盾构隧道衬砌内力计算模型比较分析

维普资讯 http://www.cqvip.com 盾构隧道衬砌内力计算模型比较分析　季大雪　技术应用、研究　盾构隧道衬砌内力计算模型　匕较分析　季大雪　（铁道第四勘察设计院城建院武汉４３００６３）　［摘要】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；结合目前正　在施工的武汉长江隧道工程实例，比较了这两种模型的计算结果。　【关键词】盾构匀质圆环模型梁一弹簧模型隧道　的地下结构。盾构法隧道设计的一个重要环节是　１概述　采用合适的模型计算衬砌结构的内力。由于环、　纵向接头的存在和拼装方式的差别，使得这一问　在城市中，为了缓解日益拥挤的交通问题，　题较为复杂。目前常用的计算模型有：匀质圆环　需要修建地铁、公路隧道、水底隧道甚至海底隧　模型和梁．弹簧模型。　道等。盾构是修建城市隧道最常用的施工机械。　１．１匀质圆环模型　盾构法隧道优势明显：对环境影响小、不影响地　匀质圆环模型不考虑管片接头的弯曲刚度降　面交通和航道通行，无空气、噪声、振动等污染　低，认为管片环是具有和管片主截面相同刚度ＥＩ，　问题、机械化程度高、适用地层范围宽等。盾构　且弯曲刚度均匀的环，并基于Ｗｉｎｋｌｅｒ理论，假设　法隧道衬砌是由若干弧形管片通过环向接头拼装　地层反作用仅在水平方向的正负４５。范围内按三　成环，然后每环之间通过纵向接头逐一连接而成　角形规律分布，荷载作用模式如图ｌ所示。　Ｊ　Ｊ　Ｊ　Ｉ　ｌ　一　Ｉ　水　Ｐ　．　Ｊ　ｌ　水压　Ｐ。。　ｌ　——　——　＼地蒸抗　水　士　・　－　压　土　水　＼　夕｜　｝　压　雎　－一一、‘：＝　＝／　ｑ　ｑ　ｑ．（－ｋ　６）　图１匀质圆环模型荷载模式　铁道勘测与设计ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＵＲＶＥＹ　ＡＮＤ　ＤＥＳＩＧＮ　２００６（４）　２１　维普资讯 http://www.cqvip.com 铁道勘测与设计　，　￣－－Ｎ．…………………………………“（２）　Ｍ　’Ｍ　／２管片内力为：　／Ｍ：／２　Ｍｓ＝“《Ｍ…………………………・・（３）　Ｎｓ＝Ｎ．…………………………………・・（４）　…Ｍ一　＼　ｌ　１　公式中，毛为弯距调整系数；Ｍ、Ｎ分别为　＼Ｍｌ，２　Ｉ　“１　均质圆环计算弯矩和轴力；Ｍｊ、Ｎ分别为调整后　，ＭＪ２　的接头弯矩和轴力；Ｍｓ、Ｎｓ分别为调整后管片本　体弯矩和轴力。参数Ｉ＂Ｉ和毛的值因管片种类、　图２错缝拼装弯矩分配示意图　管片接头的结构形式、环相互交错联结的方法和　结构形式而有所不同。目前的实际情况是，参数　对于十分密实的土层，由于土壤的水平抗力　ｒ１和亏值是根据试验结果或经验来确定的。　起到了有效的作用，衬砌环承受的弯矩不大，采　１．２梁一弹簧模型　用这种模型没有实际障碍。随着密闭式盾构的快　盾构法隧道衬砌结构主要是由管片、管片间　速发展，目前已能够在十分软弱的含水地层中进　的连接螺栓和防水充填材料组成，接头的力学性　行开挖。在这种地层中，由于土壤的水平抗力小，　能强烈的影响着隧道的横向受力及变形形态。尽　管片接头刚度与管片刚度难以等同考虑，此时通　管上述修正惯用设计法在平均意义上对管片接头　过引入一个由于管片接头而降低衬砌刚度的有效　效应作了评估，但它还是一种等效方法，仍需提　参数ｒ１　（ｒ１＜１）和一个由于被相邻衬砌环通过环　出一种精确的描述管片接头力学性态的合理的设　间接缝来支持而增加的刚度增量毛　（亏＜１）来改　计方法。梁一弹簧模型就是一种向这个方向接近　善上述模型的普遍性［１】，这就是修正惯用设计法的　的计算模型。它假设管片环是具有旋转弹簧的环，　思路。它采用局部地层弹簧抗力来取代惯用设计　环与环之间采用剪切弹簧评价错缝接头的拼装效　法中三角形分布的地层反作用荷载。由于管片接　应，以梁模拟管片部分，以弹簧模拟管片间的接　头的影响，将管片整体抗弯刚度由日降为均匀抗　头部分，弹簧的剪切和转动效应分别用径向剪切　弯刚度ｒ／ＥＩ，并且弯矩并不是全部都经由管片接　刚度　切向剪切刚度　和转动刚度Ｋ日来描述。　头传递，可以认为其中的一部分通过环间接头的　如图３所示。由于梁．弹簧模型考虑了环向与纵向　剪切阻力传递给错缝拼装的相邻管片，错缝拼装　接头的位置及刚度，以及错缝时的环间相互咬合　弯矩重分配如图２所示。其中接头处内力为：　效应等，理论上这种模型能更为精确的描述衬砌　Ｍｚ（Ｊ．　）Ｍ………………………・－（１）　结构的受力。　图３梁一弹簧模型示意图　２２　铁道勘测与设计ＲＡｌＬＷＡＹ　ＳＵＲＶＥＹ　ＡＮＤ　ＤＥＳＩＧＮ　２ｏｏ６（４）　维普资讯 http://www.cqvip.com 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　２５５０ｍ．西线长２５００ｍ。盾构隧道内径１０ｍ，外径　弯刚度系数ＫＯ＝Ｍ／Ｏ　（即接头产生单位转角所需　ｌ　ｌｍ，采用钢筋混凝土单层衬砌。盾构隧道管片环　弯矩），Ｋｅ综合反映了盾构隧道接头性能及其在　采用等分九块方式（６Ｂ＋２Ｌ＋１Ｋ）。为通用楔形环，　外荷载作用下的变形大小和趋势。但是目前工程　管片环采用双面楔形，楔形量５５ｍｍ，管片环宽　中对ＫＯ的取值还没有图表或公式可以遵循，实　２ｍ。厚５００ｍｍ，管片环与环之间每环均匀布置３６　际应用中一般采用现场试验或室内模型试验进行　颗Ｍ３０纵向直螺栓。块与块之间每块设置４颗　确定，这在一定程度上限制了该模型的实际应用。　Ｍ３６环向弯螺栓，管片接缝面处设有凹凸榫槽。　盾构隧道主要位于富含地下水的砂土层中，　２武汉长江隧道工程概况　两岸段承受较高承压水，江中段承受高水压潜水，　穿越地层包括中密粉细砂、密实粉细砂、底部为　武汉长江隧道工程位于武汉长江一桥、二桥　卵石层及强风化泥质粉砂岩夹砂岩、页岩。局部　之间，是一条解决内环线内主城区过江交通的城　为中密中粗砂、密实中粗砂、可塑粉质粘土层等。　市主干道，其汉口岸和武昌岸接线道路分别为大　智路和规划沙湖路。越江位置分别位于汉口江滩　３实例分析　公园入口上游侧和武昌船舶设计院附近。隧道内　设双向四车道，设计车速５０Ｋｍ／ｈ。汉口岸于胜利　本文选取隧道武昌岸边段东线里程ＬＫ２＋９２０　街设右进隧道的匝道。于天津街设右出隧道的匝　处钻孔Ｊｃ．ⅡＩｏ３．１２和江中段东线里程ＬＫ３＋５００处　道；武昌岸隧道与友谊大道设四条匝道连接。工　钻孔Ｊｚ．１１１　０３．２２为例，均采用匀质圆环模型和梁－　程建成后将承担汉口中心区与武昌中心区交通，　弹簧模型进行计算。　均衡中心区交通流量，减少车辆绕行。　隧道在钻孔Ｊｃ．ＩⅡｏ３．１２处埋深ｌ２．８９ｍ，土层　该隧道全长３６００ｍ，其中盾构段东线长　地质参数如表ｌ所示。　表１土层地质参数表　地层　土名　重度　厚度　静止侧　基床系数（ＭＰａ／ｍ）　代号　（ｋＮ／ｍ　）　（ｍ）　压力系数　垂直　水平　①。　杂填土　ｌ８．６　１．８　０．６４　４．Ｏ　３．Ｏ　①　素填土　１９．４　Ｏ．４　Ｏ．６５　３．Ｏ　２．Ｏ　④：　粉质粘土　ｌ９．１　４．５　Ｏ．６Ｏ　’１４．０　１２．Ｏ　④　粘土　ｌ８．９　５．５　Ｏ．５９　ｌ８．Ｏ　ｌ５．Ｏ　④．　粉质粘土　１８．８　３．２　Ｏ．６ｌ　ｌ３．Ｏ　ｌ１．Ｏ　④　、粉土　ｌ９．５　３．Ｏ　０．４０　１６．Ｏ　１４．０　⑤２　粉细砂　ｌ９．６　６．３　Ｏ．３５　２０．Ｏ　ｌ８．Ｏ　⑤　粉质粘土　１９．Ｏ　ｌ＿３　０．４５　ｌ７．Ｏ　ｌ５．Ｏ　计算中主要考虑的荷载有：结构自重，混凝　向接头抗弯刚度　，本文管片环向接头抗弯刚度　土管片按２６ｋＮ／ｍ，考虑；垂直水、土压力与水平　取值如下：Ｋｅ十一１．９４　Ｘ　１０５ｋＮ・ｍ／ｒａｄ，Ｋｅ一＝１．３　ｘ　水、土压力，该断面处采用水土合算；地面建筑　ｌＯｓｋＮ・ｍ／ｒａｄ。对于纵向接头，其径向抗剪刚度Ｋｒ　荷载；地层反力。　和切向抗剪刚度Ｋｔ按偏于安全方面考虑均取为无　匀质圆环模型中，取弯曲刚性有效率ｎ＝ｏ．７，　穷大，即认为各环管片在纵向接头处不产生错动。　弯矩增长率乏＝Ｏ．３，计算结果如图４所示：　其计算结果如图５所示。　采用梁．弹簧模型计算的关键在于确定管片环　铁道勘测与设计ＲＡｌＬＷＡＹ　ＳＵＲＶＥＹ　ＡＮＤ　ＤＥＳＩＧＮ　２００６（４　ｌ　２３　维普资讯 http://www.cqvip.com 铁道勘测与设计　（ａ）弯矩图　（ｂ）轴力图　图４匀质圆环模型衬砌结构内力图　（ａ）弯矩图　（ｂ）轴力图　图５梁一弹簧模型衬砌结构内力图　隧道在钻孑Ｌ　Ｊｚ．ＩＩ１　０３．２２处埋深１　７．８６７ｍ，土层　分别用匀质圆环模型和梁。弹簧模型进行计　地质参数如表２所示，该断面采用水土分算计算　算，模型参数取值同前。将两个钻孔的计算结果　水、土压力，并考虑回淤５ｍ。　列于表３中，可以看到，这两种模型计算的结果　表２土层地质参数表　厚度　基床系数（ＭＰａ／ｍ）　地层代号　土名　重度（ｋＮ／ｍ￣）　（ｍ）　静止侧压力系数　垂直　水平　③。　粉细砂　ｌ９＿３　ｌｌ　０．４４　６．０　５．０　⑤２　粉细砂　ｌ９．６　１２．５　０＿３５　２０．０　ｌ８．０　⑤　粉细砂　ｌ９．８　９．７　０．３４　２７．０　２５．０　２４　铁道勘测与设计ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＵＲＶＥＹ　ＡＮＤ　ＤＥＳＩＧＮ　２００６（４）　维普资讯 http://www.cqvip.com 季大雪：盾构隧道衬砌内力计算模型比较分析　表３内力计算结果表　钻孔号　水土压力　计算模型　最大正弯矩　（ｋＮ最大正弯矩　最大负弯矩　最大负弯矩对应轴　・Ｉｎ／环）　对应轴力（ｋＮ／环）　（ｋＮ・ｍ／环）　力（ｋＮ／环）　匀质圆环模型　６０３．６　－２４００．９　－４５１．Ｏ　．２９５７．４　Ｊｃｌ－ⅢＯ３一ｌ２　水土合算　梁一弹簧模型　６ｌ３．６　－２３９６．６　－４７８．６　．３Ｏｌ９．８　匀质圆环模型　７９８．２　．４０９４　．６０６．８　．５１０８　Ｊ　ⅢＯ３—２２　水土分算　粱一弹簧模型　７６１．５　－４ｌ５１　．５９２．７　－４９８７　较为接近。　（３）梁．弹簧模型计算的关键在于确定接头抗　弯刚度　及抗剪刚度　、Ｋｔ，目前已有许多相　４　结论　关研究【２Ⅱ，１正在开展，并已取得一定的成果。　（１）匀质圆环模型是一种将管片接头刚度与　参考文献　管片本体刚度进行等效处理的方法，其原理较为　简单，应用较为普遍；梁．弹簧模型考虑了管片环　【１】张凤祥，朱合华，傅德明．盾构隧道．北京：人民交通出版社．　向与纵向接头的位置及刚度，以及错缝时的环问　２００４．９　相互咬合效应等，理论上能更精确的反映管片环　【２　Ｔｅｏ２】ｄｏｒ　Ｉ．ｆｔｌｍｉｅ．Ｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　ｌｉｎｉｎｇ，Ｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　Ｓｔｕｄｉｅｓ　ｆｏｒ　Ｏｐｔｉｏｎａｌ　Ｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　的实际受力状态。　Ｇｍｕｎｄ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ。１９９４．　（２）通过梁．弹簧模型与匀质圆环模型的计算　【３】曾东洋，何川．盾构隧道管片环向接头力学行为研究．地下铁道新　比较，可以认为，修正惯用设计法能满足设计要　技术文集２００３．成都：西南交通大学出版社．２００３。１０．　求。　收稿日期：２００６—７－１１　（上接第２０页）　砼绕流现象严重，如不能及时处理，将给后期槽　４　结语　段的施工带来严重影响。　工程实践中如能开发出既施工简单又经济合　地下连续墙的接头型式和种类繁多，各有其　理的接头型式，地下连续墙的应用必将更加广泛。　优缺点。接头管接头工艺成熟，刷壁方便，后期　槽段下放钢筋笼方便，造价较低，是目前软土地　参考文献　层中应用最多的型式，但在施工中要求接头管的　拔除与墙体混凝土浇筑的配合要十分默契。预制　【ｌ】刘建航，侯学渊．基坑工程手册．中国建筑工业出版社。１９９７．　桩接头具有较强刚性，整体性能好，在防砼绕流　［２】夏明耀，曾进伦．地下工程设计施工手册．中国建筑工业出版社。　方面效果出色，但要求施工场地较大，施工周期　１９９９．　【３】李海光，李强等．预制接头桩技术在地下连续墙中的应用．建筑施　长，施工中要求槽壁垂直度好，一旦不能安放到　工．２００３．９　位，需将整个桩体拔起。工字钢接头施工方便，　收稿日期：２００６—７－１３　刚度大，防渗漏性能好，但用钢量大，成本高，　铁道勘测与设计ＲＡＩＬｗＡＹ　ＳＵＲＶＥＹ　ＡＮＤ　ＤＥＳＩＧＮ　２００６（４）　２５