盾构管片设计与计算

盾构管片设计与计算主要内容一、管片基本构造设计二、管片基本计算一、管片基本构造设计1、管片内净空2、管片宽度3、管片厚度4、管片环分块5、管片环形式6、管片环拼装方式7、管片连接方式8、管片防水一、管片基本构造设计1、管片内净空管片内净空确定因素：1）限界2）施工误差3）结构变形一、管片基本构造设计2、管片宽度

管片宽度一般为800～1500mm。一、管片基本构造设计3、管片厚度

管片厚度一般为管片外径0.05～0.06倍。一、管片基本构造设计4、管片环分块

管片环普遍采用“3+2+1”的分块模式，即3块标准块+2块邻接块+1块封顶块

一、管片基本构造设计5、管片环形式1）标准环+左右转弯环2）左右转弯环3）通用环一、管片基本构造设计6、管片环拼装方式一、管片基本构造设计7、管片连接方式

管片块与块、环与环之间均采用高强度弯螺栓连接。一、管片基本构造设计8、管片防水1）膨胀型2）挤密型3）复合型一、管片基本构造设计广州地铁盾构管片基本设计参数：1）管片内净空：5400mm2）管片厚度：300mm3）管片宽度：1500mm4）管片环分块：6块5）管片环形式：标准环+左右转弯环6）管片拼装方式：错缝拼装7）管片连接方式：弯螺栓连接8）管片防水：膨胀型、挤密型二、管片基本计算1、管片计算模型2、管片计算荷载3、管片计算软件4、管片计算结果及分析二、管片基本计算1、管片计算模型1）均质圆环模型（惯用计算法）

该模型不考虑管片接头的影响，假定管片环为自由变形的弹性均质圆环，其接头具有和管片主截面同等刚度EI。

二、管片基本计算1、管片计算模型2）等效刚度圆环模型（修正惯用计算法）该模型考虑管片接头的存在使得管片环整体刚度的平均降低，折减系数为η（η≤1），即管片环是具有等效刚度ηEI。进一步考虑到管片错缝拼装的影响，在根据等效刚度为ηEI的圆环计算得到内力基础上，将弯矩考虑一个增大系数ξ（ξ≤1），则管片主截面的弯矩为（1+ξ）M，管片接头弯矩为（1-ξ）M。根据国内外大量地面管片错接头荷载试验结果，参数η大致取值为0.6~0.8，ξ大致取值为0.2~0.3。此模型若取η=1，ξ=0则成为均质圆环模型。因此该模型实际上是对均质圆环模型的修正。二、管片基本计算1、管片计算模型3）自由铰圆环模型该模型认为管片间接头不能传递弯矩，是一个可自由转动的铰，其弯曲刚度为0，管片环的块与块之间通过自由铰接而连成一个多铰圆环。管片环本身是一非静定结构，在地层抗力作用下而成为静定结构。为了易使管片环发生变形而获得良好的地层抗力，该模型管片环间多数采用通缝拼装，有时为了使管片接头与理论假定更加一致，在地层稳定后将管片接头螺栓拆除而使管片接头能自由转动。二、管片基本计算1、管片计算模型4）弹性铰圆环模型由于管片接头采用高强螺栓连接，在外力作用下能传递一定的弯矩，故该模型认为管片接头是具有一定弯曲刚度的弹性铰，其承担的弯矩与其刚度成正比。计算中通常将弹性铰用旋转弹簧模拟，同时考虑到错缝拼装的影响，管片环间剪切刚度用剪切弹簧模拟。对如何确定旋转弹簧的转动刚度Kθ是该模型的关键点，其大小直接影响管片的内力。此模型若将旋转弹簧和剪切弹簧刚度同时取为0则成为自由铰圆环模型；若将旋转弹簧刚度取为无穷大，剪切弹簧刚度取为0则成为均质圆环模型。所以该模型实际上包含了前述两种模型。二、管片基本计算2、管片计算荷载

1）地面超载地面超载一般按20Kpa考虑。2）管片自重钢筋混凝土管片重度取25KN/m3。3）土压力对于深埋隧道首先按太沙基卸拱理论计算上覆地层压力，当上覆地层压力值小于2D（D为隧道外径）隧道高度的上覆地层自重时，取2D范围内上覆地层自重作用在隧道上进行计算分析；对于浅埋隧道则将上覆地层自重完全作用在隧道上进行计算分析，即计算中竖向地层压力按全部地层压力计算。对于侧向土压力则将上覆地层压力值与侧向土压力系数相乘得到。二、管片基本计算2、管片计算荷载4）水压力在确定水压力时，水压均按静水压力考虑，对于砂性土采用水土分算，对于粘性土采用水土合算。5）地层抗力对于均质圆环模型和等效刚度圆环模型仅考虑水平方向地层抗力，布置于自环顶向左右45°~135°范围，呈三角形分布，水平直径处最大。对于自由铰圆环模型和弹性铰圆环模型则通过设置在衬砌全环只能受压的径向弹簧单元和切向弹簧单元来体现，这些单元受拉时将自动脱离，弹簧单元的刚度由衬砌周围地层的基床反力系数决定。二、管片基本计算2、管片计算荷载

均质圆环模型和等效刚度圆环模型荷载模式

自由铰圆环模型和弹性铰圆环模型荷载模式二、管片基本计算3、管片计算软件1）同济曙光岩土及地下工程设计与施工分析软件2）SAP20003）ANSYS二、管片基本计算4、管片计算结果及分析计算结果：二、管片基本计算4、管片计算结果及分析弯距图轴力图二、管片基本计算4、管片计算结果及分析结果分析：1）相同条件下各计算模型所得最大轴力相近，并均出现在拱腰处。2）在相同条件下均质圆环模型和等效刚度圆环模型计算所得最大弯矩相近，且均大于自由铰圆环模型和弹性铰圆环模型，除自由铰圆环模型最大弯矩位置不定外，其余计算模型的最大弯矩位置均出现在拱顶处。3）对于处于强、中风化岩层中管片衬砌，由于地层能提供良好的地基抗力，各计算模型所得最大弯矩均远小于土层中管片衬砌。4）自由铰圆环模型在各种地层中计算弯矩均为最小，其最大弯矩出现位置随地层抗力大小而变化。在<5-2>土层中由于地基抗力小，计算中所得管片环变形大大超过了允许值。

二、管片基本计算4、管片计算结果及分析结论：1）各种计算模型的本质区别在于管片接头弯曲刚度的处理不同，其对管片轴力影响很小，对管片弯矩影响甚大，设计中管片计算模型的选择应综合考虑管片构造特点、周围地层特性等来确定。2）均质圆环模型是一种传统的计算模型，由于没有考虑管片接头的存在，显然是很不合理的，按该模型进行计算，结构偏于安全，但不经济，不建议采纳。3）等效刚度圆环模型是对均质圆环模型的修正，但过于笼统，管片接头位置及受力不明确，同时参数η、ξ取值很难评判，计算结果随意性较大，建议该模型用于校核计算。二、管片基本计算4、管片计算结果及分析4）自由铰圆环模型考虑了管片接头位置，但没有考虑接头弯曲刚度。该模型是建立在地层能提供良好抗力的前提下，对于岩层中的盾构隧道最为适用，利用该模