盾构隧道设计与分析
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拟静法
e1 F1
e1
22
2
盾构隧道设计与分析
（7）、荷载分布模式假设
Py1 Px1
X Y Px4
Px2 Py3
Py1 Px1
X Y Px4
Xy
P布y4 ， Py2
方
Px3
向
为
矩
形
分
分 布
向 矩
形
分
布
向 梯 形
Xy
分
布Py4 ，
Py2
向
分 布
，
抛
梯
Px3
物
形
线
形
盾构隧道设计与分析
Xy
y
X
Py1
Py4
y
11.250°5.625°
R5.500m
盾构隧道设计与分析
R5.020m
2、隧道施工全过程受力分析
盾构隧道设计与分析
盾构隧道设计与分析
盾构隧道设计与分析
盾构隧道设计与分析
盾构隧道设计与分析
盾构隧道设计与分析
盾构隧道设计与分析
盾构隧道设计与分析
盾构隧道设计与分析
盾构隧道设计与分析
g
g
（4）、地基抗力与地层弹簧系数
惯用计算法中的地层抗力假设
Pmp maaxx
45° 45°
Φ Ppmmaaxx
盾构隧道设计与分析
地层弹簧法 Ⅱ
Ⅰ Ⅱ
多层地层参数的均一化
盾构隧道所处地层参数平
不同地层采用相应地层弹簧系数 k1
约束弹簧采用
单一刚度系数 k 2
局部地层弹簧与全周地层弹簧
Pg
Pg
盾构隧道设计与分析
盾构隧道设计与分析
盾构隧道设计与分析
计算模型盾示构隧意道设图计与中分析，以表 示。
❖管片接头：在隧道横断面上连接管片形成衬砌环的部 分，在本软件计算模型示意图中，以表 示。
❖管片材料：在本程序中，按平面应变问题取1米进行 计算截面的转动惯量，面积；弹性模量可 以从混凝土设计规范上查得。
❖管片宽度：在隧道纵向量测的管片尺寸，同时也是衬 砌宽度。
盾构隧道设计与分析
管片间接头
`
剪切单元
纵向螺栓
管片
盾构隧道设计与分析
（3）结构离散化
接头 纵向螺栓
螺栓角1 螺栓角2
盾构隧道设计与分析
（4）管片拼装方式
单圆和双圆盾 构隧道都有通缝 和错缝两种拼装 模式。其中单圆 错缝有A-B-A, A-B-C两种方式。 而双圆错缝只有 A-B-A一种方式。
盾构隧道设计与分析
局部地层弹簧模式
全周地层弹簧模式
F K U n
n
Fs Ks U s
n
Kn
K
n
K
n
Un
0
Ks
Un 0
K
s
K
s
Un Un
（5）、注浆荷载
单孔注浆压力分布模式
最大注浆压力
注浆孔
平均注浆压力
注浆孔
盾构隧道设计与分析
整环注浆压力分布模式
y
p1
2
p2
1
x
盾构隧道设计与分析
注浆孔
Hale Waihona Puke Baidu
（6）、地震荷载
盾构隧道设计与分析
盾构隧道设计与分析
盾构隧道设计与分析
1、盾构隧道衬砌内力分析方法
（1）有限元法
二维平面分析 三维空间分析
惯用法
（2）荷载－结构法
修正惯用法 梁－接头模型
盾构隧道设计与分析梁－弹簧模型
意三 图维
盾 构 隧 道 建 模 示
盾构隧道设计与分析
意二 图维
盾 构 隧 道 建 模 示
盾构隧道设计与分析
盾构隧道设计与分析算例演示
1、工程概况
盾构衬砌环，内径10.040m,外径11.000m,衬砌宽度1.0m,受 到垂直压力p=226.3KN/m，顶部水平侧压力q1 =90.5KN/m， 底部水平侧压力q2 =162.5KN/m ，自重g=12.0KN/m，管片 截面的计算参数如下：弹性模量E=3.5×107KPa，转动惯量 I=9.216×10-3m4 ，面积A=p02.24.3k68N /mm2 ，地层反力系数为 K=1.5×104KN/m3 。
双 线 性 模 式
非 线 性 模 式
盾构隧道设计与分析
管片环间接缝
地铁设计规范(GB50157-2003)第10.5.3规 定：衬砌环间采用错缝拼装时，可按惯用法考虑 由于纵向接头存在引起的匀质圆环刚度降低及环 间接通过剪力传递所引起的断面与接头内力的重 分配；或以二环为一个计算单元、块与块间设接 头的回转弹簧、两环之间设径向剪切弹簧及切向 弹簧的计算模式进行计算。
11、其他
盾构隧道设计与分析
日 本 盾 构 隧 道 规 范 的 分 类 方 法
盾构隧道设计与分析
（2）水土压力计算
土柱理论（H<2D）
压力拱理论（太沙基，普氏）（H>=2D）
v
B1 ( c / B1 ) (1 eK0 tanH / B1 ) K0 tan
p0
e K0 tanH / B1
的
考
虑
盾构隧道设计与分析
2、程序中的名词解释
❖管片：圆弧形结构物，用来拼装成隧道外轮廓，本 软件指预制的混凝土管片。
❖管片分布自重：容重乘以管片厚度。 ❖衬砌：由管片通过螺栓连接而成，一环衬砌由几块
管片构成。 ❖环向螺栓：为了构成衬砌环，连接管片用的螺栓，
本软件以管片接头形式模拟螺栓的作用。 ❖纵向螺栓：衬砌环之间相互连接的螺栓，在本软件
B1
R0
cot(
/
4
2
/
2)
盾构隧道设计与分析
水压力计算
Hw
+H w
Dc
Pw1 w H w
Dc
整体坐标系施加
Pw2 w (H w Dc )
Hw
H w
Pw1
Dc
Pw1 w H w
Dc
Pw2局部坐标系施加
Pw2 w (H w Dc )
（3）自重
g1
W1
2 Rc
修正惯用法对自重反力的假设 梁弹簧模型对自重反力的假设
Px1 X
Y Px4
Px2 Py1
Py4 Py3
Px1 X
Y Px4
Py2 Px
Px2
4、结构模拟
（1）管片
Y
y Mi
xi
i
xi yi
yi
Mj j
yj
x
xj
xj
yj
X
直梁模型
M2
Q2
N2
2
1
N1
Q1 M1
曲梁模型
盾构隧道设计与分析
（2）接缝
管片间接缝
梁弹簧 接头元
接头元线性模式
盾构隧道设计与分析
❖管片厚度：在隧道纵向量测的管片尺寸，同时也是衬 砌宽度。盾构隧道设计与分析
3、荷载假定与计算
（1）荷载分类
盾构隧道设计与分析
日
主荷载
本
盾
构
隧
道
规
附加荷载
范
的
分
特殊荷载
类
方
法
1、垂直和水平土压力 2、水压力 3、自重 4、上覆荷载 5、地基抗力 6、内部荷载 7、施工荷载 8、地震的影响 9、平行配置隧道的影响 10、邻近施工的影响
惯
用
法
与
修
非均质圆环
正
惯
用
D1 D2
法
D2 / D1
概
念
图
均质圆环
盾构隧道设计与分析
惯用计算法中的弯矩分配图
隧
M
道
纵
M M1 M2
断
方
向
M
盾构隧道设计与分析
M2 /2
M2 /2
M1
M2 /2
M2 /2
kn
ks
k
梁弹簧模型
梁接头模型
盾构隧道设计与分析
错
缝
拼
装
环
间
加
强
径向接头
作
用
剪切弹簧
e1 F1
e1
22
2
盾构隧道设计与分析
（7）、荷载分布模式假设
Py1 Px1
X Y Px4
Px2 Py3
Py1 Px1
X Y Px4
Xy
P布y4 ， Py2
方
Px3
向
为
矩
形
分
分 布
向 矩
形
分
布
向 梯 形
Xy
分
布Py4 ，
Py2
向
分 布
，
抛
梯
Px3
物
形
线
形
盾构隧道设计与分析
Xy
y
X
Py1
Py4
y
11.250°5.625°
R5.500m
盾构隧道设计与分析
R5.020m
2、隧道施工全过程受力分析
盾构隧道设计与分析
盾构隧道设计与分析
盾构隧道设计与分析
盾构隧道设计与分析
盾构隧道设计与分析
盾构隧道设计与分析
盾构隧道设计与分析
盾构隧道设计与分析
盾构隧道设计与分析
盾构隧道设计与分析
g
g
（4）、地基抗力与地层弹簧系数
惯用计算法中的地层抗力假设
Pmp maaxx
45° 45°
Φ Ppmmaaxx
盾构隧道设计与分析
地层弹簧法 Ⅱ
Ⅰ Ⅱ
多层地层参数的均一化
盾构隧道所处地层参数平
不同地层采用相应地层弹簧系数 k1
约束弹簧采用
单一刚度系数 k 2
局部地层弹簧与全周地层弹簧
Pg
Pg
盾构隧道设计与分析
盾构隧道设计与分析
盾构隧道设计与分析
计算模型盾示构隧意道设图计与中分析，以表 示。
❖管片接头：在隧道横断面上连接管片形成衬砌环的部 分，在本软件计算模型示意图中，以表 示。
❖管片材料：在本程序中，按平面应变问题取1米进行 计算截面的转动惯量，面积；弹性模量可 以从混凝土设计规范上查得。
❖管片宽度：在隧道纵向量测的管片尺寸，同时也是衬 砌宽度。
盾构隧道设计与分析
管片间接头
`
剪切单元
纵向螺栓
管片
盾构隧道设计与分析
（3）结构离散化
接头 纵向螺栓
螺栓角1 螺栓角2
盾构隧道设计与分析
（4）管片拼装方式
单圆和双圆盾 构隧道都有通缝 和错缝两种拼装 模式。其中单圆 错缝有A-B-A, A-B-C两种方式。 而双圆错缝只有 A-B-A一种方式。
盾构隧道设计与分析
局部地层弹簧模式
全周地层弹簧模式
F K U n
n
Fs Ks U s
n
Kn
K
n
K
n
Un
0
Ks
Un 0
K
s
K
s
Un Un
（5）、注浆荷载
单孔注浆压力分布模式
最大注浆压力
注浆孔
平均注浆压力
注浆孔
盾构隧道设计与分析
整环注浆压力分布模式
y
p1
2
p2
1
x
盾构隧道设计与分析
注浆孔
Hale Waihona Puke Baidu
（6）、地震荷载
盾构隧道设计与分析
盾构隧道设计与分析
盾构隧道设计与分析
1、盾构隧道衬砌内力分析方法
（1）有限元法
二维平面分析 三维空间分析
惯用法
（2）荷载－结构法
修正惯用法 梁－接头模型
盾构隧道设计与分析梁－弹簧模型
意三 图维
盾 构 隧 道 建 模 示
盾构隧道设计与分析
意二 图维
盾 构 隧 道 建 模 示
盾构隧道设计与分析
盾构隧道设计与分析算例演示
1、工程概况
盾构衬砌环，内径10.040m,外径11.000m,衬砌宽度1.0m,受 到垂直压力p=226.3KN/m，顶部水平侧压力q1 =90.5KN/m， 底部水平侧压力q2 =162.5KN/m ，自重g=12.0KN/m，管片 截面的计算参数如下：弹性模量E=3.5×107KPa，转动惯量 I=9.216×10-3m4 ，面积A=p02.24.3k68N /mm2 ，地层反力系数为 K=1.5×104KN/m3 。
双 线 性 模 式
非 线 性 模 式
盾构隧道设计与分析
管片环间接缝
地铁设计规范(GB50157-2003)第10.5.3规 定：衬砌环间采用错缝拼装时，可按惯用法考虑 由于纵向接头存在引起的匀质圆环刚度降低及环 间接通过剪力传递所引起的断面与接头内力的重 分配；或以二环为一个计算单元、块与块间设接 头的回转弹簧、两环之间设径向剪切弹簧及切向 弹簧的计算模式进行计算。
11、其他
盾构隧道设计与分析
日 本 盾 构 隧 道 规 范 的 分 类 方 法
盾构隧道设计与分析
（2）水土压力计算
土柱理论（H<2D）
压力拱理论（太沙基，普氏）（H>=2D）
v
B1 ( c / B1 ) (1 eK0 tanH / B1 ) K0 tan
p0
e K0 tanH / B1
的
考
虑
盾构隧道设计与分析
2、程序中的名词解释
❖管片：圆弧形结构物，用来拼装成隧道外轮廓，本 软件指预制的混凝土管片。
❖管片分布自重：容重乘以管片厚度。 ❖衬砌：由管片通过螺栓连接而成，一环衬砌由几块
管片构成。 ❖环向螺栓：为了构成衬砌环，连接管片用的螺栓，
本软件以管片接头形式模拟螺栓的作用。 ❖纵向螺栓：衬砌环之间相互连接的螺栓，在本软件
B1
R0
cot(
/
4
2
/
2)
盾构隧道设计与分析
水压力计算
Hw
+H w
Dc
Pw1 w H w
Dc
整体坐标系施加
Pw2 w (H w Dc )
Hw
H w
Pw1
Dc
Pw1 w H w
Dc
Pw2局部坐标系施加
Pw2 w (H w Dc )
（3）自重
g1
W1
2 Rc
修正惯用法对自重反力的假设 梁弹簧模型对自重反力的假设
Px1 X
Y Px4
Px2 Py1
Py4 Py3
Px1 X
Y Px4
Py2 Px
Px2
4、结构模拟
（1）管片
Y
y Mi
xi
i
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Mj j
yj
x
xj
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yj
X
直梁模型
M2
Q2
N2
2
1
N1
Q1 M1
曲梁模型
盾构隧道设计与分析
（2）接缝
管片间接缝
梁弹簧 接头元
接头元线性模式
盾构隧道设计与分析
❖管片厚度：在隧道纵向量测的管片尺寸，同时也是衬 砌宽度。盾构隧道设计与分析
3、荷载假定与计算
（1）荷载分类
盾构隧道设计与分析
日
主荷载
本
盾
构
隧
道
规
附加荷载
范
的
分
特殊荷载
类
方
法
1、垂直和水平土压力 2、水压力 3、自重 4、上覆荷载 5、地基抗力 6、内部荷载 7、施工荷载 8、地震的影响 9、平行配置隧道的影响 10、邻近施工的影响
惯
用
法
与
修
非均质圆环
正
惯
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D1 D2
法
D2 / D1
概
念
图
均质圆环
盾构隧道设计与分析
惯用计算法中的弯矩分配图
隧
M
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断
方
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盾构隧道设计与分析
M2 /2
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M1
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梁弹簧模型
梁接头模型
盾构隧道设计与分析
错
缝
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装
环
间
加
强
径向接头
作
用
剪切弹簧