论文盾构隧道管片计算方法研究

1、哀盾构隧道管片啊计算方法研究疤摘要：随着我案国经济发展罢,败各大中大城市耙建造大规模的班公路、过江隧岸道及城市地铁按隧道八,拔盾构隧道由于绊其地层适应性鞍强、施工便利哀、节约地下空版间资源、降低氨工程造价，最碍大限度地减少版对城市其他设澳施的影响等方唉面的独到的优扳势而逐渐在地埃铁、市政等工扮程建设中得到皑广泛应用。本疤文结合某盾构袄隧道工程情况拔，对盾构管片艾计算方法进行班研究分析，以靶期对行业发展般有所参考意义扳。唉关键词：盾构懊轨道；管片计板算；自由变形皑圆环法；弹性八地基梁法引言拌近年来班,靶我国开始了大般规模的公路过跋江隧道及城市挨地铁隧道的建懊设工作。由于傲盾构隧道施工跋技术可以最

2、大啊限度地减少对扮城市其他设施暗的影响矮,坝所以正逐渐成昂为地铁隧道施颁工的主流技术胺。在我国背,拜上海是较早使碍用盾构隧道施败工技术的城市胺,扮北京、广州、岸南京、深圳等唉城市在地铁施胺工中开始使用扮盾构技术隘,氨盾构技术是一办项正在兴起的佰新技术。对于肮这一新技术的笆应用绊,伴存在着机械、般设计、施工等白多方面的问题袄,搬而本文主要是搬针对管片计算阿方法的问题进氨行了一些分析摆研究。管片设叭计是盾构隧道凹结构设计中比班较关键的一环版,霸管片设计的成半败直接关系到凹工程的安全、疤造价及使用敖,昂关于盾构隧道岸管片设计方法癌,搬由于国内尚无霸统一的设计规案范俺,袄很多设计、施颁工单位根据机芭械

3、制造商把(昂国外厂商吧)俺所提供的方法挨进行设计啊,胺有的情况下是暗凭借上海等地氨铁盾构隧道实搬例进行模仿设敖计。把2阿、主要研究内败容艾挨本颁文芭采用多种研究澳方法，对盾构把隧道结构计算哀模型、各项计佰算参数的敏感靶性以及盾构隧败道纵向结构计稗算进行了系统艾研究。主要内跋容如下：佰（1）针对荷斑载-结构模型熬中不同断面和佰不同地质条件奥下的垂直土压胺力取值及拱肩扳土压力、水压案力作用方式等八，分析了不同般条件下盾构隧癌道的力学特征搬。办（2）分别对矮荷载-结构模袄型中衬砌结构搬对土层侧压力吧系数、地层抗八力系数及管片版接头刚度的敏八感性以及连续百介质模型中衬白砌结构对地层袄弹性模量、泊败松比

4、、荷载释奥放系数、衬砌靶环刚度有效率翱等计算参数的哀敏感性进行了罢研究，并对各按参数的取值方白法和取值范围颁进行研究。扒（3）通过对昂不同的盾构隧耙道管片分块及胺环宽进行力学拜计算，分析不摆同盾构管片分拜块方案及环宽背对隧道内力的跋影响。八（4）针对复奥杂地质条件下吧盾构隧道工程伴，采用地层-扮结构模型，对埃不同地质层状敖构造对衬砌内俺力及变形影响版规律进行研究靶。颁3、管片计算唉方法懊3.1 自由肮变形圆环法计澳算理论坝该方法是将盾肮构隧道衬砌结凹构视为在土体柏中自由变形的艾弹性均质圆环皑，土层抗力按唉Winkle颁r地基反力变袄形的线形假定啊，在水平向量耙范围内邦的地层反作用吧力是以等腰三

5、敖角形作用分布捌在管片上，腰吧顶点大小为艾半，荷载计算案图式如图1。拜自由变形圆环班法内力求解采扮用弹性中心法吧，即根据荷载伴和结构均对称板于竖直轴。根艾据弹性中心处般的相对角位移按和相对水平位敖移为零的条件靶，列出力法方拜程，求出多余肮未知力，再根傲据多余未知力背求出圆环任意蔼截面上的内力懊。百图1啊安自由变形圆环案法计算图式跋盾构隧道管片隘接头力学行为啊十分复杂，具佰有典型的非线碍性特征，设计叭中主要通过刚氨度折减进行考拜虑。对于自由白变形圆环法管奥片间接缝的影扒响，引入了弯稗曲刚度有效率办进行整体圆伴环刚度折减，碍即圆环等价刚吧度为，拔刚度折减系数昂I。佰而对于管片错笆缝拼装方式，背需增

6、加考虑相背邻管片环间的埃弯矩传递作用版，引入弯矩增笆加系数；通背缝拼接方式可八不考虑弯矩的啊增加系数。吧3.2弹性地暗基梁法计算理安论板弹性地基梁法稗是基于共同变扳形理论，将衬埃砌结构看成弹班性均质圆环。办针对管片间接盎缝的影响，同斑样引入了弯曲班刚度有效率板进行整体圆环凹刚度折减，管懊片错缝拼装，八引入弯矩增加霸系数。当土笆体中管片衬砌拜产生变形时，蔼衬砌周围的土版体将阻止管片阿变形，即产生坝土体抗力。弹办性地基梁法从耙考虑土体抗力扳的不同可分为扒两种模型，一邦种是全周弹簧矮模型，另一种俺是局部弹簧模胺型。局部弹簧疤模型假定在按拱顶90范俺围内为脱离区哀，不产生土体败抗力。本文所哎用模型为全

7、周罢弹簧模型，弹办性地基梁法计凹算图式见图胺，用有限元法办，把衬砌结构败离散为有限个百梁单元，用弹袄簧单元来模拟版衬砌与围岩的碍相互作用，将坝围岩压力转化熬为节点荷载。安通过坐标变换傲和刚度集成，熬再利用边界条盎件求出梁单元败和弹簧单元的哎内力和位移。捌假定各节点位板移以使地基弹半簧受压为正，扒若求出某节点瓣位移为负（向阿隧道内位移）胺，即此处弹簧肮受拉，拜则将此处的地俺基弹簧去掉，岸重新进行计算稗，直到所有的傲地基弹簧都受板压为止。拌图弹性地把基梁计算图式熬图2（a）不俺考虑列车动载背计算模型板图2（b）考叭虑列车动载计笆算模型瓣3.3 计算伴新方法懊由于弹性地基稗梁模型与自由扒变形圆环模型

8、阿在考虑承受荷罢载模式、接头癌刚度折减等方背面相同，计算背原理存在极大傲的相似性，因芭此，针对当前摆列车动荷载对吧盾构隧道管片般衬砌施加偏应袄力而自由变形蔼圆环法无法计扮算列车动载引扳起的偏载情况邦的管片衬砌内爸力，以常规自背由变形圆环法敖设计计算理论阿为控制模式，笆提出自由变形板圆环法与弹性拌地基梁法结合暗，借助弹性地按基梁法实现偏叭载这一物理过巴程的新方法具奥有可行性。根爸据文献李志业扒，曾艳华的氨地下结构设计岸原理与方法盎（成暗都：西南交通叭大学出版社，按胺板），自由变形哀圆环法求的内白力为：颁其中，翱为计算截面处版半径与竖直角邦的夹角的函袄数矩阵。弹性佰地基梁法得到凹梁与地基的共邦同作

9、用方程为般：阿梁单元结点埃力与结点位移吧关系为：岸其中，梁的整叭体刚度矩阵办、地基刚芭度矩阵Ks邦为定值，梁艾单元刚度矩阵岸耙e蔼为的函数矩懊阵。因此，对唉于同样荷载条邦件下同一截面隘处，自由变形板圆环法求的内疤力与弹性地基板梁法求的内力傲为一固定比例跋关系，笔者对柏多组荷载进行搬计算比较，同伴一截面处的内罢力比例系数基跋本一致。根据佰自由变形圆环袄法计算不虑列版车动载影响的跋管片最大弯矩矮M叭1拔和相应的轴力啊N安1败，然后按照弹白性地基梁法计奥算在同等条件瓣下的管片最大搬弯矩百M败2伴和相应的轴力俺唉癌，按以下公式袄求得换算系数KM、KN。斑考虑动载情况半按照正常使用拌极限状态运用懊弹性地

10、基梁法板计算最大弯矩版M芭3跋和相应的轴力艾N稗3笆。按照弯矩和巴轴力换算系数袄K办M耙、K芭N班 埃进行换算弯矩捌M安4袄和轴力N霸4凹，最后按自由芭变形圆环法计袄算控制配筋。4、实例分析袄4.1工程概皑况颁某地铁盾构隧傲道区间下穿铁巴路，穿越处上绊方共有铁路正颁线四条，线路版中心间距由北捌向南依次为5坝.58m，7伴.89m和5盎.64m；穿板越处盾构隧道百线路与铁路平皑面斜交，相交背角度取平均值扳40，如图八3。隧道埋深凹14.6m，俺隧道外径5.艾9m，管片厚拌度34cm，埃管片通缝连接奥；设计列车速坝度：客车16百0km/h，捌货车100k扳m/h；控制癌荷载：轴重扒t的机车拖熬载轴

11、重t坝货车车辆，速柏度100km笆/h。翱盾构推进施工霸将引起上方铁白路线路的轨面背变形，影响铁斑路行车安全和癌速度；同时铁熬路行车又使盾哀构管片承受附坝加动应力的长佰期作用，影响巴隧道结构的安疤全性及耐久性摆。因此采取了艾在隧道穿越铁班路交叉区域进皑行注浆加固措拔施，保证盾构颁推进施工期及艾运营期的铁路哀及隧道结构安隘全，加固剖面盎图如图所示半，各土层的物扳理力学参数如肮表所示。鞍本文计算采用版水土合算，土安体天然容重取矮伴m皑3氨，根据经验值鞍，土体加固后唉层静耙止侧压力系数八的取值为艾；土层水爸平抗力系数取澳为隘，衬砌扮自重氨哀m佰3巴，由于该地域俺深层土质为软碍土，土拱能否吧形成一直是

12、值邦得讨论的问题按，因此从计算啊安全考虑，这摆里计算中不考百虑土拱效应。唉4.2计算案与分析拌4.2.1无败动载工况下的八管片衬砌内力扒此时按荷载结班构模型，盾构碍管片所受的荷伴载大小如表霸所示，计算模靶型如图、图跋（）所示把，管片衬砌的艾弯曲刚度有效熬率为。芭分别按自由变办形圆环法和弹肮性地基梁法计艾算得到各截面肮的弯矩、轴澳力如图所示瓣。半计算结果显示拌，自由变形圆半环法与弹性地澳基梁法的管片叭最大弯矩均发半生在拱顶处，绊最大轴力发生耙在拱腰处。由稗此可得两种方皑法计算的拱顶哀、拱底、拱腰坝位置的转换系笆数K鞍M跋、K唉N捌 霸如表。此时选取：案弯矩换算系数挨：K胺M懊 埃1.2；轴办力换

13、算系数：疤K八N唉 摆1.0捌4.2.2 把有动载的管片澳衬砌内力癌根据轨检车实拌测的轨道不平颁顺性谱，按照隘车辆轨道耦班合动力学分析耙得到相应的轮八轨接触力间历熬程，以此作为罢外部输入的列邦车动力荷载，爸沿轨道纵向建绊立的有限元计搬算模型，按最吧不利工况四线哎列车运行计算佰得到隧道拱顶瓣、拱底、拱腰稗处的列车附加百动应力如图唉所示。由于上扳方铁路与下穿奥隧道为斜交，颁故荷载图式存岸在一定的偏载邦。霸考虑图的附凹加动荷载，按捌照图（）拌计算模型，计艾算得到管片衬埃砌的内力如图笆所示。 昂考虑自由变形办圆环法与弹性傲地基梁法的换班算系数，将计罢算得到的最大邦弯矩和相应的拌轴力通过弯矩瓣和轴力换算系袄数K肮M拜、K哎N矮 埃进行换算得到扒控制配筋的最凹大弯矩为26斑5.7KN碍、剪力为7鞍45.4K板。以此内力按把照铁路隧道哀设计规范（哀TB1000百3-99）中霸的抗裂承载力肮法进行配筋计叭算即可。5、结论懊（1）目前工爸程上常用的自败由变形圆环法跋计算隧道管片扮内力是采用弹办性中心法，即盎根据荷载和结吧构均对称于竖阿直轴，弹性中傲心处的相对角袄位移和相对水