盾构管片内力计算
盾构管片接头模型的改进及管片内力的数值计算
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总结
本次演示主要探讨了盾构管片接头模型的改进及管片内力的数值计算。通过 对盾构施工和管片的基本概念进行简要介绍，重点阐述了接头模型的改进方法和 管片内力的数值计算在工程实践中的应用。通过总结本次演示的主要内容和观点， 强调了改进盾构管片接头模型和计算管片内力的重要性，并提出了下一步的研究 方向。
结论与展望
本次演示提出了一种盾构衬砌管片接头内力变形统一模型，并对其进行了试 验验证。结果表明，该模型能够较好地预测实际工况下衬砌管片接头处的内力变 形行为。然而，该模型仍存在一定的局限性，例如未能考虑衬砌管片在受力过程 中的徐变效应以及长期荷载作用下的疲劳性能等。
展望未来，可以从以下几个方向进行深入研究：1）进一步完善衬砌管片接 头内力变形统一模型，考虑更多影响因素，提高预测精度；2）开展不同材料、 不同几何形状的衬砌管片接头内力变形研究，以期在实际工程中得到更广泛的应 用；3）研究衬砌管片接头的耐久性问题，探讨其在不同环境条件下的性能退化 规律；4）结合数值模拟方法，对衬砌管片接头内力变形进行更深入的分析和优 化设计。
盾构管片接头模型的改进及管 片内力的数值计算
目录
01 摘要
03 盾构施工概述
02 引言 04 管片概述
目录
05 接头模型改进
07 总结
06 管片内力数值计算 08 参考内容
摘要
本次演示主要探讨盾构管片接头模型的改进及管片内力的数值计算。在盾构 隧道施工中，管片接头模型的设计与管片内力的数值计算对于提高隧道施工质量 和安全性具有重要意义。本次演示首先简要介绍盾构施工的基本概念和管片接头 的模型，然后详细阐述接头模型的改进方法、管片内力的数值计算及其在工程实 践中的应用。最后，总结本次演示的主要内容和观点，并提出下一步的研究方向。
盾构管片排版计算公式
盾构管片排版计算公式
盾构管片排版计算公式F e=安全储备系数AX盾构推进总阻力F d 安全储备系数A---一般取1.5---2.0。
盾构推进总阻力F d=盾壳与周边地层间阻力F1+刀盘面板推进阻力F2+管片与盾尾间摩擦力F3+
切口环贯入地层阻力F4+转向阻力F5+牵引后配套拖车阻力F6
1、依据盾构隧道平竖曲线要素、横纵断面及螺栓等设计信息，自动对通用管片进行通缝或错缝拟合排版；
2、管片和螺栓布局用户可指定；
3、通用管片环形式有：等腰梯形和直角梯形；
4、是否错缝拼接可控制，封顶块位置亦可控制；
5、由交点信息确定平曲线和竖曲线；
6、自动进行管片拟合排版，可生成三维管片排版图和二维展开图；
7、可生成拟合排版偏差图；
8、排版结果可以导入到CAD中；
9、计算结果图可自动输出到文件中，里程间隔用户可以指定。
盾构隧道管片衬砌的内力分析
文章编号:1004—5716(2002)05—94—03中图分类号:U455143 文献标识码:B 盾构隧道管片衬砌的内力分析肖龙鸽,薛文博(中铁隧道集团三处有限公司,广东乐昌512250)摘 要:结合上海市大连路越江隧道的工程特点,采用结构力学解析方法及多种计算模型进行了越江隧道盾构管片衬砌的内力计算,通过对衬砌内力的分析,为目前城市地铁区间盾构隧道管片衬砌内力计算探索出了一条计算模式。
关键词:盾构隧道;管片;衬砌;内力分析1 工程概况上海市大连路越江隧道横穿黄浦江,根据隧道所穿越土层的工程地质、水文地质条件而采用盾构法施工,衬砌采用单层装配式钢筋混凝土衬砌,衬砌外径为 11.040m,衬砌厚度δ= 55cm。
根据地质资料,浦东段沿线地基土按其岩性、时代、成因及物理力学性质差异从上至下可划分为10层,其工程地质特性如下:(1)人工填土层:以杂填土为主,部分素填土。
(2)褐黄～灰黄色粉质粘土:可塑～软塑状,中～高压缩性。
(3)灰色淤泥质粉质粘土:流塑,高压缩性。
(3—a)灰色粉质粘土:很湿～湿,中压缩性。
(4)灰色淤泥质粘土:流塑,高压缩性。
(5—1)灰色粘土:软塑状,高压缩性。
(5—2)灰色粉质粘土:可塑,中压缩性。
(6)暗绿～草黄色粘土:可塑～硬塑状,中压缩性。
(7-1)草黄色砂质粉土:湿,中密,中压缩性。
(7-2)草黄色粉细砂:湿,密实,中压缩性。
2 管片衬砌的内力分析2.1 概述地下结构设计和进行力学计算的模型和方法较多,目前主要采用荷载结构法设计模型和荷载结构法进行计算。
荷载结构法认为地层对结构的作用只是产生作用在地下结构上的荷载,以计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形,荷载结构法又可区分为两类:局部变形理论计算法和共同变形理论计算法。
图1为圆形衬砌常用计算方法的计算简图,其中,图1(a)表示周边承受主动荷载的自由变形圆环,对于松软地层可按自由变形圆环计算内力,图1(b)所示的圆环在侧向作用有弹性抗力,在坚硬地层中圆形衬砌结构内力计算必须考虑弹性抗力的作用。
圆形盾构隧道衬砌管片的计算分析
第 46 卷第 5 期(总第 328 期) 2009 年 10 月出版 25 Vol . 46 ， No . 5 ， Total . No . 328 Oct . 2009
现代隧道技术
MODERN TU NNELLING TECHNOLOGY
圆形盾构隧道衬砌管片的计算分析
很难准确获得实际的地下水位。 因此，在选择用于 计算水压力的地下水位时应进行充分的论证，可 以通过分别取各种水位进行计算， 取最不利的情 况。
M/(kN·m) N/kN 配筋
207.0
-159.7
198.6
393.1
696.8
445.2
内侧 8φ22，外侧 8φ16
拱背力 均匀作用
注： “拱背力均匀作用”指将拱背土压力近似化成均 布 荷 载 G/(2R)，
叠加在拱上部土压力中作为竖向土压力.
圆形盾构隧道衬砌管片的计算分析
现代隧道技术
MODERN TUN NELLING TECHNOLOGY
接头处内力管片内力帆孝尬帆代第卷第期总第期年月出版匹摘要盾构法以其安全快速等优点在我国地铁隧道施工中得到了越来越广泛的应用但其施工成本相对较文献标识码图错缝拼装弯曲传递及分配示意作者简介张美聪男硕士工程师主要从事隧道与地下程方面的设计研究丁作呻譬万方数据现代隧道技术圆形盾构隧道村砌管片的计算分析计算所选用参数叼和亭主要根据经验选取
盾构管片内力计算
盾构管片内力计算1.盾构管片的基本介绍盾构是一种无顶进封闭式施工的地下连续墙体构筑方法。
它利用盾构机的推进力和土封结构的支护作用，实现地下隧道或管道的直接开挖和同步支护。
在盾构工程中，管片是构成地下连续墙体的基本单元，管片的结构设计和内力计算是盾构工程的重要环节。
2.盾构管片内力的分类-弯矩：在盾构管片中，由于土压力和地下水压力的作用，管片会受到弯曲力的作用。
弯矩的大小和方向会影响管片的变形和破坏。
-剪力：盾构管片在施工过程中会受到土压力和地下水压力的横向挤压力，产生剪力。
剪力的作用会导致管片产生横向位移和剪切破坏。
-轴力：盾构管片受到推进力的作用，产生轴向压力。
轴力的大小和方向也会直接影响管片的稳定性。
3.盾构管片内力计算的原理-应力平衡原理：根据盾构管片的自重和外力的作用，可以通过应力平衡方程计算出管片各个部分的内力分布。
应力平衡方程可以分为弯矩平衡、剪力平衡和轴力平衡方程。
-形状相关性原理：盾构管片是一个曲面结构，其变形与内力密切相关。
可以通过管片的几何形状以及变形原理，将管片内力计算问题转化为形状相关性问题。
4.盾构管片内力计算的方法-解析方法：解析方法是通过建立盾构管片力学模型，根据管片的几何形状和边界条件，应用材料力学原理，推导出一些基本方程和解答方法，如弯曲理论、剪切理论和轴力理论等。
这些方法适用于简单几何形状和载荷条件的情况，可以得到较为精确的结果。
-数值模拟方法：数值模拟方法是通过数值计算的方式求解盾构管片内力的数值近似解。
常用的数值模拟方法有有限元法、边界元法和离散元法等。
这些方法适用于复杂几何形状和载荷条件的情况，可以较为全面地描述管片内力分布。
5.盾构管片内力计算的注意事项在进行盾构管片内力计算时，需要注意以下几点。
-边界条件的确定：边界条件是影响盾构管片内力计算的关键因素之一，需要根据具体的工程情况进行准确的确定。
-材料性质的选择：盾构管片的材料性质对内力计算结果有着重要影响，需要根据实际情况选取合适的材料力学参数。
盾构隧道管片内力计算及配筋优化分析
盾构隧道管片内力计算及配筋优化分析摘要：以北京某在建工程地铁盾构隧道衬砌管片为研究对象，采用修正惯用法（公式法、地基弹簧法）、三维梁〜弹簧法分别对衬砌管片在不同地层条件下的受力进行分析（匀质软地层、匀质硕地层、中软下硬地层、中硕下软地层），提出了各种算法和地层条件下，衬砌管片内力的分布和变化规律，经对比分析，结合盾构管片环结构的实际受力环境和特点，得出了指导和优化衬砌管片结构配筋设计的相关结论和建议，提升了结构的安全性和经济性。
关键词：盾构隧道；管片配筋；修正惯用法；三维梁〜弹簧法；1前言在城市轨道交通工程中，单层装配式混凝土管片是盾构隧道常用的衬砌结构型式，衬砌管片设计是盾构隧道结构设计的核心内容，与工程的安全性、经济性和耐久性密切相关。
常用的盾构管片内力计算方法有惯用法、修正惯用法、多较环法及梁■弹簧模型法[1-3],这些计算方法主要以二维分析为主，大致地模拟了盾构管片的受力状态，并选取讣算结果最大包络进行配筋。
这些算法简便、易于实现，但却未能充分精细地揭示管片的实际内力状态，因此管片配筋针对性较弱，影响工程的经济性。
本次硏究以北京某在建工程地铁盾构隧道衬砌管片为研究对象，考虑地层条件和衬砌构造的三维空间特征，充分考虑管片环内接头所引起的刚度下降以及错缝拼装导致的环间传力效应，分别釆用修正惯用法（公式法、地基弹簧法）、三维梁〜弹簧法对衬砌管片在不同地层条件下的受力进行分析（匀质软地层、匀质硕地层、中软下硬地层、中硕下软地层），通过对分析结论的整理、归纳，总结了各种算法的适用性和不同地质条件下衬砌管片内力的分布和变化规律，以期指导和优化衬砌管片结构设计，提升结构的安全性和经济性。
2工程概况盾构隧道埋深10・5m〜30m,穿越地层分为全断面卵石（匀质硬地层）、全断面粉土、粉质粘土交互（匀质软地层）、仰拱卵石、中部粉土（中软下硬地层）以及中部卵石、下部粉质粘土（中硬下软地层）等四种典型的地层结构（详见图1） O盾构隧道衬砌采用外径6.0m.幅宽1.2m、厚0.3 m的单层装配式钢筋混凝土管片，衬砌环山6块管片组成（详见图2）,错缝拼装，标准封顶块位置偏离正上方±22.5。
盾构管片衬砌结构设计计算
《地下铁道》7.5 盾构管片衬砌结构设计计算隧道与地下工程系7.5 盾构管片衬砌结构设计计算1.设计原则盾构法隧道宜采用荷载结构模型和地层结构模型进行结构计算，前者用于常规设计，后者用于特殊设计。
◆管片设计时可将其视为单独承受弯矩、轴力及剪力的线性梁来处理。
◆按相对于横断面方向的设计来决定管片的断面，根据地震及地基沉降的影响等来研究隧道纵断面结构的合理性。
1.设计原则◆荷载模式：浅埋与深埋、水土合算和分算。
◆结构模型：(1) 均质(等刚度)圆环模型在饱和含水软土地层中，主要由于工程上的防水要求，对由装配式衬砌组成的衬砌圆环，其接缝必须具有一定的刚度，以减小接缝变形量。
由于相邻环间接错缝拼装，并设置一定数量的纵向螺栓或在环缝上设有凹凸榫槽，使纵缝刚度有了一定的提高。
因此，圆环可近似地认为是一均质等刚度圆环。
1.设计原则◆结构模型：(2) 多铰圆环结构模型该原理在于圆环多铰衬砌环在主和被动土压作用下产生变形，圆环由一不稳定结构逐渐转变成稳定结构，圆环变形过程中，铰不发生突变。
计算假定：1)适用于圆形结构。
2)衬砌环在转动时，管片或砌块视作刚体处理。
3)衬砌环外围土抗力按均匀分布，土抗力的计算满足对砌环稳定性的要求， 土抗力作用方向全部朝向圆心。
4)计算中不计及圆环与土壤介质间的摩擦力。
5)土抗力和变形间关系按温克尔公式计算。
1.设计原则◆结构模型：在不稳定地层中，多铰圆环结构(铰的数量大于3个)处于结构不稳定状态，当圆环外围土层给圆环结构提供了附加约束，使得随着多铰圆环的变形而提供了相应的地层抗力，于是多铰圆环就处于稳定状态。
在稳定地层中，衬砌环按多铰圆环计算是十分经济合理的。
对圆环变形量要有一定的限制，并对施工要求提出必要的技术措施。
2.管片内力计算(1)均质圆环模型◆按普通圆形结构计算，不同的是因为衬砌圆环是由数块管片拼装而成的，它的刚度不如整体浇筑的圆环，应予以折减。
◆钢筋混凝土管片为0.7，复合管片为0.8，铸铁管片的刚度折减率可取为0.9。
盾构隧道管片衬砌计算方法比较
各土层和岩石的物理力学参数指标见下表： 各土层和岩石的物理力学参数指标见下表：
土层和岩石的物理力学参数
本次研究首先根据地质情况和基本荷载组合, 计算出管片衬砌所受 的荷载如下:
p1 q1 q2 pv 244.691kPa 105.271kPa 15. 358kPa 272.965kPa
弹性铰法 弹性地基梁 法 151. 0 792. 0 131. 0 10115
最大弯矩（kN·m) 最大轴力(kN)
六.结论 结论
通过上面的计算分析, 可得出以下几点结论: (1) 弹性铰法、弹性地基梁法和自由变形圆环法 计算得到的弯矩和轴力基本一致, 最大弯矩在 拱顶或拱底, 最大轴力在拱腰。从定性角度看, 三种方法计算结果比较吻合, 只是各种方法计 算结果的安全储备大小有差别。
盾构隧道管片衬砌内力计算方法比较
2011届结构二班 李修然
主要内容： 主要内容：
1.自由变形圆环法 2.弹性铰法 3.梁-弹簧单元模型 4.荷载计算 5.计算实例比较
一.自由变形圆环法 自由变形圆环法
自由变形圆环法是一种广泛应用的盾构隧道设 计方法。 假定圆形衬砌为土体中自由变形的弹性均质圆 环，计算时采用弹性中心法，根据弹性中心处 相对角变位和相对位移为零的条件列力法方程， 求出多余未知力。
根据荷载计算图式, 可知作用在管片衬砌上的 荷载有: 垂直土压和水压, 侧向土压和水压, 结 构自重, 土体抗力。
(1)
垂直土压 根据广州地铁二号线越秀公园～ 三元里区间 沿线地质、埋深等情况, 垂直土压力采用压力 拱理论计算：
(2) 侧向土体抗力 侧向土体抗力区任一截面水平弹性抗簧模型
盾构机的关键参数计算方法8
盾构机的关键参数计算方法1.1.1.1盾构机总推力计算根据隧道工程条件，盾构主要参数计算按盾构在最大土压和水压位置进行计算。
根据招标文件和地质堪察报告按盾顶埋深22m，地下水位埋深按2m，盾构穿越地层按粉质粘土地层进行核定。
1、计算参数管片内径：Φ5500mm管片外径：Φ6200mm管片厚度：350mm管片宽度：1500mm覆土厚度：20m水头压力：200kPa土容重：粘土γ＝19.1kN/m3,粉土γ＝19.9kN/m3土的侧压力系数：0.5盾构机重量：331.7t盾构机盾壳长度：9.55m管片外径：Φg=6200mm盾构尾部的外径为：Φ6390mm盾体直径为：D 0＝6410mm钢与土的摩擦系数μ1＝0.3车轮与钢轨之间的摩擦系数μ2＝0.2每一先行刀的容许负荷pr＝150kN后配套系统G1＝160t最大推力F：42,000kN额定扭矩：5316 kNm脱困扭矩：6934 kNm2、盾构荷载计算松动圈土压，见图2.1.6-1。
按覆土厚度H0=22m计算,H1=1m,H2=12m.H3=9m①Pe1=（γ-10）H2+（γ-10）H3 +γ*H1=219.3kPa ②Pe2=Pe1-64.5=153.8kPa③④ ⑤⑥ ⑦ ⑧ ⑨图2.1.6-1 荷载计算简图3、盾构机总推力计算盾构的总推进力必须大于各种推进阻力的总和，否则盾构无法向前推进。
包括盾构外围与土的摩擦力、盾构推进阻力（正面阻力）、由先行刀挤压阻力、管片与盾尾的密封阻力、后方台车的牵引阻力。
1.1.1.2盾壳与土体的摩擦力(1)、盾构外围与土的摩擦力)4()(221101011w q p q p LD w Lp D F e e e e w ++++=+=πμπμkN 6.11047）331742.1481048.1533.21955.9*41.6*14.3(3.0＝=++++kPa p q e e 1045.0*208*11===λkPa Pe q e 2.1485.0*2195.0*45.6*12*)145.6*)10((2=+=+-=λγkPaL D G p g 02.62)0.8*45.6/(10*320*/0===11e e q qf =22e e q qf =kpa qf w 2101=kpa qf w 2752=(2)、盾构推进阻力（正面阻力）kNqf qf qf qf D F w e w e 1383922752108.1533.219*40881.41*14.32*42211202=+++=+++π＝(3)、由先行刀挤压产生的阻力kN n p F r 2700150*18*3=== (4)、管片与盾尾的密封阻力kN W M F S C 8.1418.92.51.55.5)5.5-6.22.6(41416.323.04=⨯⨯⨯⨯⨯⨯÷⨯⨯=⨯=MC -管件与钢板刷之间的摩擦阻力，取0.3 WS-压在盾尾内部2环管片的自重 (5)、后方台车的牵引阻力kN G F 3201600*2.0*＝125==μ 所需最大推力kN F F F F F F 4.280483208.1412700138396.1104754321max =++++=++++=安全系数5.14.28048/42000/＝max ==F F α 根据分项计算推力的安全系数达到1.5，可以满足掘进的需要。
地下建筑结构课程设计-盾构隧道的断面选择及内力计算22222
《地下建筑结构课程设计》----软土地区地铁盾构隧道一、设计资料如图1所示，为一软土地区地铁盾构隧道的横断面，衬砌外径为6200mm，厚度为350mm，混凝土强度为C55，环向螺栓为5.8级。
管片裂缝宽度允许值为0.2mm，接缝张开允许值为3mm。
地面超载为20KPa。
图1 隧道计算断面土层分布图二、设计要求盾构隧道衬砌的结构计算采用自由变形的弹性均质圆环法并考虑土壤介质侧向弹性抗力来计算圆环内力。
试计算衬砌内力，画出内力图，并进行管片配筋计算、隧道抗浮、管片局部抗压、裂缝、接缝张开等验算。
三、计算原则及采用规范计算原则：（1）设计服务年限100年；（2）工程结构的安全等级按一级考虑；（3）取上覆土层厚度最大的横断面计算；（4）满足施工阶段，正常运营阶段和特殊情况下强度计算要求；（5）接缝变形在接缝防水措施所能适应的范围内；（6）成型管片裂缝宽度不大于0.2mm；（7）隧道最小埋深处需满足抗浮要求；采用规范：（1）《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）；（2）《地下工程防水技术规范》（GB50108-2001）；（3）《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299-1999）；（4）《建筑工程施工质量验收统一标准》（GB50300-2001）；（5）《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》（GB50308-1999）；（6）《盾构法隧道施工与验收规范》（GB50446-2008）；（7）《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）。
《地下建筑结构课程设计》----软土地区地铁盾构隧道计算书姓名：班级：学号：指导教师：北方工业大学土木工程学院地空系2015年5月目录1 荷载计算-------------------------------------31.1 结构尺寸及地层示意图-----------------------31.2 隧道外围荷载标准值-------------------------31.2.1 自重--------------------------------31.2.2 均布竖向地层荷载----------------------41.2.3 水平地层均布荷载----------------------41.2.4 按三角形分布的水平地层压力--------------51.2.5 底部反力-----------------------------51.2.6 侧向地层抗力--------------------------51.2.7 荷载示意图----------------------------62 内力计算---------------------------------------63 标准管片配筋计算--------------------------------83.1 截面及内力确定-----------------------------83.2 环向钢筋计算--------------------------------83.3 环向弯矩平面承载力验算-----------------------114 抗浮验算-------------------------------------105 纵向接缝验算--------------------------------125.1 接缝强度计算------------------------------125.2 接缝张开验算------------------------------146 裂缝张开验算------------------------------157 环向接缝验算----------------------------168 管片局部抗压验算-----------------------------179 参考文献-------------------------------18（一）基本使用阶段的荷载计算 （1）衬砌自重：δγ=h g （4.1） 式中 g —衬砌自重，kPa ；γh —钢筋混凝土容重，取为25kN/m 3 δ—管片厚度，m 。
盾构管片计算书郭志奇给
3号线出、入段线区间盾构管片结构计算书计算：复核：审核：中铁隧道勘测设计院有限公司2012年11月成都目录1、计算原则 (1)2、计算标准 (1)3、计算断面 (1)4、计算基本假定及模型 (2)5、模型计算分析 (3)6、作用效应组合 (4)7、计算结果及分析 (6)8、附图 (8)成都地铁3号线一期盾构区间标准断面结构计算书1、计算原则1.1 区间隧道结构采用以概率理论为基础的极限状态设计法，以可靠指标度量结构构件的可靠度，采用以分项系数的设计表达进行设计。
1.2 结构构件根据承载力极限状态及正常使用极限状态的要求，分别进行下列计算和验算。
（1）承载力：所有结构构件均应进行承载力（包括压曲失稳）计算。
（2）变形：对使用上需控制变形值的结构构件，应进行变形验算。
（3）抗裂及裂缝宽度：对使用上要求不出现裂缝的构件，需进行混凝土拉应力验算；对使用上允许出现裂缝的构件，需按荷载的短期效应组合并考虑长期效应组合的影响求出最大裂缝宽度进行裂缝宽度验算。
1.3 结构计算简图的确定，需符合结构的实际工作条件，并反映结构与周围地层的相互作用。
2、计算标准2.1 对于盾构法施工隧道，按荷载的短期效应组合，并考虑长期效应组合的影响所求得的钢筋混凝土裂缝允许宽度不大于0.2mm。
2.2 区间结构安全等级为一级，结构重要性系数取1.1，偶然组合时取1.0。
2.3 区间结构按7 地震烈度设防；按6级人防设防。
2.4 作用效应计算模式不定性分项系数取为1.0，结构几何尺寸分项系数取为1.0，作用效应系数均取为1.0。
3、计算断面依据《北郊车辆段出、入段线区间详勘报告》的工程地质勘察报告，地层主要计算参数见表1，隧道衬砌结构参数见表1：各土层物理、力学参数建议值表表3-1层序地层名称重度γ干重度快剪饱和快剪三轴压缩(uu)三轴压缩静止侧压泊松基床系数(MPa/m)承载力特表3-23.2 工程材料（1）混凝土：衬砌环预制钢筋混凝土管片混凝土强度等级为C50，抗渗等级≥S10（2）钢筋： HPB235、HRB335钢筋。
盾构隧道衬砌结构内力计算方法的对比浅析-黄河勘测规划设计研究院
盾构隧道衬砌结构内力计算方法的对比浅析邵岩 孟旭 央王卿（工程设计院）［摘要］简要介绍了盾构衬砌常用的荷载-结构计算方法，并通过算例计算分析，揭示了不同模型简化计算盾构衬砌内力的大小、分布规律，并提出了自己的见解，为以后的设计计算提供了有益的参考和提示。
［关键词］盾构衬砌内力计算荷载-结构法1引言盾构法隧道的衬砌结构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；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。
盾构法隧道的设计内容基本上包括三个阶段：第一阶段为隧道的方案设计，以确定隧道的线路、线形、埋置深度以及隧道的横断面形状和尺寸等；第二阶段为衬砌结构与构造设计，其中包括管片的分类、厚度、分块、接头形式、管片孔洞、螺孔等；第三阶段为管片的内力计算，衬砌断面设计。
管片厚度、配筋率、混凝土强度等设计参数的合理与否, 对体现盾构法的优越性、降低工程造价及提高工程经济性影响甚大，其设计的合理性与管片采用的计算模型密切相关。
因此，选择合理的管片计算模型至关重要。
2盾构衬砌计算方法介绍目前关于盾构管片的设计还没有统一的设计计算方法，很多时候是用经验类比的方法进行设计。
对于装配式盾构衬砌结构，常采用如图1所示的计算方法。
2.1有限单元法有限单元法通常是基于地层—结构理论，认为衬砌与地层一起构成受力变形的整体,并可按连续介质力学原理来计算衬砌和周边地层的内力和变形。
通常做法是将土体与盾构衬砌联合建模，依靠现代化的ANSYS等有限元计算软件，可以模拟施工过程中隧道衬砌以及周围土体的受力情况。
图1装配式衬砌计算方法但是此种方法有其缺陷，管节的连接处难以简化和建模，通常采用折减整体衬砌刚度的方法来反应纵横向管节连接的影响。
2.2荷载-结构法［1］目前,国内外盾构隧道衬砌结构设计主要以荷载—结构计算模式为主。
盾构隧道管片衬砌内力计算方法比较
盾构隧道管片衬砌内力计算方法比较
盾构隧道是现代城市化进程中最常见的地下隧道形式，随着城市的不断发展，越来越多的城市需要建设地下交通隧道。
盾构隧道的管片衬砌内力计算是盾构隧道建设过程中的重要环节。
本文将从几个方面来比较目前常用的盾构隧道管片衬砌内力计算方法。
第一、有限元法
有限元法是目前使用最广泛、应用最为成熟的计算方法之一，它通过离散化相应区域，建立微分方程，利用有限元分析软件来计算应力和应变分布，从而得到管片衬砌的内力。
这种方法的优点是计算结果精确可靠，具有较高的可重复性和可调节性，适合计算各种复杂条件下管片衬砌的内力。
第二、解析法
解析法是一种经典的数学分析方法，通过对管片衬砌的简化模型建立数学解析模型，从而得到内力的解析解。
这种方法的优点是计算速度快，计算结果精度高，适用于简单条件下的管片衬砌内力计算。
缺点是只适用于简单的几何形状，无法应用于复杂的情况。
第三、实验法
实验法是通过对管片衬砌进行特定实验，测量相应的数据，利用数学模型来计算管片衬砌的内力。
这种方法的优点是可以考虑到复杂条件下的多种因素，得到较为真实的内力值，缺点是实验成本较高、操作复杂，而且实验过程有一定的风险。
综上所述，以上三种计算方法各自有其优缺点，应针对不同情况进行选用，最终得到的结果需要结合实际情况进行分析和比较。
在实践中，工程师们应采用不同的计算方法来计算管片衬砌内力，最终得到最为精确、可靠的结果，从而保障盾构隧道建设的安全与可靠。
盾构管片接头模型的改进及管片内力的数值计算
第26卷 增2岩石力学与工程学报 V ol.26 Supp.22007年12月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec.，2007收稿日期：2006–11–16；修回日期：2006–12–27基金项目：国家自然科学基金资助项目(50304012，50674095)；教育部博士点基金项目(20060290014)；北京市优秀人才培养资助项目(2007101600700414) 作者简介：侯公羽(1965–)，男，博士，1986年毕业于西安矿业学院采矿系矿井建设专业，现任副教授，主要从事岩土工程、岩石力学方面的教学盾构管片接头模型的改进及管片内力的数值计算侯公羽1，杨 悦2，刘 波1(1. 中国矿业大学 力学与建筑工程学院，北京 100083；2. 黑龙江科技学院，黑龙江 哈尔滨 150027)摘要：管片计算模型的建立主要是考虑接头和土层抗力两种因素对结构的影响。
对惯用法模型的接头简化进行改进，即将管片的各个截面处刚度按EI 处理，将其接头部位的刚度按kEI 处理，这样的管片接头模型更符合实际情况。
结合北京地铁十号线工程的实例资料，采用通用ANSYS 程序对荷载结构法的惯用法模型及改进模型和地层结构法的均质圆环模型及改进模型进行详细的管片内力计算分析。
数值计算结果表明，对盾构管片接头模型的改进是有效的、可行的，而且是必要的；可以初步确定合理的管片接头刚度折减系数取值为1/100～1/1 000。
关键词：隧道工程；管片内力；惯用法模型；均质圆环模型；改进接头模型；刚度折减；数值计算 中图分类号：U 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2007)增2–4284–08IMPROVED JOINT MODEL OF SHIELD TUNNEL SEGMENTS ANDNUMERICAL CALCULATION OF INNER FORCESHOU Gongyu 1，YANG Yue 2，LIU Bo 1(1. School of Mechanics and Civil Engineering ，China University of Mining and Technology ，Beijing 100083，China ；2. Heilongjiang College of Technology ，Harbin ，Heilongjiang 150027，China )Abstract ：The key issue for establishing calculating model of segments is to consider the influence of the joint and ground resisting force to the structure. The simplification of joint in the routine method model is improved. The calculation model which treats all the cross-section stiffness of segments as EI and the joint stiffness of segments as kEI coincides with the actual situation. Combining with the real data of the project of Beijing Metro Line No.10，the segments inner forces are calculated by the routine method model and its improved model ，homogenous ring model and its improved model respectively. According to the numerical calculation results ，the improvement of the rotating stiffness of joint in shield tunnel segments are found effective and feasible and also necessary ；it can preliminarily determine that the reasonable stiffness reduction factor value of the rotating stiffness of joint in shield tunnel segments is 1/100–1/1 000.Key words ：tunneling engineering ；segments inner forces ；routine method model ；homogeneous ring model ；improved joint model ；stiffness reduction ；numerical calculation1 引 言随着地铁建设的快速发展，如何准确计算盾构衬砌管片的内力是管片设计的当务之急。
内力图地铁盾构计算书
内⼒图地铁盾构计算书1．设计荷载计算1.1 结构尺⼨及地层⽰意图图1-1 结构尺⼨及地层⽰意图如图，按照要求，对灰⾊淤泥质粉质粘⼟上层厚度进⾏调整：mm 43800 50*849+1350h ==灰。
按照课程设计题⽬，以下只进⾏基本使⽤阶段的荷载计算。
1.2 隧道外围荷载标准值计算（1）⾃重 2/75.835.025m kN g h =?==δγ（2）竖向⼟压若按⼀般公式：21/95.44688.485.37.80.11.90.185.018q m KN h ni i i =?+?+?+?+?==∑=γ由于h=1.5+1.0+3.5+43.8=48.8m>D=6.55m ，属深埋隧道。
应按照太沙基公式或普⽒公式计算竖向⼟压：a 太沙基公式：其中：m R B c 83.6)4/7.75.22tan(/1.3)4/5.22tan(/0000=+=+=?（加权平均值0007.785.5205.42.7645.19.8=?+?=）则：2)9.8tan 83.68.48()9.8tan 83.68.48(11/02.18920]1[9.8tan )83.6/2.128(83.6p m KN e e =?+--=-- b 普⽒公式：20012/73.2699.8tan 92.7832tan 32p m KN B =??==γ取竖向⼟压为太沙基公式计算值，即：21/02.189p m KN e =。
（3）拱背⼟压 mkN R c /72.286.7925.2)41(2)41(2G 22=??-?=?-=πγπ。
其中：3/6.728.1645.11.728.10.8645.1m KN =+?+?=γ。
（4）侧向主动⼟压 )245tan(2)245(tan )(q 0021?γ-?--?+=c h p e e其中：21/02.189p m KN e =，则：2000021/00.121)27.745tan(1.122)27.745(tan 02.189q m KN e =-??--?= （5）⽔压⼒按静⽔压考虑：a 竖向⽔压：2w1w w1/478.24=48.8×9.8=H =p m KN γb 侧向⽔压：2w1w w1/478.24=48.8×9.8=H =q m KN γ（6）侧向⼟壤抗⼒衬砌圆环侧向地层（弹性）压缩量：)R 0.0454k EI 24()]R q (q -)q (q -)p [2(p =4c 4c w2e2w1e1w1e1?+?+++ηδ其中：衬砌圆环抗弯刚度取2376.123265120.35×0.1103.45EI m KN ?=??= 衬砌圆环抗弯刚度折减系数取7.0=η；则：m34410617.057.366600811.2261)925.2200000.04546.232651.70(24925.2)]14.325(154.06-)24.784(139.19-)24.78402.189([2 =-?==+?+++?δ（7）拱底反⼒ w c c 1R R 2π -0.2146R +πg +p =P γγe其中：21/02.189p m KN e =2/75.8m kN g =3/6.728.1645.11.728.10.8645.1m KN =+?+?=γ，与拱背⼟压对应则：2R /91.17410 955.2 2π-6.7955.20.2146+75.8π+189.02=P m KN =。
盾构管片螺栓力学计算c(1)
管片螺栓复核计算对管片纵向、环向螺栓均为机械强度为5.8级或6.8级的M24及5.8级M30螺栓的各工况进行验算。
验算螺栓纵、环向螺栓应考虑如下几种情况：纵向螺栓应考虑的是地震产生横波而产生的水平惯性力验算螺栓、纵向连接螺栓验算。
环向螺栓主要是考虑管片受力后产生的剪力及弯矩与轴力产生偏心作用，同时亦要计算管片之间剪力验算。
1、纵向螺栓的验算：1）地震工况验算：地震动的横波与隧道纵轴正交或地震动的纵波与隧道纵轴平行，都会沿隧道纵向产生水平惯性力，使结构发生纵向拉压变形，其中以横波产生的纵向水平惯性力为主，取波长为160m, 一半由管片及螺栓传递，：T = %K〃（80W）本区间位于7度地区，水平地震系数K%=0.1,综合影响系数，考虑到本段区间地层复杂，因此〃其拉力为：T = %跖（80卬）=0 i i *（8o* 1343）=1074.4KN按抗震规范5.4.1,抗震不考虑得要性系系1.1,荷载分项系数取1.3,抗震规范5 x 1.3x1074.4=1187.2KN纵向采用10根M24承受拉力，截面积A2 = 353mn?T 1187.2*1（）3。
=——==336.3N/ mm2nA 10*353纵向采用10根M30承受拉力，截面积A2=561mn?T 1187.2 *1（）3。
=——==211.6N/ mm2nA10 * 561因此采用10根M24或M30均可满足抗地震要求。
2）纵向连接螺栓验算：区间：环与环连接螺栓剪力图：最大剪力为3.4 KN区间：环与环连接螺栓剪力图：最大剪力为4.8 KN从计算管片的环与环剪力图中可知，此工况剪力较小，此工况不为控制工况。
3）、不均匀地基轴向变形验算施工中图已对隧道通过下部存在的软弱土层采用了袖阀管注浆进行地层固，处理后的地基相对均匀，因此不再考虑其不均匀地基的影响。
二、环向螺栓的验算：xx区间每环管片计算的相应弯矩、轴力、纵向剪力汇总如下：（单位：M=KN.m； N=KN,V=KN)dd区间每环管片计算的相应弯矩、轴力、纵向剪力汇总如下：（单位：M=KN.m； N=KN,取其中偏心矩最大的内拉及外位两种情况：内拉：M=106.8N=494.2；外拉：M=-90.l N=705.6 计算示意图a)内拉验算：取用6. 8级M24进行验算，但考虑到螺纹段只在螺母才有，因此螺栓面积按采用A=452 mm2计算公式：Rg=e+ (150-120)n AgRg*420-fcbx(x/2+(e-150))=0得XZ X 二nAgRg+KN= f c bxK=(fcbx- AgRg )/N > 1.55即为符要求计算结果汇总如下：从计算可知，要采用6.8级M24螺栓后，dd 区间接头均可满足要求，但xx 区间部分不能满足 要求，采用M30后核算安全系数分别为2. 06及1.55。
盾构主要参数的计算和确定
盾构主要参数的计算和确定1、盾构外径：盾构外径D=管片外径D S+2(盾尾间隙δ+盾尾壳体厚度t)盾尾间隙δ--为保证管片安装和修复蛇行,以及其他因素的最小富余量，一般取25—40mm;结合五标地质取多少?2、刀盘开挖直径：软土地层，一般大于前盾0—10mm,砂卵石地层或硬岩地层，一般大于前顿外径30mm,五标刀盘开挖直径如何确定的?3、盾壳长度盾壳长度L=盾构灵敏度ξx盾构外径D小型盾构D≤3.5M，ξ=1.2—1.5；中型3.5M＜D≤9M，ξ=0.8—1.2；大型盾构D＞9M；ξ=0.7—0.8；4、盾构重量泥水盾构重量=（45---65）D2，由于本线路存在线下溶土洞的可能，再掘进中能否通过此核算，盾构主机是否沉陷？5、盾构推力盾构总推力F e=安全储备系数AX盾构推进总阻力F d安全储备系数A---一般取1.5---2.0。
盾构推进总阻力F d=盾壳与周边地层间阻力F1+刀盘面板推进阻力F2+管片与盾尾间摩擦力F3+切口环贯入地层阻力F4+转向阻力F5+牵引后配套拖车阻力F6盾壳与周边地层间阻力F1计算中，静止土压力系数或土的粘聚力取盾体范围内的何点的？刀盘面板推进阻力F2，对于泥水盾构或土压盾构土仓压力如何确定的？管片与盾尾间摩擦力F3中，盾尾刷与管片的摩擦系数取偏大好吗？盾尾刷内的油脂压力如何定？计算中土压力计算是按郎肯土压公式或库仑土压计算？6、刀盘扭矩刀盘设计扭矩T=刀盘切削扭矩T1+刀盘自重形成的轴承旋转反力矩T2+刀盘轴向推力形成的旋转反力矩T3+主轴承密封装置摩擦力矩T4+刀盘前面摩擦扭矩T5+刀盘圆周摩擦反力矩T6+刀盘背面摩擦力矩T7+刀盘开口槽的剪切力矩T8刀盘切削扭矩T1中的切削土的抗压强度q u如何确定？刀盘轴向推力形成的旋转反力矩T3计算中土压力计算是按郎肯土压公式或库仑土压计算？，刀盘圆周摩擦反力矩T6计算中，土压力计算是按郎肯土压公式或库仑土压计算？刀盘背面摩擦力矩T7中土仓压力P W如何确定？7、主驱动功率主驱动工率储备系数一般为1.2---1.5，主驱动系统的效率η如何确定？8、推进系统功率推进系统功率W f=功率储备系数A W X最大推力FX最大推进速度VX推进系统功率ηW功率储备系数A W一般取1.2---1.5, 最大推力F、最大推进速度V如何定？推进系统功率ηW=推进泵的机械效率X推进泵的容积率X连轴器的效率9、同步注浆能力每环管片理论注浆量Q=0.25X(刀盘开挖直径D2—管片外径D S2)X管片长度L推进一环的最短时间t=管片长度L/最大推进速度v理论注浆能力q=每环管片理论注浆量Q/推进一环的最短时间t额定注浆能力q p=地层的注浆系数λX理论注浆能力q/注浆泵效率η地层的注浆系数λ因地层而变一般取1.5---1.8。
38 盾构管片结构计算方法及应用实例
盾构管片内力计算方法及应用实例陈飞成徐晓鹏卢致强【摘要】埋置于地下土层中的盾构管片结构，由于所受外荷载复杂及接头的存在，其内力计算方法根据不同力学假定，种类繁多。
本文对常用的自由变形圆环法、弹性多铰环法、弹性地基梁法进行了理论推导，并针对某软土地区地铁盾构区间三个断面进行了实例计算，通过对计算结果的对比分析，得出了一些有助于盾构管片结构设计的结论。
【关键词】盾构管片设计荷载结构法1 引言盾构法以其地层适应性强、施工速度快、施工质量有保证、对周边环境干扰少等优点，得到了越来越广泛的应用。
目前盾构管片结构的设计方法有：①经验类比法②荷载结构法③地层结构法④收敛限制法，常用荷载结构法和地层结构法。
荷载结构法将盾构管片视为埋置于土层中的混凝土结构，周围土体对管片的作用力为施加于结构上的荷载；而地层结构法认为盾构管片与埋置地层一起构成受力变形的整体，并可按连续介质力学原理来计算管片和周围土体的内力和位移，其特点是在计算盾构衬砌结构内力的同时也得到周边土层的应力。
地层结构法力学本构模型复杂，土性参数较难确定，计算过程中影响因素多，并且目前工程界还无太多可靠经验来评定其结果的准确性，因此对具体工程的盾构管片结构设计仍主要采用荷载结构法，计算图示如图1。
本文就是应用荷载结构法对盾构管片进行内力计算。
陈飞成（1980—），研究生，毕业于同济大学道路与铁道工程专业，现为设计部结构设计人员。
徐晓鹏（1979—），工程师，硕士，毕业于中国矿业大学结构工程专业，现任公司设计项目部项目经理。
卢致强（1974—），工程师，硕士，毕业于西南交通大学结构工程专业，现任公司设计部经理。
上覆荷载0图1 荷载结构法计算图示Fig.1 Load-Structure method2 荷载结构法设计理论用荷载结构法计算盾构管片内力，关键点有两个，一是对土层抗力的处理，二是对管片接头的处理。
对土层抗力的处理方法有：①不考虑土层抗力②土层抗力按假定分布于管环拱腰两侧③加土弹簧，用弹簧力来模拟土层抗力。
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盾构管片内力计算
D.1隧道截面内力计算的基本原则
D.1.1隧道的结构计算，应根据施工过程中的每个阶段和竣工后的状态下的作用分别进行计算。
D.1.2隧道横截面的设计作用，应以作为设计对象的隧道区间内最不利的条件为基础进行确定。
D.1.3钢筋混凝土管片的非静定力或弹性变形计算，可不计算钢筋影响，将混凝土全截面视为有效截面进行计算。
D.1.4管片截面内力计算可采用惯用计算法、修正惯用计算法、梁弹簧模型法。
D.2隧道截面内力惯用法与修正惯用法计算
D.2.1隧道管片结构受力计算见图D.2.I-1o
图D.2.1-1隧道管片结构受力计算图
D.2.2惯用计算法和修正惯用计算法的隧道管片截面内力计算公式见表D.2.2-1o
表D.2.2-1惯用计算法和修正惯用计算法的隧道管片截面内力计算公式
D.2.3当利用惯用计算法、修正惯用计算法时，混凝土管片主体、管片接头的弯矩设计值应分别按下列公式计算：
叫=(1+C)M.
M,=(∖-ζ)M g
式中：M c —管片主体弯矩设计值(N ∙m);
M 1—管片接头弯矩设计值(N ∙m); M x —惯用计算法弯距计算值(N ∙m);
ζ——弯矩增减系数(0〜1.0),地基反力大的坚硬地基取低值，地基反力小的软弱地基取高
值。
D.2.4管片主体的剪力设计值取主体最大计算剪力值，同时应对斜向受拉钢筋进行应力校核。
D.2.5管片接头的剪力设计值取主体最大计算剪力值，应对每处接头的全部螺栓进行应力校核。
D.2.6当利用惯用计算法、修正惯用计算法时，不能计算环间设计剪力值，但可由垂直水、土压力及自重求解每一环的剪力值。
(D.2.3-1)
(D.2.3-2)。