地铁盾构隧道结构设计的优化
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折减后 的衬砌 圆 ，计 算 中用小 于 １ ． ０的系数 《来 表示 错缝
法和修正 惯用 法将 水平地 层抗 力作 为一个 三角形 分布荷 载 考虑 ，多铰 圆环 法和 梁 一弹簧法通 过地 层弹簧 来考 虑。正 常工况条件下 ，修正惯用法 和梁 一弹簧法 的计算 弯矩较大 ，
多铰 圆环法 的计算 弯矩最小 。
基本都不够稳定 ，所 以不采用此设计模型 。
・
８ ８・
２ ０ １ ３ 年 １ ２月
Ｓ ｉ ｃ ｈ ｕ ａ ｎ Ｂ ｕ ｉ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ
Ｉ ・ Ｊ 迂材
பைடு நூலகம்
２ ０ １ ３ 年 第 ６期
第３ ９卷 总 第 １ ７ ６期
梁 一弹簧法是最 为符合 实际情 况 的计 算方法 ，其 具体
２ ０ １ ３ 年 第 ６期
第 ３ ９卷 总 第 １ ７ ６期
Ｓ ｉ ｃ ｈｕ ａ ｎ Ｂｕｉ ｌ ｄｉ ｎｇ Ｍ ｍｅ ｎａ ｌ Ｓ
ｌ ・ Ｊ 迂材
・８ ７・
２ ０ １ ３ 年 ｌ ２月
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ２— ４ ０ ｌ １ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ６ ． ０ ３ ９
部 集 中受力时 ，为避 免局 部破 坏 ，在钢 筋布 设 方面 的应 对
措施 。
关键词 ：盾 构 ；管片 ；结构设计 ；优化
中图分 类号 ：Ｕ ４ ５ ２ ． ２ 文献标志码 ：Ｂ 文章编 号 ： １ ６ ７ ２— ４ ０ １ ｌ （ ２ ０ ｌ ３ ） ０ ６— ０ ｏ ８ ７— ０ ２
为例 ，计算 了管 片 的 内力 大小 ，分 析 了最不 利 内力组 合 ， 对管片的配筋 形式 、配 筋量进 行设 计 ，同时列举 了类似 工 程 结构设计状 况。在 综合 考 虑环 宽、管 片连 接螺 栓设计 以
及施 工组织等 因素 的情 况下 ，提 出技 术和 经济上 有利 的 管
片优 化 设计 方 案 。 还 介 绍 了 因施 工 原 因造 成 的 管 片 边 角 局
图 １ 管 片 截 面 内 力
＼ 肘
隧 道 纵 断 方 向
０ 前
言
／ 以
∞
盾构工法关 键要素 之一 为 ：隧道 衬砌 一管片 ，其 设计
与 制 造 费 用 占 盾 构 隧 道 建 设 费 用 的 比重 很 大 。 管 片 厚 度 、
卜 ＼ ＼
＼ ． 】 Ｉ ｆ ｌ ， ２
示意如 图 ２所示 。
作者简介 ： 黄坤（ １ ９ ８ ６一）， 男， 汉族， 河南信 阳人 。 在读硕 士研 究生。
由于多铰 圆环 法 的计 算弯 矩最 小 ，可 以进 行最 为经 济 的设计 。但是 ，弯矩 的降低 是 以接 头作 为 铰工 作 为前 提 ，
接头要发挥铰 的作 用 ，需要 设置 特殊 的接头结 构或 在施工 后将接头螺栓 卸除 。 目前 我 国地铁 隧道埋 深都较 浅 ，地层
地 铁 盾 构 隧 道 结 构 设 计 的 优 化
黄 坤 ，谭梦思 ， 王 琳
（ 西华 大学 ，四川 成 都 ６ １ ０ ０ ３ ９ ）
摘 要 ：介绍 管片衬 砌 内力计 算的 四种 基础理 论 ，结
合 基 础 理论 分 析 模 型 建 立 的 条 件 ， 以 长 沙地 铁 某 盾 构 隧 道
以上四种计算模 型理 论 ，在 自重 、上 覆荷 载 、垂 直土
压力 、水 平土压力以及 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 平地层 抗力 的设定 方法 上 ，惯用
系数卵来 体 现环 向接 头 的影 响 ，不 考虑 接 头 的具 体位 置 ， 即仅降低衬砌 圆环 的整体抗 弯 刚度 。用 曲梁单 元模 拟 刚度
拼装引起 的附加 内力值 。在初 步确 定盾构 隧道管片参数 时 ，
专 取为 ２ ０ ％ ～３ ０ ％ 。接头 处 内力 Ｍｆ ＝ （ １一《 ）Ｍ； ，Ｎ ＝
Ｎ ｉ ；管 片 内力 Ｍ ｉ ＝ （ １ ＋∈ ）Ｍ ，Ｎ ｉ ：Ｎ ｉ 。
管片截面 内力示 意 如图 １ 所 示 。该受 力模 型外 荷 载确 定和 内力计算公式见 文献 ［ １ ］ 。错 缝拼装 弯矩传 递及 分配
－ ｔ
配筋率 、混凝 土强度 、环宽 等设计 参数 选择 ，其 合理 性 与 管片采用的设计 模 型 、地 区设计 习惯密 切相 关。笔者 针对 设计模 型和参数选 择 的合理性 进行 研究 ，进 而对 盾构 隧道
结构设计进行优化 ，十分必要 。
譬
／
Ｍ 拉
图 ２ 管片接 头弯矩传递示意
惯用法是将 管片环作为刚度均 匀的环来考虑 的计算法 。 即不考虑管 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。
１ ． ２ 修 正 惯 用 法
好且普遍具有抗力 的情况 ，其适用地层有局 限性 。
１ ． ４ 梁 一弹簧 法
梁 一弹簧法是将 管片 主截 面模拟成 梁 ，将 管片环 向接 头模拟成旋转 弹簧 ，将管 片径 向接头 模拟 成剪切 弹簧 ，将
１ 管片 结构 设计 力学 理论 基础
目前 ， 关 于盾构 隧道 衬砌 的计算 方法 有很 多 的研究 ， 常 用 的有 ： 惯用法 、 修正惯用法 、 多铰圆环法 、 梁 一弹簧法 。
１ ． １ 惯 用法
１ ． ３
多铰 圆环 法
多铰 圆环法是 将管 片接 头作为 铰结构 来考 虑 ，多铰 圆 环结构本身是个 非稳定 结构 ，在 隧道 周围 围岩 的围压作用 下才能够成为稳定 结构 ，因此 主要适 用于 隧道 围岩 状况 良
地层与管片环之 间的相互 作用 用底层 弹簧来 表示 。该 计算 方法 比较接近管片在地层 中受力的实际情况 。
修 正惯 用法是将 管片环 作为 弯 曲刚度均 匀 的环 ，但 考 虑管片接头部分 的弯曲刚度下降和环 向螺栓处 的弯 矩上升 。
将衬砌 圆环 考虑 为弹性 匀质 圆环 ，用 小于 １ ． ０的刚度 折 减
法和修正 惯用 法将 水平地 层抗 力作 为一个 三角形 分布荷 载 考虑 ，多铰 圆环 法和 梁 一弹簧法通 过地 层弹簧 来考 虑。正 常工况条件下 ，修正惯用法 和梁 一弹簧法 的计算 弯矩较大 ，
多铰 圆环法 的计算 弯矩最小 。
基本都不够稳定 ，所 以不采用此设计模型 。
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２ ０ １ ３ 年 １ ２月
Ｓ ｉ ｃ ｈ ｕ ａ ｎ Ｂ ｕ ｉ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ
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２ ０ １ ３ 年 第 ６期
第３ ９卷 总 第 １ ７ ６期
梁 一弹簧法是最 为符合 实际情 况 的计 算方法 ，其 具体
２ ０ １ ３ 年 第 ６期
第 ３ ９卷 总 第 １ ７ ６期
Ｓ ｉ ｃ ｈｕ ａ ｎ Ｂｕｉ ｌ ｄｉ ｎｇ Ｍ ｍｅ ｎａ ｌ Ｓ
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・８ ７・
２ ０ １ ３ 年 ｌ ２月
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ２— ４ ０ ｌ １ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ６ ． ０ ３ ９
部 集 中受力时 ，为避 免局 部破 坏 ，在钢 筋布 设 方面 的应 对
措施 。
关键词 ：盾 构 ；管片 ；结构设计 ；优化
中图分 类号 ：Ｕ ４ ５ ２ ． ２ 文献标志码 ：Ｂ 文章编 号 ： １ ６ ７ ２— ４ ０ １ ｌ （ ２ ０ ｌ ３ ） ０ ６— ０ ｏ ８ ７— ０ ２
为例 ，计算 了管 片 的 内力 大小 ，分 析 了最不 利 内力组 合 ， 对管片的配筋 形式 、配 筋量进 行设 计 ，同时列举 了类似 工 程 结构设计状 况。在 综合 考 虑环 宽、管 片连 接螺 栓设计 以
及施 工组织等 因素 的情 况下 ，提 出技 术和 经济上 有利 的 管
片优 化 设计 方 案 。 还 介 绍 了 因施 工 原 因造 成 的 管 片 边 角 局
图 １ 管 片 截 面 内 力
＼ 肘
隧 道 纵 断 方 向
０ 前
言
／ 以
∞
盾构工法关 键要素 之一 为 ：隧道 衬砌 一管片 ，其 设计
与 制 造 费 用 占 盾 构 隧 道 建 设 费 用 的 比重 很 大 。 管 片 厚 度 、
卜 ＼ ＼
＼ ． 】 Ｉ ｆ ｌ ， ２
示意如 图 ２所示 。
作者简介 ： 黄坤（ １ ９ ８ ６一）， 男， 汉族， 河南信 阳人 。 在读硕 士研 究生。
由于多铰 圆环 法 的计 算弯 矩最 小 ，可 以进 行最 为经 济 的设计 。但是 ，弯矩 的降低 是 以接 头作 为 铰工 作 为前 提 ，
接头要发挥铰 的作 用 ，需要 设置 特殊 的接头结 构或 在施工 后将接头螺栓 卸除 。 目前 我 国地铁 隧道埋 深都较 浅 ，地层
地 铁 盾 构 隧 道 结 构 设 计 的 优 化
黄 坤 ，谭梦思 ， 王 琳
（ 西华 大学 ，四川 成 都 ６ １ ０ ０ ３ ９ ）
摘 要 ：介绍 管片衬 砌 内力计 算的 四种 基础理 论 ，结
合 基 础 理论 分 析 模 型 建 立 的 条 件 ， 以 长 沙地 铁 某 盾 构 隧 道
以上四种计算模 型理 论 ，在 自重 、上 覆荷 载 、垂 直土
压力 、水 平土压力以及 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 平地层 抗力 的设定 方法 上 ，惯用
系数卵来 体 现环 向接 头 的影 响 ，不 考虑 接 头 的具 体位 置 ， 即仅降低衬砌 圆环 的整体抗 弯 刚度 。用 曲梁单 元模 拟 刚度
拼装引起 的附加 内力值 。在初 步确 定盾构 隧道管片参数 时 ，
专 取为 ２ ０ ％ ～３ ０ ％ 。接头 处 内力 Ｍｆ ＝ （ １一《 ）Ｍ； ，Ｎ ＝
Ｎ ｉ ；管 片 内力 Ｍ ｉ ＝ （ １ ＋∈ ）Ｍ ，Ｎ ｉ ：Ｎ ｉ 。
管片截面 内力示 意 如图 １ 所 示 。该受 力模 型外 荷 载确 定和 内力计算公式见 文献 ［ １ ］ 。错 缝拼装 弯矩传 递及 分配
－ ｔ
配筋率 、混凝 土强度 、环宽 等设计 参数 选择 ，其 合理 性 与 管片采用的设计 模 型 、地 区设计 习惯密 切相 关。笔者 针对 设计模 型和参数选 择 的合理性 进行 研究 ，进 而对 盾构 隧道
结构设计进行优化 ，十分必要 。
譬
／
Ｍ 拉
图 ２ 管片接 头弯矩传递示意
惯用法是将 管片环作为刚度均 匀的环来考虑 的计算法 。 即不考虑管 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。
１ ． ２ 修 正 惯 用 法
好且普遍具有抗力 的情况 ，其适用地层有局 限性 。
１ ． ４ 梁 一弹簧 法
梁 一弹簧法是将 管片 主截 面模拟成 梁 ，将 管片环 向接 头模拟成旋转 弹簧 ，将管 片径 向接头 模拟 成剪切 弹簧 ，将
１ 管片 结构 设计 力学 理论 基础
目前 ， 关 于盾构 隧道 衬砌 的计算 方法 有很 多 的研究 ， 常 用 的有 ： 惯用法 、 修正惯用法 、 多铰圆环法 、 梁 一弹簧法 。
１ ． １ 惯 用法
１ ． ３
多铰 圆环 法
多铰 圆环法是 将管 片接 头作为 铰结构 来考 虑 ，多铰 圆 环结构本身是个 非稳定 结构 ，在 隧道 周围 围岩 的围压作用 下才能够成为稳定 结构 ，因此 主要适 用于 隧道 围岩 状况 良
地层与管片环之 间的相互 作用 用底层 弹簧来 表示 。该 计算 方法 比较接近管片在地层 中受力的实际情况 。
修 正惯 用法是将 管片环 作为 弯 曲刚度均 匀 的环 ，但 考 虑管片接头部分 的弯曲刚度下降和环 向螺栓处 的弯 矩上升 。
将衬砌 圆环 考虑 为弹性 匀质 圆环 ，用 小于 １ ． ０的刚度 折 减