盾构隧道管片结构及工程应用

盾构隧道管片结构及工程应用

发表时间：2019-07-29T15:04:13.797Z 来源：《防护工程》2019年8期作者：程国忠

[导读] 虽然城市化发展给人们生活带来越来越便利的条件，也在一定程度上改善了人们的物质生活，但是不能无限度的开发城市空间资源。

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摘要：城市化建设会占用一定的土地资源，但是土地资源是有限的，大面积的开发与利用后，已经趋于饱和状态，基于此，人们逐渐将目光集中于地下空间。盾构法具备十分优越的性能，对城市基础建设有积极意义，也可加快地下空间大规模建设的速度，无论是在技术上，还是在理论上，盾构隧道工法都可逐渐体现出自身的特征与优势。但是因地下工程自身特征的影响，盾构隧道模型并不完善，需要进行大力度的深化。

关键词：盾构隧道；管片接头；管片结构

越来越多的人选择进入城市，急剧膨胀的城市人口带来严重的资源、能源消耗，还有环境污染，突出表现为大气污染、噪声污染以及城市环境恶化等。城市地表资源的可开发建设空间，伴随着城市建设的扩大而不断缩小。地铁具备大运量、小污染的特征，大面积应用于城市建设中。目前，主要利用明挖以及暗挖两种方法修建地铁隧道，盾构法属暗挖法，是暗挖法的重要分支。因此，我们有必要对盾构隧道管片结构以及工程的应用进行探究。

一、盾构法的发展现状

1.计算模型

建设初期，一般工程都是凭借经验设计并建设隧道，完全没有可靠理论依据。隧道结构设计计算理论是由多种地面结构计算理论融合而来，经过不断的摸索与实践，人们才逐步掌握了地下结构的特点。因社会以及科学技术的发展，越来越多的新型技术与设备涌现于地下工程结构中。先进的电子计算机技术，使得岩土介质力学特性的计算成为可能，逐步明确了结构材料之间的作用与规律。现有的隧道结构设计模型主要分为连续体和不连续体模型、作用-反作用模型、收敛-约束模型、工程类比法四种，这是基于国际标准对隧道结构设计模型进行的分类。同样，我国学者也对隧道设计模型进行了分类，分类结果为以下四种，分别为经验类比模型、荷载-结构模型、地层-结构模型、收敛-限制模型。由此可以看出，我国在分类地下结构时，与国际上的原理基本一致，这给我国隧道设计工作指明了方向，提供了有价值的借鉴。

2.管片接头

现有的隧道衬砌可分为以下两种，分别为装配式衬砌以及整体式衬砌。二者之间存在一定的相似性，也存在明显的差异。装配式衬砌要想实现隧道衬砌的整体性，需要配合使用一定数量的管片接头，这些管片接头在类型上有所差异。管片接头具有方便运输以及拼装的重要作用，对隧道建设的顺利开展有积极意义。但是管片街接头也存在细节上的问题，因大面积连接，管片衬砌的整体性受到一定的破坏，给衬砌环整体刚度的提升带来不利影响，严重时可能引发受力或者变形问题。如何构建接头作用的衬砌隧道模型，是现阶段各专家以及学者研究的重点问题。

3.土体抗力

（1）假定弹性抗力法

受到外荷载作用后，地下衬砌结构会发生一定的变形。这也是引发趁其周围岩体出现反作用的重要因素。地下结构衬砌与周围岩体一起构成一个完整的系统，二者之间相互影响，相互作用。

（2）试验与数值模拟

一般情况下，我们会利用模型试验或者有限元技术，对土体-隧道结构的共同作用进行研究，如今，这两种方法在研究时带有明显的集中性，越来越多的人将目光集中于盾构隧道横向研究方面，但是很少有人涉及到纵向共同作用方面的研究。因此，必须引起工作人员的重视。围绕隧道的不同工况，深入分析隧道上部土的压力，明确衬砌应力分布的规律，为工程的顺利开展打好基础。

二、盾构隧道管片结构的应用研究

可将管片离散化作为依据，划分盾构隧道结构计算模型，划分结果为直梁型式和曲梁型式两种，相对于前者来说，曲梁形式是一种极为特殊的形式。按照管片接头处理方式划分盾构隧道结构计算模型，可以获得完全不同的结果，分别为均质圆环、弹簧元以及接头元等形式。在内力分析以及其他因素的共同影响下，盾构隧道内力计算结果的准确性受到一定的破坏，需要注意的是，土层荷载以及结构等都会给盾构结构设计的准确性带来一定的难度。因此，对盾构隧道结构计算模型特点以及工程适用性进行的研究显得格外重要。

1.工程概况

本实例采用一号线区间隧道中的土体参数进行计算，隧道外径6.0m，内径5.4m，隧道宽度为1.2m，管片厚度为0.3m，计算中取覆土厚度为9.0m。隧道周围土层主要有杂填土素土层、淤泥质土层、粉质粘土层、淤泥质粉质粘土层等，区间隧道衬砌结构采用通用管片拼装而成，混凝土标号为C50，每环衬砌由6块管片组成，每环设纵向螺栓10根，环向螺栓12根，采用曙光软件中盾构隧道计算模块分别按照均质圆环模型、弹性铰圆环模型及双环梁-弹簧模型进行计算。

2.析解模型与数值方法的对比分析

我们分别针对三种直径的盾构隧道进行计算分析，即隧道直径取6.0米，8.0米和10.0米，衬砌厚度为0.3米，隧道埋深9.0米。采用ABAQUS有限元程序对相同条件下三种不同直径的盾构隧道内力进行了数值模拟计算。由于隧道纵向尺寸远大于环向截面尺寸，且沿纵向截面形式不变，因此简化为平面应变问题进行求解。本模型中，隧道顶拱距离模型上表面9.0米，整个模型横向尺寸为60.0米，竖向尺寸46.8米，衬砌采用梁单元模拟。其中弹性模量E=34500N/mm2，混凝土容重r=25.0kN/m3。

首先，从总体上看，应用本文推导的计算模型进行计算，同时与惯用计算法和数值模拟法两种计算方法在同一工况下的计算结果进行对比分析，计算结果表明：考虑接头刚度影响和抗力分布变化计算模型计算的盾构隧道衬砌内力的变化趋势和惯用计算法所得结果基本一致。此外，还与数值模拟方法的计算结果具有同样的变化规律，三种方法的计算结果变化趋势相吻合。

其次，从计算结果中可以得出，当直径为6.0米时，本文所提出的计算模型和惯用法计算的计算结果及数值方法所得计算结果总体变化趋势一致，本文提出的计算模型与数值模拟对比中，两者最大正弯矩相差32.7%，最大轴力相差14.8%。当直径为10.0米时，考虑接头影响和抗力分布计算方法与数值模拟结果中最大正弯矩和最大轴力相差为4.3%和10.5%，而此时惯用法计算结果与数值模拟结果相差分别为

13.8%和8.7%；由此可以得出，本文所提出的考虑接头影响和抗力分布变化计算方法虽在计算结果上与数值方法有差距，但此计算方法在客观上是合理的，特别是在随着隧道直径增大的情况下，所得弯矩计算值与数值模拟计算结果更具一致性。

结语：

虽然城市化发展给人们生活带来越来越便利的条件，也在一定程度上改善了人们的物质生活，但是不能无限度的开发城市空间资源。盾构法的性能十分优越，在大量地下工程建设过程中，都可逐步体现出自身具备的优势。盾构法对城市地下空间建设有积极意义。同样的，城市地下建设也在不断完善盾构法的技术与理论体系，二者之间相辅相成。基于此，我们需要对更合理的计算模型进行探究，用以完善盾构隧道的力学性态以及几何特征。

参考文献：

[1]郭瑞，何川，方勇.膨胀土地层中盾构隧道管片结构受力分析与对策研究[J].现代隧道技术，2010，47（6）：17-22.

[2]杨雨冰，谢雄耀.基于断裂力学的盾构隧道管片结构开裂破损机制探讨[J].岩石力学与工程学报，2015（10）：2114-2124.