盾构隧道管片衬砌结构——荷载结构模型共56页文档
盾构隧道管片衬砌受力分析力学模式探讨
块均为 6715°,纵向接头为 16处 ,按 2215°等角度布 置 。管片在纵向可实现通缝和错缝两种方式拼装 (偏转角为 2215°的倍数 ) 。主要尺寸为 :外半径 R1
表 1 淤泥质粉质粘土地层参数
隧道埋深 容重 γ 地面超载 P0 侧压
由表 2也可知道 ,同是采用梁 —弹簧模型进行 的计算 ,但拼装方式不同 ,其内力值也有很大差异 。 通缝拼装时的弯矩和剪力值最小 ,而相应轴力和变 形量最大 。同是三环一组错缝拼装 ,一 、三环的弯矩
值就比二环的要大 ,相应轴力 、剪力和变形量要小 。 这是因为 K块的位置偏离了出现最大弯矩的拱顶 处 ,而让邻接块转到了拱顶处 ,环向接头离拱顶处远 了 ,对它的弯矩减小的影响就小了 。
输入参数如下 :管片块间接头正弯曲转动刚度 为 315 ×104 kN ·m / rad,负弯曲转动刚度为 815 × 103 kN ·m / rad,轴向拉压刚度为 111 ×104 kN /m ,剪 切刚度为 212 ×104 kN /m;环间接头螺栓的法向和径 向剪切刚度为 410 ×104 kN /m; 地层弹簧系数 ,法向 刚度为 210 ×104 kN /m , 切 向 刚 度 为 110 ×104 kN / m[ 1 ] ;管片衬砌容重为 25kN /m3 。
312 计算分组及计算结果
管片衬砌结构按三种力学模式进行模拟计算 , 共分成 11组 ,见表 2所示 。其最大弯矩及其相应轴 力 、最大剪力和最大变形也见表 2;管片衬砌不同力 学计算模式下的弯矩图见图 3所示 。
表 2 计算组合及主要计算结果表
计算组号
拼装方式
力学模最式大弯矩 / ( kN1m ) 相应轴力 / kN
盾构衬砌管片的设计模型与荷载分布的研究
Δu = u′1 - u′2
Δv = v′1 - v′2
(1)
Δθ = θ′1 - θ′2 局部坐标是这样定义的 : s 是沿两梁单元间的等
分角方向 ,正向指向洞内 , n 为与 s 正交的方向 , 正向
为逆时针转 ,如图 2 所示 。因此 ,Δu 就是接头沿 n 方
向的相对位移 ,Δv 是沿 s 的相对剪切变形 ,Δθ是相对 转角位移 ; u′i , v′i ,θ′i ( i = 1 ,2) 为结点 i 沿局部坐标方向
model , the distribution mode and value of the loading pressure on the lining segments are back analyzed using the measured data of segment pieces
such as axial force and bending moment etc. In addition , a partial - peripheral ground spring model is compared with a whole peripheral one in the
环间接头单元在局部坐标系下的刚度为
[ Kq ] = [ Kq ]diag[ Knq Ksq ] ·[ Eq ]T (11)
在无转动条件下其整体坐标系下单元刚度与式 (7) 相
同。
位移的产生 。 同时 ,隧道纵向上的管片错缝拼装方式对整体衬
砌结构的刚度起到加强作用 ,必须予以考虑 , 具体计算 采用前述的环间接头的纵向剪切模型 。
q ( x , y) = q1 + (2 dy - 1) dyq21 + dyq31 + 4 (1 - dy) dyq41
盾构管片衬砌结构设计计算
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。
盾构隧道管片衬砌结构——荷载结构模型
块
六块方案。
工程名称
分块
管片宽度/m 最小曲率半径/m
南京地铁1号线
K(21.5 )+2L(68 )＋3B(67.5 )
1.2
400
管
南京地铁2号线
K(21.5 )+2L(68 )＋3B(67.5 )
1.2
400
片
幅
北京地铁5号线 K(22.5 )+2L(67.5 )＋3B(67.5 )
1.2
300
国内外管片结构设计方法
国家
管片结构设计模型
入江健二（1993）
ITA（1978）
澳大利亚 全周弹簧模型
不详
奥地利 全周弹簧模型
弹性地基圆环法
西德 法国
局部弹簧模型（覆土深≤2d） 全周弹簧模型（覆土深≥2d）
全周弹簧模型或有限元法
中国 日本 西班牙 英国
均质圆环法或弹性铰模型
惯用设计法、梁-弹簧 模型
通用管片环
通过一种楔形环管片模拟线路、曲线及施工纠偏，管 片拼装时，衬砌环需扭转多种角度，封顶块有时会位 于隧道下半部，工艺相对复杂，大大降小模具数量， 降低造价。
Δ/2 Δ/2
直线段
外
d
内
d
封顶块
曲线段
通用管片环
平面视图
我国盾构技术概况 国内地铁盾构隧道管片结构的设计及使用
衬
楔形衬砌环与直线衬砌环的组合
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
2.4衬砌结构的力学模型和计算方法
衬砌结构 力学模型
衬砌本 体模型
特征
接头(接缝) 参数 模型
接头 刚度
环向接头刚度 纵向接头刚度
知识点17-PPT-隧道结构计算模型与荷载模式
《隧 道 工 程》
隧道结构计算模型与荷载模式
◆隧道衬砌是埋置于地层中的结构物，它的受 力变形与围岩密切相关；如何恰当地反映结构与围 岩力学相互作用，正是支护结构设计计算理论需要 解决的重要课题。
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二、隧道结构体系的计算模型
隧道计算模型主要包含四种方法：
（1）以工程类比为依据的经验法。 （2）以测试为依据的实用法。
包括收敛—约束法、现场和实 验室的岩土力学试验、应力(应变) 量测以及实验室模型试验。
（3）结构力学方法
围岩-结构相互作用，例如弹性 地基圆环，矩阵位移法等。亦可称为 荷载—结构法。
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四、隧道荷载分类
1.主动荷载
(1)主要荷载： 指长期及经常作用的荷载，包括： ◆围岩压力 ◆支护结构自重 ◆回填土荷载 ◆地下静水压力 ◆车辆活载等
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四、隧道衬砌承受的荷载及分类
(2)附加荷载：指偶然的、非经常作用的荷载，包括： ◆温差压力 ◆灌浆压力 ◆冻胀压力 ◆混凝土收缩、徐变应力 ◆落石冲击力 ◆地震力，等
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三、隧道荷载模式
根据对荷载的处理不同，它大致有如下三种模式： (1)主动荷载模式
◆此模式不考虑围岩与支护结 构的相互作用，支护结构在主动 荷载作用下可以自由变形。
◆它主要适用于软弱围岩没有 足够的能力去约束衬砌变形的情 况，如采用明挖法施工的城市地 铁工程及明洞工程。
盾构隧道衬砌结构及计算
2021年3月第9章盾构隧道衬砌结构1.基本概念1.1隧道衬砌隧道衬砌，英文为Tunnel Lining 。
盾构隧道的衬砌一般为预制管片，预制管片英文为Segment 。
1.2衬砌结构分类（1）按施工方法分类衬砌分为：预制管片、二次浇筑衬砌即拼装管片的内部，做了现浇的二次衬砌、压注混凝土衬砌（ECL 工法）。
是否需要内部做二次衬砌，取决于隧道的用途及结构计算，例如南水北调工程穿越黄河的盾构隧洞及珠江三角洲水资源配置工程盾构隧洞，就做了内部二衬。
（2）按材料分类，管片可分为：钢筋混凝土管片（RC ）（如图9.1所示）、铸铁管片、钢管片、钢纤维混凝土管片、合成材料。
图9.1盾构管片试拼装（佛山地铁）（错缝拼装，5+1块）1.3管片外形与尺寸管片外形可分为四边形的，六角蜂窝形的。
四边形的，例如：深圳地铁快线长隧道，例如11号线、14号线等。
管片外径6700mm ，内径6000mm ，厚度350mm ，宽度1.5m ，纵向螺栓16个，管片分度22.5°，采用左右转弯环+标准环的形式。
管片统一采用1+2+3形式（即：1块封顶块（F ），2块邻接块（L1）、（L2）、3块标准块（B1）、（B2）、（B3））。
止水条采用三元乙丙橡胶及遇水膨胀橡胶条，如图9.2所示。
K 块图9.2用于深圳地铁的Փ6700盾构管片（14号线，2020年）日本的一个六角形管片的案例，并采用插销式接头的案例：隧道直径为Ф6600mm，单线隧道衬砌主要采用6等分的RC平板型管片，环宽1600mm，厚320mm，管片连结采用新研制的FAKT插销式接头。
部分段采用环宽1250mm、厚250mm的蜂窝形RC管片。
如图9.3、图9.4所示。
图9.3日本的六角蜂窝状管片示意图图9.4在盾构隧道中待拼装的六角形管片（傅德明2012）中国在引水隧道中也用过六角形管片（山西万家寨引水工程）。
1.4管环类型：为了满足盾构隧道在曲线上偏转及蛇行纠偏的需要，应设计楔形衬砌环。
盾构隧道混凝土管片衬砌内力分析(道路与铁道工程专业优秀论文)
第五章程序的界面处理ｆ３）提供了易学易用的应用程序集成开发环境；（４）结构化的程序设计语言；（５）支持多种数据库系统的访问；（６）支持动态数据交换、动态链接库和对象的链接与嵌入技术（７）完备的Ｈｅｌｐ联机帮助功能。
５．２程序的界面处理隧道管片衬砌内力计算程序界面处理的思路是：通过界面将数据输入，并写入到ＦＯＲＴＲＡＮ程序中的数据文件，以便运行执行文件时调入；之后激活ＭＳ．ＤＯＳ窗口，进入到编译连接得到的执行文件所在的子目录下，运行执行文件；在计算程序中将盾构隧道衬砌各截面的内力及位移写入到输出文件：在后处理时将输出文件的数据读入并绘成内力图形。
卜ＩＡｌ介绍盾构隧道管片衬砌内力计算程序的界衄。
首先，点击由ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ形成的执行文件，弹出图５－１所示的窗口。
图５－１欢迎窗口点击“继续”按纽，弹出图５－２所示的窗口。
如选择均质圆环计算方法，将出现５—３所示窗口，提示均质圆环计算方法的数据文件路径及数据文件名。
第五章程序的界面处理图５－２选择计算方法窗口图５－３均质圆环数据文件路径及文件名窗口在“数据文件路径”下输入计算程序的数据文件所处的路径。
在“数据文件名”下输入数据文件名。
这一步是确保程序执行过程中的输入输出正常进行。
然后，点击“确定”按纽，弹出图５—４所示的“均质圆环数据输入窗口”。
图５－４均质圆环数据输入窗口在图５—４中，可以输入程序执行过程中所需要的数据。
前三个按钮分别为“管片尺寸及地层参数”、“配筋参数”、“千斤顶参数”的数据输入按钮。
第四个按钮为“数据文件写入”按钮。
单击“管片尺寸及地层参数”按钮，弹出“管片尺寸及地层参数卡”，如图５．５所示。
其上有“覆土厚度”、“地下水位”、“管片外径“、管片宽度”、管片厚度“、土容重”、“混凝土容重”、“土的粘接力”、“土的内摩擦角”、“地面附加压力”、“地基反力系数”、“侧向土压系数”、“刚度调整系数”、“弯矩增一３９—第五章程序的界面处理图５－５管片尺寸及地层参数窗口大系数”、“混凝土的弹模”、“钢筋的弹模”、“内力计算角度增量”、“钢筋允许拉应力”、“钢筋允许压应力”、“混凝土允许压应力”。
盾构隧道衬砌结构和构造
管片的构造
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盾构工程中的管片选型5Fra bibliotek按材质分类
管片按材质的不同 ，主要可分为钢筋混凝土管片、铸铁管片、钢管片、复合管片。 目前较常使用的管 片主要有钢管片、 球墨铸铁管片和钢筋混凝土管片。 (1)钢筋混凝土管片 由于施工条件和设计方法的不同 ，钢筋混凝土管片具有不同的形式 ，按管片手孔成形大小区分 ，可大 致分为箱形和平板型两类。 钢筋混凝土管片成本低、 使用最多、 耐久性好。 (2)铸铁管片 铸铁管片延性和强度接近于钢材 ，管片较轻 ，安装运输方便 ，耐蚀性好 ，机械加工后管片精度高 ，能 有效地防渗抗漏。缺点是金属消耗量大、机械加工量大、价格昂贵 ， 同时具有脆性破坏特性 ，不宜用 作承受冲击荷载的隧道衬砌结构。 已逐步为钢筋混凝土管片代替。
隧道衬砌结构和构造
隧道衬砌
盾构隧道衬砌是用于承受盾构隧道周围的水、土等荷载，并确保 盾构隧道结构净空和安全的地下结构，属于永久性构筑物。盾构 隧道衬砌的形状与盾构隧道的断面形式相匹配，根据使用要求、 施工技术、地层的特性、隧道受力等因素，盾构隧道横断面形式 有圆形、矩形、半圆形、马蹄形、眼镜形等多种形式。
盾构隧道衬砌由一次衬砌和二次衬砌形成双层结构 外层是一次衬砌，通常是由管片拼装而成的环形结构，内层为二 次衬砌，通常是由现浇混凝土、钢筋混凝土或钢纤维混凝土浇筑 而成的结构。 一般情况下，一次衬砌可以支撑来自地层的土压力、水压力及盾 构推进过程中的全部荷载。二次衬砌可进一步补强一次衬砌，同 时还可在一次衬砌和二次衬砌之间施作整体闭合防水层结构，起 到防渗、防蚀、防振及修正轴线起伏和内装饰等的作用。
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按材质分类
(3)钢管片 钢管片的优点是重量轻、 强度高、组装运输容易、可任意安装加固材料、加工容易； 缺点是耐锈蚀性 差、 成本昂贵、 金属消耗量大。 钢管片比钢筋混凝土管片具有更大的承受不均匀荷载和变形的能力，