衬砌结构

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。

曲墙式衬砌结构计算步骤1. 确定断面形状；截面厚度；2. 确定弹性抗力区的范围及分布规律： 1） 按照拱顶圆弧圆心确定b ϕ位置；2） 按照ab 32确定最大抗力h σ位置，以该点的法线与隧道断面的平分线的交点为基准点o ，连接ob ，此时ob 与隧道平分线的夹角作为抗力计算的实际b ϕ，h i b ϕϕϕ≤≤。

3. 计算主动荷载作用下的内力：1） 由主动荷载的分布在去掉多余约束后，单独考虑主动荷载引起的结构内力，画出内力图o ipip N M 、0。

计算模型为“悬臂曲梁”； 2） 计算墙底在单位力矩作用下的转角位移akI 11=β 3） 按照内力图，可以知道墙底弯矩oap M ，计算由此产生的墙底转角o ap β=1βo ap M 。

轴力oipN 引起竖向位移，由于结构对称，不影响结构内力计算（不考虑）；4） 计算拱顶单位未知力引起的结构内力1M 、2M ，画出弯矩图； 5） 计算位移系数ik δ和自由项ip ∆，其中 ds EI M M ⎰=1111δ≈∑∆IE s 1（1） ds EI M M ⎰==212112δδ≈∑∆IyE s （2） ds EI M M ⎰=2222δ≈∑∆Iy E s 2（3）ds EI M M oipp ⎰=∆11≈∑∆IM E s oip（4） ds EIM M o ipp ⎰=∆22≈∑∆IyM E s oip（5）6） 按照基本方程的泛函形式)()(0)()(021222212110111221111=+∆++++=+∆++++ap p p p ap p p p f f X f X f X X ββδβδββδβδ （6）计算出基本未知力p X 1、p X 2； 7） 主动荷载作用下内力计算o ipi p ip oipi p p ip N X N M y X X M +=++=φcos 221 （7）4. 计算弹性抗力引起的结构内力 1） 计算最大弹性抗力公式 σδδσh hp h k k -=1 弹性抗力的大小与hp δ、σδh 有关，计算hp δ、σδh 需要知道主动荷载作用下的ip M 、单位最大抗力作用下的σi M 和单位力单独作用下的ih M 。

复合式衬砌的组成一、什么是复合式衬砌复合式衬砌是一种由不同材料组合而成的衬砌结构，常用于耐高温、耐磨损等工业设备中。

它具有优秀的耐火性能和机械性能，能够抵御各种极端工作条件的侵蚀和磨损。

二、复合式衬砌的组成复合式衬砌通常由以下几个部分组成：1. 基础材料基础材料是复合式衬砌的主要组成部分，它们提供整体结构的稳定性和可靠性。

常见的基础材料包括陶瓷基体、金属基体和陶瓷纤维等。

这些材料具有良好的耐火性能和机械性能，能够承受高温和压力的作用。

2. 衬层材料衬层材料是复合式衬砌的主要工作层，它们直接接触到工作环境，并起到保护基础材料的作用。

根据不同的工作条件，衬层材料可以选择不同的材料，如耐酸陶瓷、耐碱陶瓷、耐磨陶瓷、耐渣陶瓷等。

这些材料具有优异的抗腐蚀和耐磨损性能，能够有效延长设备的使用寿命。

3. 粘结剂粘结剂是复合式衬砌中起到粘合作用的材料，它将基础材料和衬层材料牢固地粘接在一起。

常见的粘结剂有硅酸盐、水泥、树脂等。

选择合适的粘结剂对于提高复合式衬砌的稳定性和密封性至关重要。

4. 基础层基础层是复合式衬砌的底层，它用于承受设备的重量和外力作用，并提供稳定的基础支撑。

基础层通常由耐火砖、耐火浇注料等材料构成，其强度和稳定性能够满足设备的要求。

三、复合式衬砌的制作工艺复合式衬砌的制作工艺主要包括以下几个步骤：1. 原材料准备根据需要选择合适的基础材料、衬层材料和粘结剂，并进行相应的加工和制备。

确保原材料的质量和性能符合要求。

2. 模具制作根据设备的形状和尺寸，制作相应的模具。

模具的设计和制作需要考虑到衬砌结构的复杂性和精确性。

3. 材料浇注将基础材料、衬层材料和粘结剂按照一定的比例混合均匀，并在模具中进行浇注。

确保材料的密实性和均匀性。

4. 固化和烘干根据不同的材料和粘结剂，进行相应的固化和烘干工艺。

这可以使衬砌结构达到设计要求的强度和稳定性。

5. 完工处理完成衬砌结构的制作后，进行相应的表面处理和检验工作。

衬砌结构计算一、基本资料某公路隧道，结构断面尺寸如下图，内轮廓半径为5.4m，二衬厚度为0.45m。

围岩为V 级，重度为19kN/m3，围岩弹性抗力系数为1.6×510kN/m3，二衬材料为C25 混凝土，弹性模量为28.5GPa，重度为23 kN/m3x0y二、荷载确定1.根据式（1-21），围岩竖向均布压力：q=0.45*1-s2*γ*ω式中：s---围岩级别，此处s=5；γ---围岩重度，此处γ=19KN/m ³ω---跨度影响系数，ω=1+i(m l -5),毛洞跨度m l =(5.4+0.45)*2+2*0.06=11.82m,其中0.06m 为一侧平均超挖量，m l =5—15m 时，i=0.1，此处ω=1+0.1*(11.82-5)=1.682所以，有：q=0.45*1-52*19*1.682*0.5=115.04875(kPa) 此处超挖回填层重忽略不计2.围岩水平均布压力：e=0.4q=0.4*115.04875=46.0195(kPa)三．衬砌几何要素 1.衬砌几何尺寸 内轮廓线半径1r =5.4m 外轮廓线半径1R =5.85m 拱轴线半径'1r =5.625m2.半拱轴线长度S 及分段轴长△S半拱轴线长度S=°180θπ'1r =°180°104* *5.625=10.210(m) 将半拱轴线等分为8段，每段轴长为：△S=8S =8210.10=1.27625（m)3.各分块接缝（截面）中心几何要素i α=8104ii 1y ='1r (1-cos i α) i 1x ='1r sin i αE1Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7E2E3E4E5E6E7E8G3G4G1G5G6G2G7G8R4R5R6R7R8qb1b2b3b4b5b6b7b8h1h2h3h4h5h6h7h8附图 衬砌结构计算图示四．计算位移 1.单位位移用辛普生法近似计算，按计算列表进行。

隧道衬砌结构类型及应用隧道衬砌是指支持和维护隧道的长期稳定和耐久性的永久结构物。

隧道衬砌必须有足够强度、耐久性和一定的抗冻、抗渗和抗侵蚀性。

常用材料1.石料(1)石料质量要求。

石料应符合设计规定的类别和强度，石质应均匀、耐风化、无裂纹。

(2)石料加工要求。

所有料石加工时，外露面四边整齐、棱角方正，拼缝前口要直，尾部略呈斜面。

每边向内收口不得大于10mm。

2.砂浆(1)砂浆中所用水泥、砂、水等材料的质量标准宜符合混凝土工程相应材料的质量标准。

砂浆中所用砂，宜采用中砂或粗砂，当缺乏中砂及粗砂时，在适当增加水泥用量的基础上，也可采用细砂。

砂的最大粒径，当用于砌筑片石时，不宜超过5m m；当用于砌筑块石、粗料石时，不宜超过2.5mm。

如砂的含泥量达不到混凝土用砂的标准，当砂浆强度等级大于或等于M5时，可不超过5%，小于M5时可不超过7%。

(2)石灰水泥砂浆所用生石灰，成分应纯正，煅烧均匀、透彻。

一般宜熟化成消石灰粉或石灰膏使用，也可磨细成生石灰粉使用。

消石灰粉和石灰膏应通过网筛过滤，并且石灰膏应在沉淀池内储存14d以上。

磨细生石灰粉应经4900孔/cm²筛子过筛。

结构类型1.整体式混凝土衬砌指就地灌注混凝土衬砌，也称模筑混凝土衬砌。

模筑衬砌的特点是：对地质条件的适应性强，易于按需要成型，整体性好、抗渗性强，适用于多种施工条件，如可用木模板、钢模板或衬砌台车等，是我国隧道工程中广泛采用的衬砌结构类型。

按其边墙的形式，又可分为直墙式和曲墙式两种形式。

2.装配式衬砌是指在工厂或现场预先制备成若干构件，运入坑道内，用机械将其拼装成一环接一环的衬砌。

这种衬砌的优点是一经装配成环，不需要养护时间，即可承受围岩压力；由于构件是预先在工厂成批生产的，可以保证质量；在洞内采用机械化拼装，缩短了工期，改善了劳动条件；拼装时不需要临时支撑，可节省大量的支撑材料和劳力。

但装配式衬砌在实际应用中也存在着一些缺点。

如需要坑道内有足够的拼装空间，制备构件尺寸要求一定的精度，接缝多，防水较困难等。

隧道衬砌结构知识、原理和衬砌计算及设
计公式
简介
隧道衬砌结构是用于支撑和保护隧道壁面的一种结构。

衬砌的设计和计算是确保隧道的安全和稳定性的重要步骤。

衬砌结构类型
隧道衬砌结构通常包括以下几种类型：
1. 塑料管衬砌：使用塑料管来加固和保护隧道壁面。

2. 预制混凝土片衬砌：使用预制混凝土片来支撑和保护隧道壁面。

3. 钢筋混凝土衬砌：使用钢筋混凝土结构来加固和保护隧道壁面。

衬砌计算及设计公式
在进行隧道衬砌的计算和设计时，需要考虑以下因素：
1. 隧道直径：隧道的直径是确定衬砌结构尺寸和类型的关键因素。

2. 地层情况：地层的稳定性和承载能力将影响衬砌的安全性和设计方法。

3. 水压情况：如果隧道处于水下或水土压力较大的地区，需要考虑水压对衬砌的影响。

根据以上因素，可以使用以下公式进行衬砌计算和设计：
1. 隧道衬砌尺寸计算公式：根据隧道直径和地层参数计算衬砌的合适尺寸。

2. 衬砌材料选择公式：根据地层情况和环境条件选择合适的衬砌材料。

3. 衬砌厚度计算公式：根据地层情况和水压情况计算衬砌的合适厚度。

结论
隧道衬砌结构的知识、原理和衬砌计算及设计公式对于确保隧道的安全和稳定性至关重要。

根据隧道的直径、地层情况和水压情况等因素，可以选择合适的衬砌结构类型，并使用相应的公式进行计算和设计。

总结坑道工程常用衬砌的结构特点、适用条件和设计要点衬砌是坑道工程中最重要的结构之一，它可作为混凝土结构的基础，也可作为钢筋混凝土结构的支撑体。

其作用是支承混凝土结构的自重和受荷载。

其优点是具有较强的抗剪强度、防水、防渗和抗变形能力。

同时，混凝土衬砌结构简单，施工方便，节约材料。

但在施工中由于使用了大量的新材料和混凝土强度不高而导致质量事故较多。

因此，衬砌结构应在设计时进行充分评估和选择。

衬砌结构的常见类型有：板式环衬砌（现称钢-混凝土-板式组合形式);钢板式环结构；圆柱式或钢管形。

每种结构形式均有各自的特点，各有适用条件，设计时应注意因地制宜，具体分析。

现将常用坑道衬筑的一些常见类型的结构介绍如下。

一、板式环衬砌板式环是由钢板和混凝土组成的，当表面层厚度为30~50 mm时，钢板厚度为6~12 mm,混凝土厚度为30~60 mm,该结构可根据要求采用钢-胶结钢、钢板-混凝土-钢-混凝土等多种形式。

板式环衬砌的优点是具有较强的抗剪强度；结构简单、施工方便、节省材料；且重量轻、便于运输、节省材料。

在混凝土厚度为20~30 mm时，板式环结构具有较好的抗变形能力和良好的抗剪强度；厚度为40~60 mm时，板式环结构具有较好的抗变形能力和良好的抗冻融能力，且板式环结构在受力后也不会产生裂缝和变形。

但在施工过程中，板式环一般处于垂直于坑道轴线方向或水平于坑道轴线方向。

因此，它易受地下水活动的影响，从而易出现裂缝，而且容易出现裂纹。

由于钢-混凝土-板式组合形式具有较好的抗剪强度和抗冻变形能力，所以在设计中应注意选择材料的品种、牌号和尺寸等细节问题。

由于坑道中常用钢板板厚度为40~60 mm,通常较厚板板、钢板组合形式是最常用的结构形式。

"二、钢板式环结构坑道中使用的钢板式环，主要是采用Q235钢板，混凝土通过预埋件在钢板上进行连接，钢板的厚度与混凝土板的厚度相同。

钢板式环结构是由钢板和混凝土板组成的钢-钢板环，钢板是由厚度在3~4 mm的钢板制成的。