盾构隧道通用装配式管片衬砌结构计算分析

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计算方法 合算 分算
注： 计算点 & 为素填土 （黏 !为隧道所处地层之值； !!为地基抗力系数偏于安全地没有计算由管片周围注浆引起的地层抗力系数增大的影响； 土） 、 砂砾、 黏土、 砾质黏性土。隧道位于砾质黏性土层中； 计算点 ; 为素填土 （黏土） 、 中砂、 砂砾、 砾质黏性土。隧道位于砂砾层中； 计算点 8 从上至 下分别为素填土 （粉质黏土） 、 中砂、 粉质黏土、 砾质黏性土、 全风化花岗岩、 强风化花岗岩、 隧道 & 3 8 位于砾质黏性土层、 & 3 8 位于全风化花岗岩层、 &38 位于强风化花岗岩层中； 计算点 < 为素填土 （粉质黏土） 、 粉质黏土、 砾质黏性土。隧道位于砾质黏性土层中。
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设计计算条件
管片特征
隧道外半径 "# 8 * / ++ %，隧道内半径 "! 8 ! / 9+ 管片宽度 # 8 # / ! %， 管片厚度 $ 8 + / * %， 分块数 %， 目 % 8 : 块。 封顶块管片 （ ,） 圆心角为 #";， 标准块管片 （分别为 <# 、 圆心角均为 9!;。邻接块管片 *块 <! 、 <* ） 左右各 # 块 （分别为 =# 、 =! ）圆心角均为 :$ / ";。管片 衬砌环在纵向按错缝式拼装， 纵向接头 #+ 处， 按 *:;等 角度布置。管片衬砌环布置如图 * 所示。
D"$+0$".*(, E%20$.2 (, 2%+.*(, *,,%E /(E+%2 ",- -%/(E6".*(, (/ 2%)6%,. $*,*,) (, .F% #"2*2 (/ "22%6#$G 1$", 最大正弯矩 最大正弯矩对应轴力 ・ 3 45 6） " 6"H （ # 3 45 &>& ? <A &;> ? CA CB ? <@ &>C ? @C B< ? A= &>& ? ;& =8 ? ;& CA ? <= =<B ? =A @C@ ? C; B;C ? <@ ==A ? A> A@C ? =< @8A ? C= @;C ? C= <&A ? >>
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去不计。地面超载取 !+ ’( ) %析
隧道管片衬砌环按基本拼装方案拼装时， 在各典
型计算点位置的隧道管片衬砌环的最大截面内力及变 形计算结果汇总于表 !。从表中可知， ! 隧道管片衬 砌环的最大截面内力在计算点 # 出现， 为设计控制点；
图! ,-./ ! 管片荷载模式
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土
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程
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在确定作用在隧道上方的土层压力方面， 国内外 视地层情况， 主要采用松动土压力理论 （太沙基公式为 主体） 和按全部地层压力计算土层压力的方法， 但均带 有较大 近 似 性。国 外 也 有 取 最 小 土 压 力 不 小 于 ! ! ［"］ （当计算土压力小于此值时） 的经验法 。 考虑到本工程的最大和最小埋深分别在 #$ % 和 & 地层以黏性土层为主体， 无单独从隧道底部贯通至 %， 地表的砂性土地层， 故偏于安全将上覆土体自重完全 作用在隧道上进行计算分析： 即计算中竖向地层压力 按全部地层压力计算； 而侧压力当隧道处于黏性土中 时按水土合算考虑， 在砂性土地层时按水土分算考虑， 水土分算考虑时， 水压按静水压力考虑； 地层抗力通过 设置在衬砌全环只能受压的径向弹簧单元和切向弹簧 单元来体现， 这些单元受拉时将自动脱离， 弹簧单元的 刚度由衬砌周围土体的地基抗力系数决定， 同时， 偏于 安全考虑， 未计管片周围注浆引起的抗力增加效果。 钢筋混凝土管片重度取 !" ’( ) % 。根据规范地铁隧 道内的车辆荷载及冲击力对隧道结构影响较小， 可略
中， 除了考虑计算对象圆环外， 还把对其影响的前后衬
!
概
述
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砌圆环也作为对象， 采用空间结构进行计算， 并用圆环 径向抗剪刚度 ! : 和切向抗剪刚度 ! ; 来体现纵向接头 的环向传力效果。梁 $ 弹簧模型如图 ! 所示。
目前盾构隧道管片衬砌结构设计计算通常采用均 质圆环模型， 研究 表明： 均质圆环模型是把盾构隧道 装配式衬砌看成均质圆环， 显然是一种粗略的近似模 拟， 没有考虑管片接头影响， 使得由此设计结果不符合 实际条件， 也不经济， 更不能体现传力效果。梁 $ 非线 性弹簧模型是依据装配式衬砌特点， 充分考虑环向接 头和纵向接头影响， 按照该模型计算结果进行管片设 计， 更符合实际条件。 深圳地铁华 （华强路站） —岗 （岗厦站） 区间是目前 国内首次采用通用装配式管片衬砌的盾构法施工隧道 工程， 本文采用梁 $ 非线性弹簧模型对该工程通用装 配式管片衬砌结构在不同的典型计算点及在施工过程 中可能出现不同拼装组合方案进行截面内力及变形计 算， 寻找管片设计控制点及控制拼装组合， 计算结果作 为隧道管片设计依据， 并总结不同拼装组合条件下管 片截面内力和变形的变化趋势。
计算点 & ; 8 <
标贯击数! &= ;> &C 8> @> ;;
侧压系数! > ? <@ > ? @> > ? <@ > ? 8> > ? ;@ > ? 8@
地基抗力系数!! （ ・ 3 45 6 7 8） 8@>>> &@>>> 8@>>> =>>>> B>>>> @>>>>
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盾构隧道通用装配式管片衬砌结构计算分析
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黄昌富
（中铁十六局集团有限公司， 北京 !"""!#）
摘
要： 采用梁 $ 非线性弹簧模型， 对盾构隧道通用装配式管片衬砌在基本拼装方案下各典型计算点进行最大截面内力及变形计
算， 确定管片设计控制荷载点； 并在通用管片衬砌环布置时可能出现通缝及错缝拼装情况下进行多种方案组合计算， 进而确定控制 管片设计的拼装组合， 并发现不同拼装组合条件下截面内力及变形的变化趋势。 关键词： 梁 $ 非线性弹簧模型； 通用管片； 装配式衬砌； 结构计算 中图分类号： % &’! 文献标识码： ( 文章编号： （)""*） !""" $ &’&# "* $ "*)) $ "& 作者简介： 黄昌富 （!+,! $ ） ， 男， 硕士， 工程师， 主要从事城市地铁工程的研究与施 !++# 年北京科技大学土木与环境工程学院毕业， 工， 现为中铁十六局集团有限公司深圳地铁项目副经理。