几种盾构隧道管片设计方法的比较

文章编号:10012831X(2003)0420352205

几种盾构隧道管片设计方法的比较Ξ

朱　伟,胡如军,钟小春

(河海大学岩土工程研究所,江苏　南京　210098)

摘　要:针对盾构隧道管片设计中各种方法的适用性问题,本文使用国内外常见的四种管片设计方法,以深圳地铁的盾构隧道为基本对象,对几种设计方法进行了比较研究,提出了设计方法选择时的注意事项和使用原则。

关键词:盾构隧道;衬砌管片;设计方法;适用性;深圳地铁

中图分类号:U452+.4 文献标识码:A

1　引言

我国近几年在若干大城市开始了大规模的地

下铁路建设工作。由于盾构隧道施工技术可以最

大限度地减少对城市其他设施的影响,所以正逐渐

成为地铁隧道施工的主流技术。在我国,上海是较

早使用盾构隧道施工技术的城市,最近北京、广州、

南京、深圳等地都在地铁施工中开始使用盾构技

术,。

对于这一新技术的应用,存在着机械、设计、施工等多方面的问题,而本文主要是针对设计上的问题进行了一些比较研究。

关于盾构隧道管片设计方法,由于国内尚无统一的设计规范,很多设计施工单位根据机械制造商(国外厂商)所提供的方法进行设计,有的情况下是凭借上海等地铁盾构隧道实例进行模仿设计。无论在结构模型或荷载设定上还未形成系统的理论和方法。因此对于设计结果的安全性

、经济性只能通过经验进行判断。为了明确国际上常用设计方法之间的关系和对于地层的适用性,对常见的四种设计方法进行了计算对比,主要目的是明确以下三个问题:

(1)各种设计计算方法将怎样影响设计结果?

(2)对设计设计结果的影响大小、影响范围如何?

(3)选取设计计算方法时应注意什么,方法选取的原则?

2　国内外常见的四种设计计算方法

2.1　四种设计计算方法的结构模型

第一种方法是将管片环作为刚度均匀的环来考虑的设计计算法,此方法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(以下称为惯用法),

图1　各种计算方法所采用的管片环的结构特征

如图1(a)所示。第二种方法也是将管片环考虑为弯曲刚度均匀的环,但考虑了管片接头部分的弯曲刚度下降和环向螺栓处的弯矩上升[1](以下称为修正惯用法),如图1(a)所示。第三种方法是将管片接头作为铰结构来考虑,地基与管片环之间的相互

第23卷　第4期2003年12月

地 下 空 间

UNDERG ROUND SPACE

V ol.23　N o.4

Dec.2003

Ξ收稿日期:2003204217

作者简介:朱　伟(19622),男,甘肃人,工学博士,教授,博导,主要从事盾构隧道设计、施工等方面的研究。

作用用地基弹簧来表示的设计计算法(以下称为多铰环法),如图1(b )所示。第四种方法是将管片主截面模拟成梁、将管片环向接头模拟成旋转弹簧、将环径向接头模拟成剪切弹簧,将地基与管片环之间的相互作用用地基弹簧来表示,是一个较为接近

实际情况的设计计算方法[2]

(以下称为梁一弹簧法),如图1(c )所示。四种结构模型的比较见表1。

四种结构模型的比较

表1方法环向接头径向接头惯用法不考虑不考虑修正惯用法刚度降低弯矩增减多铰环法铰环向接头梁-弹簧法

旋转弹簧

剪切弹簧

图2　各种方法的荷载系统

四种管片设计方法的地基抗力的比较表2方法 受力特性

惯用法自环顶部向左右45°～135°分布的均布

(三角形)荷载

修正惯用法自环顶部向左右45°～135°分布的均布

(三角形)荷载

多铰环法地层抗力全部转换成地基弹簧梁2弹簧法

地层抗力大部分转换成地基弹簧

2.2　四种设计计算方法的荷载系统

四种设计计算方法的荷载系统如图2所示。不管是那一种方法,在自重、上覆荷载、垂直土压力、水平土压力及上部垂直荷载抗力的设定是基本一致的。主要的区别在于水平地基抗力的设定方法上,如表2所示,惯用法和修正惯用法是将水平地基抗力作为一个三角形均布荷载来考虑,而多铰环法及梁2弹簧法是通过地基弹簧来考虑的。另外,在水压力的作用方式上,惯用法与修正惯用法

是将隧道顶部计算水压力作为垂直水压力和水平水压力,不考虑水压力在隧道高度上的变化。而多

铰环法、梁2弹簧法考虑水平水压力在隧道高度上的增加,水压力作用的方向指向管片形心。2.3　设计计算的实施

根据以上理论编制了4种设计计算方法计算程序。计算中的一些取值原则参考了日本土木学

会盾构规范[1]

和日本铁道技术综合研究所盾构隧

道设计规范[2]

。

3　基本计算条件

3.1　设计计算的基本围岩条件

为了比较四种设计计算方法所产生的差异,本文以深圳地铁盾构隧道工程的地质条件和衬砌管片为基本条件进行了计算比较。深圳地铁隧道主要埋置于第四系全新统海相冲积的淤泥、粉质粘土层;第四系中更新统残积的砾质、砂质粘土层以及燕山期花岗岩的风化土层内。在此选择了四种工

3

532003年第4期 朱 伟等:几种盾构隧道管片设计方法的比较研究

况进行了比较计算:C ASE -1—浅埋工况、C ASE -2—深埋工况、C ASE -3—埋置于砾质粘土层的工

况和C ASE -4—埋置于风化花岗岩的工况,各工况

的基本条件如图3所示

。

图3　比较计算使用的四种工况

管片环结构的计算取值

表3

计算方法管　片

螺　栓

径向剪切模量轴向剪切模量正弯矩模量负弯矩模量

E N/mm

2

μEI (m 4)

块间螺栓环间螺栓惯用法

3450000117010027与管片同刚度

不考虑修正惯用法345000117010027刚度折减系数η=0.5弯矩分配系数ξ=0.3多铰环法345000117010027铰

不考虑

梁2弹簧法345000117010027

(kN Πm )235100

(kN Πm )1608000

(kNm Πrad )250000

(kNm Πrad )150000

P 0为上覆荷载,H w 为地下水位,H 为隧道上部埋深,γ为土的天然容重,c 为土的粘聚力,φ为土

的内摩擦角,D 0为盾构管片环的外径。另外,λ:侧压力系数,k :地基抗力系数,均是以土的强度参数为依据,根据文献1的经验值查表而得。3.2　设计计算的基本结构条件

深圳地铁的管片的结构剖面图如图4。管片环内径为5.2m ,使用C50钢筋混凝土管片,分块与地铁隧道中的常用方法相同,采用的6块分割,小封顶。管片间连接螺栓和环间连接螺栓均采用M27钢弧形螺栓连接。各种方法在计算时的参数取值(表3)根据国内一些设计实例的取值,参照日本铁道盾构隧道设计规范中的经验值设定。

4　计算结果的比较

4.1　结构内力的结果比较

使用4种设计计算方法,对4种工况进行了计

图4　管片环的结构示意图

算,得到了管片的内力(轴力、剪力、弯矩)。将管片

环中轴力的最大值取出,对4种计算方法所得到的轴力进行了比较。惯用法和修正惯用法的轴力基

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