盾构管片衬砌结构设计计算

《地下铁道》

7.5 盾构管片衬砌结构设计计算

隧道与地下工程系

7.5 盾构管片衬砌结构设计计算

1.设计原则

盾构法隧道宜采用荷载结构模型和地层结构模型进行结构计算，前者

用于常规设计，后者用于特殊设计。

◆管片设计时可将其视为单独承受弯矩、轴力及剪力的线性梁来处理。

◆按相对于横断面方向的设计来决定管片的断面，根据地震及地基沉

降的影响等来研究隧道纵断面结构的合理性。

1.设计原则

◆荷载模式：浅埋与深埋、水土合算和分算。

◆结构模型：

(1) 均质(等刚度)圆环模型

在饱和含水软土地层中，主要由于工程上的防水要求，对由装配式衬砌组成的衬砌圆环，其接缝必须具有一定的刚度，以减小接缝变形量。 由于相邻环间接错缝拼装，并设置一定数量的纵向螺栓或在环缝上设有凹凸榫槽，使纵缝刚度有了一定的提高。因此，圆环可近似地认为是一均质等刚度圆环。

1.设计原则

◆结构模型：

(2) 多铰圆环结构模型

该原理在于圆环多铰衬砌环在主和被动土压作用下产生变形，圆环由一不稳定结构逐渐转变成稳定结构，圆环变形过程中，铰不发生突变。计算假定：

1)适用于圆形结构。

2)衬砌环在转动时，管片或砌块视作刚体处理。

3)衬砌环外围土抗力按均匀分布，土抗力的计算满足对砌环稳定性的要求， 土抗力作用方向全部朝向圆心。

4)计算中不计及圆环与土壤介质间的摩擦力。

5)土抗力和变形间关系按温克尔公式计算。

1.设计原则

◆结构模型：

在不稳定地层中，多铰圆环结构(铰的数量大于3个)处于结构不稳定状态，当圆环外围土层给圆环结构提供了附加约束，使得随着多铰圆环的变形而提供了相应的地层抗力，于是多铰圆环就处于稳定状态。

在稳定地层中，衬砌环按多铰圆环计算是十分经济合理的。对圆环变形量要有一定的限制，并对施工要求提出必要的技术措施。

2.管片内力计算

(1)均质圆环模型

◆按普通圆形结构计算，不同的是因为衬砌圆环是由数块管片拼装而成的，它的刚度不如整体浇筑的圆环，应予以折减。

◆钢筋混凝土管片为0.7，复合管片为0.8，铸铁管片的刚度折减率可取为0.9。

2.管片内力计算

(1)多铰圆环模型

◆将接头视为铰连接，其抗弯刚度为0。这类模

型比较适合于无螺栓连接的由砌块组成的衬砌环。

◆在使用曲梁或直梁单元模拟管片的同时，也具

体考虑接头位置和接头刚度的一种计算模型 。

图7-28 梁—弹簧模型

3.管片配筋计算

◆由圆环计算出的内力，判断出最不利截面(偏心最大处一般为最不利)，然后用这一截面上的内力按极限状态法进行矩形截面对称双筋结构配筋。

◆由于管片基本上都是错缝拼装，各种管片的位置是不固定的，因而所

有管片的配筋都应该按最不利截面的内力进行，即各管片的配筋相同。

3.管片配筋计算

1200

侧向配筋图

300

16*150

横向钢筋图

300

标准块钢筋平面钢筋图

1:25

2128

4.螺栓接头的计算

◆视螺栓为钢筋，按矩形截面单筋偏心受压构件设计螺栓的直径和个数，仍然应取最不利截面的内力计算。

①螺栓强度条件

●设T 允为螺栓的设计允许拉力，T 为螺栓实际承受的拉力， A g 为螺栓钢筋的设计抗拉强度， R 拉为螺栓钢筋截面积，则有：

拉

允R A T g ⨯=T

N

o

e h

b

4.螺栓接头的计算 ①螺栓强度条件

●取管片内缘合力矩为0的静力平衡条件，

即 有：

由 ，得 (7-6)

式中：e ——轴力偏心距；

b ——螺栓至管片轴线的距离。

∑=0Μ0(2)2-=-N h e T h b

T T ≥允2(2)(2)g T N h e A R h b R +≥=-拉拉

T

N

o

e h

b

3. 螺栓接头的计算 ②接缝张开量条件

●钢筋的配置应满足接缝张开

量条件，否则张开量过大，会导致橡胶止水带松弛、不密实而失效。 ●设δ为接缝张开量，由相似比，有：

(7-7)

●在实际管片组合结构中，应有δ≤3mm，如不满足，则应加大螺栓截面积，重新检验。

1

1

g L h T L h h A E h δ∆⋅⋅⋅=

=

⋅⋅δ

h

h3

ΔL

图7-25 管片接缝张开量计算图式

5. 千斤顶顶力作用的安全度验算

◆这属于施工荷载的范畴，当使用平板形管片时，管片能满足千斤顶顶力的要求，一般不必验算。

◆但箱形管片需验算管片的局部应力。可假定箱形管片的每一根肋(两空腔之间为肋)作用一只千斤顶，检算管片在千斤顶压力作用下是否满足强度要求。

◆顶推力按千斤顶实际标定推力取值(如无资料时，单只千斤顶的推力可取1000kN～2000kN)

6. 抗浮验算

◆在地下水的作用下，盾构需考虑抗浮，否则在推进时由于浮力的作用，盾构会发生“上飘”。

◆验算能否抗浮的方法是：取1m环段隧道衬砌结构，视其为封闭体，则浮力：

即：浮力F 等于物体体积排开的水的重量。

●抗浮力： W =1m环段衬砌结构自重+上覆地层压土重。 ●抗浮安全系数，一般取

K=W/F ≥1.5

γ

⨯=V F