第六讲盾构衬砌结构

主讲教师：胡敏云本章主要内容

⏹什么是盾构技术？

⏹盾构构造和分类

⏹盾构尺寸和千斤顶推力

⏹盾构推进及衬砌拼装

⏹装配式圆形衬砌构造

⏹内力计算与管片结构设计

学习要求：

⏹了解盾构隧道的功能和适用环境；

⏹掌握圆形衬砌构造、内力计算与管片结构设计。

盾构法是暗挖隧道的

专用机械——盾构机在地面以下建造隧道的一种施工方法。

构成盾构法的主要内容是：先在隧道某段的一端建造竖井或基坑，以供盾构安装就位。盾构从竖井或基坑的墙壁预留孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的设计预留孔推进。盾构推进中所受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制衬砌，再传到竖井或基坑的后靠壁上。

盾构法施工

什么是盾构技术？

⏹盾构（shield ）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的一种机械。

⏹头部可以安全地开挖地层,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。

⏹盾构推进主要依靠盾构内部设置的千斤顶。

适用条件

⏹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；

⏹暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节等条件的影响。

发展历史

⏹用盾构法修建隧道开始于1818年，法国工程师布鲁诺尔；

⏹1825年在英国泰晤士河下首次用矩形盾构建造隧道；

⏹近代，日本盾构法得到了迅速发展，用途越来越广，并研制了大量新型盾构；

⏹我国于1957年北京下水道工程中首次出现2.6m 小盾构；

⏹上海市延安东路过江道路隧道使用11.0 m 直径的大盾构；

双圆式盾构

按形状分类

⏹大致有圆形（又称半盾构）、矩

形、马蹄形等几种。

⏹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。

⏹圆形盾构中，敞胸盾构和闭胸盾

构两大类。

盾构的构造和分类

⏹盾构壳体⏹推进系统⏹拼装系统⏹出土系统盾构壳体是由切口环、支承环、盾尾与竖直隔板、水平隔板组成。

主要构件是盾构千斤顶和液压设备。

衬砌管片安装是在盾尾中进行的，主要设备是衬砌拼装器（亦称举重臂），一般安装在支承环上。

可采用有轨、无轨和管道运输的形式；

与盾构挖土系统相匹配。

水平隔板竖直隔板

切口环支承环盾尾盾构机类型

盾构机按照工作原理及发展史可将盾构分为如下几种盾构：

⏹密封式盾构：泥水平衡式盾构、土压平衡式盾构

⏹全敞开式盾构：手掘式、半机械式、机械式

⏹半敞开式盾构：挤压式盾构

挖掘方式构造

类型

盾构名称开挖面稳定措施适用地层附注

人工开挖（手掘式）敞胸

普通盾构临时挡板、支撑千斤顶

地质稳定或松

软均可

辅以气压、

人工井点

降水及其

它地层加

固措施棚式盾构

将开挖面分成几层，利用砂的安息角

和棚的磨擦

砂性土

网格式盾构利用土和钢制网状硌栅的磨擦粘土淤泥

闭胸

半挤压盾构

胸板局部开孔依赖盾构千斤顶推力土

砂自然流入

软可塑的粘性

土

全挤压盾构胸板无孔、不进土淤泥

半机械式敞胸

反铲式盾构手掘式盾构装上反铲挖土机

土质坚硬稳定

开挖面能自立辅助措施旋转式盾构同上，装上软岩掘进机软岩

机械式敞胸旋转刀盘式盾构单刀盘加面板多刀盘加面板软岩辅助措施闭胸

局中气压盾构面板和隔板间加气压多水松软地层

不再另设

辅助措施泥水加压盾构面板和隔板间加压力泥水

含水地层、冲

积层、洪积层

辅助措施土压平衡盾构

（加水式、加泥

式）

面板和隔板间充满土砂容积产生的压

力与开挖面处的地层压力保持平衡

淤泥、淤泥混

砂

辅助措施泥水平衡盾构机

泥水气压平衡盾构是通过在支承环前面装置隔板的密封舱中，注入适当压力的泥浆使其在开挖面形成泥膜，支承正面土体，通过控制中心泥水液面高度，维持开挖面压力稳定。

泥水平衡盾构掘进机结构示意图

泥水平衡盾构机工作原理

泥水平衡盾构掘进机

工法示意图

泥水盾构掘进机对于隧道面可被泥水加压所支撑的土质条件很理想，适用于应付各种困难地层和控制地表沉降。挖出的土以泥水形式由管道运输，而砾石可压碎后被管道运输或在管道输送中途被移走。

泥水处理装置地下水位高、水压大的地层中特别适合使用泥水盾构，因泥水盾构是将水、土及添加剂混合制成的泥水经输送管道压入泥水舱，用泥水压

来平衡掌子面的水土压。掘进时刀盘切削下来的土砂进入泥水舱，搅拌后经泥浆泵送到地表的泥水分离系统，待水土分离后再把滤除掘削土砂的泥水重新压送回泥水舱。如此不断循环完成掘削、排土、推进。在盾构中泥水平衡式盾构对地层的扰动最小，地面沉降最小。

泥水平衡盾构适用土层

盾构机示意图盾构机照片

泥水平衡盾构优缺点

对于泥水盾构，因其掌子面前方泥水成膜的关系，其刀盘、刀具的耐磨性比土压盾构要好，但在砂砾地层中使用，排泥管的磨耗是比较严重的，需要采取耐磨措施。至于泥水盾构的密封措施，盾尾止水刷需采用将密封材料或润滑脂压入钢丝刷间或用4道密封承受高水压。泥水盾构对地层稳定性的控制较好，但工艺复杂且辅助设备多，尤其是需要泥水处理设备，占地面积大，费用较高。

泥水平衡盾构

结构示意图土压平衡盾构机

土压平衡式盾构(EPBS)自1974年在日本首次使用以来，以其独特的优势已广泛用于世界各地的隧道工程中。目前，土压平衡式盾构在全国地铁、市政、能源等工程建设中得到更为广泛的应用。实践证明，土压平衡式盾构因其能较好地控制地表沉降、保护环境、适应在市区和建筑密集处施工等优点，在我国正走向普及。

土压平衡盾构工法示意图土压平衡盾构法基本原理是用有形钢质组件沿隧道设计轴线开挖土体而向前推进，这个钢制组件就是盾构，土压平衡盾构是通过盾构土压舱中土压控制平衡刀盘前方土

压力和地下水压力，使掘进工作面保持稳定。

●土压平衡盾构优点：

（1）土压平衡盾构可节省泥水处理设备费用，造价比泥水盾构低，对周围环境无污染。通过大量的工程实践，土压平衡盾构已大大地显示出技术经济上的优越性，因而得到了快速的发展和推广，成为当前隧道施工的首选方案。

（2）根据不同的施工条件和地质要求，可采用不同的开挖面稳定装置和排土方式，设计成不同类型的土压平衡盾构，使其能适应从松软粘性土至砂卵石土层范围内的各种土层，较好地稳定开挖面地层，减小和防止地面沉降、变形，提高隧道施工质量。

（3）加泥型土压平衡盾构是在普通型土压平衡盾构的基础上通过盾构配备加泥、泡沫及水装置加入添加剂(膨润土或高效发泡剂)，扩大对地层的适应性，通过刀盘开挖搅拌作用，使注入的添加剂与开挖下的泥土混合，而将泥土转变为具有流动性好和不透水性的泥土，及时充满泥土舱和螺旋输送机体内全部空间，随着盾构的不断推进而顺利地由螺旋输送机排土口排出；

●土压平衡盾构缺点：

土压平衡盾构，必须解决的几个关键问题是:

（1）刀盘、刀具的耐磨性;

（2）如何破碎大粒径漂石;

（3）如何防止喷涌以及盾构的密封性能。

敞开式盾构掘削面呈敞露状态，故挖掘状态是干挖态，所以出土效率高。这种

形式的盾构可根据其机械化程度的差异，分为人工式、半机械式、机械式三种。

1966年5月，上海隧道建设公司用盾构法设计建造中国第一条水底公路隧道——打浦路隧道。打浦路隧道全长2.7km，隧道部分长1320m，外径10m。所用网格盾构有所改进，敞开式施工可转换为闭胸式施工。

敞开式盾构机

打浦路隧道工程施工直径10.22m盾构掘进机

（可转换为闭胸式盾构）

敞开式盾构适用土层及辅助施工措施

全敞开式盾构用于掘削面自稳性好的地层(如:洪积层压实砂、砂砾、固结粉砂及黏土)。对自稳性差的地层(如:冲积层中的砂层、粉砂层及黏土层)而言，应辅以压气、降水、注浆加固等措施，以便确保掘削面的稳定。敞开式盾构在地层掘进的前提是需沿线大范围的地面降水，同时为了保障施工沿线上方建筑的安全，以及防止开挖掌子面的失稳，采用预注浆和超前管棚等辅助施工措施是必要的。

敞开式盾构机优缺点

●敞开式盾构使用的优点：

（1）对盾构设备的要求较低，可实现国产化;

（2）可形成多种断面形式，如矩形、马蹄形等;

（3）漂石、砂卵石等对开挖的制约小。

●敞开式盾构使用的缺点：

（1）需要采取强有力的辅助施工措施进行超前地层加固，否则，掌子面土

体难以实现自稳，会诱发严重的安全事故。

（2）对地下水生态环境会造成严重破坏。由于需要沿线大范围地面降水，

这将在施工地段周围产生很大的降水漏斗，周围的水环境将受到严重的不利影响，甚至会导致地面绿化带的枯死及沉降。同时，当注入有机浆液加固地层时，会使地下水受到污染;

（3）敞开式盾构的设备费用和人工开挖费用虽然较低，但加上其辅助加固

费用，成本不一定得到降低;

（4）采取人工开挖，施工进度缓慢，容易延误工期，会影响整个工程的进度。同时若采用了压气的辅助工法，则当压气气压>1.5bar时，操作人员会患高压病，直接威胁人体健康。

盾构几何尺寸的选定 主要指盾构外径D 和盾构长度L 、盾构灵敏度L/D 。

x ：最小建筑空隙值

δ：盾尾钢板厚度

δ=0.02+0.01(D -4) ()

δ++=x d D 2d

L m m x w ==αL 0—盾尾长度；

L 1—支承环长度；

L 2—切口环长度；

L 3—前檐长度。

3

210L L L L L +++=

盾构长度与直径之比(L/D)称为盾构灵敏度。它对盾构操纵的灵活性有着很大影响，其值越小，盾构操作越灵活。

⏹经验数值:

⏹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＞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的推理克服盾构推进时所遇到的阻力：⏹盾构外表面与四周地层的摩阻力；⏹盾尾内壳与衬砌结构之间的摩阻力；⏹盾构切口部分刃口切入土层的阻力；⏹盾构切口环切入土层时的正面阻力；⏹开挖面正面支撑阻力；⏹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。

手掘式盾构的阻力：⋅⋅⋅++++⋅⋅+=∑22221F F F F F F 日本盾构总推力经验公式2(70100)()4P D N π

=-

盾构尺寸和推力参考图

盾构总推力

ϖ∑隧道名称直径D(m)长度L(m)灵敏度L/D 重量W(t)盾构千斤顶（只数）

盾构总推力

(104N)盾壳厚度(mm)

荷兰Vehicular 9.17 5.730.6340030600070美国林肯隧道

9.63

4.71

0.49

304

28

40

63=12.7

美Brooklyn-battery 9.63 4.710.49315284063=12.7

美Queen-Midtown 9.65 5.700.5928

5600比利时Antwerpen

9.50 5.500.576275320070

Rotherhite 9.35 5.490.580

6700原苏联莫斯科地铁9.50 4.730.5340363500中国上海打浦路隧道

10.20 6.630.65400408000中国上海延安东路隧

道

11.26

7.80

0.69

480

44

8800

（1）盾构推进

⏹已建隧道所采用过的大直径盾构，大部分都属于手掘式敞胸盾构或闭

胸挤压盾构，或者是两者兼有的盾构。

⏹技术先进的泥水盾构或土压平衡盾构很少采用。

⏹本节将主要介绍在松软含水地层中采用手掘式敞胸盾构施工，辅以气

压，人工井点降水及其它地层加固措施，盾构开挖掘进时的几种施工方法。

1）人工井点降水加手工掘进式敞胸盾构施工

⏹人工井点降水，经济，适用于漏气量大的砂性土。

⏹地下水位降低、疏干地层，增加土体强度，以保证开挖面稳定，盾构

在地下水位以上通过，施工场地较干燥。

⏹一般都采用喷射井点，深度曾用到27 m，使埋深为25 m的隧道能顺

利开挖。

具体过程

（1）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与运输，这样对周围地层扰动较小。（2）分层开挖，施工工具为普通手工工具或手持式风动工具。

（3）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。（4）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，防止盾构后退。

2）气压加手掘式敞胸盾构施工（a ）气压大小及耗气量的确定

⏹理论上，每10m 水头必须用0.1Mpa 的气压力来平衡;实际上，仅为理论压力的50%~60%，空气量仅为理论空气量的10%~50%。⏹中小型盾构，压力等于离盾构上端约D/2处的地下水压力;⏹大直径盾构为2/3 D 处的地下水压力;⏹顶部均超压，需有足够的覆盖层。

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，且行之有效的施工方法。

⏹施工时为了防止空气泄出，盾构顶部必须有足够厚的

覆盖层t 即

⏹t 值过大则直接影响到隧道埋置深度，过小则覆盖不足，

往往容易发生喷发事故。

⏹国外隧道规范规定；水底隧道的最小覆盖层必须大于盾构直径（日本）或等于盾构直径，覆盖层宽度应大于或等于盾构直径的6倍。

p

t K

γ∆=

土

⏹采用经验公式计算耗气量：

⏹

—土质系数，当压力大于0.1MPa 时，粘性土=3.65；砂性土=7.30。⏹D ——盾构外径。

2

Q D

α=α

（2）气压盾构施工

⏹气压盾构施工中闸墙和气闸作用是将作业区与常压作业区隔开。

⏹闸墙必须有足够的强度与气密性.

⏹气闸是钢板铆接或焊接而成的圆筒形结构，分人行闸和外闸两部

分。

⏹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。

3）泥水加压盾构施工

⏹用泥水加压盾构代替上述气压盾构施工，克服了气压施工的弊病。

⏹地面沉降，减压病，覆土深时，气压太高无法施工，覆土浅时，漏气等。

⏹泥水加压盾构是将压力为的泥水，（式中∆H 取2m ）,压入盾构前部密封舱内，使其压力始终高于地下水压力，这样就保持了开挖面稳定的基本条件。

()y H γ⨯+∆泥H γ⨯水

⏹隧道衬砌是在盾构尾部壳保护下的空间内进行拼装。

⏹组成：铸铁、钢、钢筋混凝土或钢与钢筋混凝土的复合材料等制

成的管片或砌块。

⏹结构受力及使用要求决定盾构及衬砌结构形式并决定其拼装方法。

拼装方法

⏹重臂拼装或拱托架拼装；

⏹通缝拼装（管片的纵缝环对齐）或错缝拼装；

⏹螺栓联结的管片或无螺栓联结的砌块等。

⏹按其程序可分为“先纵后环”和“先环后纵”。

⏹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。

⏹“管片”是建成隧道后的永久性支撑结构，应满足强度要求、使

用要求；

⏹施工阶段须装配简便、容易替换、承受盾构千斤顶顶力及其它施

工荷载。

箱形管片

平板形管片

箱形铸铁管片

带肋管片的材料长期以来多为

铸铁（见图6-6c）和钢。

环宽与厚度

⏹国内外常用的环宽是750~1000m；

⏹曲线段推进时设有楔形管片，按隧道曲率半径计算；

⏹管片厚度一般为250~600mm。

分块

⏹大断面隧道可分成6~8~10块，小断面可分为4~6块。

⏹管片的最大弧长一般不超过4 m，管片愈薄其长度应越短。

拼装形式

⏹一般有通缝、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，对称错缝，其优点在于能加强圆环接缝刚度，使圆

形结构可近似地按均质圆环等刚度考虑，因此使用较普遍的，缺点是错缝拼装容易使管片顶碎。

环、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。

⏹双排：外排螺栓抵抗负弯矩，内排螺栓抵抗正弯矩。

⏹纵向螺栓目的是使隧道衬砌结构具有抵抗隧道纵向变形的能力，一

块管片设3~4个螺栓。

⏹螺栓材料一般采用高强度合金钢，直螺栓。

本讲要点

⏹什么是盾构技术？

⏹盾构构造和分类

⏹盾构的四个组成系统

⏹盾构的分类和施工方法

⏹盾构尺寸和千斤顶推力

⏹盾构的尺寸:盾构机的直径选择和设计

⏹千斤顶的推力设计

⏹盾构推进及衬砌拼装

⏹井点降水+手掘式

⏹气压+手掘式

⏹泥水加压式盾构

⏹装配式圆形衬砌构造

⏹管片的尺寸

⏹管片的拼装方法内力计算与管片结构设计

设计原则

⏹衬砌费用占40%~50%，因此衬砌结构设计应安全可靠、经济合理。

⏹本节重点介绍装配式钢筋混凝土管片。

1.满足结构的强度和刚度：土层压力、

水压力以及特殊荷载，按梁式模

型计算埋在土中圆环的内力和位

移。

⏹覆土最深、顶压与侧压相差最大

处：按施工阶段和使用阶段荷载

最不利组合情况下计算，同时按

使用阶段与特殊荷载阶段组合情

况下的管片强度验算。

⏹覆土最浅处：断面仅进行使用阶

段和特殊荷载阶段组合情况下的

管强度验算。⏹ 2.满足所提出的安全质量指标

要求：，按梁式模型计算管

片的裂缝宽度等。

⏹目的：满足使用要求的工作环

境，保持隧道内部的干燥和洁净。

⏹要求：裂缝开展宽度，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，衬砌内表面平整度要求，1、内力计算法

☐整体式自由变形均质圆环

☐在饱和含水地层中是一种常用的方法，误差可以接受。

☐有弹性抗力的多铰圆环

☐当土层条件较好时，对装配式圆形衬砌的内力计算更为合理。思考：结构物的承载能力由什么决定?

答：由其材料性能决定，需要设计截面尺寸大小。

整体式自由变形均质圆环

⏹饱和含水地层中，因内擦角φ值很小，主动与被动土压力几乎是

相等，结构变形不能产生很大抗力。

⏹假定：结构可以自由变形，不受地层约束，认为圆环只是处在外

部荷载及与之平衡的底部地层反力作用下工作.

1.采用错缝拼装和通缝拼装，接缝处的刚度远远小于断面部分的刚度，与

整体式等刚度圆形衬砌差异更大。

2.日本资料，接头刚度折减系数η，对铸铁管片η=0.9~1.0；钢筋混凝土管

片η=0.5~0.7。

3.为了便于计算，对纵向采用双排螺栓、错缝拼装连接，近似为整体式等

刚度均质圆环。

有弹性抗力的多铰圆环

⏹当土层较好，衬砌变形后能提供相

应的地层抗力，则可按有弹性抗力的整体式匀质圆环进行内力计算。

⏹常用的有日本的和苏联的假定抗力

法等。

⏹由工程实践的发展管片连接方法由

刚性连接向柔性连接过渡。

⏹将接缝看作为一个“铰”，整个圆

环变成一个多铰圆环。

⏹虽属不稳定结构，但因有外围土层

提供的附加约束和多铰圆环的变形而提供了相应的地层抗力，促使多铰圆环仍处于稳定状态。

2、荷载计算

⏹基本荷载（基本使用阶段）⏹临时荷载（施工阶段）

⏹特殊荷载1）基本荷载（基本使用阶段）

（1）土层压力：

垂直土压力

竖向土压力

拱背压力

地面超载

水平土压力

（2）水压力：

（3）衬砌自重

（4）均布底部压力

竖向土压拱背土压

2222222()2(1)0.4344H H H h R q R R R γππγγγ=-=-=地面超载

q 3 =10kN/m 2（当隧道埋深较浅时）

∑==n

i i

i h q 1

1γ垂直土压力q

q=q 1+q 2+q 3

水平荷重

水平荷重即地层侧向主动土压，由均匀土压p 1和三角形土压p 2组成:21124

2(45)2(45)222(45)(10)2H P q tg ctg P R tg N ϕϕϕ

γ=-

--=-

顶部垂直向下水压力底部垂直向上压力

侧向水平水压力4'(10)w w q H H N γ== 4''(2)2(10)w w H H q H R H R N γ=+=+ 水压力

()[]

H w w R H q θγcos 1-+=

衬砌自重

δ

γRe =g γ：钢筋混凝土的重度

δ：管片的厚度，当采用箱型管片时可折减。

思考：

衬砌自重作用在什么位置上？

4

0.2146(10/)2k H H p q g R R N m ππγ=++-

均布底部竖向力

平均后的拱背压力

抵消后的平

均水压力平均后的竖

向土压力平均后的

自重压力

2）施工阶段临时荷载

(1) 自重引起的临时荷载

⏹临时荷载随盾构推进所产生，一般来自千斤顶顶力和壁后注浆压力。

⏹圆形隧道衬砌在到达基本使用阶段前，它保留着装配中由其自重作用所产生的受力状态，它与基本阶段所产生的内力之和，不能超过容许值。

⏹由下向上装配的衬砌环，拱顶截面产生内力最大：{}(1cos ) 1.5sin 2sin H WR M αααπα=+-{}0.5sin cos 2sin W N αααπα

=-½支承弧面长度所

对应的中心角1米宽衬

砌自重衬砌内径