盾构隧道管片接头三维有限元分析_陈俊生
盾构隧道混凝土管片受力分析
第３８卷第２４期 ２ ０ １ ２年８月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ Ｖ０１．３８ Ｎｏ．２４ Ａｕｇ． ２０１２ ・１８９・
文章编号：１００９－６８２５（２０１２）２４—０１８９－０２
盾构隧道混凝土管片受力分析
李建平
（腾达建设集团股份有限公司，浙江台州３１８０５０）
摘要：以杭州地铁一号线下沙开发区某区间隧道工程成环管片为研究对象，利用ＡＮＳＹＳ软件建立成环管片数值模型，分析了管
片在土中的受力情况，同时结合在本工程实际施工中管片出现的一些情况，得到较可靠的结论。
关键词：盾构，地铁隧道，管片，ＡＮＳＹＳ
中图分类号：Ｕ４４５．４２ 文献标识码：Ａ
０ 引言
盾构隧道衬砌管片进行数值分析的关键问题在于结构模型
本身是否能反映管片的实际受力状态。目前隧道衬砌管片横向
理论解析分析方法主要有四种：惯用法、修正惯用法、多铰环法以
及梁一弹簧模型 。本文通过ＡＮＳＹＳ有限元分析软件采用梁一
弹簧模型形象的反映管片受到土体力后的变形及弯曲、剪力和轴
力分布情况，了解管片在地层中的受力情况，可以帮助我们提高
管片的拼装质量以及分析隧道成环质量问题病因。
１ 建立管片有限元模型
本工程地铁隧道内径为５．５ ｍ，外径为６．２ ｍ，把一环成型管
片按照梁来考虑，故建立模型直径为（５．５＋６．２）／２＝５．８５ ｍ，在
成型管片的６条接缝处设置弹簧单元来模拟衬砌与地层相互作
用。衬砌混凝土的弹性模量Ｅ＝３４．５ｅ９ Ｐａ，泊松比取０．２。建立
模型见图１。 作用在衬砌圆环上的力采用等效节点力替换 Ｊ。节点力的
计算采用Ｅｘｃｅｌ电子表格进行计算。计算结果见表１。
计算得出衬砌圆环的变形图、弯矩图、轴力图和剪力图，如图
２～图５所示。由位移变形图可以看出，衬砌圆环在地下呈压扁
形状，故成型隧道多为“横鸭蛋”。如果要想得到较好的整圆度，
在拼装时进行有意识的控制为“竖鸭蛋”，即竖直直径略大于设计 直径，水平直径略小于设计直径。从弯矩图看出，成环隧道下面
大断面宽幅盾构管片三维内力分布分析
第30卷第7期 岩 土 力 学 Vol.30 No.7 2009年7月 Rock and Soil Mechanics Jul. 2009
收稿日期：2007-12-12 基金项目：863国家高技术研究发展计划项目（No. 2006AA11Z116）；武汉长江隧道工程专项科研项目（No. WHCJSD/KY/01-01-2005）资助。 第一作者简介：张建刚，男，1974年生，博士研究生，讲师，主要从事盾构隧道设计理论与方法方面的教学和研究工作。E-mail: zjg@
文章编号：1000－7598 (2009) 07－2058－05 大断面宽幅盾构管片三维内力分布分析
张建刚1, 2，何 川1，杨 征1
（1.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031；2.山东农业大学 水利土木工程学院，山东 泰安 271018） 摘 要：以武汉长江隧道工程为例，采用三维壳-弹簧计算模型，对不同幅宽和不同环间接头剪切刚度的管片衬砌结构力学分布进行了分析，并与梁-弹簧模型结果在量值上做了全面比较。研究表明，全环最大弯矩发生在幅宽边缘部位；环间接头剪力对幅宽边缘影响较大，而对幅宽中央影响偏小；当环间接头剪切刚度为非无穷大时，壳模型的幅宽边缘最大弯矩值略微大于梁弹簧模型相应结果，而当无穷大时两者数值则基本相等；壳模型的幅宽中央的最大弯矩值介于梁模型错缝与通缝拼装的数值之间，并随幅宽加大而趋于接近通缝拼装的结果；大幅宽条件下，不宜将梁-弹簧模型的环间最大剪力结果作为环间接头抗剪设计的计算依据。 关 键 词：盾构隧道；管片结构；壳-弹簧模型；管片幅宽；环间接头 中图分类号：U 451+.4 文献标识码：A Analysis of 3D internal forces distribution of wide segment lining
for large-section shield tunnel
盾构隧道管片结构病害特征及治理策略探讨
第3期（总第222期）2022年6月CHINA MUNICIPAL ENGINEERINGＮｏ．３ （Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．２２２）Ｊｕｎ． ２０２２
96盾构隧道管片结构病害特征及治理策略探讨
丁 炜
（上海城建数字产业集团有限公司，上海 201801）
摘要：盾构法隧道是城市暗挖隧道的主要形式之一，随着运营年限的不断增长，病害也日益增多，由此带来的隧道病害治理也成为各界关注的焦点。在病害特征方面，调研不同地区的研究情况可知，软土地区以渗漏水、管片结构裂缝或损坏、接缝张开、横纵向变形为主要病害；非软土地区除以上病害外还会出现管片背后空洞、接缝翻浆冒泥等病害。总体上，盾构隧道管片结构的主要病害为渗漏水、结构损伤和结构变形3大类。根据多年隧道运营养护经验，提出不同服役状态下的治理策略，特别针对渗漏、结构损伤和变形提出以不同形式注浆和结构补强为主的治理方法。在病害治理后，重视病害检测、评估和监测，使隧道始终保持健康运营态势。关键词：盾构隧道；病害修复；检测监测；治理评估中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：1004-4655（2022）03-0096-04
收稿日期：2022-01-19作者简介：丁炜（1980—），男，工程师，本科，主要从事大型道路、桥梁、隧道等基础设施数字化及维护管理。DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2022.03.025
近年来，盾构法已广泛运用于我国公路、铁
路、轨道交通等地下交通设施，成为至关重要的隧
道施工技术。管片是盾构隧道的结构主体，决定隧
道的运营安全和服役时间。在隧道正常运营期，管
片结构长期受到地下水、地表振动、温度等环境影
响，不可避免产生一些病害。由于地质条件、建造
水平、建造年代等不同，管片结构病害特征存在一
些差异，因此相应的治理策略也会略有不同。
本文基于多年隧道养护经验，对管片结构在运
营期的各类病害进行总结和归纳，通过构建“病害
分析—病害治理—治理后评估”的治理体系，为盾
盾构隧道管片接头受力的精细化三维有限元分析
中圄’放ｚ 欧阳文彪：盾构隧道管片接头受力的精细化 维有限元分析 ２０１ ４年第４期
模型简化，首先要忽略螺栓孔对管片的削弱作
用；其次，将手孔形状从弧形曲面简化成较简单的
直角相交平面，忽略接头间设置的橡胶衬垫等次要
部件。管片接头迎水面设置的橡胶密封垫在分析中
简化成单向受压非线性弹簧进行模拟，弹簧受压时
的压力一压缩量数据由试验数据或有限元数值模拟
分析提供。
隧道衬砌管片接头中，网格划分均采用
ＡＢＡＱＵＳ单元库中的三维六面体八节点缩减积分单 元（Ｃ３Ｄ８Ｒ ｏ该单元具有更高的分析精度，划分
较少数量的单元可以达到与大量四面体单元相同的
效果，采用的接头模型总共约２５ ０００个单元。
１．２材料本构模型及参数 １）弹性橡胶密封垫。橡胶密封垫受压时的装
配力一压缩量曲线通过橡胶密封垫压缩试验获取； 此外通过显式有限元进行计算 ］。由于弹性橡胶密
封垫的材料具有复杂的非线性特性，又存在大变
形、复杂接触等问题，收敛比较困难。在管片接头
力学特性的数值模拟分析过程中，为平衡计算速度
及计算精度，将弹性橡胶密封垫等效成一个非线性
弹性单向受压弹簧。
２）混凝土、钢螺栓、橡胶薄片等弹性材料的 模拟。盾构隧道衬砌管片混凝土材料、连接接头的
钢质高强螺栓、橡胶止水密封垫外侧混凝土缝隙之
间粘贴的橡胶薄片等均采用弹性材料模拟。混凝土
材料弹性模量Ｅ取３４．５ ＧＰａ，泊松比取０．１６７；钢
的弹性模量 取２１０ ＧＰａ，泊松比取０．３：止水密
封垫外侧的橡胶薄片弹性模量Ｅ取２５０ ＭＰａ，泊松 比取０．３５。 ３）接触面参数设置。盾构隧道衬砌管片接头
两侧接触面切向力学特性采用各向等向Ｃｏｕｌｏｍｂ定
律，摩擦因数０．８；法向力学特性采用“硬接触”
（”Ｈａｒｄ”Ｃｏｎｔａｃｔ）模式，选用默认的接触面初始位
置控制方法。螺栓在套筒部分的单元用ＡＢＡＱＵＳ 中的嵌入（“Ｅｍｂｅｄｄｅｄ”）约束方式嵌入管片单元
盾构隧道管片接头抗弯刚度的三维数值计算_陈俊生
第31卷第4期铁道学报Vol.31No.42009年8月JOURNALOFTHECHINARAILWAYSOCIETYAugust2009
文章编号:1001-8360(2009)04-0087-05
盾构隧道管片接头抗弯刚度的三维数值计算
陈俊生1,2,莫海鸿1,2
(1.华南理工大学土木与交通学院,广东广州510640;2.亚热带建筑科学国家重点实验室,广东广州510640)
摘要:管片接头是装配式盾构隧道的关键部分,其抗弯刚度对管片环的内力及整体性能均有重要的影响,使得接头抗弯刚度的取值显得尤为重要。本文以广州地铁盾构隧道使用的管片为研究对象,采用三维有限元法,利用通用有限元软件ADINA,在建立精细有限元模型的基础上,计算得到正负两方向及不同偏心距荷载下接头变形的特点和接头的抗弯刚度。从而可知,正弯曲刚度具有一定的非线性性质,线性回归得到的刚度量值为1236.7kNm/rad;负弯曲刚度曲线为线性,线性回归得到的刚度量值为2295.1kNm/rad。接头刚度受接头内力组合的偏心距影响,偏心距越大,接头刚度越大。在接头的模拟计算中,有必要建立和实际相同的数值模型,从而避免各种误差。关键词:盾构隧道;管片接头;抗弯刚度;三维有限元分析中图分类号:U231.1;U451文献标志码:Adoi:10.3969/j.issn.1001-8360.2009.04.015
Three-dimensionalFEMAnalysisonFlexuralRigidityof
SegmentJointsinShieldTunnel
CHENJun-sheng1,2,MOHa-ihong1,2
(1.Dept.ofCivilEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China;2.StateKeyLaboratoryofSubtropicalBuildingScience,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)
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)
摘要
摘要
ｌ由于交通的日益密集，地下交通方式成为缓解城市交通的重要途径。而在
城市中修建隧道有些情况下只能采用盾构法。盾构隧道由于其独特的优势而得到了广泛的采用。ｒ卜
本学位论文可分为两部分。
第一部分包括第二、三、四章。主要介绍盾构隧道衬砌计算的理论知识，
并通过两种方法对盾构隧道衬砌内力进行了计算，即均质圆环法和有限元法。
并编制了相应的计算程序。程序不仅包括用两种方法进行内力计算，还包含管
片和接头的强度校核（或进行截面设计计算）。
第二章介绍了均质圆环法的理论基础。均质圆环法由于其思路清晰、算法
简单而得到了广泛的采用。而且通过结果比较，其算出的弯矩最大，因此最安
全。
第三章介绍了用杆系有限元计算的理论基础及内力校核的方法。有限元法
计算出的弯矩小于均质圆环法计算的弯矩，轴力几乎相同。这主要是因为二者
在地层反力作用方式上的区别，有限元法的地层反力比均质圆环法更为合理。
因此这种算法比较经济。
第四章用这两种方法对具体实例进行了计算，并对三种结果进行了比较分析，得到了一些有益的结论。
第二部分包括第五章，介绍了用ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ语言对管片内力计算程序（均
质圆环法和有限元法）进行界面处理，如通过界面进行数据输入、查看结果
文件和绘制最后的内力图，使用起来更为方便。
关键词：盾构法ｉ均质圆环法；有限元Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｅｓｕｂｗａｙｈａｓｂｅｅｎｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｍｅｔｈｏｄｔｏｒｅｌｅａｓｅｔｈｅｄｅｎｓｅｔｒａｆｆｉｃｉｎｔｈｅｃｉｔｙ．ＳｏｍｅｔｉｍｅｓｔｈｅｔｕｎｎｅｌＣａｌｌｏｎｌｙｂｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｂｙｓｈｉｅｌｄｍｅｔｈｏｄｉｎｔｈｅｃｉｔｙ．Ｔｈｅｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙａｄｏｐｔｅｄｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｕｎｉｑｕｅａｄｖａｎｔａｇｅ．Ｔｈｅｒｅａｒｅｔｗｏｐａｒｔｓｉｎｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ．
Ｔｈｅｆｉｒｓｔｐａｒｔ，ｗｈｉｃｈｉｎｃｌｕｄｅｓＣｈａｐｔｅｒ２，Ｃｈａｐｔｅｒ３ａｎｄＣｈａｐｔｅｒ４，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅ
盾构隧道管片力学特性三维有限元分析
第１２卷第８期２０１２年３月 １６７１—１８１５（２０１２）０８－１７９５—０６ 科学技术与工程 Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．１２ Ｎｏ．８ Ｍａｒ．２０１２ ⑥２０１２ Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｒｇ．
建筑技术
盾构隧道管片力学特性三维有限元分析
陈俊生 ， 莫海鸿 ， 黎振东。
（华南理工大学土木与交通学院 ，亚热带建筑科学国家重点实验室 ，广州５１０６４０ 广州安德建筑构件有限公司 ，广州５１１４３０）
摘要 采用三维有限元法，以广州地铁使用的管片为研究对象，将管片在施工阶段受到的千斤顶顶力、不均匀注浆压力和 正常使用阶段受到的土压力、水压力、周围土层的弹性抗力概化为５种荷载，共１Ｏ个计算模型，利用通用有限元软件ＡＤＩＮＡ， 分析了单块管片的应力、裂缝分布、极限荷载与薄弱之处。计算结果表明：管片的制作和安装精度极大地影响了管片在施工 状态时应力分布；环缝面的不平整更容易造成管片的应力集中而产生开裂，裂缝主要沿盾构推进方向发展；正常使用状态下 管片的薄弱之处为螺栓孔，裂缝主要在螺栓孔及其附近区域出现；比较各阶段的裂缝发展形式可以认为，管片在施工阶段所 需配筋量在一般情况下成为控制配筋量，在正常使用阶段，配筋所起作用不显著。 关键词 盾构隧道 管片 力学特性 三维有限元分析 中图法分类号ＴＵ３１１．１； 文献标志码Ａ
管片是盾构隧道管片环的主体结构。从施工
到正常使用的过程中，管片一般承受的荷载包括主
要荷载（竖向与水平土压力、水压力、自重、超载重
和周围土层的弹性抗力）、次要荷载（内部荷载、施
工期荷载和地震效应）和特殊荷载（相邻隧道的影
响、地基沉降的影响和其他荷载）。其中施工荷载
主要是盾构千斤顶顶力、注浆压力和管片举重臂操
作的荷载 Ｊ。
以广州地铁为例，目前已完工的盾构隧道管片
含钢量为（１２８～１６５）ｋｇ／ｍ ，采用不同的含钢量，将
非均匀注浆盾构隧道管片纵缝错台量三维有限元分析
第３３卷第７期 ２０１３年７月 避莲 设 Ｔｕｎｎｅｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｖ ０１．３３ Ｎｏ．７ Ｊｕｌｙ ２０１３
非均匀注浆盾构隧道管片纵缝错台量三维有限元分析
许倩倩 一，王媛 ２
（１．河海大学岩土力学与堤防工程教育部重点实验室，江苏南京２１００９８；
２．河海大学土木与交通学院隧道与城市轨道工程研究所，江苏南京２１００９８）
摘要：注浆压力是造成管片纵缝错台的主要原因之一，通过ＡＢＡＱＵＳ软件建立三维有限元模型对该因素导致管片的纵缝错台量进
行计算。模型考虑了土层、注浆层、管片、螺栓之间的互相作用，同时结合实际工程考虑浆液因扩散对管片造成的压力，对管片布置 浆液压力荷载。分别计算了４孑Ｌ对称注浆，注浆压力在０～０．５ ＭＰａ范围变化时均匀注浆、非均匀注浆工况下管片纵缝错台量。结
果表明：非均匀注浆对封顶块和邻接块问错台量影响较大，且注浆压力不均匀程度越大该接缝错台量越大，最大错台量达到１－３５ ｍ：对隧道拱腰处接缝错台影响较小，均为０．１ ｍｍ左右。拱底管片接缝错台受下部注浆孑Ｌ注浆作用影响较大，下部注浆孔无注浆
时错台量最大值达到０．７５ ｍｍ。相对于前人研究多重凼素下的管片极限错台量１０ ｍｒｎ，非均匀注浆因素造成的管片纵缝错台不容
忽视。 关键词：盾构隧道；管片；纵缝错台；均匀注浆；非均匀注浆；三维有限元分析
ＤＯＩ：１０．３９７３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—７４１Ｘ．２０１３．０７．００７ 中图分类号：Ｕ ４５９ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７２—７４１Ｘ（２０１３）０７—０５６７—０６
３ Ｄ ＦＥＭ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｅｇｍｅｎｔｓ ｏｆ
Ｓｈｉｅｌｄ．ｂｏｒｅｄ Ｔｕｎｎｅｌｓ ｕｎｄｅｒ Ｎｏｎ—ｕｎｉｆｏｒｍ Ｇｒｏｕｔｉｎｇ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ
ｘｕ Ｑｉａｎｑｉａｎ ，ＷＡＮＧ Ｙｕａｎ ，
盾构隧道管片钢筋力学行为初探
四川建筑科学研究 Ｓｉｃｈｕａｎ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ 第３９卷第３期 ２０１３年６月
盾构隧道管片钢筋力学行为初探
陈俊生，莫海鸿
（华南理工大学建筑学院，广东广州５１０６４０）
摘要：钢筋混凝土管片是盾构隧道最基本的结构单元，钢筋作为管片的主要组成部分，其力学行为影响管片配筋 形式及配筋量，从而影响盾构区问隧道的造价。本文以广州地铁使用的管片为研究对象，利用大型通用有限元软 件ＡＤＩＮＡ，计算了单块管片在施工阶段受到千斤顶顶力作用时的钢筋应力；同时，将整环管片在正常使用阶段受到 的土压力、水压力及周围土层的弹性抗力抽象为７种荷载，计算了整环管片模型下管片钢筋的应力。计算结果表 明，管片的制作和安装精度明显影响了管片在施工状态时的钢筋应力，存在制作或施工误差的管片，其钢筋应力为 无误差管片的２．３～４．７倍，但两种情况的钢筋应力均处于较低的水平；在正常使用阶段，考虑接头的整环模型管 片钢筋的最大拉应力为７３．３ ＭＰａ，最大压应力为６７．７ ＭＰａ，分别相当于钢筋强度设计值的２４．４％和２２．６％。施工 阶段管片钢筋应力水平与正常使用阶段钢筋应力水平并无明显区别。为进一步了解管片配筋的力学行为，还需要 研究管片及其配筋在长期荷载作用下的力学行为，在保证隧道耐久性的前提下，合理的使用钢筋。 关键词：盾构隧道；管片钢筋；力学行为；三维有限元分析 中图分类号：ＴＵ３１１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００８—１９３３（２０１３）０３—０４４—０６
Ｐｒｉｍｉａｒｙ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｒｅｂａｒ ｉｎ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌ ｓｅｇｍｅｎｔｓ
ＣＨＥＮ Ｊｕｎｓｈｅｎｇ，ＭＯ Ｈａｉｈｏｎｇ
（Ｄｅｐｔ．ｏｆ Ｃｊｖｊ１ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６４０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔｅｅｌ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｓｅｇｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｕｎｉｔｓ ｉｎ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅ１．Ｓｔｅｅｌ ｉｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｓｔｉｔｕｅｎｔ ｏｆ ｓｅｇｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｏｆ ｒｅｂａｒ ｉｎ ｓｅｇｍｅｎｔｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｌａｙｏｕｔ ａｎｄ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｃｏｓｔ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅ１．Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｐｒｏｇｒａｍ ＡＤＩＮＡ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｒｅｂａｒ ｕｎｄｅｒ ｊａｃｋｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｉｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｅｒｉｏｄ．Ｔｈｅ ｌｏａｄｉｎｇｓ ｉｎ ｒｅｇｕｌａｒ ｓｅｒｖｉｃｅ ｐｅｒｉｏｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｅａｒｔｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｅｌａｓｔｉｃ ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｏｕｔｅｒ ｓｏｉｌ，ｗｅｒｅ ａｂｓｔｒａｃｔｅｄ ｉｎｔｏ ７ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｌｏａｄｓ．Ｏｎｅ ｓｅｇｍｅｎｔ ｒｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｗｉｔｌｌ ＡＤＩＮＡ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅｓｅ ａｂｓｔｒａｃｔｅｄ ｌｏａｄｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｇｍｅｎｔｓ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｔｈｅ ｒｅｂａｒ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｅｒｉｏｄ．Ｒｅｂａｒ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈ ｉｎａｃｃｕｒａｃｙ ｉｓ ２．３～４．７ ｔｉｍｅｓ ｌａｒｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｉｎ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈｏｕｔ ｉｎａｃｃｕｒａｃｙ．Ａｃｔｕａｌｌｙ．ｔｈｅ ｒｅｂａｒ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｔｗｏ ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｓ ｉｎ ｌｏｗ ｓｔｒｅｓｓ ｌｅｖｅ１．Ｉｎ ｒｅｇｕｌａｒ ｓｅｒｖｉｃｅ ｓｔａｇｅ，ｍａｘｉｍｕｍ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈ ｊｏｉｎｔｓ ｉｓ ７３．３ ＭＰａ；ｍａｘｉｍｕｍ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ｍｏｄｅｌ ｔｈ ｊｏｉｎｔｓ ｉｓ ６７．７ ＭＰａ．Ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｌｅｖｅｌ ｉｎ ｒｅｇｕｌａｒ ｓｅｒｖｉｃｅ ｓｔａｇｅ ｉｓ ｌｏｗ．Ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｎｏ ａｐｐａｒｅｎｔ ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ｓｔｒｅｓｓ ｌｅｖｅｌ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ ａｎｄ ｒｅｇｕｌａｒ ｓｅｒｖｉｃｅ ｓｔａｇｅ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｋｎｏｗ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｒｅｂａｒ ｃｌｅａｒｌｙ，ｔｈｅ ｌａｔｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｍａｙ ｗｏｒｋ ｏｎ ｓｅｇｍｅｎｔｓ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｕｎｄｅｒ ｌｏｎｇ ｔｅｒｍ ｌｏａｄｉｎｇｓ，ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｐｒｅｃｉｓｅ ｒｅａｓｏｎ ｆｏｒ ｕｓｉｎｇ ｒｅｂａｒ ｒｅａｓｏｎａｂｌｙ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ ｐｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌ；ｒｅｂａｒ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ
盾构隧道衬砌接头刚度有限元分析
第３９卷第ｌ０期 ２ ０ １ ３年４月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ Ｖ０１．３９ Ｎｏ．１０ Ａｏｒ．２０１３ ・１８１・
文章编号：１００９—６８２５（．２０１３）１０－０１８１—０３
盾构隧道衬砌接头刚度有限元分析
吴兰婷 兰 宇 曾东洋
（１．北京城建设计研究总院有限责任公司，北京１０００３７：２．重庆高速公路集团有限公司，重庆４ＯＯ０ＯＯ： ３．中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安７１００５４）
摘要：接头刚度是装配式衬砌结构设计的一个重要参数，通过有限元分析软件ＡＮＳＹＳ建立了管片接头的平面和空间有限元模
型，应用所建立的模型对影响接头刚度的主要因素即管片与管片之间垫层材料的性能和厚度、连接螺栓预紧力的大小及管片接头
不同的受力状态进行了系统的分析，为盾构隧道管片设计提供了参考。
关键词：接头刚度，盾构隧道，有限元分析
中图分类号：Ｕ４５５．４３ 文献标识码：Ａ
１ 概述
盾构隧道技术是现代地下工程中广为采用的一种技术，由于
其衬砌结构的特殊性和结构受力的复杂性，使得管片设计有很大
难度。隧道衬砌是一种预制的管片构件拼装结构，环向与纵向管
片仅用螺栓连接，其结构形态具有典型非线性特征。接头是装配
式管片衬砌的薄弱环节，它很大程度上控制着衬砌结构整体的变
形和承载力，因此接头的强度计算是整个结构计算中的重点内
容。表示管片接头处变形和受力的特征参数是接头刚度，它定义
为接头产生单位转角所需的弯矩。这一特征参数的特性对于衬
砌隧道的受力状态和变形具有非常大的影响，因此管片的接头刚
度是设计中一个十分重要的参数。影响接头刚度的因素很多，主
要有：接头的构造、连接螺栓的布置、管片与管片之间垫层材料
的性能和厚度、连接螺栓的预紧力的大小与接头不同的受力状
态等。
本文作者通过大型有限元计算软件，对影响接头刚度的因素
进行了分析研究，并对这些影响因素提出了见解。