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

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:A

Comparison and Analysis Research of Different Shield

Tunnel Lining Internal Forces Design Methods

ZE NG Dong-yang,HE Chuan

(Dept.of Tunnel&Underground Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu610031,China)

Abstract:On the basis of detailed description of different methods widely used in the shield tunnel lining design wowa-days,such as the routine method,the modified routine method,the multi-hinge ring method and the beam-sprin g meth-od,a s ystematic investigation on the distribution and influential factors of the shield tunnel segment ring deformation,axis force,moment,segment shear force and bolt shear force with different design method and cover depth of the Nanjing Metro South-North Line are carried out,in fluences of different design methods on the shield tunnel linin g design are also dis-cussed.

Keywords:shield tunnel linin g;routine method;modified routine method;multi-hinge ring method;beam-spring method

1　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。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[1],而国外主要采用多铰圆环法[2]和梁-弹簧模型计算法[3]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,本文以南京地铁南北线一期工程为背景,在对盾构隧道管片接头刚度研究[4]的基础上,分别运用(修正)惯用法、多铰圆环法和梁-弹簧模型计算法对在不同埋深下的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

第1卷　第5期2005年10月 地下空间与工程学报

Chinese Journal of Underground Space and Engineering

Vol.1

Oct.2005

收稿日期:2005-03-09(修改稿)

作者简介:曾东洋(1977-),男,重庆铜梁人,西南交通大学地下工程系博士研究生,主要从事盾构隧道设计理论与方法研究。

设计方法下的盾构隧道管片环内力分布,为工程设计提供参考。

2　盾构隧道结构计算方法特征分析

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

[5]

。根据计算过程中对管

片接头刚度、接头螺栓内力传递和外荷载分布形式的不同力学假定,荷载-结构计算模式又主要分为(修正)惯用法、多铰圆环法和梁-弹簧模型计算法等四种设计方法。不同设计方法中对管片接头的处理、外荷载作用形式和工程适用范围均存在较大差异,现分别叙述如下。2.1　(修正)惯用法

惯用法最早提出于1960年,并在日本得到了广泛应用。惯用法在计算过程中假设管片环是弯曲刚度均匀的圆环,不考虑接头所引起的管片环局部刚度降低。惯用法计算过程中假设垂直方向地层抗力为均布荷载,水平方向地层抗力为自衬砌环顶部向左右45°～135°分布的均变三角形荷载。

修正惯用法是在惯用法的基础上引入弯曲刚度有效率η和弯矩提高率ζ,以接头刚度的降低代表衬砌环的整环刚度下降,管片环是具有ηEI 刚度的均质圆环。考虑到管片接头存在铰的部分功能,将向相邻管片传递部分弯矩,使得错缝拼装管片间内力进行重分配,修正惯用法在计算过程中引入了弯矩提高率ζ,主截面设计弯矩(1+ζ)M ,接头设计

弯矩(1-ζ)M 。修正惯用法计算所选用参数η和ζ主要根据实验或经验取定[6]

,其计算荷载系统与惯

用法相同。2.2　多铰圆环法

计算中将管片接头假设为铰结构,由于多铰圆环结构自身的不稳定性,只有在隧道周围围岩的围压作用下才能稳定承载,故主要适用于隧道围岩状况良好且普遍具有抗力的情况下,结构变形所引起的地基抗力一般根据Winkler 假设进行计算。因此,结构外荷载以及围岩土抗压力的确定对多铰圆环法内力计算尤为重要。2.3　梁-弹簧模型计算法

由于将管片模拟成曲线梁或直线梁,接头用旋转弹簧和剪切弹簧替代,梁-弹簧模型计算法可以对任意一种管片环组装方式和接头位置下的衬砌环、接头螺栓变形和内力进行计算。通过在计算过程中引入抗弯刚度、抗剪刚度等接头力学参数,梁-弹簧模型计算法较好地评价了管片接头所引起的刚度下降以及衬砌环的错缝拼装效应。目前,该设计方法所用各类刚度系数主要通过接头试验

[7]

或数值计算[4]

确定。

衬砌结构设计方法的选用主要受隧道用途、围岩状况、目标荷载、管片结构及所要求计算精度等的影响。荷载的确定对结构内力计算尤为重要,上述四种方法所选用的目标荷载系统分别如图1所示

。

图1　计算方法与相应荷载系统

Fig .1　Design methods and the corresponding load system

3　工程实例概况

南京地铁南北线一期工程TA15标段区间盾构隧道主要穿越古河道漫滩地层,区间盾构隧道在

淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉细砂中通过,地质条件复杂,覆土层次多,分布不均匀,土质差异大。上部土体为填土层及中、晚全新世冲淤积形成的松散

-稍密粉砂、粉土、淤泥质软弱土、粉质黏土。中、下部土体为晚更新世-早全新世冲积成因粉质黏

土、中-密实粉细砂。底部基岩为上侏罗纪龙王山组安山岩、强风化层风化强烈呈砂土状;局部燕山期侵入岩体闪长玢岩、辉长岩,强度较高,基岩埋藏较深,均大于25m 。区间盾构隧道穿越地层地质参数如表1所示。

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地下空间与工程学报 第1卷