3.1.1 襯砌斷面形式及構造

盾構法隧道襯砌是指支持和維護隧道的長期穩定和耐久性的永久結構物，其作用是：①在施工階段作為隧道施工的支護結構，用于保護開挖面以防止土體變形、坍塌及泥水滲入，并承受盾構推進時千斤頂頂力及其他施工荷載；②在隧道竣工后作為永久性支撐結構，并防止泥水滲入，同時支撐襯砌周圍的水、土壓力以及使用階段和某些特殊需要的荷載，以滿足結構的預期使用要求。因此，隧道襯砌設計應綜合考慮地質條件、斷面形狀、支護結構、施工條件等，并應充分利用圍巖的自身能力。

盾構襯砌有單層襯砌和雙層襯砌，國內現有的地鐵隧道以單層管片襯砌為主。單層襯砌是在盾尾內一次拼裝組成的，施工中起到支撐圍巖和承受盾構推力的作用，成環后成永久性結構。雙層襯砌包括一次襯砌和二次襯砌，一次襯砌結構與單層襯砌結構相同，二次襯砌通常是用來提高結構的剛度、加強管片防水和防銹的能力、起到內部裝修的作用，在地鐵中還以此作為防振措施。

1. 襯砌斷面的形式與選型

盾構隧道橫斷面有圓形、矩形、半圓形、馬蹄形等多種形式，最常用的橫斷面形式為圓形與矩形。在飽和含水軟土地層中修建地下隧道，較為有利的結構形式為圓形結構。圓形隧道襯砌斷面具有以下特點：①可以等同地承受各方向外部壓力，尤其在飽和含水軟土地層中修建地下隧道，由于頂壓、側壓較為接近，更可顯示出圓形隧道斷面的優越性。②施工中易于盾構推進。③便于管片的制作、拼裝。④盾構即使發生轉動，對斷面的利用也無大礙。

用于圓形隧道的拼裝式管片襯砌一般由若干塊組成，分塊的數量由隧道直徑、受力要求、運輸和拼裝能力等因素確定。管片類型分為標準塊、鄰接塊和封頂塊三類。管片的寬度一般為700～1200mm，厚度為（5%～6%）D（D為隧道外徑），塊與塊、環與環之間用螺栓連接。

隧道外層裝配式鋼筋混凝土襯砌結構根據使用要求分為箱形管片、平板形管片等幾種形式。箱形管片（圖3-1a）適用于較大直徑的隧道，管片本身強度不如平板形管片，特別在盾構頂力作用下易開裂。平板形管片（圖3-1b）適用于較小直徑的隧道，單塊管片重量較重，僅在螺栓孔處有截面的削弱，可以較好地承受盾構千斤頂的推力，由于表面平整，正常運營時通風阻力較小。鋼筋混凝土管片四側均設有螺栓與相鄰管片連接起來。平板形管片在特定條件下可不設螺栓，此時稱為砌塊，砌塊四側設有不同幾何形狀的接縫槽口，以便砌塊間相互銜接起來。我國盾構隧道的鋼筋混凝土管片大多采用平板形結構。

（1）管片 適用于不穩定地層內各種直徑的隧道，接縫間通過螺栓予以連接。由錯縫拼裝的鋼筋混凝土襯砌環近似地可視為一均質剛性圓環，接縫由于設置了一排或兩排的螺栓可承受較大的正、負彎矩。環縫上設置了縱向螺栓，使隧道襯砌結構具有抵抗隧道縱向變形的能力。

（2）砌塊 一般適用于含水量較少的穩定地層內。由于隧道襯砌的分塊要求，使由砌塊拼成的圓環（超過3塊以上）成為一個不穩定的多鉸圓環結構。襯砌結構通過變形后地層介質對襯砌環的約束使圓環得以穩定。砌塊間以及相鄰環間接縫防水、防泥必須得到滿足，否則會引起圓環變形量的急劇增加而導致圓環喪失穩定，引發工程事故。

2. 裝配式鋼筋混凝土管片構造

按襯砌的形成方式不同，襯砌可分為裝配式襯砌和擠壓混凝土襯砌。目前，國內裝配式混凝土管片應用較為普遍。按照管片所在位置及拼裝順序不同，可將管片劃分為標準塊、鄰接塊和封頂快。盾構管片按材料分類有鑄鐵管片、鋼管片、鋼筋混凝土管片和砌塊。鋼管片和鑄鐵管片價格貴，除了在需要開口的襯砌環或預計將承受特殊荷載的地段采用外，一般都采用鋼筋混凝土管片或砌塊。

（1）環寬 鋼筋混凝土管片環寬一般在300～2000mm，常用750～900mm。環寬過小會導致接縫數量增加，加大隧道防水的難度；環寬過大會使盾尾長度增長而影響盾構的靈敏度，單塊管片重量也增大。一般來說，大隧道的環寬可以比小隧道的環寬大些。

盾構在曲線段推進時還必須設置楔形環，楔形環的錐度可按隧道曲率半徑計算。表3-1給出了隧道外徑（D）與管片環寬錐度的經驗值。

（2）分塊 襯砌圓環的分塊主要由在管片制作、運輸、安裝等方面的實踐經驗而定。單線地下鐵道襯砌一般可分為6～8塊，雙線地下鐵道襯砌可分為8～10塊，小斷面隧道可分為4～6塊。管片的最大弧長、弦長一般較少超過4m，管片越薄其長度應越短。

封頂塊一般趨向于采用小封頂形式，有徑向楔入和縱向插入兩種拼裝形式，采用縱向插入形式的封頂塊受力情況較好，在受荷后，封頂塊不易向內滑移，但需要加長盾構千斤頂行程。

（3）拼裝形式 圓環的拼裝形式有通縫（襯砌環的縱縫環環對齊）、錯縫（襯砌環間縱縫相互錯開）兩種。考慮到錯縫拼裝能加強圓環接縫剛度，約束接縫變形，圓環近似地可按均質剛度考慮；同時錯縫拼裝時，環、縱縫相交處呈丁字縫，接縫防水比通縫拼裝的十字縫較易處理。圓形襯砌采用錯縫拼裝較為普遍。

當某些場合（例如需要拆除管片后修建旁側通道或某些特殊需要）中，管片常采用通縫形式，以便于進行結構處理。

圖3-2中盾構法圓形隧道管片分為8塊，包括5塊標準塊B（B₁～B₅）、2塊鄰接塊L（L₁、L₂）和1塊封頂塊F。應該說明的是，從幾何結構上來看，5塊標準塊是完全一樣的，但考慮到便利拼裝，實際上卻是不一樣的。管片的拼裝原則：①封頂塊F必須最后安裝。②除了封頂塊L₁、L₂之間的封頂塊F位置出現空檔外，中間不能出現空檔，管片拼裝必須是連續的。③以封頂塊F的最遠相對點的標準管片作為最先安裝塊，沿圓周的兩側向封頂塊F輻輳。根據上述管片拼裝原則，可以確定多種拼裝順序，例如B₃—B₄—B₂—B₅—B₁—L₂—L₁—F的拼裝順序等。需要說明的是，按L₁—B₁—B₂—B₃—B₄—B₅—L₂—F的拼接順序幾何結構上是可行的，但管片拼裝只能按一個方向進行，缺乏對不利情況的適應性，不是一種很好的拼接順序。

3. 管片接頭構造

管片間的縱向接頭（接頭面平行于縱軸）和環向接頭（接頭面垂直于縱軸）的基本接頭結構有螺栓接頭、鉸接頭、銷插入式接頭、楔形接頭、榫接頭等。

（1）螺栓接頭 螺栓接頭是一種利用螺栓將接頭板緊固起來，將管片環組裝起來的抗拉連接結構，是目前環向接頭和縱向接頭最為常用的接頭結構之一。

環向螺栓根據襯砌接縫內力情況設置成單排或雙排。一般在直徑較大的隧道內，管片的縱縫上設置雙排螺栓，外排螺栓抵抗負彎矩，內排螺栓抵抗正彎矩，每一排螺栓配有2～3個螺栓；對小直徑隧道常采用單排螺栓，單排螺栓孔一般設置在離隧道內側h/3（h為襯砌厚度）處。

縱向螺栓按管片分塊（拼接形式）結構受力等要求配置，縱向螺栓孔位置設置在離隧道內側的（1/4～1/3）h處。

環向、縱向螺栓形式有直螺栓、彎螺栓兩種，其特點見表3-2。

（2）鉸接頭 作為多鉸環的環向接頭，一般多為轉向接頭結構，適用于地基條件良好、地下水位較低的情況。為了防止管片組裝到壁后注漿硬化為止這段時間內的變形，最好在采用不損壞其結構特性的接頭的同時，采取防止變形的輔助手段。另外，此類接頭一般緊固力不大，對地下水位以下的隧道，防水要作特殊的考慮。

（3）銷插入型接頭 銷插入型接頭主要作為縱向接頭使用（圖3-3），也可作為環向接頭來使用（圖3-4）。采用銷釘連接的管片本身形狀簡單，各截面強度一致，所形成的隧道壁光滑平整，易于清理，無特殊需要可不必設內襯。

（4）楔形接頭 這種接頭是利用楔作用將管片拉合緊固的接頭，環向接頭和縱向接頭均可使用。由于這種接頭難以變形的結構特征，所以使用在會受到強制變位的隧道的環向接頭時應特別注意。

（5）榫接頭 接頭部位設有凹凸，通過凹凸部位的齒合作用進行力的傳遞，這種接頭主要作為縱向接頭使用，也可作為環向接頭使用。