ring method;beam-spring method1引言根据工程设计中对管片接头的不同力学处理方式,国内外盾构隧道管片衬砌结构设计方法主要可分为(修正)惯用法、多铰圆环法和梁-弹簧模型计算法等四种。

盾构隧道衬砌结构设计理论与计算模型综述课程名称：岩土与隧道工程姓名：学号：任课教师：二零零七年十二月盾构隧道衬砌结构设计理论与计算模型综述摘要：文章对圆形盾构隧道的设计理论进行了简单的阐述，针对国内外现已成熟的计算模型进行比较全面的总结，指出了衬砌结构计算理论的发展趋势和研究方向。

关键词：盾构隧道衬砌结构计算模型1．衬砌结构设计理论国际隧道协会(International Tunneling Association)在1988年第三次地下空间和岩土工程国际会议上，以大纲形式提出隧道设计的指导方针。

国际隧道协会将目前采用的隧道结构设计模型分为四种，即连续体或不连续体模型，作用一反作用模型(又称弹性地基梁模型)，收敛一约束模型和工程类比法(经验方法)。

2000年，国际隧道协会第二工作组(Working Group No.2,lnternational Tunneling Association)在官方报告中把盾构隧道的分析模型分为两种:解析模型(Analytical model)与数值模型(Numerical model):解析模型是根据国家标准及所选设计荷载叠加情况利用公式进行解析模拟，而数值模型在模拟详细施工阶段的情况下，根据国家标准运用结构定律与有限元程序进行模拟，以获得弹塑性状态下的应力和应变。

根据我国地下结构设计的特点，隧道结构设计计算模型主要分为四种:荷载结构模型、地层结构模型、收敛约束模型和经验类比模型：荷载结构模型将地层对结构的作用简化为荷载(包括主动地层压力和被动地层压力)，按结构力学或有限元方法分析结构在荷载作用下的内力和变形。

这是一种在我国广泛使用的计算模型，我国地下铁道及铁路隧道设计规范中均推荐使用。

采用这种设计模型，计算方法简单、工作量小，具有明确的受力概念和清晰的安全系数评价方法，工程设计人员可以得到结构的轴力、剪力、弯矩，直接用于结构的配筋计算。

地层结构模型考虑了地层与结构的相互作用，把它们视为共同受力的统一体，利用它们之间的位移协调条件来求解衬砌与周围地层的位移和内力，进行结构截面设计和分析地层的稳定性。

2019年第6期（1.丽江市水利水电勘测设计研究院，云南 丽江 674100；2.宁蒗县水务局，云南 丽江 674300）摘 要：随着盾构法的发展成熟，其已经成为我国城市地铁隧洞的主要施工方法，在输水隧洞工程中也得到了尝试性应用。

为进一步推动盾构法在输水隧洞工程中的应用，本文首先分析了基于盾构法进行输水隧洞设计需注意的内容，其次结合相关案例分析了盾构法输水隧洞的施工要点。

关键词：盾构法；输水隧洞；隧洞设计中图分类号：TV672 文献标志码：A 文章编号：2096-2789（2019）06-0188-02作者简介：周荣（1969—），男，本科，高级工程师，研究方向：水工建筑物设计。

自20世纪90年代以来，盾构法在我国发展迅速，不仅成为我国城市地铁隧洞的主要施工方法，也在一些输水隧洞施工中得到了应用。

如南水北调配套工程就采用了盾构法进行施工，但从整体上分析，国内输水工程中对该方法的应用并不十分普遍。

本文以实际工程为例，分析盾构法输水隧洞的设计与施工问题。

1 工程概况该输水隧洞工程长约9.2km ，设计供水流量为20.23m 3/s ，最大供水流量为25.30m 3/s ，具有十分重要的战略意义。

经勘查后得知，工程施工区域内地层岩性自下而上分别为粉质黏土、圆砾层、粘质粉土、卵砾石层、中细砂、砂质粉土与素填土。

工程施工路线穿过多个引水渠与小河流、房屋建筑与地铁等，施工难度相对较大，经过综合分析、评比，最终选择采用盾构法进行施工。

2 输水隧洞设计2.1 隧洞断面尺寸与形状设计目前，圆形、半圆形、双圆搭接形以及矩形等是比较常见的几种隧洞断面形状。

在这几种图形中，圆形断面施工难度相对较低，施工效果甚为理想，同时较为常见，国内也有多个圆形断面输水隧洞相继建成。

在该输水隧洞工程中，也是采用圆形断面，其中地铁直径线开挖洞径（衬砌管片外径）为12.2m ，其余管片外径为6.5m 。

在输水隧洞工程中，合理控制圆形断面衬砌结构能有效提升结构的稳定性，让衬砌结构与围岩联合承受内水压力作用得到充分发挥。