区间盾构隧道结构设计1）主要设计原则①盾构隧道衬砌结构应满足运营功能要求以及建筑限界、施工工艺、结构防水和城市规划等方面的要求。
结构安全等级为一级，按地震烈度为7度进行结构抗震设计，采取相应的构造处理措施，以提高结构的整体抗震能力。
结构抗力应满足人防部门的要求，抗力级别为6级。
②结构类型和施工方法，应根据工程地质、水文地质和周围的环境条件，通过技术经济比选确定，并应按相关规范的规定进行结构设计计算。
③结构设计应符合强度、刚度、稳定性、抗浮和裂缝宽度验算的要求，并满足施工工艺的要求。
④对于钢筋混凝土结构应就其施工和正常使用阶段进行结构强度计算，必要时也应进行刚度和稳定性验算。
钢筋混凝土结构应进行裂缝宽度验算，其最大裂缝允许值为：明挖法和矿山法施工的结构为0.2～0.3mm；盾构法施工的结构为0.15～0.20mm。
结构进行抗浮验算时，其抗浮安全系数不得小于1.05，否则应采取抗浮处理措施。
⑤采用暗挖法施工时，区间隧道为平行的双洞单线隧道，两隧道的净距一般不宜小于1.0倍隧道洞径。
⑥所选择的盾构机型，必须对地层有较好的适应性，并同时依据盾构推进速度、周围环境状况、工期、造价等各方面进行技术经济比较后确定。
⑦严格控制工程施工引起的地面沉降量，其允许数值应根据地铁沿线的地面建筑及地下构筑物等实际情况确定，并因地制宜地采取措施。
⑧结构防水设计应根据工程地质、水文地质、地震烈度、环境条件、结构形式、施工工艺及材料来源等因素进行，并应遵循“以防为主、多道设防、刚柔结合、因地制宜、综合防治”的原则。
车站及出入口通道防水等级为一级；车站风道及区间隧道防水等级为二级。
2）盾构机类型的选择3）钢筋混凝土管片和特殊管片的设计（1）盾构隧道断面尺寸的拟定xx圆形区间隧道内径的确定是在建筑限界Φ5200mm的基础上考虑施工误差、测量误差、设计拟合误差、不均匀沉降等诸多因素确定的。
并根据《关于明确成都地铁一期工程试验段工程有关问题的会议纪要》（[2003]第一期）的精神，本次设计内径为5400mm（见图5.3.1）。
（2）单、双层衬砌比较制造管片的材料有铸铁、钢材以及混凝土等，此外使用复合材料制作的管片也逐渐增多，在隧道防水、受力合理和经济性能等方面都有明显的优势。
其中钢筋混凝土管片是目前最为常用的，其原因有：①具有一定强度；②加工制作比较容易，采用钢模制作时可保证管片的精度（能达到±0.5mm）；③耐腐蚀；④造价也低。
因此，钢筋混凝土管片管片在我国得到了大规模采用。
从我国上海、广州和深圳等地铁的施工和运行检验情况来看，采用有一定接头刚度的单层柔性衬砌是成功的，单层衬砌施工工艺单一、工期短和投资省。
因此，本次设计采用单层管片衬砌，设计成钢筋混凝土平板型，其接头采用弯螺栓。
（3）管片的厚度与幅宽管片的厚度与隧道断面大小的比，取决于地层条件和隧道埋深等，最主要是取决于荷载条件。
一般情况下，管片厚度为管片外径的4％左右，我国的单线地铁区间隧道多采用350mm和300mm两种。
根据成都地区的工程地质条件及地下水埋深情况，管片厚度取定为300mm，并进行相应结构计算分析，验算其强度和刚度。
管片的幅宽应根据隧道的断面，结合实际施工经验，并满足曲线拟合的条件下，选择在经济性、施工性方面较合理的宽度。
从便于搬运、组装以及出于对隧道曲线段上施工时盾尾长度的考虑，管片幅宽是小一些为好。
但是，从降低管片制造成本，减少易出现漏水等缺陷的接头部数量、提高施工速度等方面考虑，则幅宽大一些为好。
目前，我国地铁盾构隧道的设计中多采用幅宽1.2m和1.5m三种，随着盾构施工技术的发展，趋向于采用宽幅管片。
由于成都地质条件十分复杂，地下水位高、含漂石的砂砾石地层，施工过程中线形的控制难以保证。
对于同样的曲线半径，采用1.2m的管片比1.5m的管片的曲线拟合误差要小，同样是10cm的总误差，留给施工误差的剩余相对要大。
因此，本次拟定幅宽为1.5m和1.2m两种，对于平曲线半径小于350m的小半径区间隧道，采用1.2m 的幅宽，而对于直线和大半径区间，则采用1.5m的幅宽。
（4）管片衬砌环分块设计衬砌环的分块主要由管片制作、防水、运输、拼装、结构受力性能等因素确定，目前国内地铁盾构区间隧道基本上采用六块方案，一块小封顶块，两块邻接块和三块标准块。
本次设计采用以上分块方案，即一环分成6块，见图5.3.1所示。
一环管片由1块封顶块管片(F)圆心角为15°，标准块管片3块(分别为B1、B2、B3)圆心角均为72°。
邻接块管片左右各1块(分别为L1、L2) 圆心角均为64.5°，纵向接头为10处，按36°等角度布置。
环向和纵向螺栓均采用6.8级M24型弯螺栓。
图3 管片分块图（5）拼装方式衬砌圆环有通缝、错缝两种拼装方式。
通缝拼装时，管片衬砌结构的整体刚度较小，导致变形较大、内力较小。
错缝拼装条件下，管片衬砌结构的整体刚度较大，减少结构变形，但衬砌结构较之通缝内力要大，且管片制作精度不够时容易在推进过程中被顶裂，甚至顶碎，因此，应加大对管片精度的要求。
错缝拼装的拼转角度根据纵向螺栓的布置而定，可以两环一组错缝拼装，也可以三环一组错缝拼装，通常将K块放在隧道拱顶90°范围以内。
根据本次设计的管片分块方式，可实现两环一组的错缝拼装方式，第一环管片的封顶块(F)在拱顶正上方，第二环管片的封顶块(F)从正上方右偏36°。
（6）管片的楔形量盾构在曲线段施工和蛇行修正时，需要使用楔形管片环，楔形管片环分为左转环及右转环。
蛇行修正用楔形管片环的数量，会因工程区域内所包含的缓曲线和急曲线区段的比例、有无S形曲线等的隧道线路、影响盾构操作稳定性的周围围岩的情况而不同。
通常，蛇行修正用楔形管片环数量大概是直线区间所需管片环数的3％～5％。
楔形量除了根据管片种类、管片宽度、管片环外径、曲线外径、曲线间楔形管片环使用比例、管片制作的方便性确定外，还应根据盾尾操作空隙而定。
根据本次设计的区间隧道线形，其最小半径为350m，按曲线拟合所需要的楔形量为25mm，但综合考虑施工经验等因素，采用楔形量38mm的楔形管片环，模拟线形采用直线环、左转环和右转环组合的方式。
（7）特殊管片的设计区间的联络通道在修建，有两种方式，一是从地表进行明挖施工，但是当地面条件不允许时，只能采用暗挖的方式。
暗挖联络通道时，必须先从区间隧道里面，破除管片衬砌，然后采用注浆加固或冻结法进行施工。
考虑到成都地铁地质的具体情况，主要为砂砾石、地下水位高，因降水产生的地表沉降小，同时地表又没有明挖条件。
故本次推荐采用先降水再注浆加固地层，最后用暗挖方式修建联络通道。
同时，为了保证施工的安全和施工中管片的拆卸方便，本次设计在联络通道处，区间隧道采用钢管片和钢筋混凝土管片组成的复合型管片环。
4）区间隧道结构计算（1）管片衬砌结构环力学模型盾构隧道管片衬砌结构的力学模型有铰接圆环模型、匀质圆环模型和梁－弹簧模型。
铰接圆环模型、匀质圆环模型属于经验性为主的简化计算法，此种方法因不能明示接头位置，难于反映管片衬砌结构的实际受力状况（如考虑为匀质圆环时，不能反映圆环偏转某一角度后的截面内力及变形变化、不能计算错缝时的纵向接头的剪力等），计算结果受人为影响的因素较大。
梁－弹簧模型属于精确计算法，能考虑各类接头位置与刚度、错缝时的环间相互咬合效应，及隧道与周围土体的实际相互作用关系。
根据精确计算法还能明确计算出衬砌管片的环向及纵向接头的各种内力值，可准确地进行各类衬砌管片接头的设计。
我国以前多采用匀质圆环模型进行受力分析，随着盾构隧道设计理论的发展，目前也出现了采用梁－弹簧模型进行力学分析，两种力学模型（见图1）的具体情况如下:①匀质圆环模型将衬砌圆环考虑为弹性匀质圆环，用小于1的刚度折减系数η来体现环向接头的影响，不具体考虑接头的位置，即仅降低衬砌圆环的整体抗弯刚度，如日本的修正惯用计算法。
用曲梁单元模拟刚度折减后的衬砌圆，同时用弯矩增大系数ξ来表达错缝拼装引起的附加内力值。
根据国内外经验，通常取η为0.75，ξ为0.3。
②梁－弹簧模型在一衬砌圆环内，具体考虑环向接头的位置和接头的刚度，用曲梁单元模拟管片的实际状况，用接头抗弯刚度 K来体现环向接头的实际抗弯刚度。
为错缝式拼装时，因纵向接头将引起衬砌圆环间的相互咬合作用，此时根据错缝拼装方式，除考虑计算对象的衬砌圆环外，将对其有影响的前后的衬砌圆环也作为对象，采用空间结构进行计算，并用圆环径向抗剪刚度K r和切向抗剪刚度K t来体现纵向接头的环间传力效果。
同时假图1 管片衬砌圆环计算的两种力学模型（2）管片衬砌结构接头力学模型在采用梁－弹簧模型进行结构计算时，管片接头抗弯刚度kθ，的取值很重要，它是评价评价盾构隧道管片衬砌结构设计合理与否的关键。
工程设计中常因设计者对kθ的取值偏差导致结构内力计算结果出现较大差异，从而使得在条件基本近似的条件下，管片厚度等重要结构设计参数相差甚大，导致设计过于保守或偏于不安全。
目前，工程中对kθ的取值还没有图表或公式可以遵循，实际中一般采用现场试验或室内模型试验进行确定。
以下应用三维有限元理论的基础上，采用数值方法对管片接头刚度进行模拟计算，为盾构隧道装配式管片衬砌结构设计计算提供依据。
①计算假定已有研究成果表明，盾构隧道管片接头变形主要由接头板接缝材料压缩和连接螺栓受拉变形组成，相比而言，接头端面其余部位变形较小且近乎线性变化。
根据管片接头端面变形特点，计算过程中主要引入了如下假定：◆小变形假设：外荷载作用下的管片接头端面变形和转动与构件几何尺寸相比较而言非常微小，属小变形范畴。
◆平截面假设：除接触端面由于受螺栓拉力和混凝土挤压而形成曲面外，管片其余断面变形前后均为平截面。
◆材料均匀性假设：忽略材料几何制造等形成的差异，假定计算管片为均质各向同性材料。
②计算参数结合研究对象所处围岩条件，埋深范围等确定衬砌环轴力、弯矩变化范围分别为300～1000kN和-150～200kN.m。
计算中通过在管片远离接缝的两侧端头施加均布面荷载以形成轴力N，通过在单块管片中部施加均布线荷载形成弯矩M。
计算中管片混凝土弹性模量35GPa，泊松比0.17；连接螺栓弹性模量210GPa，泊松比0.3。
③有限元模型计算采用整体笛卡儿坐标系对平板直接头管片（管片尺寸：长×宽×高：3581mm ×1500mm×300mm）进行三维建模分析。
考虑到盾构管片的实际承载和变形及其影响因素，对管片内侧远离接触面底边线施加铅直约束，而在水平面内允许其自由变形。
结合结构几何对称性，计算管片取0.5倍幅宽，约束对称面变形。
模型建立、网格划分及约束施加如图2所示。
