广州地铁盾构区间管片开裂计算分析_图文

1、计 算 书工程名称：设 计 号： 设计阶段： 设计内容： 盾构计 算 人： 校 对 人： 审 核 人： 广州地铁某区间施工图设计 150-153号管片开裂计算分析年 月 日项 目：目 录1、工程概况. 2 2、工程地质与水文地质. 22.1 破损地段工程地质概述. 2 2.2 水文概况. 2 3、管片破损情况. 5 4、破损原因分析. 5 5、计算分析. 65.1 分析依据. 6 5.2 分析模型. 6 5.3 分析软件. 7 5.4 计算荷载. 7 5.5计算假设. 8 5.5计算结果. 8 6、管片配筋计算. 106.1正截面强度计算配筋. 10 6.2 管片配筋. 11 6.3 钢筋砼裂

2、缝验算. 11 7、结论及建议. 121、工程概况广州市轨道交通某线某区间（中间风井）区间左线150-155环管片（里程ZDK21+993.103），在施工过程中出现开裂和错台的情况，经过1年的监测，管片的变形已趋于稳定，经业主和监理要求，工点设计对这几环的管片的受力情况进行分析。 2、工程地质与水文地质 2.1 破损地段工程地质概述根据广州市轨道交通线网岩土工程勘察总体技术要求的地铁沿线岩土分层系统和沿线岩土层的成因类型和性质、风化状态等，破损地段的地质根据钻孔揭示主要是<8H>花岗岩中等风化带、<9H>花岗岩微风化带，其主要物理力学参数台下：<8H>花岗

3、岩中等风化带（5）呈浅褐色、灰褐色等，中、细粒结构，块状构造，岩石组织结构部分破坏，矿物成分基本未变化，风化裂隙被铁染，并充填少量风化物。斜长石矿物风化较深，钾长石、云母矿物风化轻微。岩质硬，锤击声稍脆，不易击碎。局部夹强风化岩。岩芯较破碎，呈短柱状、碎块状。<9H>花岗岩微风化带（5）岩石组织结构基本未变化，断口处新鲜，岩质坚硬，锤击声脆。岩芯呈长柱状、短柱状。 各地层物理力学指标见下表：表2-1 各地层物理力学表土的承载力特征值剪切试验固结快剪 直接快剪内摩擦角粘聚力粘聚力内摩擦角静止侧压力系数地基的比例系数3-23-2天然密度时代与成因<6H> <7H>

4、; <8H> <9H>2.2 水文概况地下水按赋存方式分为第四系松散土层孔隙水，块状基岩裂隙水。第四系冲积洪积砂层为主要潜水含水层，冲积洪积砂层含粘粒较多，富水程度较差，渗透系数仅为0.52.0m/d。块状基岩裂隙水主要赋存在燕山期花岗岩强风化带及中等风化带，水力特点为承压水，地下水的赋存不均一。在裂隙发育地段，水量较丰富，属承压水，渗透系数为1.09m/d。岩土分层花岗岩岩石全风化带 花岗岩岩石强风化带 花岗岩岩石中风化带 花岗岩岩石微风化带岩土名称 (g/cm3K 0 (kPa(MN/m30040053-10.3353-10.3336.0*20.1*53-253-2

5、2.3 破损地段地质断面及现志抽芯图150-155号管片地质剖面图见下图。 图2-1 管片地质剖面图2010年10月20号对左线150环155环同步注浆情况进行钻孔取样分析。取芯样品显示注浆饱满且凝固较好为固体状，取样照片显示如下：150环11点位取芯样品151环1 点位取芯样品152环11 点位取芯样品153环1 点位取芯样品154环11 点位取芯样品155环1点位取芯样品 图2-2 现场抽芯图片 3、管片破损情况根据现场监测情况，施工单位监测最大裂缝达到1.732mm，管片最大上下错台达到75.3mm，左右变形达到61.6mm，管片环已发生较大椭变；2012年3月21日检测单位对150环裂

6、纹宽度及深度进行检测，裂纹宽度1.6mm，深度 68 mm；具体变形情况见下表：表3-1 150-154号管片净空收敛变化表（内径值5400mm ）环号 150 151 152 153 1542011年10月5日 垂直 5378.0 5304.2 5313.3 5310.4 5362.0水平 5426.65460.45430.85419.05439.92011年12月25日 垂直 5379.2 5302.9 5311.1 5306.0 5363.8水平 5427.3 5460.2 5434.0 5418.5 5439.42012年3月20日垂直 5379.45301.75314.55308.4

7、5360.7水平 5428.55461.65432.65418.05441.4本次与初始值变化量（mm） 垂直1.4 2.5 -1.22.0 1.3水平 1.9 -1.2 -1.8 1.0 -1.5变化率(mm/d 垂直 0.008 0.015 -0.007 0.012 0.008水平 0.012 -0.007-0.0110.006 -0.009表3-2 150-154号管片裂纹及错台变化表天平架-天河客运站区间测点初始读数(mm 2010年10月17日 5.829 5.457 6.140 0.400 0.450 1.350 1.300 75.456 53.896 32.721上次读数(mm

8、2011年4月5日 5.921 5.133 5.561 0.625 0.745 1.733 1.486 75.315 53.719 32.214本次读数(mm 2011年6月15日 5.922 5.132 5.563 0.626 0.747 1.732 1.488 75.318 53.716 32.2160.001 -0.001 0.002 0.001 0.002 -0.001 0.002 0.003 -0.003 0.0020.093 -0.325 -0.577 0.226 0.297 0.382 0.188 -0.138 -0.18 -0.5050 0 0 0 0 0 0 0 0 0151

9、-154环12点位管片错台监测 150环12点位裂纹8 9 10 11 12 备注监测 151-153环管片8点位拼缝监测本次张开量(mm累计张开量(mm张开速率(mm/d测点位置监测日期：2011年6月15日编号 1 2 3 6 71、收缩为（-），张开为（+）。2、13号为管片拼缝监测、69为150环管片裂纹监测、10-12为管片错台监测。4、破损原因分析根据施工记录和现场工作人员的描述，管片开裂主要有发下两个原因：（1）该段隧道主要在9H 硬岩中掘进，盾构承受的水浮力较大，导致153环以前的管片姿态明显上抬，为了调整纵向线型，盾构机头下压造成管片采生错台；（2）盾构掘进中，由于盾构机姿态

10、的调整，管片表面受力不均匀，局部产生应力集中导致管片裂纹及崩缺产生； 5、 计算分析 5.1 分析依据1）广州市轨道交通六号线工程燕塘至天河客运站区间岩土工程详细勘察报告广东省重工建筑设计院 2006.102）地铁设计规范 (GB50157-2003 3）铁路隧道设计规范 (TB10003-2005 4）混凝土结构设计 (GB50010-2010 5）盾构隧道施工手册 6）隧道标准规范（盾构篇）及解说 7） 管片变形监测数据表1-1 8） 管片裂缝监测表1-2 5.2 分析模型 1） 构造设计盾构隧道衬砌外径6000mm，内径5400mm，建筑限界为一直径5200mm 的圆。衬砌环宽度1500

11、，厚度300。衬砌环由一块封顶块K（夹角8°）、两块邻接块B、C（夹角68°）、三块标准块A（夹角72°）组成，封顶块位于楔形量最小位置，封顶块、邻接块及标准块均采用钢筋砼制作。纵环向螺栓均采用24普通螺栓，每环缝面上共有纵向螺栓10个，沿衬砌环环向均匀布置，封顶块上不设置纵向螺栓；每纵缝面上共有环向螺栓2个，均距管片中心线240mm。管片环采用错缝拼装形式，管片可以出现通缝，但通缝环最多两环。拼装时，封顶块先径向搭接2/3， 径向推上，然后纵向插入。图5-1 管片构造示意图2） 工程材料砼：C50、P12防水砼； 钢筋：HPB235、HRB335钢筋；螺栓：5.

12、8级普通螺栓，直径均为24mm。 3） 保护层 迎水面：50mm； 背水面：40mm。 5.3 分析软件采用MIDSA CIVIL 有限元软件对破损盾构管片的受力进行二维平面分析，管片结构采用梁单元。土体边界采用土弹簧进行模拟。 5.4 计算荷载（1）水压力，根据管片埋深施加水压力；（2）土压力，由于管片所处的地层为<9H>，围岩自稳性强，基本无土压力，但考虑隧道顶部局部可能有软弱层的存在，土压力根据太沙基松弛理论，进行保守取值计算：1）根据太沙基松弛土压力公式计算的塌落拱高度：cH HK 0tan K 0tan P 0B 1B 1B 1h 0=×(1e +×(

13、1e K 0×tan B 1(1B 1=R 0cot(+2计算得：B 1=5.913mh 0=7. 615m由铁道隧道以隧道外径11.5倍厚的覆盖土的土压力或者200KN/m作为下限值，因此h 0200=10. 417m 19. 2（3） 荷载计算上部竖向荷载P 1土压力：P 1=h 0=10. 417×9. 2=95. 7kPa水压力：P w 1=H w w =15. 4×10=154. 0kPa底部水压力：P w 2=(H w +D 0 w =(15. 4+6 ×10=214. 0kPa 水平荷载：土压力：q 1=95. 8×0. 33=3

14、1. 6kPaq 2=(95. 8+10. 417 ×0. 33=49. 8kPa5.5计算假设由于150-155号管片在盾构挖掘过程中，管片变形和裂缝过大，根据管片的椭变监测反馈数据，本管片内力计算模型采用椭变后形状来模拟，椭圆长轴5.7977m，椭圆短轴5.6264m。考虑管片已开裂，开裂处结构的刚度变小， 为了更好地模拟开裂后管片受力情况，现考虑采用两个模型进行对比计算分析：（1） 假设管片开裂处为铰接进行计算分析；（2） 假设开裂处管片的刚度折减，折减后管片厚度为 250mm；具体计算结果如下：图5-2 模型尺寸图（单位mm）5.5计算结果（1）模型一计算结果（铰接） 土压力

15、图 水压力图图5-3 模型一有限元模型荷载图 （2）模型二计算结果（刚度折减）弯矩图 轴力图图5-4 模型一计算内力图土压力图 水压力图图5-5 模型一有限元模型荷载图盾构 150-153 号管片开裂计算分析 1.7 4.2 -116 -1133.3 -1133.3 -116 4.2 -1 2 .5 39 63 . -55.0 -76.4 -76.4 0 -55.0 1 -12 -1 21 1 .7 39 .5 2 -1 . 63 0 81 81 .0 -1 2 99. 9 .0 - 12 9 99. 85. 85. 5 -1314.4 5 -1314.4 85.5 85.5 70.3 Nmi

16、n=1133.3KN -13 3 - 13 68 .2 56. 7 37 -29 .7 -51.0 -63.1 -63.1 -51.0 -2 9.7 -137 8.1 -1380.4 -1380.4 8.1 - 137 68 - 13 .2 弯矩图 图 5-6 模型二内力图 轴力图 根据计算分析，模型一和模型二的内力值见下表： 内力 截面 模型一（最大值部位） 模型二（最大值部位） 模型一（顶部管片） 模型二（顶部管片） 弯矩（KN.m） 99.2 85.5 0 76.4 轴力（KN） 1394.7 1314.4 1169.5 1133.3 6、管片配筋计算 6.1 正截面强度计算配筋 根据

17、铁路隧道设计规范 （TB10003-2005） 10.2 节， 钢筋砼矩形截面偏心受压构件需满足式 10.2.4-1 及 10.2.4-2，即： ' ' N d f cmd bx + f scd A s s A s x ' ' N d e f cmd bx h 0 + f scd A s h a ' 2 e = ei + ysp ei = e0 + es ( 对于小偏心受压构件（ x > x b ） ，尚应按式 10.2.4-7 进行核算： h h ' N d a ' (e 0 e s f cmd bh a ' + f sc

18、d A s h 0 a ' 2 2 上述各式中符号的含义为： ( N d ：按最不利荷载组合求得的轴向力设计值 N d = s N k ， s = 1.80 ； f cmd ：砼弯曲抗压强度设计值，取 f cmd = 27.5MPa ； ' ' f scd ：钢筋抗压强度设计值，取 f scd = 268MPa ； e ：轴向力作用点至受拉边钢筋 A s 的合力点的距离； b ：构件截面宽度，即 b = 1500mm ； h 0 ：构件截面有效高度， h 0 = h a ， h = 300mm ； 10 -1 35 3. 2 .1 6.3 -1322.0 Mmax=85

19、.5KN.m 70.3 56. 7 Nmax=1380.4KN -1322.0 3 3 6. - 13 3 -1 37 .1 . 53 2 盾构 150-153 号管片开裂计算分析 A s ， A ：受拉区、受压区钢筋截面面积； a ， a ' ：受拉、受压区钢筋合力点至截面近边的距离； ：考虑挠曲影响的轴向力偏心矩增大系数； e i ：初始偏心矩； e 0 ：轴向力对截面重心的偏心矩； ' s ysp ：自截面重心至受拉区钢筋合力点的距离； es ：附加偏心矩； s ：受拉区钢筋的应力； x ' ' x ：砼受压区高度，根据式 f cmd = bx e h 0

20、 + + f scd A s e' ± f std A s e = 0 确定； 2 ' e ：轴向力作用点至纵向受压钢筋合力点的距离； 根据上述各式进行计算，各断面上内力均能满足铁路隧道设计规范 （TB10003-2005）之相关要求。 6.2 管片配筋 管片配筋形式为按内、外层布置主筋，如图 6-1。 图 6-1 管片截面配筋形式示意图 表 6-1 模型一和模型二最不利截面的内力配筋计算 内力 截面 模型一（最大值部位） 模型二（最大值部位） 模型一（顶部管片） 模型二（顶部管片） 弯矩（KN.m） 92.2 85.5 0 76.4 轴力 （KN） 1317.5 1

21、314.4 1169.5 1133.3 计算钢筋 （mm ） 9 16(1810mm 9 16(1810mm 9 16(1810mm 9 16(1810mm 2 2 2 2 2 实配钢筋 （mm2） 12 16(2413.2 mm 12 16(2413.2 mm 12 16(2413.2 mm 12 16(2413.2 mm 2 2 2 2 6.3 钢筋砼裂缝验算 根据铁路隧道设计规范 （TB10003-2005）10.3 节，钢筋砼最大裂缝宽度按式 10.3.3 进行计算， 即： d max = 1.9C s + 0.08 te E s s 上式中各符号的含义为： ：构件受力特征系数，取 = 2.1 ； ：裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数； ：纵向受拉钢筋表面特征系数，取 = 0.7 ； 11 盾构 150-153 号管片开裂计算分析