第六章 盾构衬砌结构 上海理工大学土木工程系 陈有亮
目录 6.1 概述 6.2 盾构构造和分类 6.3 盾构推进及衬砌拼装 6.4 装配式圆形衬砌构造 6.5 内力计算与管片结构设计
6.1 概述 6.1.1 定义 6.1.2 盾构法的发展历史 6.1.3 盾构法的优缺点 6.1.4 盾构机的类型
6.1.1 定义 盾构是一种钢制的活动防护装置或活动支撑,是通过软弱含水层,特别是河底、海底以及城市居民区修建隧道时使用的一种施工机械。 在盾构的防护下，头部可以安全地开挖地层，一次掘进相当于装配式衬砌一环的宽度。尾部可以装配预制管片或砌块，迅速地拼装成隧道永久衬砌，并将衬砌与土层之间的空隙用水泥压浆填实，防止周围地层的继续变形和围岩压力的增长。
6.1.1 定义 盾构推进主要是依靠盾构内部设置的千斤顶，用千斤顶顶在拼装成的衬砌环上，使它推进到已挖好的空间内，然后缩回活塞杆，为下一环衬砌拼装创造条件。重复上述过程，不断开挖不断拼装，并不断推进，借助盾构这种施工机械可以较快的速度完成隧道施工基本作业循环，直至隧道建成。
6.1.2 盾构法的发展历史 1818年法国工程师布鲁诺尔取得了隧道盾构的发明专利； 1825年在英国泰晤士河下首次用矩形盾构建造隧道，实际上它是一个活动的施工防护装置； 1869年英国工程师J.H.Greathead成功地应用了P.W.Barlow式盾构修建了英国泰晤士河下水底隧道，自此，盾构得到了普遍承认。
6.1.2 盾构法的发展历史 1874年在英国伦敦城南线修建隧道时，J. H. Greathead创造了比较完整的用压缩空气来防水的气压盾构施工工艺，使海底隧道施工工艺有了长足的发展，并为现代化盾构奠定了基础； 之后，盾构技术在美国、德国、前苏联、日本等国都得到了迅速发展。
6.1.2 盾构法的发展历史 我国在1957年北京下水道工程中首次使用了2.6m小盾构（当时称盾甲法）。从1963年起先后设计制造了外径为3.6m、4.2m、 5.8m、10.2m等不同直径的盾构机械。近年还设计制造了11.0m直径的大盾构，供上海市延安东路过江隧道使用。
6.1.3 盾构法的优缺点 优点：该施工方法属地表以下暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节等条件的影响，能比较经济合理地保证隧道安全施工，在松软含水地层中修建隧道、水底隧道及地下铁道时采用各种不同形式的盾构施工最有意义。 缺点：盾构的制造、运送、拼装、拆卸等费用比较昂贵，设备比较复杂；它是一项综合性的施工技术，除使用盾构本身进行土方开挖和衬砌拼装外，还需要有气压供应，人工井点降水，衬砌管片的预制，衬砌防水堵漏，隧道内的运输、测量、施工场地布置等施工技术的密切配合；用气压法施工时，可能会遇到压缩空气泄出的危险，要采用医学防护措施，防止减压病等；盾构法的应用受到一定条件的限制，如果条件不具备，只有采用其它施工方法。
6.1.4 盾构机的类型 按形状:圆形（半盾构）、矩形、马蹄形等。 圆形因其抵抗水土压力较理想，衬砌拼装简便，构件可以互换，较为通用，数量最多。矩形因四周力的分布不均，操纵不便，用的不多。 在圆形盾构中，根据盾构开挖面的施工方式不同，可分为敞胸盾构和闭胸盾构两大类。按排除地下水稳定开挖面的方式可分为人工井点降水、泥水加压、土压平衡式的无气压盾构，局部气压盾构，气压盾构等
6.2 盾构构造和分类 6.2.1 盾构的基本构造 6.2.2 盾构分类及其适用范围 6.2.3 盾构几何尺寸的选定及盾构千斤 顶推力计算
6.2.1 盾构的基本构造 如图6-2所示，盾构通常由盾构壳体、推进系统、拼装系统、出土系统等四大部分组成。 盾构壳体：由切口环、支承环、盾尾与竖直隔板、水平隔板组成，并由外壳钢板连成整体。 推进系统：盾构的推进系统主要由盾构千斤顶和液压设备组成，并利用千斤顶上下左右活塞杆伸出长度不同达到纠偏目的。千斤顶一般是沿支承环周围均匀分布的。
6.2.1 盾构的基本构造 盾构是由电能带动液压设备而工作的。液压设备由启动输油泵、启动高压油泵、启动控制油泵等组成。 拼装系统：衬砌拼装器又称举重臂，是拼装系统的主要设备，也以油压系统为动力。一般举重臂均安装在支撑环上，中小型盾构因受空间限制有的安装在后部车架上或平板车上。 出土系统：大直径盾构施工要运出大量土方，出土方式恰当与否直接影响到盾构推进的速度和施工场地安排是否合理。出土方式一般有三种：
6.2.1 盾构的基本构造 有轨运输； 无轨运输； 管道运输。
6.2.2 盾构分类及其适用范围 具体分类见表6-1。 按挖掘方式，盾构可分为人工开掘、半机械式开掘和机械式开掘；按构造类型可分为敞胸和闭胸两种方式。
6.2.2 盾构分类及其适用范围 人工开掘式、半机械式敞胸盾构:此类盾构可根据地质条件全部敞开,随时观察地层变化情况,并配备简便的液压、机械挖掘、人工挖掘，当开挖面难以保持稳定时，可以采用气压等人工措施，如正面支撑、支撑千斤顶等随挖随撑。这种盾构是最老式、最普通的一种，绝大多数水底道路隧道都采用这种盾构。它的优点是构造简单，配套设备少，造价低。缺点是盾构正面敞开，工作面易发生塌方事故，危及人身及工程安全，道路隧道直径大，劳动强度大，进度慢。
6.2.2 盾构分类及其适用范围 挤压式闭胸盾构:美国纽约厚兰隧道、林肯隧道和上海打浦路隧道都采用过半挤压及全挤压推进的闭胸盾构施工，在塑性黏土及淤泥中即使采用气压也不能自立，需将盾构正面用胸板密闭起来。它是将盾构压入土层，土体从孔中挤入盾构，装车外运，不需要人工开挖与支撑开挖面，施工效率成倍提高。缺点是适用范围小，只适用于上述这种地层，且全挤压会造成地表隆起，故又只适用于空旷地段，或河底、海滩等处。 用闭胸式盾构施工时衬砌结构会发生一种椭圆率的现象，先是衬砌水平直径缩小，竖向直径增大，继之，盾构离远时，竖向直径减小，水平直径增大。这主要是因为隧道上方土壤破坏隆起，形成一个卸载拱，而水平压力仍然保持初始数值。
6.2.2 盾构分类及其适用范围 机械式闭胸盾构:局部气压盾构、泥水加压式盾构、土压平衡式盾构
优点 缺点 局部气压盾构 可取代在隧道内加压的全气压施工，使施工人员不在气舱内工作，大大改善了劳动条件。 存在一些技术难点，目前尚未很好解决。 泥水加压式盾构 既能均匀抵抗水压，又无局部气压盾构那样漏气及连续出土困难等问题，适用于含水地层、冲击层、洪积层 盾尾漏水问题没有很好解决；开挖面状态不明；要配备许多设备，如自动控制、泥水输送系统、泥水处理系统和泥水处理场地等，后者造价很高。 土压平衡式盾构 用刀盘切削下来的土，如同用压力泥水一样充满整个密封舱，并保持有一定压力，使切削下来的土与开挖面的土体压力平衡，开挖面土、砂不会从刀盘面处崩溃坍塌。该盾构是在上述两种机械化盾构的基础上发展起来的，既避免了漏气缺点，也省略了投资大的泥水输送设备和处理设备，是最新型盾构。失败和成功例子差别很大，有待完善。
6.2.3 盾构几何尺寸的选定及盾构千斤顶推力计算 盾构外径 盾构长度 盾构灵敏度 盾构千斤顶推力计算
6.2.3 盾构几何尺寸的选定及盾构千斤顶推力计算 盾构设计、盾构几何尺寸的选定应与隧道断面形式、建筑界限、衬砌厚度与衬砌拼装方式等相适应。大型盾构，绝大多数工程都是专门定制的，很少几个工程通用一个盾构。盾构几何尺寸的选定主要是指盾构外径、盾构长度、盾构灵敏度的选取。
盾构外径D的选取 D=d+2(x+δ) d为隧道衬砌外径; δ为盾尾钢板厚度; x的物理意义请参考图6-3，实际工程中x取0.01-0.008d。
盾构长度L的选取 L=L0+L1+L2+L3 L0为盾尾长度; L1为支撑环长度; L2为切口环长度; L3为前檐长度。 L3可取300-500mm,视盾构直径大小而定； L2对手掘式盾构要考虑人工开挖操作方便，其最大值L2=Dtanφ或小于2.0m,机械化盾构要考虑容纳开挖机具； L1主要取决于盾构千斤顶长度，它与预制衬砌环的宽度b有关，L1=b+(200-300)mm(留富余量，便于维修千斤顶用)；
盾构长度L的选取 盾尾长度 L0 =m+m1+m2 m、m1、m2的物理意义见图6-4。 m-盾尾遮盖衬砌长度，与需要更换的衬砌环数和盾尾密封装置等因素有关，取1.5-2.5b; m1取0.08-0.20b，选取时应考虑穿纵向螺旋及环面清理工作的方便; m2-千斤顶顶块厚度。
盾构灵敏度L/D的选取 在盾构长度L和盾构外径D确定之后，盾构灵敏度L/D自然可以获得。 下列经验值可以作为确定普通盾构灵敏度的参考： 小型盾构：D=2-3m，L/D=1.5; 中型盾构：D=3-6m，L/D=1.00; 大型盾构：D =6-9m，L/D=0.75; 特大型盾构：D =9-12m，L/D=0.45-0.75。
盾构千斤顶推力计算 盾构千斤顶应有足够推力克服盾构推进时所遇阻力。阻力包括：盾构外表面与四周地层的摩阻力F1、盾尾内壳与衬砌结构之间的摩阻力F2、盾构切口部分韧口切入土层的阻力F3、盾构切口环切入土层时的正面阻力F4、开挖面正面支撑阻力F5以及盾构自重引起的阻力、纠偏时的阻力、局部气压或泥水压力、阻力板阻力等。将各项阻力累加起来，并考虑一定的富余量，即为总推力。由于计算是近似的，安全系数应采用1.5-2.0。
盾构千斤顶推力计算 对手掘式盾构，盾构推进总阻力计算公式为： ∑F= F1 + F2 + F3 + F4 + F5 + ……
6.3 盾构推进及衬砌拼装 6.3.1 盾构推进 6.3.2 衬砌拼装
6.3.1 盾构推进 采用盾构施工,首要问题是盾构选型。盾构是一种施工机具，随地层性质的改变而改变。在进行盾构施工时，要依据地层地质条件，慎重选择盾构类型。 纵观以往水底道路隧道所采用过的大直径盾构，大部分采用手掘式敞胸盾构或闭胸挤压盾构或者是两者兼有的盾构。很少采用技术先进的泥水盾构或土压平衡盾构。
6.3.1 盾构推进 人工井点降水加手掘式敞胸盾构施工 气压加手掘式敞胸盾构施工 泥水加压盾构施工
人工井点降水加手掘式敞胸盾构施工的工作原理 在通过盾构的两侧土层中先打入井点管，通过井点汲水滤管把地下水抽出，使井点附近形成一个降水漏斗，地下水位降低，疏干地层，增加土体强度，以保证开挖面稳定，由于盾构是在地下水位以上通过，施工人员能在较干燥的工作条件下进行操作。
人工井点降水加手掘式敞胸盾构施工的优缺点 优点：不用气压施工，经济实用； 缺点：在江河的中段难于使用，只能用在两岸的岸边段，且埋置深度不能太深，太深若降水效果不好有时可能会引起盾构突然下沉。另外，两岸建筑物也不能太密集，否则因降水不均而引起建筑物不均匀沉降。
地层疏干后手掘式敞胸盾构施工的具体过程 先借助盾构千斤顶使盾构推进，将切口环部分切入地层，然后在切口环保护下进行土体开挖和运输，这样对周围地层扰动较小。 开挖从上而下，分层开挖，施工工具为普通手工工具或手持式电动工具。 根据衬砌管片宽度，盾构切口长度，每环管片可分数次开挖和推进，盾构纠偏时可以利用超挖解决。
地层疏干后手掘式敞胸盾构施工的具体过程 4. 若土质较差，可借助支撑千斤顶加撑板对开挖面进行临时支撑。 4. 若土质较差，可借助支撑千斤顶加撑板对开挖面进行临时支撑。 5. 当用网格式盾构时，根据地层正面主动土压力与土和网格周边的摩阻力相等，土就不会坍入盾构内部的原理，可以取代上述支撑，保证开挖面的稳定，当盾构推进时，利用网格头部的刃口，将土从每一个网格孔眼里呈条状入盾构，这样边推进，边挤入，再用转盘经刮板运输机将土运出。网格大小可视土质情况调整并随时可以装拆。
网格式盾构
地层疏干后手掘式敞胸盾构施工的具体过程 6. 网格式开挖一般不能超前开挖，全靠调整千斤顶编组进行纠偏，另外，要防止盾构千斤顶缩回时因土的弹性变形促使盾构后退，导致地表沉降。
气压加手掘式敞胸盾构施工 在含水松软不稳定地层中采用气压来疏干和支护开挖面,以防止涌水、开挖面崩坍,增强地层强度，是一种极古老且行之有效的盾构施工方法。日本盾构采用气压盾构施工的约占75%，上海打浦路隧道也是采用气压施工。 在粉砂及砂砾层中，由于漏气量太大，用气压盾构法施工效果较差，覆盖层较小还有喷出的危险。此外，压气量应尽量小，宜与井点、注浆、冻结法等结合使用，使隧道埋深不致太大。
气压加手掘式敞胸盾构施工 下面主要讲二个内容： 气压大小及耗气量的确定 气压盾构施工
气压大小及耗气量的确定 理论上，每10m水头必须用0.1MPa大气压来平衡。但实际上，平衡压力的大小还与周围地层的性质、开挖面土层的干湿程度有关。 上海软土层的透气系数很小，一部分水头压力消耗在土体孔隙的阻力上，实际施工所需的空气压力仅为理论值的50-60%，所需空气量仅为理论值的10-50%。
气压大小及耗气量的确定 对于中小型盾构，气压等于离盾构顶端D/2处的地下水压力，大直径盾构要为2D/3处的地下水压力，如图6-5所示。 中小型盾构, P=(H+D/2)*γw 大直径盾构,P=(H+2D/3)*γw
气压大小及耗气量的确定 用上述方法确定的压缩空气压力值，在盾构顶部仍有(1/2-1/3)D的超压p，施工时为防止空气泄出，盾构顶部必须有足够厚的覆盖层，计算式为 t= Kp/ γ土 γ土为土的重度； K为安全系数，在砂质土层中不小于1.5。
气压大小及耗气量的确定 耗气量可采用如下经验公式 Q=αD2 D-盾构外径 α –气压大于0.1MPa时,黏土取3.65，砂土取7.30。
气压盾构施工 气压盾构施工中闸墙和气闸既能将作业区和常压作业区隔开,又能使材料、设备及工作人员顺利进出作业区。闸墙必须有足够的强度和致密性，保证在0.35MPa气压作用下不漏气。大断面隧道均用钢闸墙，气闸是钢板铆接或焊接而成的圆筒形结构。人行闸又分为内闸和外闸两部分，内闸能容纳每班施工人员数，人行闸的管理是气压施工的重要环节，要严格遵守气压作业的工作时间及进出气闸的变压时间，以防减压病。
泥水加压盾构施工 近年来用泥水加压盾构代替气压盾构施工，克服了气压盾构施工的弊病，如地下水移动引起的地面沉降；覆土深时，气压太高，无法施工；覆土浅时，要漏气。 泥水加压出土可以全部实现机械化，用管道水力输送方式送往地面处理，改善了施工条件，加快了施工速度。 泥水加压盾构是将一定压力的泥水，压入盾构前部密封舱内，使其压力始终高于地下水压力，这样就保证了开挖面的稳定。
6.3.2 衬砌拼装 隧道衬砌是在盾构尾部壳保护下的空间内进行拼装的。 衬砌材料以铸铁、钢、钢筋混凝土或钢与钢筋混凝土的复合材料等为主，管片或衬砌种类繁多。 衬砌的拼装方法有重臂拼装和拱拖架拼装；通缝拼装和错缝拼装；螺栓连接（管片）和无螺栓连接（砌块）。 在拼装管片或砌块的过程中，主要应解决管片或砌块的运送、就位、成环以及衬砌的防水等工作。为此，首先必须充分做好准备工作，如举重臂的安全检查、拼装车架的配合、盾构底部的清洗、防止盾构的后退、有关拼装材料的准备等，管片（或砌块）应按预定位置放好，以提高拼装速度。
6.3.2 衬砌拼装 拼装方法按其程序可分为先纵后环和先环后纵两种。先环后纵是拼装前将所有盾构千斤顶缩回，管片先拼成圆环，然后拼装好的圆环沿纵向靠拢形成衬砌，拧紧纵向螺栓。这种方法的优点是环面平整，纵缝拼装质量好，缺点是在易产生后退的地段，不宜采用。先纵后环的方法是可以有效地防止盾构后退，拼一块缩回这部分的千斤顶，其它千斤顶仍在支撑着盾构。这样逐块轮流，直至拼装成环，即先纵后环。 采用举重臂拼装管片的原则应是自下而上，左右交叉，最后封顶成环。若采用纵向插入的封顶管片，则举重臂沿隧道轴向移动的距离要加长，盾构顶部几支盾构千斤顶的冲程也要加长，一般均设计成二级千斤顶。待管片全部拼装好，再分头对称拧紧全部环向、纵向螺栓，达到设计要求后，才算一环管片拼装完毕。随着盾构不断 地推进，拼装工作也不断重复上述步骤，直至隧道建成。
6.3.2 衬砌拼装 在拼装过程中要特别强调注意保证质量。一是保证环面接缝平整，纵向通缝防水涂料压密，以防止管片呈喇叭状，形成漏水、漏泥的通道；二是注意衬砌的准圆度，圆度控制不好，会使衬砌出现外张或内张角，导致衬砌漏水。
管片运输
盾构皮带机出渣
6.4 装配式圆形衬砌构造 装配圆形衬砌一般都是由称为管片的多块弧形预制构件拼装而成,是建成隧道后的永久性支撑结构。衬砌应满足强度要求和使用要求，并阻止泥水渗入；在施工阶段需装配简便、容易替换、承受盾构千斤顶顶力及其他施工荷载。由于这种衬砌是在工厂预制的，质量较易保证，有利于加快隧道施工。 衬砌管片从结构型式上分，有带肋箱形管片和带肋平板形管片。从连接方式上看，管片都设有螺栓与相邻管片连接起来。平板形管片若去除连接螺栓，即成为砌块。砌块四侧设有几种不同形状的接缝槽口，以便相互咬合起来，增加衬砌结构刚度。一般带肋管片的材料多为铸铁和钢，二十世纪七十年代，上海打浦路隧道第一次采用钢筋混凝土箱形管片。
6.4 装配式圆形衬砌构造 球墨铸铁管片的耐蚀性好，强度高，易于制成薄壁结构，重量轻，搬运安装方便。使用机械加工的管片尺寸精度高、外形准确、安装速度快、防水性能好，一般不做二次衬砌。缺点是造价高，特别是具有脆性破坏的特性，不能承受冲击荷载，故仅在土质恶劣的情况下使用。 全钢管片强度高、延性好、重量轻，缺点是刚度小、耐蚀性差，造价和制作精度稍低于铸铁管片，内部须做二次衬砌。 钢筋混凝土管片有一定强度，加工制作比较容易，采用钢模制作时，能保证管片的精度，具有耐蚀、造价低等优点，使用范围越来越广。缺点是比较笨重（最重可达5吨多），运输安装过程中边缘容易碰损，特别象箱形管片在盾构千斤顶作用下容易顶裂。
6.4 装配式圆形衬砌管片的构造尺寸 1)环宽与厚度 国外常用的环宽是750-1000m。需与盾构设计互相配合，勿使盾尾太长影响盾构灵敏度。管片厚度一般为250-600mm。 2)分块 一般大断面隧道可分成6-10块，小断面可分成4-6块。管片的最大弧长一般不超过4m，管片越薄，其长度越短。 3)拼装型式 一般有通缝拼装和错缝拼装两种。纵缝环环对齐的称通缝，适用于需要拆除管片修建旁侧通道或结构需要比较柔的情况下，以便于进行结构处理。纵缝互相错开犹如砌砖一样的对称错缝，其优点在于能加强圆环接缝刚度，约束接缝变形，使圆形结构近似按均质圆环等刚度考虑，因此，使用比较普遍，缺点是管片制作精度不够好时（尤其是钢筋混凝土管片）错缝拼装容易使管片顶碎。
6.4 装配式圆形衬砌管片的构造尺寸 4)环向、纵向螺栓 环向螺栓根据接缝内力情况可设置成单排或双排。一般在直径大，管片厚度也较大时采用双排，外排螺栓抵抗负弯矩，内排螺栓抵抗正弯矩。每一排配有2-3个螺栓。单排螺栓孔一般设置在距离隧道内侧h/3处（h为衬砌厚度）。纵向螺栓是按管片分块、拼装型式、结构受力等要求配置的，目的是使隧道衬砌结构具有抵抗隧道纵向变形的能力。一般一块管片设3-4个螺栓，螺孔位置设在离隧道内侧（1/3-1/4）h处。 环向、纵向螺栓孔一般比螺栓直径大3-6mm。螺栓材料一般采用高强度合金钢。通常用直螺栓，加工简单，受力性能好。弯螺栓的最大缺点是施工拼装时插入困难，影响拼装速度。
6.5 内力计算与管片结构设计 6.5.1 设计原则 6.5.2 内力计算法 6.5.3 荷载计算 6.5.4 衬砌内力计算 6.5.5 管片截面设计
6.5.1 设计原则 隧道建设费用中隧道衬砌费用往往占整个隧道工程造价的40-50%，为此，隧道衬砌结构设计是隧道工程设计中最重要的部分。从20世纪60年代开始，装配式钢筋混凝土管片逐渐得以推广应用。本节主要介绍这种管片的设计和计算原则。
6.5.1 设计原则 首先，隧道衬砌结构必须根据工程需要满足结构的强度和刚度要求，能承受相关的土层压力、水压力以及一些特殊荷载。 其次，隧道衬砌结构设计必须满足安全质量指标要求，如裂缝开裂宽度、接缝变形和直径变形的允许量、隧道抗渗防漏指标、结构安全度、衬砌内表面平整度等指标要求。
6.5.2 内力计算法 圆形隧道衬砌内力计算的方法很多，分类方法如下： 1 按衬砌和围岩的物理模型可分为弹性模型计算法、弹塑性模型计算法和粘弹塑性模型计算法。 2 按数学求解方法可分为解析法、半解析法和数值方法（有限元法、边界元法、差分法等）。 3 综合考虑应力场、渗流场、温度场等的多场耦合分析方法。
6.5.2 内力计算法 1)整体式自由变形匀质圆环计算法(饱和含水地层); 2)有弹性抗力的整体式匀质圆环计算法(土层较好时); 3)有弹性抗力的多铰圆环计算法; 4)接头按弹性铰考虑的圆环计算法
6.5.2 内力计算法 在衬砌内力计算中，管片计算比较简单，比较复杂的是接头如何计算。管片之间的环向接头和衬砌环之间的纵向接头如何考虑，对内力、变形和沉降计算结果的影响非常大。目前关于接头的计算模型主要有： （1）连接衬砌环梁单元模型及考虑接头影响的刚度修正； （2）梁-弹簧模型。 管片视为环梁，接头视为弹簧，考虑其轴向、剪切及转动刚度。 （3）梁-接头不连续模型。
6.5.3 荷载计算 作用在圆环上的荷载可分为基本荷载（基本使用阶段）、临时荷载（施工阶段）和特殊荷载。 1）基本荷载：地层压力、水压力、衬砌自重、均布底部竖向力； 2）临时荷载：自重引起的临时荷载、管片拼装及盾构推进引起的临时集中荷载； 3）特殊荷载：是一种瞬时性的、作用时间短的动力荷载。可用等静载法进行计算。
6.5.4 衬砌内力计算 1）自由变形的匀质圆环计算； 2）考虑土层产生侧向弹性抗力的匀质圆环计算。
6.5.5 管片截面设计 1）管片纵向接缝计算； 接缝张开的验算、接缝强度的计算。 2）管片环缝计算。