大断面过江隧道盾构管片内力计算对比分析
盾构隧道内力分析方法的对比研究
弯矩 ， 对衬 砌 轴 力 影 响 有 限 ； 径 向 弹性 抗 力 有助 于 削 弱 管 片 衬 砌 弯 矩 ， 增大 管片衬砌 轴力 ； 修 正 惯 用 法 获 得 的 弯 矩
值最 大， 弹性支承法次之 ， 梁一 弹 簧一 压杆 法最小， 而 轴 力 值 基 本 不 受 分 析 方 法 的 影 响 。 建 议 盾 构 隧 道 初 步设 计 时 采 用修 正惯 用 法 ， 施 工 图设 计 时采 用 可 编 程 的 弹性 支承 法 ， 工 程 研 究 分 析 时 采 用 梁一 弹簧 一 压杆法。
ｌ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ’ Ｓ ａ ｘ ｉ ａ ｌ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ． Ｔｈｅ ｒ ａ ｄ ｉ ａ ｌ ｅ ｌ ａ ｓ ｔ ｉ ｃ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｗｏ ｕ ｌ ｄ ｈｅ ｌ ｐ ｔ ｏ ｄｉ ｍｉ ｎ ｉ ｓ ｈ ｔ ｈｅ ｂ ｅ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｍｏ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｓ ｅ ｇ ｍｅ ｎ ｔ
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｓ ，ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ｄ ｅ ｓ ｃ ｒ ｉ ｂ ｅ ｄ ｒ ｅ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ ｉ ｎ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄ ｉ ｉｅ ｆ ｄ
大断面越江盾构隧道管片拼装方式对结构内力的影响效应研究_封坤
第29卷第6期V ol.29 No.6 工程力学2012年6月June 2012 ENGINEERING MECHANICS 114 文章编号：1000-4750(2012)06-0114-11大断面越江盾构隧道管片拼装方式对结构内力的影响效应研究封坤1，何川1，邹育麟2(1. 西南交通大学地下工程系，成都 610031；2. 长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430000)摘 要：大断面越江隧道管片拼装方式对结构内力的影响一直引人关注，由于拼装方式的不同将引起管片结构内力的分布与量值的变化。
鉴于此，该文对圆形盾构隧道管片拼装效应的产生机理进行了理论分析，着重探讨了纵向相互作用力对管片环向内力的影响，随后以南京长江隧道为工程背景，对其管片在通缝与错缝拼装条件下结构环向内力分布及错缝拼装下目标管片内力沿圆周及幅宽方向的内力分布规律开展了原型试验研究。
结果表明，由于环间的相互作用效应，使错缝结构局部区域弯矩呈现出加强的效果。
在纵向螺栓作用区域，管片环向弯矩增幅、轴力降幅较大。
沿管片幅宽方向，正弯矩呈“凹”型分布，负弯矩呈“凸”型分布，轴力呈“凸”型分布。
该研究结果可为大断面水下盾构隧道的设计、施工和相关研究提供重要参考。
关键词：水下盾构隧道；管片衬砌结构；原型试验；管片拼装效应；拼装方式中图分类号：U451.4 文献标志码：A doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0591STUDY ON THE EFFECT OF ASSEMBLING METHOD ON THE INNER FORCE OF SEGMENTAL LINING FOR CROSS-RIVER SHIELD TUNNELWITH LARGE CROSS-SECTIONFENG Kun1 , HE Chuan1 , ZOU Yu-lin2(1. Department of Tunnel and Underground Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. Changjiang Survey Planning Design and Research Limited Co., Wuhan 430000, China)Abstract: The effect of assembling method on the inner force of segmental lining for cross-river shield tunnel with large cross-section has been concerned for a long time.Different assembling plan yields different distribution characteristics of inner force.In this paper,theoretical analysis is carried out to discuss the mechanism of assembling effect of circular shield tunnel, especially the effect of longitudinal interaction on circumferential inner force. Then based on Nanjing Yangtze River Shield Tunnel project, a prototype test is conducted to study the mechanical distribution characteristic of circumferential inner force in different assembling plan and the mechanical distribution characteristic of inner force of target segment (B5) along the circumference and width direction. The results show that, the effect of the interaction intensifies bending moment in local area when using staggered assembling, and the growth of bending moment and decline of axial force become larger near the longitudinal bolts. And along the width direction, the positive bending moment distributes as a concave type, the negative bending moment and axial force distribute as a convex type. The result can provide valuable references to design and construction of large-profile underwater shield tunnels; meanwhile it can also provide important reference to the correlative studies.Key words: underwater shield tunnel; segmental lining structure; prototype test; assembling effect; assembling method———————————————收稿日期：2010-08-17；修改日期：2010-10-27基金项目：高铁联合基金重点项目(U1134208)；国家杰出青年科学基金项目(50925830)；国家973计划项目(2010CB732105)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(SWJTU12BR036)通讯作者：何川(1964―)，男，重庆人，教授，博士，博导，地下工程系主任，主要从事公路、铁路及城市地铁隧道的科研、教学及咨询工作(E-mail: chuanhe21@).作者简介：封坤(1983―)，男，陕西南郑人，讲师，博士，从事盾构隧道的教学与研究工作(E-mail: windfeng813@)；邹育麟(1984―)，男，重庆人，博士生，从事盾构隧道设计理论方面的研究(E-mail: zouyulin_617@).工程力学 115盾构隧道设计与施工中常常采用不同的拼装方式，由于拼装方式的变化往往引起管片局部力学效应的复杂化。
超大断面越江盾构隧道结构设计与力学分析
2 盾构隧道管片结构设计
2. 1 隧道断面布置 根据公路隧道设计规范, 路缘带宽度为0. 50 m,
余宽为 0. 50 m, 检修道宽度为 0. 75 m , 通行限界宽 度为 14. 00 m, 检修道净高为 2. 50 m, 行车道净高 为 5. 00 m。考虑附属设施所需要的空间以及建筑 装修和调整施工误差所需要的空间, 在设备通行限 界外侧预留 10 cm, 由此得出盾构隧道的内净空直 径为 14. 74 m 。盾构隧道横断面布置如图 1 所示。
大断面水下盾构隧道管片设计参数及其统计分析
大断面水下盾构隧道管片设计参数及其统计分析大断面水下盾构隧道管片设计参数及其统计分析晏启祥,王春艳,郑代靖,李灿(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,成都610031)摘要：以国内大型水下盾构隧道的构造设计为基础,结合国外典型盾构工程实例,分析我国水下盾构隧道衬砌构造设计现状,并对管片外径与管片楔形量、管片厚度、管片分块数、标准块圆心角、标准块重力等衬砌构造设计参数的相关性进行统计分析,论述管片厚度与最大水压、管片外径与隧道最小覆盖层厚度之间的关系。
研究表明：我国大型水下盾构隧道接缝构造正在向单道止水密封、非榫槽平顺接缝、通用楔形平板型管片错缝拼装方面发展；研究还得出管片外径与管片厚度、管片分块数和标准块重力之间呈正相关性等一系列结论。
关键词：水下隧道；盾构隧道；管片衬砌；构造设计；统计分析目前，国内外大型水下盾构隧道工程越来越多，如国内已经建成武汉长江隧道，南京长江隧道，崇明长江隧道，杭州庆春路隧道，杭州钱江隧道，上海翔殷路隧道、上中路隧道，国外已建成英法海峡隧道、日本东京湾隧道，荷兰绿色心脏隧道等，大型水下盾构隧道建设方兴未艾。
未来我国将在长江、黄浦江、珠江、钱塘江、黄河等流域继续建设水下盾构隧道的同时，发展穿越海湾海峡等近海海底水下盾构隧道工程，特别是穿越渤海湾、杭州湾、胶州湾、北部湾、莱州湾、琼州海峡、台湾海峡、东海舟山群岛等海域的水下隧道工程已是大势所趋，盾构法水下隧道已呈现出向大断面、大幅宽、高水头、长距离发展的总体趋势。
伴随着我国水下盾构隧道的不断建设，隧道工程界获得了大量水下盾构法隧道设计与施工的实践经验与技术积累。
如肖清明[1]等针对南京长江隧道拟定的4种分块方案进行了综合分析和选择；夏松林[2]研究了广州狮子洋隧道大断面原型管片衬砌结构通缝式拼装在不同水土压作用下的整体受力规律与破坏特征；姜安龙[3]针对沪崇苏通道南港隧道实际工程，开展了大直径盾构隧道管片结构理论分析；张建刚[4]等提出了适用于复杂接缝面管片接头的改进条带算法，研究了不同螺栓连接方式、不同承压衬垫方式、不同防水垫方式和不同接触状态下管片接头的力学特征；封坤[5]等对南京长江隧道原型管片衬砌结构进行了试验研究，探讨了大型水下盾构隧道结构在通缝和错缝拼装方式下的不同破坏形态；张小冬[6]等结合拟建的哈尔滨松花江隧道，对隧道周围土体及衬砌变形的力学性状进行了研究；张冬梅[7]等结合上海长江隧道衬砌结构整环试验，研究了考虑接头力学特性的盾构隧道衬砌结构计算方法。
盾构隧道衬砌内力计算模型比较分析
结构的受力。
图３ 梁一 弹簧模型示意图
２ ２ 铁道勘 测与设计 Ｒ ｌ ＹＳ Ｒ Ｅ Ｎ Ｅ Ｉ Ｎ ２ ｏ （ ） ＡＬ ＷＡ Ｕ Ｖ ＹＡ Ｄ Ｄ ＳＧ ｏ ６ ４
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季大雪：盾构隧道衬砌内力计算模型比较分析
影 响管片接头力学行为 的参数 主要 为管片接头抗
弯刚度系数 Ｋ Ｍ／ （ Ｏ＝ Ｏ 即接头产生单位转角所需 弯矩） ｅ 综合反映了盾构隧道接头性能及其在 ，Ｋ
需要修建地铁 、公路隧道 、水底隧道甚至海底 隧
道等 。盾 构是修建 城市 隧道最常用 的施 工机械 。 盾 构法隧道优势明显 ：对环境影 响小 、不影响 地
面交通和航道通行 ，无空气 、噪声 、振动等污染
匀质 圆环模型不考虑 管片接 头的弯 曲刚度降 低 ，认为管片环是具有和管片主截面相同刚度 Ｅ ， Ｉ
图 １ 匀质 圆环模 型荷载 模式
铁道勘测与设计 Ｒ Ｉ ＹＳ Ｒ Ｅ ＮＤＤ ＳＧＮ ２ ０ （ ＡＬ ＷＡ Ｕ Ｖ Ｙ Ａ Ｅ Ｉ ０ ６ ４） ２ １
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铁道勘测与设计
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盾 道 砌内 计 模型比 分 季 雪 构隧 衬 力 算 较 析 大
技术应用 、 研究
盾构 隧道衬砌 内力计算模型 较分析 匕
季大 雪
（ 铁道第 四勘察设计院城建院 武汉 ４０６） ３０３
［ 要】 详细论述了盾构隧道村砌结构设计中常用的两种计算模型：匀质圃环模型和粱一弹簧模型；结合 目 摘 前正
盾构隧道管片衬砌的内力分析
文章编号:1004—5716(2002)05—94—03中图分类号:U455143 文献标识码:B 盾构隧道管片衬砌的内力分析肖龙鸽,薛文博(中铁隧道集团三处有限公司,广东乐昌512250)摘 要:结合上海市大连路越江隧道的工程特点,采用结构力学解析方法及多种计算模型进行了越江隧道盾构管片衬砌的内力计算,通过对衬砌内力的分析,为目前城市地铁区间盾构隧道管片衬砌内力计算探索出了一条计算模式。
关键词:盾构隧道;管片;衬砌;内力分析1 工程概况上海市大连路越江隧道横穿黄浦江,根据隧道所穿越土层的工程地质、水文地质条件而采用盾构法施工,衬砌采用单层装配式钢筋混凝土衬砌,衬砌外径为 11.040m,衬砌厚度δ= 55cm。
根据地质资料,浦东段沿线地基土按其岩性、时代、成因及物理力学性质差异从上至下可划分为10层,其工程地质特性如下:(1)人工填土层:以杂填土为主,部分素填土。
(2)褐黄～灰黄色粉质粘土:可塑～软塑状,中～高压缩性。
(3)灰色淤泥质粉质粘土:流塑,高压缩性。
(3—a)灰色粉质粘土:很湿～湿,中压缩性。
(4)灰色淤泥质粘土:流塑,高压缩性。
(5—1)灰色粘土:软塑状,高压缩性。
(5—2)灰色粉质粘土:可塑,中压缩性。
(6)暗绿～草黄色粘土:可塑～硬塑状,中压缩性。
(7-1)草黄色砂质粉土:湿,中密,中压缩性。
(7-2)草黄色粉细砂:湿,密实,中压缩性。
2 管片衬砌的内力分析2.1 概述地下结构设计和进行力学计算的模型和方法较多,目前主要采用荷载结构法设计模型和荷载结构法进行计算。
荷载结构法认为地层对结构的作用只是产生作用在地下结构上的荷载,以计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形,荷载结构法又可区分为两类:局部变形理论计算法和共同变形理论计算法。
图1为圆形衬砌常用计算方法的计算简图,其中,图1(a)表示周边承受主动荷载的自由变形圆环,对于松软地层可按自由变形圆环计算内力,图1(b)所示的圆环在侧向作用有弹性抗力,在坚硬地层中圆形衬砌结构内力计算必须考虑弹性抗力的作用。
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”。
盾构衬砌管片接头内力变形统一模型及试验分析
盾构衬砌管片接头内力变形统一模型及试验分析一、内容概要随着城市地铁建设的发展，盾构施工技术已经成为地铁隧道工程的主要施工方法。
然而盾构施工过程中的管片接头是影响隧道结构安全和使用寿命的关键因素之一。
为了解决这一问题，本文对盾构衬砌管片接头内力变形进行了统一模型的研究，并通过试验分析验证了模型的有效性。
首先本文从管片接头的结构特点出发，分析了管片接头在盾构施工过程中所受到的外力作用，包括盾构机推进力、土压力、地下水压力等。
在此基础上，建立了考虑这些外力的管片接头内力变形统一模型，该模型能够全面描述管片接头在不同工况下的内力变形规律。
其次为了验证模型的有效性，本文采用实验室试验的方法，对不同类型的管片接头进行了静载荷试验。
通过对试验数据的分析，得出了管片接头在不同工况下的内力变形分布规律，以及关键参数对内力变形的影响程度。
同时根据试验结果对模型进行了修正和完善。
本文结合实际工程案例，对所建立的模型进行了验证。
通过对实际施工中的管片接头内力变形的监测数据进行分析，证实了模型的有效性和实用性。
此外本文还提出了针对不同类型管片接头的内力变形控制措施，为盾构施工提供了有针对性的技术指导。
1. 研究背景和意义随着城市化进程的加快，盾构施工技术在地下工程中的应用越来越广泛。
盾构施工过程中，管片接头是连接盾构机与隧道壁的关键部件，其性能直接影响到隧道的结构安全和使用寿命。
然而目前关于盾构衬砌管片接头内力变形的研究尚不完善，主要集中在理论分析方面，而实际应用中的效果评价和改进措施仍需进一步探讨。
因此建立一套统一的盾构衬砌管片接头内力变形模型，以指导实际工程应用，具有重要的理论和实践意义。
首先研究盾构衬砌管片接头内力变形统一模型有助于提高工程质量。
通过对管片接头内力变形规律的深入研究，可以为工程设计提供更为精确的理论依据，从而降低工程风险，确保工程质量。
此外该模型还可以为施工过程中的质量控制提供技术支持，有助于提高施工效率和降低成本。
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地层时代 及成因
Q 4m l Q4h Q 4 al
土层地质参数表
岩 (土 )层 名称 杂填土 ① 素填土 ② 淤泥质土 ③ 粉砂 ④ 粉质粘土 ⑤ 粉土 ⑥ 细砂 ⑦ 残积粉质粘土 ⑧ 重度
/ kN /m 3 18. 6 19. 4 19. 1 18. 9 18. 8 19. 5 19. 6 19. 0
[1 ] [3 ]
度 、接头螺栓内力传递和外荷载分布形式的不同力学 假定 , 计算 模 式 又 主 要 分 为 惯 用 法 (均 质 圆 环 模 型 ) 、修正惯用法 (等效刚度圆环模型 ) 、多绞圆环 法 (自由绞圆环模型 ) 和梁 — 弹簧模型 (弹性绞圆 环模型 ) 法等四种设计方法 。 211 惯用法 (均质圆环模型 ) 惯用法假设管片环是弯曲刚度均匀的环 , 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 , 并基于
大断面过江隧道盾构管片内力计算对比分析
李 鹏 , 向 勇 , 张家元 ( 11 湖北省交通规划设计院 , 湖北 武汉 430051; 21 武汉市公路工程咨询监理公司 , 湖北 武汉 430051 )
1 2 1
摘要 : 在对盾构隧道衬砌结构设计中普遍采用的惯用法 、修正惯用法 、多绞圆环法和梁 — 弹 簧模型法进行详细阐述的基础上 , 以长沙某过江隧道工程为研究对象 , 借助 ANSYS有限元软件 APDL 语言编制了修正惯用法 、多绞圆环法和梁 — 弹簧模型法的计算程序 , 并分别对不同分块方 案时管片环最大变形量 、轴力 、弯矩及剪力等的大小 、分布规律进行了系统研究 , 以探明不同设 计方案 、计算分析方法下的管片环内力分布 。 关键词 : 盾构隧道衬砌 ; 惯用法 ; 修正惯用法 ; 多绞圆环法 ; 梁 — 弹簧模型
2 盾构隧道结构计算方法特征分析
3 收稿日期 : 2010 2 03 2 17
力 , 而是施加弹簧单元来自动计算最大水平反力 , 两 者计算结果基本吻合
[4 ]
。惯用法由于忽略了衬砌接头
的影响 , 并且土层抗力只考虑拱腰部分 , 这使得计算 结果偏于保守计算出的管片环变形量偏小 , 导致在软 弱地基中计算出的管片截面内力过小 , 而在良好地基 条件下计算出的内力又过大 。 212 修正惯用法 (等效刚度圆环模型 ) 对于十分密实的土层 , 由于土壤的水平抗力起到 了有效的作用 , 衬砌环承受的弯矩不大 , 采用惯用法 进行设计计算没有问题 。但随着密闭式盾构的快速发
厚度
/m 4. 9 2. 1 3. 4 5. 1 1. 6 3. 1 1. 5 0. 8
静止侧压力 系数 / K
0. 64 0. 65 0. 60 0. 59 0. 61 0. 40 0. 35 0. 45
基床系数
/MPa /m 4. 0 3. 0 2. 8 18. 0 12. 0 16. 0 20. 0 17. 0
表 4
计算 模式 梁— 弹簧 模型法 多绞环法
rad 。多绞圆环法计算中 , 受绞结构传力特性影响 ,
[9]
取多绞圆环计算法中管片接头抗弯刚度 K θ+ = K θ- = 0。对于纵向接头 , 不同计算模型中其径向抗剪刚度
Kr 和切向抗剪刚度 Kt , 按偏于安全方面考虑均取为
无穷大 , 即认为各环管片在纵向接头处不产生错动 。 4 计算结果及对比分析 采用修正惯用法 、多绞圆环法和梁 — 弹簧模型计 算的管片内力结果见表 3, 从表 3 可以看出 , 上述五 种分块方式结构内力有一定差别 , 其中 “ 等分 9 块 ” 内力最小 , “6 + 1 模式 ”最大 ; 从防水要求看 , 分块 数越少 、结构刚度越大越有利 ; 从本隧道所需推力分 析 , 千斤顶数量不宜小于 36 个 , “ 等分 7 块 ”方式 不利于千斤顶布置 (需 3 个一组 , 否则千斤顶需压 缝 ) ; 从缩短拼装时间 , 加快施工进度看 , 管片长度 不宜过大 , “6 + 1 分块 ”和 “ 等分 7 块 ”分块模式 最大块外弧长均超过 5m , 不利于制作和运输 ; 从满 足通用楔形环的基本拼装要求看 , “6 + 1 模式 ”和 “8 + 1 模式 ”在直线地段拼装不方便 。经综合分析比 较 , 本次设计推荐采用 “7 + 1 模式 ” , 即分块形式为 ) + 2B ( 49109 ° ) + K ( 16137 ° ) , 一环 5A ( 49109 ° 内纵向采用 22 个等圆心角布置 。
2 2 2 2 2 56. 84 51. 43 49. 09 43. 20 40. 00 18. 96 51. 42 16. 37 14. 40 40. 00
结合盾构隧道中心埋深和所处地质条件 , 针对上 述设计分块方案 , 选取覆土厚度最大的断面 , 分别采 用修正惯用法 、多绞圆环法和梁 — 弹簧模型法对管片 环结构变形和内力分布进行计算 。
Q
el
由于本隧道可能穿越溶洞地区 , 地层软硬不均 , 需适当提高结构的整体刚度 , 因此推荐采用错缝拼装 方式 , 特殊需要时也可局部采用通缝拼装 。管片设计 参数包括宽 , 衬砌分块 , 管片厚度 , 封顶块的接头角 度和插入角度及衬砌环楔形量等 。为合理确定本隧道 的管片参数 , 本次设计对管片环分块进行了多方案比 较 。从通用楔形环的特点出发 , 并考虑盾构千斤顶的 布置 , 本次设计共考虑了五种分块方式 , 均采用错缝 拼装 。分块方式如表 2 所示 。
W inkler理论 , 假设地层反作用仅在水平方向的正负 45 ° 范围内按三角形规律分布 ; 也可以不先加水平抗
, 而国外主要采用多绞圆环法
[2 ]
和梁 — 弹簧模型
。对盾构隧道管片衬砌结构进行内力计算和结构
设计 。不同设计方法对盾构隧道管片接头力学性能的 假设不尽相同 , 从而使得工程设计过程中因设计者采 用不同设计方法计算所得控制衬砌结构设计的力学参 数 , 如结构变形 、内力大小及分布等产生较大差异 , 导致设计过于保守或偏于不安全 。鉴于此 , 本文以长 沙某过江隧道工程为背景 , 分别运用修正惯用法 、多 绞圆环法和梁 — 弹簧模型法对在不同管片环分块方案 时盾构隧道衬砌结构变形和内力分布等设计因素进行 系统研究和比较 , 以探明不同设计方案 、计算分析方 法下的盾构隧道管片环内力分布 , 为工程优化设计提 供参考 。
1 概 述
目前 , 国内外盾构隧道衬砌结构设计主要以荷载
- 结构计算模式为主 。根据计算过程中对管片接头刚
盾构隧道圆形衬砌是由管片用螺栓连接而成的管 片环 , 由于接头的存在 , 使管片环刚度降低 , 易于变 形 , 如何评价管片接头性能对衬砌环截面内力的影响 是一个重要问题 。根据工程设计中对管片接头的不同 力学处理方式 , 国内外盾构隧道管片衬砌结构设计方 法主要可分为惯用法 、修正惯用法 、多绞圆环法和梁 — 弹簧模型法等四种 。我国主要采用修正惯用法或在 依据已有工程经验的基础上采用工程类比法进行设 计 法
— 70 —
华
东
公
路
2010 年第 3 期
计算中主要考虑的荷载有 : 结构自重 , 混凝土管 3 片按 2610 kN /m 考虑 , 垂直水 、土压力与水平水 、 土压力 , 该断面处根据土层地质特性采用水土合算 。 本次计算中 , 盾构管片衬砌厚度为 0150 m , 幅 宽 110 m。管片衬砌 C 50 钢筋混凝土弹性模量 E = 4 3145 × 10 M Pa, (修正 ) 惯用法计算中 , 管片弯曲刚 [2 ] 度有效率 η = 0170, 弯矩提高率 ξ = 0130 。梁 — 弹 簧模 型 法 计 算 中 , 接 头 正 抗 弯 刚 度 K = 6 1 38 × θ+
10 kN ・M / rad, 负抗弯刚度 K 10 kN ・M / θ- = 4 151 ×
4 4
由表 3、表 4 可知 , 管片衬砌同是通缝拼装时 , 计算的弯矩和剪力值 , 多绞接圆环法最小 、修正惯用 法最大 、而采用梁 — 弹簧模型法的计算结果介于两者 之间 ; 相反 , 相应轴力和变形量是多绞圆环法最大 、 修正惯用法最小 、而采用梁 — 弹簧模型法计算的结果 介于两者之间 。由图 2 可看出 , 采用多绞圆环法计算 的弯矩分布图中 , 环向接头处的弯矩为 0; 而采用修 正惯用法计算的弯矩分布图中 , 环向接头处的弯矩却 很大 ; 采用梁 — 弹簧模型法计算的弯矩分布图中 , 环 向接头处的弯矩有所减小 。这说明管片内力和变形的 差异主要是由于管片环向接头的抗弯刚度选取的大小 决定的 。多绞圆环法中由于未考虑管片环向接头的抗 弯刚度 , 计算的管片变形量最大 。而修正惯用法中环 向接头的抗弯刚度取值最大 , 因此其计算的管片变形 量最小 。梁 — 弹簧模型法环向接头的抗弯刚度适中 , 因此计算的管片变形量介于多绞圆环法和修正惯用法 之间 。
表 2
分块方式 ① ② ③ ④ ⑤
6 + 1 分块 等分 7 块 7 + 1 分块 8 + 1 分块 等分 9 块
盾构管片分块方式
标准块 (A) 块数 /个 圆心角 / °
4 4 5 6 6 56. 84 51. 43 49. 09 43. 20 40. 00
邻接块 (B) 封顶块 ( K) 块数 /个 圆心角 / ° 圆心角 / °
降以及衬砌环的错缝拼装效应 , 理论上这种模型能更 为精确的描述衬砌结构的受力 。目前 , 该设计方法所 [ 9, 10 ] [ 11 ] 用各类刚度系数主要通过接头试验 或经验公式 确定 。
3 工程实例概况
长沙某过江隧道工程场地区属湘中丘陵与洞庭湖 冲积平原过渡地带和湘浏盆地 。根据地表出露和钻探 揭露 , 隧址地层主要由第四系人工堆积物 、河床冲积 物 (粉 砂 、亚 粘 土 、细 砂 、圆 砾 ) 和 风 化 残 积 物 (亚粘土 ) 组成 。下伏基岩为元古界冷家溪群板岩 , 局部存在断层破碎带 。隧道工程场地钻孔土层工程地 质参数表如表 1。