CN111550262B - 一种隧道装配式预应力衬砌设计方法 - Google Patents

Abstract

一种隧道装配式预应力衬砌设计方法，包括勘算设计和分段式衬砌管片的制备及安装；勘算设计步骤如下：A：确定隧道内限界及衬砌内轮廓线；B:设定衬砌及仰拱厚度值；C：计算隧道内围岩的压力；D：计算衬砌内力及围岩承受全部荷载；E：计算应力；F：预应力钢筋布置；G：验算；分段式衬砌管片制备及安装中，工厂分片制造成一段多块管片并安装预应力筋；现场将若干块分段式衬砌管片之间拼装。本发明通过荷载‑结构法进行结构设计得到设计数据，并在工厂进行预制，现场安装后就可投入使用，提高了施工进度，且成品的预应力钢筋布置在受拉一侧，克服了预应力筋布置在同一侧时负弯的作用，使接头衔接紧密，减少了渗水、涌水几率，并保证了质量。

Description

一种隧道装配式预应力衬砌设计方法

技术领域

本发明涉及隧道工程施工方法领域，特别是一种隧道装配式预应力衬砌设计方法。

背景技术

在目前地铁、公路、铁路等交通基础设施建设中，会遇到大量的隧道工程。为了保证隧道施工及运营安全，现阶段隧道二次衬砌是主要的支护手段之一，且常采用模板现浇施工，但是从施工质量和工程进度考虑，该方法存在以下缺点。

第一：目前，隧道衬砌结构分为初期支护和二次衬砌，初期支护就是喷射混凝土、锚杆、钢筋网、钢拱架等组成的支护，二次衬砌是在初期支护内侧采用模板现场浇筑的方法形成的一个钢筋混凝土拱圈。实际施工中，由于模板搭设复杂，施工进度缓慢，且浇筑后衬砌要发挥其功能，需要等混凝土达到设计强度，由于这个时间较长，因此会影响施工进度；浇筑后，其它进出隧道内的施工设备（包括车辆）有几率和模板下端支撑的钢结构等发生碰撞，进而导致支撑结构及模板等垮塌，造成浇筑后衬砌发生损坏，对施工安全造成影响；并且在二次衬砌混凝土的浇筑过程中，由于混凝土初期具有流动性，导致隧道顶部范围衬砌的混凝土不密实，容易形成孔洞，对二次衬砌质量造成不良的影响。

第二：在二次衬砌设计和施工中，只是根据衬砌的最不利截面配置了普通钢筋，衬砌的抗裂性考虑不足（如图4所示，混凝土结构中弯矩最大处截面就是最不利截面，配置钢筋的最主要作用就是为混凝土最不利截面受拉一侧提供抗拉能力，而混凝土一侧受拉的原因就是弯矩产生的拉力，就类似于一根木头架在两个石头上，木头中间弯矩最大，中间截面也就是木头的最不利截面，只有防止这个截面不断，其他截面才会不断；目前，很多混凝土结构都会在某些部位开裂，其原因就是由于采用的是普通钢筋、不能有效的防止混凝土开裂。以桥梁来举例，如果不配置钢筋，桥梁会在不利截面受拉侧出现开裂、甚至破坏，所以在设计中，常在混凝土的受拉一侧配置钢筋；然而仅配置普通钢筋，还是会出现混凝土开裂，导致许多桥梁和其他建筑都是带裂缝工作），具体体现在隧道工程中，由于二次衬砌混凝土结构局部开裂，就会发生渗水现象，导致钢筋锈蚀，甚至产生涌水对施工及后期运营带来影响，因上述原因，很多隧道在运营阶段发生的事故都是漏水造成的。

虽然现有的地铁和水利隧道中，也有采用预应力钢筋的二次衬砌，但是所有应用的预应力钢筋多为同一曲率布置，因此布置在受压一侧的预应力会对整体结构产生不利影响，导致每两段混凝土衬砌之间纵向接缝出现开口过大等问题，防水效果也受到影响（现有隧道预应力衬砌设计和施工中，如盾构隧道，均是按照同一个曲率布置的钢筋，也就是隧道衬砌怎么弯曲，预应力钢筋就怎么弯；由于预应力钢筋要布置在混凝土的受拉一侧施加预压力，但从隧道衬砌的弯矩图中（图4）可以看出隧道衬砌是时而内侧受拉，时而外侧受拉，这样，如果都按同一个方向布置预应力钢筋，那么在某些区域就会发生在受压区施加压力的情况，导致弯矩增大，受拉区拉力就更大，裂缝更大，此时预应力反而产生负作用；就像两块海绵叠在一起，在一侧挤压它，另外一侧就会接缝就会张开，由此导致渗水、涌水。）。

发明内容

为了克服现有工程中由于模板现浇衬砌施工方法限制，会导致施工进度缓慢、浇筑后衬砌有发生损坏及漏水几率的缺点，以及设计中因为衬砌的抗裂性考虑不足、预应力钢筋为同一曲率布置，会对衬砌质量造成影响的弊端，本发明提供了根据荷载-结构体系作为基础设计，在工厂分段分片式制造隧道衬砌管片成品（多块衬砌管片在隧道内横向拼接组成拱形的一段衬砌，若干段衬砌纵向在隧道内组合形成隧道内整体衬砌），后续现场安装后就可较快投入使用，提高了施工进度；且在制得的成品中，根据相应的分段式衬砌成品的实际弯矩分布情况，将预应力钢筋布置在每块衬砌管片受拉一侧，有效克服了现有设计与施工中，将预应力筋布置在衬砌同一侧时的负弯矩作用，使得接头衔接更为紧密，减少了渗水、涌水几率，并保证了隧道衬砌整体质量的一种隧道装配式预应力衬砌设计方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种隧道装配式预应力衬砌设计方法，其特征在于包括结构设计和分段式衬砌管片的制备及安装三个流程；所述结构设计步骤如下：A：确定隧道内限界及衬砌内轮廓线；B:设定衬砌及仰拱的厚度值，通过后期衬砌及仰拱配筋后的承载力和裂缝宽度验算，进行调整衬砌和仰拱厚度；C：划分深埋和浅埋，并计算作用在二次衬砌上的围岩压力；D：计算衬砌内力；E：依据步骤D计算的结果，计算每个分段的最不利截面的法向拉应力、有效预压应力、有效预加力和所需预应力钢筋的截面面积，进行配筋设计，衬砌普通钢筋的设计仍按照整个衬砌的最不利截面进行，预应力钢筋则根据弯矩图划分区域设计，弯矩作用同一边的区域为一组；F：依据步骤A、B、C、D、E得到的结果，将预应力钢筋的布置根据整体衬砌弯矩图而定，曲率随弯矩的变化而变化，使得分段式每两块衬砌管片接头开口更小，其中分段式每两块衬砌管片之间纵向接缝采用错缝，以顶部分块大小变化的方式，错开上部结构接缝；G：验算整体衬砌结构的抗弯、抗压能力，以及整体衬砌是否开裂，及开裂的裂缝有多宽，验算不能通过的则重新选择衬砌厚度并进行配筋设计；所述分段式衬砌管片制备及安装中，首先工厂根据每段整体衬砌弯矩图分割划分每块衬砌管片长度，然后分片制造成一段多块管片，在制备分段式多块衬砌管片时按预应力筋的位置在每块管片上对应位置留出相应的孔道，待构件的混凝土达到规定的强度后，在预留孔道中穿入预应力钢筋进行张拉，并利用锚具把张拉后的预应力筋锚固在构件的两端部，最后在孔道中灌入水泥浆，使预应力筋与混凝土分段式每块衬砌管片形成整体；隧道现场若干块分段式衬砌管片之间拼装时，从隧道中仰拱开始按自下而上的方法拼装，每块衬砌之间从纵向方向拼接，通过改变拱顶的管片大小来消除拼接施工的误差，横向若干块衬砌管片拼接完毕后完成隧道内纵向一段衬砌的安装。

进一步地，所述步骤A中：先根据行车速度和隧道实际要求确定隧道限界，然后在此基础上采用多心圆确定隧道衬砌的内轮廓线，确定内轮廓时，分为5个小步骤进行。

进一步地，所述步骤A中，确定内轮廓时，5个小步骤如下，（1）在隧道内限界边角均 做一半径为10cm的圆；（2）以人行道往上50cm和隧道中心线交点为圆心 O₁，再以O₁与b点距 离为半径作圆，以此为衬砌的拱顶部分，并将半径调整为10cm的整数以方便后期管片制作； （3）将隧道中心线向左偏移100cm，以该偏移线和O₁、b连线交点为圆心

，再以

与b为半径 作圆，以此为衬砌的拱墙部分数据；（4）连接O₂、d点并延长至以O₂为圆心的圆，在交点处做一 半径为100cm的圆，以该圆与

、

点连线交点为圆心，再做一半径为100cm的圆作为衬砌的 拱脚数据；（5）车行道向下偏移150cm，保证衬砌的仰拱底部至道路面层有150cm的距离，以 车行道中点向上1000cm为圆心O₃，并连接O₃与拱脚圆下象限点，做圆，以当作衬砌的仰拱数 据。

进一步地，所述步骤B是为步骤D提供一个计算厚度基础数据。

进一步地，所述布骤C计算的结果是为步骤D提供计算所需的围岩压力数据；具体计算中，先计算围岩等效荷载高度，围岩界限埋深按等效荷载高度h_a的2~2.5倍确定，计算公式如下，h_a=0.45х2^S-iω；深埋隧道竖直围岩压力计算公式如下，Q_svk=γha，深埋隧道围岩侧压力计算采用深埋隧道围岩压力数据乘上规范规定的系数；浅埋隧道围岩压力计算和深埋隧道围岩压力计算一致，也是按照规范所规定的方法计算出竖直围岩压力和侧压力；上述得到的围岩压力数据代入步骤D中有限元计算衬砌内力。

进一步地，所述步骤D中：将步骤C得到的围岩压力数据采用有限元计算衬砌内力，视二次衬砌承受的全部荷载，得到钢筋布置的依据，及衬砌内力弯矩图。

进一步地，所述步骤E中，法向拉应力计算公式为：

；有效预压应力公式为：

；有效预加应力公式为：

，所需预应力钢筋的截面面积公式 为：

。

本发明有益效果是：本发明通过荷载-结构法进行结构设计得到设计数据，并在工厂进行预制。在制备分段分块式衬砌管片时，将每块衬砌管片按预应力筋的位置留出相应的孔道，待构件的混凝土达到规定的强度后，在预留孔道中穿入预应力筋进行张拉及固定、灌浆，使预应力筋与混凝土分段式每块衬砌管片形成整体；车辆运输分段式衬砌管片到隧道现场进行若干块分段式衬砌管片拼装时，从隧道中仰拱开始按自下而上的方法拼装，每两块衬砌管片之间从纵向方向去拼接，通过改变拱顶的管片大小来消除拼接施工的误差，多块衬砌管片在隧道内横向拼接组成拱形纵向一段衬砌，若干段衬砌纵向在隧道内组合形成隧道内整体衬砌。本发明在工厂预先根据隧道的曲面分段分块式制造隧道衬砌成品，后续现场安装后就可投入使用，提高了施工进度，且在制得的成品中，根据相应的分段分块式衬砌成品的曲率分布，将预应力钢筋布置在受拉一侧，有效克服了现有施工中，将预应力筋布置在衬砌同一侧时的负弯矩的作用，使得接头衔接更为紧密，减少了渗水、涌水几率，并保证了整体的质量。基于上述，所以本发明具有好的应用前景。

附图说明

以下结合附图和实施例将本发明做进一步说明。

图1是本发明确定隧道隧道建筑限界及内轮廓线示意图。

图2是本发明衬砌配筋及分块结构示意图。

图3本发明一段多块预应力衬砌主装置组装在一起结构示意图。

图4本发明衬砌弯矩示意图。

具体实施方式

图1所示，一种隧道装配式预应力衬砌设计方法，包括结构设计和分段式衬砌管片 的制备及安装三个流程；所述结构设计步骤如下：步骤A：确定隧道内限界及衬砌内轮廓线； 具体流程如下，先根据车辆设计速度和隧道实际要求（行车道宽度、建筑限界高度等）确定 隧道的限界，然后在此基础上采用多心圆确定隧道衬砌的内轮廓线，确定内轮廓（就是隧道 的整个轮廓）时，分为5个小步骤进行，得到的结果使后续制成的分段式衬砌管片更符合力 学特性，一定程度上防止衬砌裂缝的产生。确定内轮廓时，5个小步骤如下，（1）在隧道内限 界边角均做一半径为10cm的圆，以保证内轮廓线与隧道限界至少保持10cm的间距；（2）以人 行道往上50cm和隧道中心线交点为圆心

，再以

与

点距离为半径作圆，以此为衬砌的拱 顶部分，并将半径调整为10cm的整数以方便后期管片制作（类似于普通施工、建筑楼房楼 面，支模板厚度是29cm，那就取值整数30cm，利于模板的制作）；（3）将隧道中心线向左偏移 100cm，以该偏移线和O₁、b连线交点为圆心O₂，再以

与

为半径作圆，以此为衬砌的拱墙部 分数据；（4）连接

、

点并延长至以

为圆心的圆，在交点处做一半径为100cm的圆，以该 圆与

、

点连线交点为圆心，再做一半径为100cm的圆作为衬砌的拱脚数据；（5）沿车行道 向下偏移150cm，保证衬砌的仰拱底部至道路面层有150cm的距离，以车行道中点向上 1000cm为圆心

，并连接O₃与拱脚圆下象限点，做圆，以当作衬砌的仰拱数据。上述数据为 后续工厂制备分段式衬砌提供了外形轮廓数据等。

图1所示，步骤B:根据现有公路施工的工程类比法，先假设40cm的衬砌其余结构厚度及45cm衬砌的仰拱厚度值，通过后期衬砌及仰拱配筋后的承载力和裂缝宽度验算，进行调整衬砌和仰拱厚度（这里只是根据经验假设的一个厚度值，如果后期计算出来不满足要求再进行调整）；步骤B是为步骤D提供一个计算厚度的基础数据。

图 1中所示，步骤C：根据现有公路施工中的经验公式划分深埋和浅埋，并计算隧道二衬结构围岩压力；步骤C计算的结果是为步骤D提供计算所需的围岩压力数据；实际情况下，隧道根据埋深分为深埋隧道和浅埋隧道，深浅埋隧道以界限埋深区分，当隧道埋深大于界限埋深的时候，隧道为深埋隧道，小于界限埋深时，隧道为浅埋隧道；具体计算中，先计算围岩等效荷载高度，界限埋深按等效荷载高度h_a的2~2.5倍确定，计算公式如下，h_a=0.45х2^S-1ω，式中：S—围岩级别，ω—宽度影响系数；ω=1+i(B-5)，B—隧道宽度(m)，i—B每增减1m时的围岩压力增减率，当B<5m时，取i=0.2，当B>5m时，取i=0.1；h_a是围岩等效荷载高度。深埋隧道竖直围岩压力计算公式如下，Q_svk=γh_a，式中：Q_svk—深埋隧道垂直分布围岩压力标准值（kPa）， γ—围岩重度（kN/m³）；深埋隧道围岩侧压力计算采用深埋隧道围岩压力数据乘上规范（公路隧道设计规范）规定的系数；浅埋隧道围岩压力计算和深埋隧道围岩压力计算一致，也是按照规范（公路隧道设计规范）所规定的方法计算出竖直围岩压力和侧压力；上述得到的围岩压力数据代入步骤D中有限元计算衬砌内力（衬砌受到的各种力矩）。

图1中所示，步骤D：采用现有公路施工中有限元计算方式、计算衬砌内力；具体计算中，将步骤C得到的围岩压力数据采用有限元计算衬砌内力（将步骤C得到的围岩压力数据及步骤B假定的衬砌其余结构厚度、仰拱厚度值，代入有限元计算软件、如ANSYS，就可以得到所需的衬砌内力），视二次衬砌（也就是安装后衬砌管片）承受全部荷载（全部荷载就是指衬砌所受到的全部轴力、弯矩、剪力等，这是后续配置钢筋的依据，可以理解为衬砌受了多大的力，然后用钢筋去克服这些力）得到钢筋布置的依据图，及衬砌内力图（如弯矩图等）。

图2中所示，步骤E：依据步骤D计算的结果，计算每个分段的最不利截面的法向拉 应力、有效预压应力、有效预应力和所需预应力钢筋的截面面积（上述过程是为配筋做准 备），并根据计算的结果选择每个分段的最不利截面（弯矩最大的截面）进行配筋，衬砌普通 钢筋的设计仍按照整个衬砌的最不利截面进行，预应力钢筋则根据弯矩图划分区域设计， 弯矩作用同一边的区域为一组（如在拱顶部分内侧受拉为一个区域），（根据步骤D计算得到 的内力，算出所需要的预应力钢筋的面积，以选择预应力钢筋的型号，分区域计算择保证了 预应力钢筋都能布置在混凝土结构受拉一侧）；预应力钢筋的预应力具体计算中，按部分预 应力A类构件标准来计算（A类构件就是不允许有一点裂缝的构建）。法向拉应力（垂直于截 面的应力）计算公式如下：

；有效预压应力（预应力钢筋在混凝土受拉区预先施加的 压应力，可理解为力除以面积）公式如下：

；式中：

—在短期荷载效应组合

作用下，构件控制截面边缘的法向拉应力；

—有效预压应力；

—有效预加力（钢筋混 凝土结构设计规范获得的数据）；

、

—构件（衬砌）截面面积和对截面受拉边缘的弹性抵 抗矩（截面抵抗矩 就是截面{环衬砌的纵断面}对其形心轴惯性矩与截面上最远点至形心 轴距离的比值，力学中用弯矩通过这个来算出拉应力{按照一般力学方法计算得到的数 据}）；

—预应力钢筋重心对混凝土截面重心的偏心矩，

，y是外边缘（环衬砌的 纵断面的边缘）到截面（环衬砌的纵断面）形心轴的距离，a_p是钢筋圆心到截面边缘的距离； 部分预应力A类构件，应满足：

，即可得满足部分预应力混凝土A类构件正截 面抗裂性所需要的有效预加应力，有效预加应力公式为：

，式中：

—有效 预加应力，

—混凝土抗拉强度标准值；考虑预应力损失，可算出所需预应力钢筋的截面面 积，所需预应力钢筋的截面面积公式为：

，式中：

—预应力钢筋的截面 面积，

—预应力钢筋的张拉控制应力（钢筋混凝土结构设计规范获得的数据）。图2中，1 是一段衬砌的其中一块衬砌管片；2是预应力钢筋。

图4所示，步骤F中：依据步骤A、B、C、D、E得到的结果，将预应力钢筋的布置根据整体衬砌弯矩图而定，曲率随弯矩的变化而变化，使得分段式每两块衬砌管片接头开口更小，预应力钢筋充分发挥作用，其中分段式衬砌每两片管片之间纵向接缝采用错缝，以顶部分块大小变化的方式，错开上部结构接缝，以使防水效果更好。G：采用现有公路施工中承载力和裂缝宽度验算方法进行验算（是对配筋完成后的衬砌整个结构验算，承载力验算就是验算结构的抗弯、抗压的能力；裂缝宽度验算就是验算是否开裂，或者开裂的裂缝有多宽），验算不能通过的则重新选择衬砌厚度进行配筋设计（如果验算不能通过，则返回第2步重新选择厚度重新进行设计）。图4所示，衬砌弯矩在衬砌5那一侧，那一侧就是受拉侧，也就是需要预应力钢筋布置的位置。

图3所示，分段式衬砌管片制备及安装中，首先工厂根据每段整体衬砌弯矩图分割划分每块衬砌管片长度，然后分片制造成一段多块管片，在制备分段式多块衬砌管片时按预应力筋的相应位置在每片管片上留出相应的孔道，待构件的混凝土强度达到规定的强度（一般不低于设计强度标准值的75%）后，在预留孔道中穿入预应力筋进行张拉，并利用锚具把张拉后的预应力筋锚固在构件（一块衬砌）的两端部，最后在孔道中灌入水泥浆，使预应力筋与混凝土分段分片式每块衬砌管片形成整体；隧道现场若干分段式衬砌管片之间拼装时，从隧道中仰拱开始按自下而上的方法拼装，每块衬砌之间从纵向方向去拼接，通过改变拱顶的管片大小来消除拼接施工的误差，横向若干块衬砌管片拼接完毕后完成隧道内纵向一段衬砌的安装。图3中，3是一段衬砌的其中一块衬砌管片；4是预应力钢筋。

图3所示，本发明通过荷载-结构方法进行结构设计得到的设计数据，并在工厂进行预制。预先根据隧道的曲面分段式制造隧道衬砌成品，后续现场安装后就可投入使用，提高了施工进度，且在制得的成品中，根据相应的分段式衬砌成品的曲率分布，将预应力钢筋布置在受拉一侧，有效克服了现有隧道施工模板现浇衬砌中，由于施工方法限制，会导致施工进度缓慢、浇筑后衬砌有发生损坏及漏水几率的缺点，以及因为衬砌的抗裂性考虑不足、预应力钢筋为同一曲率布置，会对施工质量造成影响的弊端。本发明中名字解释：衬砌作为一个整体，拱顶是衬砌顶部、拱墙是衬砌两侧，拱脚是衬砌两侧底端，仰拱是衬砌下端两侧之间的下拱部位。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种隧道装配式预应力衬砌设计方法，其特征在于包括结构设计和分段式衬砌管片制备及安装三个流程；所述结构设计步骤如下：A：确定隧道内限界及衬砌内轮廓线；B:设定衬砌及仰拱的厚度值，通过后期衬砌及仰拱配筋后的承载力和裂缝宽度验算，进行调整衬砌和仰拱厚度；C：划分深埋和浅埋，并计算作用在二次衬砌上的围岩压力；D：计算衬砌内力；E：依据步骤D计算的结果，计算每个分段的最不利截面的法向拉应力、有效预压应力、有效预加力和所需预应力钢筋的截面面积，进行配筋设计，衬砌普通钢筋的设计仍按照整个衬砌的最不利截面进行，预应力钢筋则根据弯矩图划分区域设计，弯矩作用同一边的区域为一组；F：依据步骤A、B、C、D、E得到的结果，将预应力钢筋的布置根据整体衬砌弯矩图而定，曲率随弯矩的变化而变化，使得分段式每两块衬砌管片接头开口更小，其中分段式每两块衬砌管片之间纵向接缝采用错缝，以顶部分块大小变化的方式，错开上部结构接缝；G：验算整体衬砌结构的抗弯、抗压能力，以及整体衬砌是否开裂，及开裂的裂缝有多宽，验算不能通过的则重新选择衬砌厚度并进行配筋设计；所述分段式衬砌管片制备及安装中，首先工厂根据每段整体衬砌弯矩图分割划分每块衬砌管片长度，然后分片制造成一段多块管片，在制备分段式多块衬砌管片时按预应力筋的位置在每块管片上对应位置留出相应的孔道，待构件的混凝土达到规定的强度后，在预留孔道中穿入预应力钢筋进行张拉，并利用锚具把张拉后的预应力筋锚固在构件的两端部，最后在孔道中灌入水泥浆，使预应力筋与混凝土分段式每块衬砌管片形成整体；隧道现场若干块分段式衬砌管片之间拼装时，从隧道中仰拱开始按自下而上的方法拼装，每块衬砌之间从纵向方向拼接，通过改变拱顶的管片大小来消除拼接施工的误差，横向若干块衬砌管片拼接完毕后完成隧道内纵向一段衬砌的安装。

2.根据权利要求1所述的一种隧道装配式预应力衬砌设计方法，其特征在于，步骤A中：先根据行车速度和隧道实际要求确定隧道内限界，然后在此基础上采用多心圆确定衬砌内轮廓线，确定衬砌内轮廓线时，分为5个小步骤进行。

3.根据权利要求2所述的一种隧道装配式预应力衬砌设计方法，其特征在于，步骤A中，确定衬砌内轮廓线时，5个小步骤如下，（1）在隧道内限界边角均做一半径为10cm的圆；（2）以人行道往上50cm和隧道中心线交点为圆心

，再以

与

点距离为半径作圆，以此为衬砌的拱顶部分，并将半径调整为10cm的整数以方便后期管片制作；（3）将隧道中心线向左偏移100cm，以该偏移线和

、

连线交点为圆心

，再以

与

为半径作圆，以此为衬砌的拱墙部分数据；（4）连接

、

点并延长至以

为圆心的圆，在交点处做一半径为100cm的圆，以该圆与

、

点连线交点为圆心，再做一半径为100cm的圆作为衬砌的拱脚数据；（5）车行道向下偏移150cm，保证衬砌的仰拱底部至道路面层有150cm的距离，以车行道中点向上1000cm为圆心

，并连接

与拱脚圆下象限点，做圆，以当作衬砌的仰拱数据;式中， b点及d点为隧道内限界转角点。

4.根据权利要求1所述的一种隧道装配式预应力衬砌设计方法，其特征在于，步骤B是为步骤D提供一个计算厚度基础数据。

5.根据权利要求1所述的一种隧道装配式预应力衬砌设计方法，其特征在于，步骤C计算的结果是为步骤D提供计算所需的围岩压力数据；具体计算中，先计算围岩等效荷载高度，围岩界限埋深按等效荷载高度h_a的2~2.5倍确定，计算公式如下，h_a=0.45×2^s-1ω；深埋隧道竖直围岩压力计算公式如下，Q_svk=γh_a，深埋隧道围岩侧压力计算采用深埋隧道围岩压力数据乘上规范规定的系数；浅埋隧道围岩压力计算和深埋隧道围岩压力计算一致_，也是按照规范所规定的方法计算出竖直围岩压力和侧压力；上述得到的围岩压力数据代入步骤D中有限元计算衬砌内力; 式中， S是围岩级别，ω是宽度影响系数，γ是围岩重度。

6.根据权利要求5所述的一种隧道装配式预应力衬砌设计方法，其特征在于，步骤D中：将步骤C得到的围岩压力数据采用有限元计算衬砌内力，根据二次衬砌承受的全部荷载，得到钢筋布置的依据，及衬砌内力弯矩图。

7.根据权利要求1所述的一种隧道装配式预应力衬砌设计方法，其特征在于，步骤E中，法向拉应力计算公式为：

；有效预压应力公式为：

；有效预加应力公式为：

，所需预应力钢筋的截面面积公式为：

；式中，

是短期荷载效应组合，

是构件截面受拉边缘的弹性抵抗矩，

是有效预加力，

是衬砌截面面积，

是预应力钢筋重心对混凝土截面重心的偏心矩，

——混凝土抗拉强度标准值；

—预应力钢筋的张拉控制应力。

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