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CN113378284B - 一种土-岩复合地层类马蹄形盾构隧道设计方法 - Google Patents

一种土-岩复合地层类马蹄形盾构隧道设计方法 Download PDF

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CN113378284B
CN113378284B CN202110889728.4A CN202110889728A CN113378284B CN 113378284 B CN113378284 B CN 113378284B CN 202110889728 A CN202110889728 A CN 202110889728A CN 113378284 B CN113378284 B CN 113378284B
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纪松岩
张慧鹏
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East China Jiaotong University
First Engineering Co Ltd of China Railway Construction Bridge Engineering Bureau Group Co Ltd
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Nanchang Rail Transit Group Co ltd
East China Jiaotong University
First Engineering Co Ltd of China Railway Construction Bridge Engineering Bureau Group Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种土‑岩复合地层类马蹄形盾构隧道设计方法，该方法应用于软土硬岩复合地层，根据盾构隧道使用要求确定隧道横断面轴线竖向直径，再根据软土硬岩复合地层荷载模式设计出一种“上抛物线、下椭圆弧”的类马蹄形横断面盾构隧道，使其在确定的荷载模式作用下理论弯矩值为零。该设计方法切合工程、针对性强，所采用的荷载模式更能反映复合岩土体的实际特性，从理论上最大限度减小盾构隧道弯矩，极大程度优化管片配筋，同时减小管片纵缝接头张开量和横向变形，以克服管片纵缝接头破损与渗漏水问题。

Description

一种土-岩复合地层类马蹄形盾构隧道设计方法
技术领域
本发明属于地下空间工程技术领域，具体涉及一种土-岩复合地层类马蹄形盾构隧道设计方法。
背景技术
随着我国地铁建设规模和范围的扩大，岩质地层中的地铁建设项目逐渐增多，如重庆、广州、青岛、大连等城市中出现了一大批位于岩质地层中的大跨地铁车站隧道。此类隧道跨度大、埋深浅，上部通常为风化程度高、软弱破碎、节理裂隙发育的强风化层，岩层往下逐渐转好，呈现出上软下硬的结构特征。类似地，在珠三角的地铁隧道建设过程中，常会遇到隧道洞身上部为软土，下部为硬岩的“上软下硬”复合地层。又如广深港高铁狮子洋隧道，先后穿越软土、软硬不均复合地层、全断面风化岩层等；南京扬子江隧道和武汉三阳路公铁合建长江隧道，大量穿越土岩复合地层。根据调研，此类盾构隧道在施工及运营过程中更容易出现如管片错台、破损、接缝渗漏水、隧道变形超限等问题。
土-岩复合地层不但对盾构的施工造成了困难，对盾构隧道结构的设计也提出了新的要求，盾构隧道通过此类地层中时，管片在同一断面中同时遇到了两个极端地层，使得管片的受力情况与在单一土层中设计得到的内力及变形有较大区别。目前隧道设计往往采用可靠度设计计算方法，而对于复合地层中盾构隧道围岩压力的计算尚存争议。其中焦点问题之一便是荷载模型的确定，为求简便通常把复合地层等效为均一地层，导致难以精确计量荷载值，计算出的隧道围岩压力理论值往往是偏安全和保守，尤其是隧道基底的荷载响应常常被夸大，从而造成结构配筋设计失当，并未很好地体现设计的经济性。因此土-岩复合地层盾构隧道的荷载计算和横断面设计亟待探索与创新。同时盾构隧道通常被视为梁长远大于梁高的曲梁结构，因而其弯曲、变形等问题通常看做理想弹塑性材料平面应变问题，根据结构力学知识可知梁结构发生变形主要由弯矩所致。调查研究表明，盾构隧道发生横向变形主要由管片纵缝接头张开量过大以及破损所引起的，进一步发展后会出现管片渗漏水不良情况，而导致这些问题的决定性因素即是盾构隧道横断面的所受的弯矩。本领域有技术人员建议管片分块时，将接缝位置设置在管片所受弯矩最小处，当然理论最佳位置为零弯矩处，但偏于理想化且施工非常困难。
因此，若能设计出一种新型盾构隧道横断面形式，使盾构隧道在承受更切合工程实际的软土硬岩复合地层荷载作用下，所设计的盾构隧道在任一横截面处的弯矩值为零，不仅能极大程度优化管片配筋，而且上述管片纵缝接头破损与渗漏水等问题便迎刃而解。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，基于更切合实际工程的软土硬岩复合地层荷载模式，提供一种土-岩复合地层类马蹄形盾构隧道设计方法，该设计计算方法设计出的盾构隧道横断面呈“上抛物线、下椭圆弧”的类马蹄形构造，以获得的盾构隧道管片弯矩和横向变形近似为零，极大程度优化管片配筋和减小管片纵缝接头的张开量，从而防止管片纵缝接头破损与渗漏水问题。
本发明目的实现由以下步骤完成：
（1）根据所述盾构隧道的使用要求，确定所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径；再根据所述盾构隧道所处软土、硬岩层厚度以及地下水位情况计算所述软土-岩复合地层荷载作用模式；
（2）根据所述盾构隧道确定的荷载作用模式计算所述盾构隧道的横断面参数，包括所述盾构隧道横断面轴线表达式、横断面轴线的土-岩层交界线处水平直径Rb与中心水平直径Rc，再进行横断面施工优化设计；
（3）根据所述盾构隧道的使用功能，判断所述隧道的横断面空间是否满足限界使用要求；
若不满足，调整竖向直径取值并按上述步骤重新计算所述盾构隧道的土-岩复合地层荷载作用模式以及获得所述盾构隧道新的横断面参数；
若满足，则进入步骤（4）。
（4）根据获得的所述盾构隧道的横断面参数，判断所述盾构隧道在使用阶段受可变及偶然作用时，是否满足结构可靠度要求；
若不满足，则根据考虑部分可变及偶然作用的土-岩复合地层荷载作用模式，重新按上述步骤设计计算所述盾构隧道的横断面参数；
若满足，则根据获得的所述盾构隧道的横断面参数，进行所述盾构隧道管片设计和横断面空间设计规划。
（5）根据步骤（4）中最终确定的盾构隧道横断面参数，对所述盾构隧道进行管片设计和横断面空间设计规划。
步骤（1）中，在所述盾构隧道位于不考虑水压力的软土-硬岩地层时，所述土-岩复合地层荷载作用模式的土压力计算公式为：
Figure 776866DEST_PATH_IMAGE001
；
式中，
P1为所述盾构隧道顶部位置的竖向土压力；
q1为所述盾构隧道所处软土层顶部位置的水平土压力；
q2为所述盾构隧道所处软土层底部位置的水平土压力；
q3为所述盾构隧道所处硬岩层的水平均布土压力；
γ表示所述盾构隧道上覆土体的容重，对于土体分层时则表示平均容重；
γs表示所述盾构隧道所处软土层的容重；
γh表示所述盾构隧道所处硬土层的容重；
λ1为所述盾构隧道所处软土层的侧土压力系数；
λ2为所述盾构隧道所处硬岩层的侧土压力系数；
H为所述盾构隧道的上覆土层厚度；
a为所述盾构隧道所处的软土层厚度；
b为所述盾构隧道所处的硬岩层厚度；
L为所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径，
Figure 691601DEST_PATH_IMAGE002
且假定
Figure 242668DEST_PATH_IMAGE003
。
步骤（1）中，当所述盾构隧道位于水-软土-硬岩复合地层且符合水土分算时，所述土-岩复合地层荷载作用模式的土压力计算公式为：
Figure 386204DEST_PATH_IMAGE004
；
式中，
P1为所述盾构隧道顶部位置的竖向土压力；
q1为所述盾构隧道所处软土层顶部位置的水平土压力；
q2为所述盾构隧道所处软土层底部位置的水平土压力；
q3为所述盾构隧道所处硬岩层的水平均布土压力；
γ表示所述盾构隧道上覆土层的容重，对于土体分层时则表示平均容重；
Figure 440748DEST_PATH_IMAGE005
为水的容重；
γs表示所述盾构隧道所处软土层的容重；
γh表示所述盾构隧道所处硬土层的容重；
λ1为所述盾构隧道所处软土层的侧土压力系数；
λ2为所述盾构隧道所处硬岩层的侧土压力系数；
H为所述盾构隧道的上覆土层厚度；
Figure 526385DEST_PATH_IMAGE006
为地下水位距离所述盾构隧道顶部的垂直距离；
a为所述盾构隧道所处的软土层厚度；
b为所述盾构隧道所处的硬岩层厚度；
L为所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径，
Figure 33589DEST_PATH_IMAGE007
且假定
Figure 246396DEST_PATH_IMAGE008
。
步骤（2）中计算所述盾构隧道的横断面参数方法为：
所述盾构隧道的横断面轴线在X-Y坐标系中X轴的正方向与负方向时的表达式为：
Figure 811238DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 677563DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure 813010DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 422982DEST_PATH_IMAGE012
；
盾构隧道横断面轴线的岩土层交界线处水平直径Rb与中心水平直径Rc计算公式为：
Figure 842331DEST_PATH_IMAGE013
；
Figure 754924DEST_PATH_IMAGE014
；
式中，X-Y坐标系中的坐标原点位于所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径顶点位置，x轴与所述盾构隧道横断面轴线的中心水平直径相平行，y轴与所述盾构隧道横断面轴线中的竖向直径相平行；
a为所述盾构隧道侧部所处的软土层的高度；
b为所述盾构隧道侧部所处的硬岩层的高度；
L为所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径，
Figure 502300DEST_PATH_IMAGE015
且假定
Figure 40597DEST_PATH_IMAGE016
；
P1为所述盾构隧道顶部位置的竖向土压力；
q1为所述盾构隧道软土层顶部位置的水平土压力；
q2为所述盾构隧道软土层底部位置的水平土压力；
q3为所述盾构隧道硬岩层的水平土压力；
Figure 189819DEST_PATH_IMAGE017
。
考虑实际工程的施工，对岩土层交界线处的横断面轴线尖角突变进行优化，设计采用一段圆曲线进行修正过渡，为方便施工以及经多次曲线拟合分析，设计圆曲线起终点为岩土层交界线上下b/4处，两侧圆心O位置为（±Xo，L/2），半径为Ra，计算式为：
Figure 538892DEST_PATH_IMAGE018
；
Figure 507985DEST_PATH_IMAGE019
；
Figure 584394DEST_PATH_IMAGE020
；
Figure 588122DEST_PATH_IMAGE021
；
式中，
ho为圆曲线圆心距离坐标原点的竖向距离；
c为土层交界线上b/4处盾构隧道横断面轴线的x值绝对值；
d为土层交界线下b/4处盾构隧道横断面轴线的x值绝对值；
Ra为圆曲线半径；
a为所述盾构隧道侧部所处的软土层的高度；
b为所述盾构隧道侧部所处的硬岩层的高度；
L为所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径，
Figure 842517DEST_PATH_IMAGE022
且假定
Figure 298906DEST_PATH_IMAGE023
。
所述盾构隧道管片设计每环为4块，包括位于软土层的拱顶管片、硬岩层的拱底管片以及连接两者的拱腰管片；管片厚度设计为其竖向直径的0.04～0.06倍；管片幅宽为1000mm-1500mm；管片采用通缝拼装或错缝拼装；
所述盾构隧道横断面空间满足双层车道盾构隧道的使用限界要求时，在所述盾构隧道内设置一预制“U”型横隔板及两侧现浇梁，以将所述盾构隧道分隔为上、下两层。
所述预制“U”型横隔板为所述盾构隧道上层空间轨道板。
所述盾构隧道拱腰管片内侧设置左右立柱，用于支撑预制“U”型横隔板，横隔板上方两侧设有预制防撞侧石；盾构隧道下层设置“π”型预制构件作为下层空间轨道板。
本发明的优点是，设计计算应用简便、针对性强，在所提出的更切合工程实际的软土硬岩复合地层荷载模式作用下，设计出的新型盾构隧道横断面呈“上抛物线、下椭圆弧”类马蹄形构造，以获得盾构隧道管片的弯矩和横向变形近似为零，极大程度优化管片配筋，从而防止管片纵缝接头破损与渗漏水问题；同时通过上下层通车模式合理设计规划盾构隧道横断面空间，设计时满足盾构隧道高度大于宽度，从而增大发生累计沉降差异时盾构隧道结构的纵向刚度。
附图说明
图1为马蹄形和类马蹄形横断面盾构隧道对比示意图；
图2为本发明中土-岩复合地层类马蹄形盾构隧道设计方法流程示意图；
图3为本发明中浅埋岩层荷载理论计算模型示意图；
图4为本发明中软土硬岩复合地层盾构隧道横断面荷载作用模式；
图5为本发明中未优化的盾构隧道横断面设计形式及各参数示意图；
图6为本发明中施工优化的圆曲线部分及其设计参数的示意图；
图7为本发明中松弛土压力（太沙基土压力）计算示意图；
图8为本发明中盾构隧道管片设计示意图；
图9为本发明中盾构隧道双层车道内部结构设计示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1-9，图中标记1-6分别为：盾构隧道1、拱顶管片1K、拱腰管片1B、拱底管片1A、预制“U”型横隔板2、预制防撞侧石3、预制板4、现浇梁5、预制立柱6、现浇基座7、“π”型预制构件8。
实施例：本实施例具体涉及土-岩复合地层类马蹄形盾构隧道设计方法，该方法应用于软土硬岩复合地层，根据使用要求确定盾构隧道横断面轴线竖向直径，再根据软土硬岩复合地层荷载模式设计出一种“上抛物线、下椭圆弧”的类马蹄形横断面盾构隧道1，使其在确定的荷载模式作用下理论弯矩值为零。
如图4-6所示，本实施例中的盾构隧道1的横断面是呈类马蹄形构造，在软土硬岩复合地层条件下的荷载作用下，盾构隧道1的横断面理论弯矩为零，其横断面的具体设计方法包括以下步骤：
（步骤1）
根据盾构隧道1的使用要求，确定所述盾构隧道1横断面轴线的竖向直径；再根据盾构隧道1所处软土、硬岩层厚度以及地下水位情况计算所述软土-岩复合地层荷载作用模式；
（步骤2）
在步骤（1）提出的荷载模式基础上，计算出盾构隧道1的横断面关键参数，包括盾构隧道1的横断面轴线表达式、横断面轴线的土-岩层交界线处水平直径Rb与中心水平直径Rc，再进行施工优化设计；
（ⅰ）所述盾构隧道1位于不考虑水压力的软土-硬岩地层时，所述复合岩土层荷载作用模式的土压力计算公式为：
Figure 179007DEST_PATH_IMAGE024
；
式中，
P1为所述盾构隧道顶部位置的竖向土压力；
q1为所述盾构隧道所处软土层顶部位置的水平土压力；
q2为所述盾构隧道所处软土层底部位置的水平土压力；
q3为所述盾构隧道所处硬岩层的水平均布土压力；
γ表示所述盾构隧道上覆土体的容重，对于土体分层时则表示平均容重；
γs表示所述盾构隧道所处软土层的容重；
γh表示所述盾构隧道所处硬土层的容重；
λ1为所述盾构隧道所处软土层的侧土压力系数；
λ2为所述盾构隧道所处硬岩层的侧土压力系数；
H为所述盾构隧道的上覆土层厚度；
a为所述盾构隧道所处的软土层厚度；
b为所述盾构隧道所处的硬岩层厚度；
L为所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径，
Figure 37241DEST_PATH_IMAGE025
且假定
Figure 993696DEST_PATH_IMAGE026
。
可以理解的，软土硬岩复合地层荷载计算模式的确定关键在于下部岩层荷载的处理。据现有浅埋岩层荷载理论（如布加耶娃法、多铰圆环等），可将下部岩层的水平围岩压力按均布力简化考虑。同时由于土层需考虑侧压力梯度，且侧压力的量值通常大于岩层，因此侧向围岩压力在软硬地层交界处存在突变。对于隧底地基反力，底部围岩强度足以承受因两侧竖直压力产生的侧鼓力，所以不考虑主动压力，仅考虑被动抗力。需要解释的是，因设计出来的盾构隧道1弯矩近似为零，可以忽略盾构隧道1的变形，所以无需计算盾构隧道1受到的地层被动抗力。同时因为忽略盾构隧道1自重对隧道结构内力的影响，盾构隧道底部与顶部的竖向土压力相同。
（ⅲ）当所述盾构隧道1位于水-软土-硬岩复合地层且符合水土分算时，所述复合岩土层荷载作用模式的土压力计算公式为：
Figure 327594DEST_PATH_IMAGE027
；
式中，
P1为所述盾构隧道顶部位置的竖向土压力；
q1为所述盾构隧道所处软土层顶部位置的水平土压力；
q2为所述盾构隧道所处软土层底部位置的水平土压力；
q3为所述盾构隧道所处硬岩层的水平均布土压力；
γ表示所述盾构隧道上覆土层的容重，对于土体分层时则表示平均容重；
Figure 621172DEST_PATH_IMAGE028
为水的容重；
γs表示所述盾构隧道所处软土层的容重；
γh表示所述盾构隧道所处硬土层的容重；
λ1为所述盾构隧道所处软土层的侧土压力系数；
λ2为所述盾构隧道所处硬岩层的侧土压力系数；
H为所述盾构隧道的上覆土层厚度；
Figure 209279DEST_PATH_IMAGE029
为地下水位距离所述盾构隧道顶部的垂直距离；
a为所述盾构隧道所处的软土层厚度；
b为所述盾构隧道所处的硬岩层厚度；
L为所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径，
Figure 930111DEST_PATH_IMAGE030
且假定
Figure 485726DEST_PATH_IMAGE031
。
针对本步骤中所提及的盾构隧道1横断面关键参数的计算，具体如下：
在盾构隧道1的横断面上定义有X-Y坐标系（参见附图4所示，X-Y坐标系中的坐标原点位于盾构隧道1横断面轴线的竖向直径L顶点位置，X轴与盾构隧道1横断面轴线的中心水平直径R相平行，Y轴与盾构隧道1横断面轴线中的竖向直径a相平行），盾构隧道1的横断面轴线在X轴的正方向与负方向时，分别满足以下两个计算公式：
Figure 582995DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 25609DEST_PATH_IMAGE033
；
Figure 182921DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 225832DEST_PATH_IMAGE035
；
此外，盾构隧道1横断面轴线的岩土层交界线处水平直径Rb与中心水平直径Rc计算公式为：
Figure 861212DEST_PATH_IMAGE036
；
Figure 282967DEST_PATH_IMAGE037
；
上述计算式中，各参数的含义分别如下：
a为所述盾构隧道侧部所处的软土层的高度；
b为所述盾构隧道侧部所处的硬岩层的高度；
L为所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径，
Figure 486546DEST_PATH_IMAGE030
且假定
Figure 626540DEST_PATH_IMAGE031
；
P1为所述盾构隧道顶部位置的竖向土压力；
q1为所述盾构隧道软土层顶部位置的水平土压力；
q2为所述盾构隧道软土层底部位置的水平土压力；
q3为所述盾构隧道硬岩层的水平土压力；
A为参变量，计算式为：
Figure 721404DEST_PATH_IMAGE038
；
考虑实际工程的施工，对岩土层交界线处的横断面轴线尖角突变进行优化，设计采用一段圆曲线进行修正过渡，为方便施工以及经多次曲线拟合分析，设计圆曲线起终点为岩土层交界线上下b/4处，两侧圆心O位置为（±Xo，L/2），半径为Ra，计算式为：
Figure 138610DEST_PATH_IMAGE039
；
Figure 637725DEST_PATH_IMAGE040
；
Figure 389649DEST_PATH_IMAGE041
；
Figure 366832DEST_PATH_IMAGE042
；
式中，
ho为圆曲线圆心距离坐标原点的竖向距离；
c为土层交界线上b/4处盾构隧道横断面轴线的x值绝对值；
d为土层交界线下b/4处盾构隧道横断面轴线的x值绝对值；
Ra为圆曲线半径；
a为所述盾构隧道侧部所处的软土层的高度；
b为所述盾构隧道侧部所处的硬岩层的高度；
L为所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径，
Figure 169703DEST_PATH_IMAGE043
且假定
Figure 839719DEST_PATH_IMAGE044
。
可以理解的，由于原设计横断面轴线在尖角突变处曲线的曲率较大，因此在岩土层交界线附近的x值变化量△非常小，而设计的过渡圆曲线对应的圆心角极小，由数学知识分析可知用圆曲线产生的误差值是会比△还小，所以可以忽略不计，因此优化后的轴线可以近似看为零弯矩断面轴线。
（步骤3）
根据盾构隧道1的使用功能，判断盾构隧道1的横断面空间是否满足限界使用要求；若不满足限界使用要求，则返回步骤（1）调整竖向直径L的值并重新计算盾构隧道1的横断面关键参数，之后再进入步骤（3）再次进行判断；
若满足限界使用要求，则进入步骤（4）；
（步骤4）
当满足限界使用要求之后，验算盾构隧道1的横断面使用阶段受可变作用和偶然作用时，是否满足结构可靠度要求；
若不满足要求，则返回步骤（2），根据考虑部分可变作用或偶然作用的复合土层荷载模式，再次计算盾构隧道1的横断面各项关键参数；
若满足要求，则步骤（2）中最新计算获得的横断面参数即为该盾构隧道1的横断面最终参数。
（步骤5）
根据步骤（4）中最终确定的盾构隧道1横断面参数，进行盾构隧道1管片设计和横断面空间设计规划。
如图8-9所示，本实施例中盾构隧道1每环分为4块，具体由位于软土层的拱顶管片1K、硬岩层的拱底管片1A以及连接两者的拱腰管片1B组合而成，管片采用通缝拼装或错缝拼装；管片幅宽为1.0m-1.5m（其中通常小半径线路曲线采用1.2m，大半径线路曲线采用1.5m），且各管片厚度为盾构隧道1竖向直径L的0.04～0.06倍，从而满足强度要求。
本实施例中的类马蹄形横断面盾构隧道1可用于各类软土硬岩复合地层地下隧道，当盾构隧道1作为地铁隧道进行使用时，在其横断面净空相对地铁列车使用限界富余的情况下，可考虑将富余横断面净空用于它用，如地下管廊等。
如图5、8、9所示，当类马蹄形横断面盾构隧道1横断面空间满足双层车道盾构隧道的使用限界要求时，通过在盾构隧道1内设置一预制“U”型横隔板2及两侧现浇梁5，设计上下双层通车结构。其中预制“U”型横隔板2为盾构隧道1上层空间轨道板，同时拱腰管片内侧设置左右立柱6，用于支撑预制“U”型横隔板2，且立柱6置于现浇基座7上。横隔板上方两侧设有预制防撞侧石3和预制板4；盾构隧道1下层设置“π”型预制构件8作为下层空间轨道板。

Claims (6)

1.一种土-岩复合地层类马蹄形盾构隧道设计方法，其特征在于，所述方法针对应用于软土-硬岩复合地层，所设计出的盾构隧道横断面呈“上抛物线、下椭圆弧”的类马蹄形构造，以获得所述盾构隧道理论弯矩值为零；
所述土-岩复合地层类马蹄形盾构隧道设计方法包括以下步骤：
（1）根据盾构隧道的使用要求，确定所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径；
根据所述盾构隧道所处软土、硬岩层厚度以及地下水位情况计算所述软土-硬岩复合地层荷载作用模式；
（2）根据所述盾构隧道确定的所述荷载作用模式计算所述盾构隧道的横断面参数，以进行横断面施工优化设计；
（3）根据所述盾构隧道的横断面参数，进行所述盾构隧道管片设计和横断面空间设计规划；
当所述盾构隧道位于不考虑水压力的软土-硬岩复合地层时，所述土-岩复合地层荷载作用模式的土压力计算公式为：
Figure 221454DEST_PATH_IMAGE001
；
当所述盾构隧道位于水-软土-硬岩复合地层且符合水土分算时，所述土-岩复合地层荷载作用模式的土压力计算公式为：
Figure 755204DEST_PATH_IMAGE002
；
所述盾构隧道的横断面参数包括所述盾构隧道横断面轴线表达式、横断面轴线的土-岩层交界线处水平直径Rb与中心水平直径Rc；
所述盾构隧道的横断面轴线在X-Y坐标系中X轴的正方向与负方向时的表达式为：
Figure 13010DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 114958DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 91004DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 162866DEST_PATH_IMAGE006
；
所述盾构隧道横断面轴线的土层交界线处水平直径Rb与中心水平直径Rc计算公式为：
Figure 806337DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 875924DEST_PATH_IMAGE008
；
式中，X-Y坐标系中的坐标原点位于所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径顶点位置，x轴与所述盾构隧道横断面轴线的中心水平直径相平行，y轴与所述盾构隧道横断面轴线中的竖向直径相平行；
Figure 276949DEST_PATH_IMAGE009
；
所述根据所述盾构隧道确定的荷载作用模式计算所述盾构隧道的横断面参数步骤之后，还包括以下步骤：考虑实际工程的施工，对土-岩层交界线处的横断面轴线尖角突变进行优化，设计采用一段圆曲线进行修正过渡，为方便施工以及经多次曲线拟合分析，设计圆曲线起终点为岩土层交界线上下b/4处，两侧圆心O位置为（±XO，L/2），半径为Ra，计算公式为：
Figure 355764DEST_PATH_IMAGE010
Figure 588162DEST_PATH_IMAGE011
Figure 156546DEST_PATH_IMAGE012
Figure 841606DEST_PATH_IMAGE013
其中，上述公式中：P1为所述盾构隧道顶部位置的竖向土压力；
q1为所述盾构隧道所处软土层顶部位置的水平土压力；
q2为所述盾构隧道所处软土层底部位置的水平土压力；
q3为所述盾构隧道所处硬岩层的水平均布土压力；
Figure 724111DEST_PATH_IMAGE014
表示所述盾构隧道上覆土体的容重，对于土体分层时则表示平均容重；
Figure 748699DEST_PATH_IMAGE015
为水的容重；
γs表示所述盾构隧道所处软土层的容重；
Figure 425668DEST_PATH_IMAGE016
表示所述盾构隧道所处硬土层的容重；
Figure 660340DEST_PATH_IMAGE017
为所述盾构隧道所处软土层的侧土压力系数；
Figure 80957DEST_PATH_IMAGE018
为所述盾构隧道所处硬岩层的侧土压力系数；
H为所述盾构隧道的上覆土层厚度；
Figure 287948DEST_PATH_IMAGE019
为地下水位距离所述盾构隧道顶部的垂直距离；
hO为圆曲线圆心距离坐标原点的竖向距离；
a为所述盾构隧道所处的软土层厚度；
b为所述盾构隧道所处的硬岩层厚度；
c为土层交界线上b/4处盾构隧道横断面轴线的x值绝对值；
d为土层交界线下b/4处盾构隧道横断面轴线的x值绝对值；
Ra为圆曲线半径；
L为所述盾构隧道横断面轴线的竖向直径，
Figure 583755DEST_PATH_IMAGE020
且假定
Figure 243406DEST_PATH_IMAGE021
。
2.根据权利要求1所述的土-岩复合地层类马蹄形盾构隧道设计方法，其特征在于，根据所述盾构隧道的使用功能，判断所述隧道的横断面空间是否满足限界使用要求；
若不满足，调整竖向直径L的值并按上述步骤重新计算所述盾构隧道的土-岩复合地层荷载作用模式以及获得所述盾构隧道新的横断面参数；
若满足，则进一步验算所述盾构隧道的横断面是否满足结构可靠度要求。
3.根据权利要求2所述的土-岩复合地层类马蹄形盾构隧道设计方法，其特征在于，根据获得的所述盾构隧道的横断面参数，判断所述盾构隧道在使用阶段受可变及偶然作用时，是否满足结构可靠度要求；
若不满足，则根据考虑部分可变及偶然作用的土-岩复合地层荷载作用模式，重新按上述步骤设计计算所述盾构隧道的横断面参数；
若满足，则根据获得的所述盾构隧道的横断面参数，进行所述盾构隧道管片设计和横断面空间设计规划。
4.根据权利要求3所述的土-岩复合地层类马蹄形盾构隧道设计方法，其特征在于，所述盾构隧道管片每环设计为4块，包括位于软土层的拱顶管片、硬岩层的拱底管片以及连接两者的拱腰管片；管片厚度设计为其竖向直径的0.04～0.06倍；管片幅宽为1000mm-1500mm；管片采用通缝拼装或错缝拼装。
5.根据权利要求4所述的土-岩复合地层类马蹄形盾构隧道设计方法，其特征在于，当所述盾构隧道横断面空间满足双层车道盾构隧道的使用限界要求时，在所述盾构隧道内设置一预制“U”型横隔板及两侧现浇梁，以将所述盾构隧道分隔为上、下两层，所述预制“U”型横隔板作为盾构隧道上层空间轨道板。
6.根据权利要求5所述的土-岩复合地层类马蹄形盾构隧道设计方法，其特征在于，所述盾构隧道拱腰管片内侧设置左右立柱，用于支撑预制“U”型横隔板，横隔板上方两侧设有预制防撞侧石；盾构隧道下层设置“π”型预制构件作为下层空间轨道板。
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