大断面过江隧道盾构管片内力计算对比分析
盾构隧道内力分析方法的对比研究
弯矩 ， 对衬 砌 轴 力 影 响 有 限 ； 径 向 弹性 抗 力 有助 于 削 弱 管 片 衬 砌 弯 矩 ， 增大 管片衬砌 轴力 ； 修 正 惯 用 法 获 得 的 弯 矩
值最 大， 弹性支承法次之 ， 梁一 弹 簧一 压杆 法最小， 而 轴 力 值 基 本 不 受 分 析 方 法 的 影 响 。 建 议 盾 构 隧 道 初 步设 计 时 采 用修 正惯 用 法 ， 施 工 图设 计 时采 用 可 编 程 的 弹性 支承 法 ， 工 程 研 究 分 析 时 采 用 梁一 弹簧 一 压杆法。
ｌ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ’ Ｓ ａ ｘ ｉ ａ ｌ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ． Ｔｈｅ ｒ ａ ｄ ｉ ａ ｌ ｅ ｌ ａ ｓ ｔ ｉ ｃ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｗｏ ｕ ｌ ｄ ｈｅ ｌ ｐ ｔ ｏ ｄｉ ｍｉ ｎ ｉ ｓ ｈ ｔ ｈｅ ｂ ｅ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｍｏ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｓ ｅ ｇ ｍｅ ｎ ｔ
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｓ ，ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ｄ ｅ ｓ ｃ ｒ ｉ ｂ ｅ ｄ ｒ ｅ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ ｉ ｎ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄ ｉ ｉｅ ｆ ｄ
大断面越江盾构隧道管片拼装方式对结构内力的影响效应研究_封坤
第29卷第6期V ol.29 No.6 工程力学2012年6月June 2012 ENGINEERING MECHANICS 114 文章编号：1000-4750(2012)06-0114-11大断面越江盾构隧道管片拼装方式对结构内力的影响效应研究封坤1，何川1，邹育麟2(1. 西南交通大学地下工程系，成都 610031；2. 长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430000)摘 要：大断面越江隧道管片拼装方式对结构内力的影响一直引人关注，由于拼装方式的不同将引起管片结构内力的分布与量值的变化。
鉴于此，该文对圆形盾构隧道管片拼装效应的产生机理进行了理论分析，着重探讨了纵向相互作用力对管片环向内力的影响，随后以南京长江隧道为工程背景，对其管片在通缝与错缝拼装条件下结构环向内力分布及错缝拼装下目标管片内力沿圆周及幅宽方向的内力分布规律开展了原型试验研究。
结果表明，由于环间的相互作用效应，使错缝结构局部区域弯矩呈现出加强的效果。
在纵向螺栓作用区域，管片环向弯矩增幅、轴力降幅较大。
沿管片幅宽方向，正弯矩呈“凹”型分布，负弯矩呈“凸”型分布，轴力呈“凸”型分布。
该研究结果可为大断面水下盾构隧道的设计、施工和相关研究提供重要参考。
关键词：水下盾构隧道；管片衬砌结构；原型试验；管片拼装效应；拼装方式中图分类号：U451.4 文献标志码：A doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0591STUDY ON THE EFFECT OF ASSEMBLING METHOD ON THE INNER FORCE OF SEGMENTAL LINING FOR CROSS-RIVER SHIELD TUNNELWITH LARGE CROSS-SECTIONFENG Kun1 , HE Chuan1 , ZOU Yu-lin2(1. Department of Tunnel and Underground Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. Changjiang Survey Planning Design and Research Limited Co., Wuhan 430000, China)Abstract: The effect of assembling method on the inner force of segmental lining for cross-river shield tunnel with large cross-section has been concerned for a long time.Different assembling plan yields different distribution characteristics of inner force.In this paper,theoretical analysis is carried out to discuss the mechanism of assembling effect of circular shield tunnel, especially the effect of longitudinal interaction on circumferential inner force. Then based on Nanjing Yangtze River Shield Tunnel project, a prototype test is conducted to study the mechanical distribution characteristic of circumferential inner force in different assembling plan and the mechanical distribution characteristic of inner force of target segment (B5) along the circumference and width direction. The results show that, the effect of the interaction intensifies bending moment in local area when using staggered assembling, and the growth of bending moment and decline of axial force become larger near the longitudinal bolts. And along the width direction, the positive bending moment distributes as a concave type, the negative bending moment and axial force distribute as a convex type. The result can provide valuable references to design and construction of large-profile underwater shield tunnels; meanwhile it can also provide important reference to the correlative studies.Key words: underwater shield tunnel; segmental lining structure; prototype test; assembling effect; assembling method———————————————收稿日期：2010-08-17；修改日期：2010-10-27基金项目：高铁联合基金重点项目(U1134208)；国家杰出青年科学基金项目(50925830)；国家973计划项目(2010CB732105)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(SWJTU12BR036)通讯作者：何川(1964―)，男，重庆人，教授，博士，博导，地下工程系主任，主要从事公路、铁路及城市地铁隧道的科研、教学及咨询工作(E-mail: chuanhe21@).作者简介：封坤(1983―)，男，陕西南郑人，讲师，博士，从事盾构隧道的教学与研究工作(E-mail: windfeng813@)；邹育麟(1984―)，男，重庆人，博士生，从事盾构隧道设计理论方面的研究(E-mail: zouyulin_617@).工程力学 115盾构隧道设计与施工中常常采用不同的拼装方式，由于拼装方式的变化往往引起管片局部力学效应的复杂化。
超大断面越江盾构隧道结构设计与力学分析
2 盾构隧道管片结构设计
2. 1 隧道断面布置 根据公路隧道设计规范, 路缘带宽度为0. 50 m,
余宽为 0. 50 m, 检修道宽度为 0. 75 m , 通行限界宽 度为 14. 00 m, 检修道净高为 2. 50 m, 行车道净高 为 5. 00 m。考虑附属设施所需要的空间以及建筑 装修和调整施工误差所需要的空间, 在设备通行限 界外侧预留 10 cm, 由此得出盾构隧道的内净空直 径为 14. 74 m 。盾构隧道横断面布置如图 1 所示。
大断面水下盾构隧道管片设计参数及其统计分析
大断面水下盾构隧道管片设计参数及其统计分析大断面水下盾构隧道管片设计参数及其统计分析晏启祥,王春艳,郑代靖,李灿(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,成都610031)摘要：以国内大型水下盾构隧道的构造设计为基础,结合国外典型盾构工程实例,分析我国水下盾构隧道衬砌构造设计现状,并对管片外径与管片楔形量、管片厚度、管片分块数、标准块圆心角、标准块重力等衬砌构造设计参数的相关性进行统计分析,论述管片厚度与最大水压、管片外径与隧道最小覆盖层厚度之间的关系。
研究表明：我国大型水下盾构隧道接缝构造正在向单道止水密封、非榫槽平顺接缝、通用楔形平板型管片错缝拼装方面发展；研究还得出管片外径与管片厚度、管片分块数和标准块重力之间呈正相关性等一系列结论。
关键词：水下隧道；盾构隧道；管片衬砌；构造设计；统计分析目前，国内外大型水下盾构隧道工程越来越多，如国内已经建成武汉长江隧道，南京长江隧道，崇明长江隧道，杭州庆春路隧道，杭州钱江隧道，上海翔殷路隧道、上中路隧道，国外已建成英法海峡隧道、日本东京湾隧道，荷兰绿色心脏隧道等，大型水下盾构隧道建设方兴未艾。
未来我国将在长江、黄浦江、珠江、钱塘江、黄河等流域继续建设水下盾构隧道的同时，发展穿越海湾海峡等近海海底水下盾构隧道工程，特别是穿越渤海湾、杭州湾、胶州湾、北部湾、莱州湾、琼州海峡、台湾海峡、东海舟山群岛等海域的水下隧道工程已是大势所趋，盾构法水下隧道已呈现出向大断面、大幅宽、高水头、长距离发展的总体趋势。
伴随着我国水下盾构隧道的不断建设，隧道工程界获得了大量水下盾构法隧道设计与施工的实践经验与技术积累。
如肖清明[1]等针对南京长江隧道拟定的4种分块方案进行了综合分析和选择；夏松林[2]研究了广州狮子洋隧道大断面原型管片衬砌结构通缝式拼装在不同水土压作用下的整体受力规律与破坏特征；姜安龙[3]针对沪崇苏通道南港隧道实际工程，开展了大直径盾构隧道管片结构理论分析；张建刚[4]等提出了适用于复杂接缝面管片接头的改进条带算法，研究了不同螺栓连接方式、不同承压衬垫方式、不同防水垫方式和不同接触状态下管片接头的力学特征；封坤[5]等对南京长江隧道原型管片衬砌结构进行了试验研究，探讨了大型水下盾构隧道结构在通缝和错缝拼装方式下的不同破坏形态；张小冬[6]等结合拟建的哈尔滨松花江隧道，对隧道周围土体及衬砌变形的力学性状进行了研究；张冬梅[7]等结合上海长江隧道衬砌结构整环试验，研究了考虑接头力学特性的盾构隧道衬砌结构计算方法。
盾构隧道衬砌内力计算模型比较分析
结构的受力。
图３ 梁一 弹簧模型示意图
２ ２ 铁道勘 测与设计 Ｒ ｌ ＹＳ Ｒ Ｅ Ｎ Ｅ Ｉ Ｎ ２ ｏ （ ） ＡＬ ＷＡ Ｕ Ｖ ＹＡ Ｄ Ｄ ＳＧ ｏ ６ ４
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季大雪：盾构隧道衬砌内力计算模型比较分析
影 响管片接头力学行为 的参数 主要 为管片接头抗
弯刚度系数 Ｋ Ｍ／ （ Ｏ＝ Ｏ 即接头产生单位转角所需 弯矩） ｅ 综合反映了盾构隧道接头性能及其在 ，Ｋ
需要修建地铁 、公路隧道 、水底隧道甚至海底 隧
道等 。盾 构是修建 城市 隧道最常用 的施 工机械 。 盾 构法隧道优势明显 ：对环境影 响小 、不影响 地
面交通和航道通行 ，无空气 、噪声 、振动等污染
匀质 圆环模型不考虑 管片接 头的弯 曲刚度降 低 ，认为管片环是具有和管片主截面相同刚度 Ｅ ， Ｉ
图 １ 匀质 圆环模 型荷载 模式
铁道勘测与设计 Ｒ Ｉ ＹＳ Ｒ Ｅ ＮＤＤ ＳＧＮ ２ ０ （ ＡＬ ＷＡ Ｕ Ｖ Ｙ Ａ Ｅ Ｉ ０ ６ ４） ２ １
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铁道勘测与设计
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盾 道 砌内 计 模型比 分 季 雪 构隧 衬 力 算 较 析 大
技术应用 、 研究
盾构 隧道衬砌 内力计算模型 较分析 匕
季大 雪
（ 铁道第 四勘察设计院城建院 武汉 ４０６） ３０３
［ 要】 详细论述了盾构隧道村砌结构设计中常用的两种计算模型：匀质圃环模型和粱一弹簧模型；结合 目 摘 前正
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。
盾构隧道混凝土管片衬砌内力分析(道路与铁道工程专业优秀论文)
第五章程序的界面处理ｆ３）提供了易学易用的应用程序集成开发环境；（４）结构化的程序设计语言；（５）支持多种数据库系统的访问；（６）支持动态数据交换、动态链接库和对象的链接与嵌入技术（７）完备的Ｈｅｌｐ联机帮助功能。
５．２程序的界面处理隧道管片衬砌内力计算程序界面处理的思路是：通过界面将数据输入，并写入到ＦＯＲＴＲＡＮ程序中的数据文件，以便运行执行文件时调入；之后激活ＭＳ．ＤＯＳ窗口，进入到编译连接得到的执行文件所在的子目录下，运行执行文件；在计算程序中将盾构隧道衬砌各截面的内力及位移写入到输出文件：在后处理时将输出文件的数据读入并绘成内力图形。
卜ＩＡｌ介绍盾构隧道管片衬砌内力计算程序的界衄。
首先，点击由ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ形成的执行文件，弹出图５－１所示的窗口。
图５－１欢迎窗口点击“继续”按纽，弹出图５－２所示的窗口。
如选择均质圆环计算方法，将出现５—３所示窗口，提示均质圆环计算方法的数据文件路径及数据文件名。
第五章程序的界面处理图５－２选择计算方法窗口图５－３均质圆环数据文件路径及文件名窗口在“数据文件路径”下输入计算程序的数据文件所处的路径。
在“数据文件名”下输入数据文件名。
这一步是确保程序执行过程中的输入输出正常进行。
然后，点击“确定”按纽，弹出图５—４所示的“均质圆环数据输入窗口”。
图５－４均质圆环数据输入窗口在图５—４中，可以输入程序执行过程中所需要的数据。
前三个按钮分别为“管片尺寸及地层参数”、“配筋参数”、“千斤顶参数”的数据输入按钮。
第四个按钮为“数据文件写入”按钮。
单击“管片尺寸及地层参数”按钮，弹出“管片尺寸及地层参数卡”，如图５．５所示。
其上有“覆土厚度”、“地下水位”、“管片外径“、管片宽度”、管片厚度“、土容重”、“混凝土容重”、“土的粘接力”、“土的内摩擦角”、“地面附加压力”、“地基反力系数”、“侧向土压系数”、“刚度调整系数”、“弯矩增一３９—第五章程序的界面处理图５－５管片尺寸及地层参数窗口大系数”、“混凝土的弹模”、“钢筋的弹模”、“内力计算角度增量”、“钢筋允许拉应力”、“钢筋允许压应力”、“混凝土允许压应力”。
盾构衬砌管片接头内力变形统一模型及试验分析
盾构衬砌管片接头内力变形统一模型及试验分析一、内容概要随着城市地铁建设的发展，盾构施工技术已经成为地铁隧道工程的主要施工方法。
然而盾构施工过程中的管片接头是影响隧道结构安全和使用寿命的关键因素之一。
为了解决这一问题，本文对盾构衬砌管片接头内力变形进行了统一模型的研究，并通过试验分析验证了模型的有效性。
首先本文从管片接头的结构特点出发，分析了管片接头在盾构施工过程中所受到的外力作用，包括盾构机推进力、土压力、地下水压力等。
在此基础上，建立了考虑这些外力的管片接头内力变形统一模型，该模型能够全面描述管片接头在不同工况下的内力变形规律。
其次为了验证模型的有效性，本文采用实验室试验的方法，对不同类型的管片接头进行了静载荷试验。
通过对试验数据的分析，得出了管片接头在不同工况下的内力变形分布规律，以及关键参数对内力变形的影响程度。
同时根据试验结果对模型进行了修正和完善。
本文结合实际工程案例，对所建立的模型进行了验证。
通过对实际施工中的管片接头内力变形的监测数据进行分析，证实了模型的有效性和实用性。
此外本文还提出了针对不同类型管片接头的内力变形控制措施，为盾构施工提供了有针对性的技术指导。
1. 研究背景和意义随着城市化进程的加快，盾构施工技术在地下工程中的应用越来越广泛。
盾构施工过程中，管片接头是连接盾构机与隧道壁的关键部件，其性能直接影响到隧道的结构安全和使用寿命。
然而目前关于盾构衬砌管片接头内力变形的研究尚不完善，主要集中在理论分析方面，而实际应用中的效果评价和改进措施仍需进一步探讨。
因此建立一套统一的盾构衬砌管片接头内力变形模型，以指导实际工程应用，具有重要的理论和实践意义。
首先研究盾构衬砌管片接头内力变形统一模型有助于提高工程质量。
通过对管片接头内力变形规律的深入研究，可以为工程设计提供更为精确的理论依据，从而降低工程风险，确保工程质量。
此外该模型还可以为施工过程中的质量控制提供技术支持，有助于提高施工效率和降低成本。
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。
计算盾构施工过程中衬砌内力的两种方法比较
计算盾构施工过程中衬砌内力的两种方法比较【摘要】盾构隧道的建造是一个多步骤施工的过程，为了更好地分析衬砌的受力状况，采用地层―结构法和荷鞍―结构法从不同角度对施工过程加以模拟，并各有侧重。
地层―结构法引进应力释放系数概念，依据结构与土相互作用的观点，对施工过程中影响隧道内力的因素进行分析，奉文还针对施工过程中注浆压力、注浆影响范围对衬砌内力产生的影响进行了讨论；同时，采用荷载―结构法，考虑施工过程中荷载的变化，特别是注浆压力的变化米计算衬砌结构内力。
最后，结合工程实例，比较了两种计算方法给出计算结果的差别，这为设计方法的改进提供了依据。
【关键词】盾构隧道施工过程地层―结构法荷载—结构法1 前言盾构机械施工时，首先依靠盾构机本身的刚性支护和开挖面土压力的平衡装置而开挖前方土体，随着盾构的推进，不断拼装管片，同时在盾尾向衬砌环外围进行注浆。
由于注浆材料的逐渐凝固以及土体的固结，整个隧道的隧道受力状态趋于稳定，投入运营使用。
在运营阶段，又会受到列车的振动荷载和人群荷载。
从以上过程可以看出：盾构隧道的建造是一个复杂的多步骤施工过程。
在进行衬砌内力分析中为了模拟施工过程，地层―结构法与荷载―结构法分别采用了不同的假设条件和设计理论，以期全面的反映盾构衬砌的受力状况。
荷载―结构法首先把一切影响因素转化为荷载作用在结构上，这样需要引进诸多假设，如假设水土压力分布形式，地基抗力等。
然后利用按最不利工况荷载组合的原则来进行内力分析，寻求盾构隧道内力包络图。
地层一结构法分析中引进应力系数释放的概念，将土与隧道作为一个整体宋分析计算，建立模拟盾构隧道衬砌施工全过程的有限元分析模型，这就回避了荷载结构法中引进的假设，从最大限度上模拟了各个施工因素对衬砌受力的影响。
本文依据自行研制的同济曙光软件，采用地层―结构法和荷载―结构法对盾构隧道的施工过程做出模拟，并比较分析结果。
2 盾构衬砌的结构分析模型2.1管片的离散化盾构隧道衬砌结构通常属管片―接缝构造体系，其在隧道横断面上为若干管片通过螺栓连接成管片环，在隧道纵向上为管片环通过纵向螺栓连接，呈通缝或错缝拼装而成。
大断面宽幅盾构管片三维内力分布分析
第30卷第7期 岩 土 力 学 V ol.30 No.7 2009年7月 Rock and Soil Mechanics Jul. 2009收稿日期：2007-12-12基金项目：863国家高技术研究发展计划项目（No. 2006AA11Z116）；武汉长江隧道工程专项科研项目（No. WHCJSD/KY/01-01-2005）资助。
第一作者简介：张建刚，男，1974年生，博士研究生，讲师，主要从事盾构隧道设计理论与方法方面的教学和研究工作。
E-mail: zjg@文章编号：1000－7598 (2009) 07－2058－05大断面宽幅盾构管片三维内力分布分析张建刚1, 2，何 川1，杨 征1（1.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031；2.山东农业大学 水利土木工程学院，山东 泰安 271018）摘 要：以武汉长江隧道工程为例，采用三维壳-弹簧计算模型，对不同幅宽和不同环间接头剪切刚度的管片衬砌结构力学分布进行了分析，并与梁-弹簧模型结果在量值上做了全面比较。
研究表明，全环最大弯矩发生在幅宽边缘部位；环间接头剪力对幅宽边缘影响较大，而对幅宽中央影响偏小；当环间接头剪切刚度为非无穷大时，壳模型的幅宽边缘最大弯矩值略微大于梁弹簧模型相应结果，而当无穷大时两者数值则基本相等；壳模型的幅宽中央的最大弯矩值介于梁模型错缝与通缝拼装的数值之间，并随幅宽加大而趋于接近通缝拼装的结果；大幅宽条件下，不宜将梁-弹簧模型的环间最大剪力结果作为环间接头抗剪设计的计算依据。
关 键 词：盾构隧道；管片结构；壳-弹簧模型；管片幅宽；环间接头 中图分类号：U 451+.4 文献标识码：AAnalysis of 3D internal forces distribution of wide segment liningfor large-section shield tunnelZHANG Jian-gang 1, 2, HE Chuan 1, YANG Zheng 1(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. College of Water Conservancy and Civil Engineering, Shandong Agricultural University, Taian 271018, China)Abstract: Taking the Wuhan Yangtze River tunnel as an engineering background, the internal forces distribution of segment lining structure with different segment widths and different ring joint shear stiffnesses is analyzed by 3Dshell-spring model and compared with the results achieved by beam-spring model. The study shows that: the maximum bending moment on the entire ring always occur on the edge of segment; the ring joint shear force has an great impact on the edge of segment and less in the middle of segment; when the ring joint shear stiffness is non-infinite, the maximum bending moment on the edge of segment calculated by shell-spring model is slightly larger than the results by beam-spring model; and these results almost equal when the joint shear stiffness is infinite; the maximum bending moment in the middle of segment calculated by shell-spring model is between the results by beam-spring model with stagger-jointed and those results by beam-spring model in sequence, and tend to the results in sequence with the segment width increased; when the segment width is large, the maximum shear force between rings calculated by beam-spring model is unfit for shear design of the ring joint.Key words: shield tunnel; segment lining; shell-spring model; segment width; ring joint1 引 言从目前的国内外形势看，盾构隧道的管片组装机械的吊装承载不断提高，管片幅宽有不断加大的趋势[1－2]。
大断面水下盾构隧道管片接头抗弯刚度及其对管片内力影响研究
大 断面 水 下 盾构 隧 道 管 片 接 头 抗 弯 刚度 及 其 对 管 片 内力 影 响研 究
郭 瑞 ，何 川１ ， ２ ，封 坤 ，肖明清 。
（ １ ．西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室 ，四川 成都
２ ．西南交通大学 土木工程学 院 ，四川 成都 ６ １ ０ ０ ３ １ ；
本文 以大断面水下铁路盾构隧道一狮子洋隧道 为研究对象 ，运用 ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ软件 ，进行管片接头抗
０ ． ６ ７ ＭＰ ａ ，为 目前 国内水压力最大的盾构隧道 。 隧道主体结构采用单层装配式钢筋混凝土管片
弯刚度及其对管片内力影响的研究 。
衬砌 ，管片使用 Ｃ ５ ０高性 能耐腐蚀混凝 土 ，外 直
水下隧道工程的重要可选施工方法［ １ ］ 。
管 片 接 头 作 为 盾 构 隧 道 管 片衬 砌 环 的关 键 部 位 ，其力 学性 能 影 响着 整 个 管 片 结 构 的力 学 性 能 。
国内最 长 水下 隧道 。狮 子洋 隧 道工 程 纵 断 面如 图 １
目 前对于直径 ６ ｍ左 右的地铁盾构隧道 的研究较 多 ，其 管 片接头 的力学 特征 已经 基 本明确 ，而对 于
力机制多变等特点 ，并且大断面盾构隧道整环结构
对接 头力 学参数 更加 敏感 ，已有 的管 片接头 研究 成
果 已经不 再完 全适 用 。
基岩的最大单轴抗压强度为 ８ ２ ． ８ ＭＰ ａ ，渗透 系数
达 ６ ． ４ ×１ ０ ｍ ・ｓ ～ 。隧 道 承受 的最 大 水 压 力 达
６ １ ０ ０ ３ １ ；
３ ．中铁第 四勘察设 计院集团有限公司 ，湖北 武汉
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
盾构隧道管片的内力计算和参数影响分析
盾构隧道管片的内力计算和参数影响分析
刘凤华
【期刊名称】《都市快轨交通》
【年(卷),期】2008(021)002
【摘要】国内目前尚无统一的盾构隧道设计规范,管片计算模型的选择和参数的取值仍存在一定的随意性.结合西安市快速轨道交通2号线的管片设计,对不同方法的计算结果进行了比较,并分析两种方法中关键参数的取值对计算结果的影响.结果表明,修正惯用法的计算弯矩大于梁-弹簧模型的弯矩,但后者与最大弯矩相对应的轴力较小.弯曲刚度折减系数η越大,计算弯矩越小,影响范围在10%左右.接头转动刚度Kθ的取值对弯矩的影响很大,螺栓刚度的取值以不使轴力产生过大的跳跃为宜.【总页数】4页(P32-35)
【作者】刘凤华
【作者单位】北京城建设计研究总院,北京,100037
【正文语种】中文
【中图分类】U2
【相关文献】
1.盾构隧道管片衬砌结构的内力计算 [J], 张义长;简小辉
2.盾构隧道管片内力参数化计算Abaqus二次开发 [J], 李怡;宫汝环;唐伟樵;齐轩;王永桓
3.上下重叠盾构隧道管片内力数值计算分析 [J], 石山
4.纵向力对盾构隧道管片结构内力分配机制的影响分析
——以苏通GIL电力管廊隧道工程为例 [J], 曹淞宇;封坤;刘迅;肖明清;李策;孙文昊5.纵向力对盾构隧道管片结构内力分配机制的影响分析——以苏通GIL电力管廊隧道工程为例 [J], 曹淞宇;封坤;刘迅;肖明清;李策;孙文昊
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盾构隧道衬砌结构内力计算方法的对比分析研究_曾东洋
文章编号:1673-0836(2005)05-0707-06盾构隧道衬砌结构内力计算方法的对比分析研究X曾东洋,何川(西南交通大学地下工程系,成都610031)摘要:在对目前国内外盾构隧道衬砌结构设计中普遍采用的惯用法、修正惯用法、多铰圆环法和梁-弹簧模型计算法进行详细介绍的基础上,以南京地铁南北线为研究对象,运用不同设计方法对盾构隧道在不同埋深下的管片环最大变形量、轴力、弯矩、剪力、螺栓剪力等的大小、分布规律及影响因素进行了系统研究,深入探讨了设计方法对盾构隧道衬砌结构设计所造成的影响。
关键词:盾构隧道衬砌;惯用法;修正惯用法;多铰圆环法;梁-弹簧模型中图分类号:U451文献标识码:AComparison and Analysis Research of Different ShieldTunnel Lining Internal Forces Design MethodsZE NG Dong-yang,HE Chuan(De p t.of Tunnel&Undergroun d Enginee rin g,Southwest Jiaotong University,Chengdu610031,China) Abstract:On the basis of detailed descrip tion of different methods widely used in the shield tunnel lining design wowa-days,such as the routine method,the modified routine method,the mul ti-hinge ring method and the beam-sprin g meth-od,a systematic investigation on the distribution and influential factors of the shield tunnel segment ring deformation,ax i s force,moment,segmen t shear force and bolt shear force with different desi gn method and cover depth of the Nanjing Metro South-North Line are carried out,influences of different desi gn methods on the shield tunnel linin g design are also dis-cussed.Keywords:shield tunnel lining;routine method;modified routine method;mult-i hinge ring method;beam-spring method1引言根据工程设计中对管片接头的不同力学处理方式,国内外盾构隧道管片衬砌结构设计方法主要可分为(修正)惯用法、多铰圆环法和梁-弹簧模型计算法等四种。
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
丁春林;刘建国;宫全美;肖广智
【期刊名称】《地下空间》
【年(卷),期】2001(21)3
【摘要】针对广州地铁二号线三元里～越秀公园区间盾构隧道 ,采用弹性铰法和弹性地基梁法对管片衬砌内力进行了计算 ,并与自由变形圆环法的计算结果作比较 ,得出一些对设计有参考价值的结论。
【总页数】7页(P208-214)
【关键词】盾构隧道;衬砌;力学模型;内力;计算方法
【作者】丁春林;刘建国;宫全美;肖广智
【作者单位】同济大学沪西校区铁建系;中铁隧道集团设计院
【正文语种】中文
【中图分类】U451.4
【相关文献】
1.地铁区间盾构隧道衬砌内力计算方法比较分析 [J], 许丕元;周海鹰;李立新
2.盾构隧道管片衬砌内力计算方法对比分析 [J], 刘琼;吴雄志;姚捷;袁洪升
3.盾构隧道管片衬砌结构的内力计算 [J], 张义长;简小辉
4.盾构法隧道管片拼装过程中的衬砌内力解析 [J], 廖少明;徐进;焦齐柱
5.盾构隧道衬砌管片计算方法的比较 [J], 文浩
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大断面盾构隧道施工抗浮计算研究-地下空间与工程学报-2007
盾构机的推进挖出土方会导致地基卸载 ,从而 还产生地基回弹作用 。通常情况下 ,这种回弹作用 和水浮力或者浆液浮力共同形成了盾构的上浮作 用力 。但考虑盾构推进时产生的地层损失与地基 回弹对隧道影响的抵消作用 ,抗浮计算中可不考虑 地基回弹作用 [ 3 ] 。 2. 5 ) 作者简介 :叶 飞 ( 19772) ,男 ,陕西石泉人 ,博士研究生 ,主要从事隧道工程相关理论与技术研究 。 E2mail: xianyefei @ sohu. com
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地 下 空 间 与 工 程 学 报 第 3卷
上海磁悬浮过江隧道盾构机直径也超过15长足进步但仍面临着诸多风险和难题尤其是当隧道位于水下且埋深较浅时抗浮问题十分突出进而使纵向连接螺栓受剪产生管片裂缝严重时会剪断纵向连接螺栓致使结构破坏管片的错台裂缝以至螺栓的剪断会造成管片防水结构的破坏致使渗漏水的发生若措施采取得不及时在某些地层中会造成流沙上覆土在自身重力与管片上浮力的共同作用下产生局部压缩裂隙甚至形成贯通裂缝力作用相当于减小了上覆荷载造成隧道管片的进一步上浮因管片上浮造成的上覆土裂缝会造成同步注浆的浆液外流大大增加同步注浆的注浆量而且裂缝中水的补给会造成浆液凝固困难致使上浮问题处理困难加大盾构掘进的推力是由千斤顶顶在管片上提供的局部管片的上浮造成盾构推进施工中的上浮管片与临近管片的偏心受力使得管片内力的重新分布严重时会造成管片裂缝以至破坏因局部管片上浮造成的纵向连接螺栓受到的剪力会传递到邻近管片上同样造成管片内力的重新分布严重时造成管片裂缝或者破坏地基回弹作用盾构机的推进挖出土方会导致地基卸载从而还产生地基回弹作用
盾构隧道管片结构的理论研究及计算分析
盾构隧道管片结构的理论研究及计算分析摘要：在盾构施工法中，衬砌管片的投资一般占工程投资的30~40%，是影响施工经济性和结构安全性的重要因素。
本文通过理论计算分析，从地层状况和结构尺寸两方面考虑管片设计相关参数对管片受力状况的影响规律。
关键词：盾构隧道衬砌；管片设计方法；地层参数；结构参数Abstract: in the shield construction method, the lining of the investment of engineering general segments of the investment of the 30 to 40%, is to influence the construction of economy and structure of the security of important factor. This article through the theoretical calculation and analysis, from formation conditions and structure size two aspects segment design related parameters on the stress condition the influence law of the tunnel.Keywords: shield tunnel lining; Segment design method; Formation parameters; Structure parameters中图分类号：U455文献标识码：A 文章编号：一、概述盾构法在我国起步较晚，但发展很快。
近年来，黄浦江越江隧道、合流污水工程，尤其是地铁隧道的建设，使盾构法在技术上得到飞快的发展。
盾构隧道管片设计中最大的问题在于模型本身是否能反映工程的实际情况。
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地层时代 及成因
Q 4m l Q4h Q 4 al
土层地质参数表
岩 (土 )层 名称 杂填土 ① 素填土 ② 淤泥质土 ③ 粉砂 ④ 粉质粘土 ⑤ 粉土 ⑥ 细砂 ⑦ 残积粉质粘土 ⑧ 重度
/ kN /m 3 18. 6 19. 4 19. 1 18. 9 18. 8 19. 5 19. 6 19. 0
[1 ] [3 ]
度 、接头螺栓内力传递和外荷载分布形式的不同力学 假定 , 计算 模 式 又 主 要 分 为 惯 用 法 (均 质 圆 环 模 型 ) 、修正惯用法 (等效刚度圆环模型 ) 、多绞圆环 法 (自由绞圆环模型 ) 和梁 — 弹簧模型 (弹性绞圆 环模型 ) 法等四种设计方法 。 211 惯用法 (均质圆环模型 ) 惯用法假设管片环是弯曲刚度均匀的环 , 不考虑 管片接头部分的弯曲刚度下降 , 管片环和管片主截面 具有同样刚度 , 并且弯曲刚度均匀的方法 , 并基于
大断面过江隧道盾构管片内力计算对比分析
李 鹏 , 向 勇 , 张家元 ( 11 湖北省交通规划设计院 , 湖北 武汉 430051; 21 武汉市公路工程咨询监理公司 , 湖北 武汉 430051 )
1 2 1
摘要 : 在对盾构隧道衬砌结构设计中普遍采用的惯用法 、修正惯用法 、多绞圆环法和梁 — 弹 簧模型法进行详细阐述的基础上 , 以长沙某过江隧道工程为研究对象 , 借助 ANSYS有限元软件 APDL 语言编制了修正惯用法 、多绞圆环法和梁 — 弹簧模型法的计算程序 , 并分别对不同分块方 案时管片环最大变形量 、轴力 、弯矩及剪力等的大小 、分布规律进行了系统研究 , 以探明不同设 计方案 、计算分析方法下的管片环内力分布 。 关键词 : 盾构隧道衬砌 ; 惯用法 ; 修正惯用法 ; 多绞圆环法 ; 梁 — 弹簧模型
2 盾构隧道结构计算方法特征分析
3 收稿日期 : 2010 2 03 2 17
力 , 而是施加弹簧单元来自动计算最大水平反力 , 两 者计算结果基本吻合
[4 ]
。惯用法由于忽略了衬砌接头
的影响 , 并且土层抗力只考虑拱腰部分 , 这使得计算 结果偏于保守计算出的管片环变形量偏小 , 导致在软 弱地基中计算出的管片截面内力过小 , 而在良好地基 条件下计算出的内力又过大 。 212 修正惯用法 (等效刚度圆环模型 ) 对于十分密实的土层 , 由于土壤的水平抗力起到 了有效的作用 , 衬砌环承受的弯矩不大 , 采用惯用法 进行设计计算没有问题 。但随着密闭式盾构的快速发
厚度
/m 4. 9 2. 1 3. 4 5. 1 1. 6 3. 1 1. 5 0. 8
静止侧压力 系数 / K
0. 64 0. 65 0. 60 0. 59 0. 61 0. 40 0. 35 0. 45
基床系数
/MPa /m 4. 0 3. 0 2. 8 18. 0 12. 0 16. 0 20. 0 17. 0
表 4
计算 模式 梁— 弹簧 模型法 多绞环法
rad 。多绞圆环法计算中 , 受绞结构传力特性影响 ,
[9]
取多绞圆环计算法中管片接头抗弯刚度 K θ+ = K θ- = 0。对于纵向接头 , 不同计算模型中其径向抗剪刚度
Kr 和切向抗剪刚度 Kt , 按偏于安全方面考虑均取为
无穷大 , 即认为各环管片在纵向接头处不产生错动 。 4 计算结果及对比分析 采用修正惯用法 、多绞圆环法和梁 — 弹簧模型计 算的管片内力结果见表 3, 从表 3 可以看出 , 上述五 种分块方式结构内力有一定差别 , 其中 “ 等分 9 块 ” 内力最小 , “6 + 1 模式 ”最大 ; 从防水要求看 , 分块 数越少 、结构刚度越大越有利 ; 从本隧道所需推力分 析 , 千斤顶数量不宜小于 36 个 , “ 等分 7 块 ”方式 不利于千斤顶布置 (需 3 个一组 , 否则千斤顶需压 缝 ) ; 从缩短拼装时间 , 加快施工进度看 , 管片长度 不宜过大 , “6 + 1 分块 ”和 “ 等分 7 块 ”分块模式 最大块外弧长均超过 5m , 不利于制作和运输 ; 从满 足通用楔形环的基本拼装要求看 , “6 + 1 模式 ”和 “8 + 1 模式 ”在直线地段拼装不方便 。经综合分析比 较 , 本次设计推荐采用 “7 + 1 模式 ” , 即分块形式为 ) + 2B ( 49109 ° ) + K ( 16137 ° ) , 一环 5A ( 49109 ° 内纵向采用 22 个等圆心角布置 。
2 2 2 2 2 56. 84 51. 43 49. 09 43. 20 40. 00 18. 96 51. 42 16. 37 14. 40 40. 00
结合盾构隧道中心埋深和所处地质条件 , 针对上 述设计分块方案 , 选取覆土厚度最大的断面 , 分别采 用修正惯用法 、多绞圆环法和梁 — 弹簧模型法对管片 环结构变形和内力分布进行计算 。
Q
el
由于本隧道可能穿越溶洞地区 , 地层软硬不均 , 需适当提高结构的整体刚度 , 因此推荐采用错缝拼装 方式 , 特殊需要时也可局部采用通缝拼装 。管片设计 参数包括宽 , 衬砌分块 , 管片厚度 , 封顶块的接头角 度和插入角度及衬砌环楔形量等 。为合理确定本隧道 的管片参数 , 本次设计对管片环分块进行了多方案比 较 。从通用楔形环的特点出发 , 并考虑盾构千斤顶的 布置 , 本次设计共考虑了五种分块方式 , 均采用错缝 拼装 。分块方式如表 2 所示 。
W inkler理论 , 假设地层反作用仅在水平方向的正负 45 ° 范围内按三角形规律分布 ; 也可以不先加水平抗
, 而国外主要采用多绞圆环法
[2 ]
和梁 — 弹簧模型
。对盾构隧道管片衬砌结构进行内力计算和结构
设计 。不同设计方法对盾构隧道管片接头力学性能的 假设不尽相同 , 从而使得工程设计过程中因设计者采 用不同设计方法计算所得控制衬砌结构设计的力学参 数 , 如结构变形 、内力大小及分布等产生较大差异 , 导致设计过于保守或偏于不安全 。鉴于此 , 本文以长 沙某过江隧道工程为背景 , 分别运用修正惯用法 、多 绞圆环法和梁 — 弹簧模型法对在不同管片环分块方案 时盾构隧道衬砌结构变形和内力分布等设计因素进行 系统研究和比较 , 以探明不同设计方案 、计算分析方 法下的盾构隧道管片环内力分布 , 为工程优化设计提 供参考 。
1 概 述
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 。根据计算过程中对管片接头刚
盾构隧道圆形衬砌是由管片用螺栓连接而成的管 片环 , 由于接头的存在 , 使管片环刚度降低 , 易于变 形 , 如何评价管片接头性能对衬砌环截面内力的影响 是一个重要问题 。根据工程设计中对管片接头的不同 力学处理方式 , 国内外盾构隧道管片衬砌结构设计方 法主要可分为惯用法 、修正惯用法 、多绞圆环法和梁 — 弹簧模型法等四种 。我国主要采用修正惯用法或在 依据已有工程经验的基础上采用工程类比法进行设 计 法
— 70 —
华
东
公
路
2010 年第 3 期
计算中主要考虑的荷载有 : 结构自重 , 混凝土管 3 片按 2610 kN /m 考虑 , 垂直水 、土压力与水平水 、 土压力 , 该断面处根据土层地质特性采用水土合算 。 本次计算中 , 盾构管片衬砌厚度为 0150 m , 幅 宽 110 m。管片衬砌 C 50 钢筋混凝土弹性模量 E = 4 3145 × 10 M Pa, (修正 ) 惯用法计算中 , 管片弯曲刚 [2 ] 度有效率 η = 0170, 弯矩提高率 ξ = 0130 。梁 — 弹 簧模 型 法 计 算 中 , 接 头 正 抗 弯 刚 度 K = 6 1 38 × θ+
10 kN ・M / rad, 负抗弯刚度 K 10 kN ・M / θ- = 4 151 ×
4 4
由表 3、表 4 可知 , 管片衬砌同是通缝拼装时 , 计算的弯矩和剪力值 , 多绞接圆环法最小 、修正惯用 法最大 、而采用梁 — 弹簧模型法的计算结果介于两者 之间 ; 相反 , 相应轴力和变形量是多绞圆环法最大 、 修正惯用法最小 、而采用梁 — 弹簧模型法计算的结果 介于两者之间 。由图 2 可看出 , 采用多绞圆环法计算 的弯矩分布图中 , 环向接头处的弯矩为 0; 而采用修 正惯用法计算的弯矩分布图中 , 环向接头处的弯矩却 很大 ; 采用梁 — 弹簧模型法计算的弯矩分布图中 , 环 向接头处的弯矩有所减小 。这说明管片内力和变形的 差异主要是由于管片环向接头的抗弯刚度选取的大小 决定的 。多绞圆环法中由于未考虑管片环向接头的抗 弯刚度 , 计算的管片变形量最大 。而修正惯用法中环 向接头的抗弯刚度取值最大 , 因此其计算的管片变形 量最小 。梁 — 弹簧模型法环向接头的抗弯刚度适中 , 因此计算的管片变形量介于多绞圆环法和修正惯用法 之间 。
表 2
分块方式 ① ② ③ ④ ⑤
6 + 1 分块 等分 7 块 7 + 1 分块 8 + 1 分块 等分 9 块
盾构管片分块方式
标准块 (A) 块数 /个 圆心角 / °
4 4 5 6 6 56. 84 51. 43 49. 09 43. 20 40. 00
邻接块 (B) 封顶块 ( K) 块数 /个 圆心角 / ° 圆心角 / °
降以及衬砌环的错缝拼装效应 , 理论上这种模型能更 为精确的描述衬砌结构的受力 。目前 , 该设计方法所 [ 9, 10 ] [ 11 ] 用各类刚度系数主要通过接头试验 或经验公式 确定 。
3 工程实例概况
长沙某过江隧道工程场地区属湘中丘陵与洞庭湖 冲积平原过渡地带和湘浏盆地 。根据地表出露和钻探 揭露 , 隧址地层主要由第四系人工堆积物 、河床冲积 物 (粉 砂 、亚 粘 土 、细 砂 、圆 砾 ) 和 风 化 残 积 物 (亚粘土 ) 组成 。下伏基岩为元古界冷家溪群板岩 , 局部存在断层破碎带 。隧道工程场地钻孔土层工程地 质参数表如表 1。