3.1.1 衬砌断面形式及构造
盾构法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，其作用是：①在施工阶段作为隧道施工的支护结构，用于保护开挖面以防止土体变形、坍塌及泥水渗入，并承受盾构推进时千斤顶顶力及其他施工荷载；②在隧道竣工后作为永久性支撑结构，并防止泥水渗入，同时支撑衬砌周围的水、土压力以及使用阶段和某些特殊需要的荷载，以满足结构的预期使用要求。因此，隧道衬砌设计应综合考虑地质条件、断面形状、支护结构、施工条件等，并应充分利用围岩的自身能力。
盾构衬砌有单层衬砌和双层衬砌，国内现有的地铁隧道以单层管片衬砌为主。单层衬砌是在盾尾内一次拼装组成的，施工中起到支撑围岩和承受盾构推力的作用，成环后成永久性结构。双层衬砌包括一次衬砌和二次衬砌，一次衬砌结构与单层衬砌结构相同，二次衬砌通常是用来提高结构的刚度、加强管片防水和防锈的能力、起到内部装修的作用，在地铁中还以此作为防振措施。
1. 衬砌断面的形式与选型
盾构隧道横断面有圆形、矩形、半圆形、马蹄形等多种形式，最常用的横断面形式为圆形与矩形。在饱和含水软土地层中修建地下隧道，较为有利的结构形式为圆形结构。圆形隧道衬砌断面具有以下特点：①可以等同地承受各方向外部压力，尤其在饱和含水软土地层中修建地下隧道，由于顶压、侧压较为接近，更可显示出圆形隧道断面的优越性。②施工中易于盾构推进。③便于管片的制作、拼装。④盾构即使发生转动，对断面的利用也无大碍。
用于圆形隧道的拼装式管片衬砌一般由若干块组成，分块的数量由隧道直径、受力要求、运输和拼装能力等因素确定。管片类型分为标准块、邻接块和封顶块三类。管片的宽度一般为700～1200mm，厚度为（5%～6%）D（D为隧道外径），块与块、环与环之间用螺栓连接。
隧道外层装配式钢筋混凝土衬砌结构根据使用要求分为箱形管片、平板形管片等几种形式。箱形管片（图3-1a）适用于较大直径的隧道，管片本身强度不如平板形管片，特别在盾构顶力作用下易开裂。平板形管片（图3-1b）适用于较小直径的隧道，单块管片重量较重，仅在螺栓孔处有截面的削弱，可以较好地承受盾构千斤顶的推力，由于表面平整，正常运营时通风阻力较小。钢筋混凝土管片四侧均设有螺栓与相邻管片连接起来。平板形管片在特定条件下可不设螺栓，此时称为砌块，砌块四侧设有不同几何形状的接缝槽口，以便砌块间相互衔接起来。我国盾构隧道的钢筋混凝土管片大多采用平板形结构。
图3-1 衬砌管片结构形式示意
a）箱形管片 b）平板形管片
（1）管片 适用于不稳定地层内各种直径的隧道，接缝间通过螺栓予以连接。由错缝拼装的钢筋混凝土衬砌环近似地可视为一均质刚性圆环，接缝由于设置了一排或两排的螺栓可承受较大的正、负弯矩。环缝上设置了纵向螺栓，使隧道衬砌结构具有抵抗隧道纵向变形的能力。
（2）砌块 一般适用于含水量较少的稳定地层内。由于隧道衬砌的分块要求，使由砌块拼成的圆环（超过3块以上）成为一个不稳定的多铰圆环结构。衬砌结构通过变形后地层介质对衬砌环的约束使圆环得以稳定。砌块间以及相邻环间接缝防水、防泥必须得到满足，否则会引起圆环变形量的急剧增加而导致圆环丧失稳定，引发工程事故。
2. 装配式钢筋混凝土管片构造
按衬砌的形成方式不同，衬砌可分为装配式衬砌和挤压混凝土衬砌。目前，国内装配式混凝土管片应用较为普遍。按照管片所在位置及拼装顺序不同，可将管片划分为标准块、邻接块和封顶快。盾构管片按材料分类有铸铁管片、钢管片、钢筋混凝土管片和砌块。钢管片和铸铁管片价格贵，除了在需要开口的衬砌环或预计将承受特殊荷载的地段采用外，一般都采用钢筋混凝土管片或砌块。
（1）环宽 钢筋混凝土管片环宽一般在300～2000mm，常用750～900mm。环宽过小会导致接缝数量增加，加大隧道防水的难度；环宽过大会使盾尾长度增长而影响盾构的灵敏度，单块管片重量也增大。一般来说，大隧道的环宽可以比小隧道的环宽大些。
盾构在曲线段推进时还必须设置楔形环，楔形环的锥度可按隧道曲率半径计算。表3-1给出了隧道外径（D）与管片环宽锥度的经验值。
表3-1 隧道外径与管片环宽锥度的经验值
（2）分块 衬砌圆环的分块主要由在管片制作、运输、安装等方面的实践经验而定。单线地下铁道衬砌一般可分为6～8块，双线地下铁道衬砌可分为8～10块，小断面隧道可分为4～6块。管片的最大弧长、弦长一般较少超过4m，管片越薄其长度应越短。
封顶块一般趋向于采用小封顶形式，有径向楔入和纵向插入两种拼装形式，采用纵向插入形式的封顶块受力情况较好，在受荷后，封顶块不易向内滑移，但需要加长盾构千斤顶行程。
（3）拼装形式 圆环的拼装形式有通缝（衬砌环的纵缝环环对齐）、错缝（衬砌环间纵缝相互错开）两种。考虑到错缝拼装能加强圆环接缝刚度，约束接缝变形，圆环近似地可按均质刚度考虑；同时错缝拼装时，环、纵缝相交处呈丁字缝，接缝防水比通缝拼装的十字缝较易处理。圆形衬砌采用错缝拼装较为普遍。
当某些场合（例如需要拆除管片后修建旁侧通道或某些特殊需要）中，管片常采用通缝形式，以便于进行结构处理。
图3-2中盾构法圆形隧道管片分为8块，包括5块标准块B（B1～B5）、2块邻接块L（L1、L2）和1块封顶块F。应该说明的是，从几何结构上来看，5块标准块是完全一样的，但考虑到便利拼装，实际上却是不一样的。管片的拼装原则：①封顶块F必须最后安装。②除了封顶块L1、L2之间的封顶块F位置出现空档外，中间不能出现空档，管片拼装必须是连续的。③以封顶块F的最远相对点的标准管片作为最先安装块，沿圆周的两侧向封顶块F辐辏。根据上述管片拼装原则，可以确定多种拼装顺序，例如B3—B4—B2—B5—B1—L2—L1—F的拼装顺序等。需要说明的是，按L1—B1—B2—B3—B4—B5—L2—F的拼接顺序几何结构上是可行的，但管片拼装只能按一个方向进行，缺乏对不利情况的适应性，不是一种很好的拼接顺序。
图3-2 管片类型示意
3. 管片接头构造
管片间的纵向接头（接头面平行于纵轴）和环向接头（接头面垂直于纵轴）的基本接头结构有螺栓接头、铰接头、销插入式接头、楔形接头、榫接头等。
（1）螺栓接头 螺栓接头是一种利用螺栓将接头板紧固起来，将管片环组装起来的抗拉连接结构，是目前环向接头和纵向接头最为常用的接头结构之一。
环向螺栓根据衬砌接缝内力情况设置成单排或双排。一般在直径较大的隧道内，管片的纵缝上设置双排螺栓，外排螺栓抵抗负弯矩，内排螺栓抵抗正弯矩，每一排螺栓配有2～3个螺栓；对小直径隧道常采用单排螺栓，单排螺栓孔一般设置在离隧道内侧h/3（h为衬砌厚度）处。
纵向螺栓按管片分块（拼接形式）结构受力等要求配置，纵向螺栓孔位置设置在离隧道内侧的（1/4～1/3）h处。
环向、纵向螺栓形式有直螺栓、弯螺栓两种，其特点见表3-2。
表3-2 环向、纵向螺栓形式及特点
注：环向、纵向螺栓孔一般比螺栓直径大3～6mm。
（2）铰接头 作为多铰环的环向接头，一般多为转向接头结构，适用于地基条件良好、地下水位较低的情况。为了防止管片组装到壁后注浆硬化为止这段时间内的变形，最好在采用不损坏其结构特性的接头的同时，采取防止变形的辅助手段。另外，此类接头一般紧固力不大，对地下水位以下的隧道，防水要作特殊的考虑。
（3）销插入型接头 销插入型接头主要作为纵向接头使用（图3-3），也可作为环向接头来使用（图3-4）。采用销钉连接的管片本身形状简单，各截面强度一致，所形成的隧道壁光滑平整，易于清理，无特殊需要可不必设内衬。
图3-3 暗销接头
图3-4 纵、径向销接头
（4）楔形接头 这种接头是利用楔作用将管片拉合紧固的接头，环向接头和纵向接头均可使用。由于这种接头难以变形的结构特征，所以使用在会受到强制变位的隧道的环向接头时应特别注意。
（5）榫接头 接头部位设有凹凸，通过凹凸部位的齿合作用进行力的传递，这种接头主要作为纵向接头使用，也可作为环向接头使用。