kl800.com省心范文网

管片设计080102


盾构管片设计

广州地铁设计院
二○○ 八年一月
13:35:48

1

管片分类和选型 2 3 管片结构设计 管片配筋 管片构造设计 管片防水

提 纲
5 6

4

管片连接螺栓

? 1、管片分类和选型
? 1.1、管片水平投影形状:矩形、菱形 ? 1.2、接缝形式:通缝、错缝 ? 1.3、管片分块形式:小封顶块、大封顶块 (等分形 式) ? 1.4、管片结构:平板型,箱型 ? 1.5、隧道曲线拟合:通用型、直线+转弯 ? 1.6、地铁管片厚度(约6米外径)

1.1、管片水平投影形状 管片投影为矩形的和菱形。大多数为矩形

(万家寨菱形管片)

采用非矩形的管片块,上,这种方 式的管片形状多为六边形或梯形

采用的是矩形的管片块

1.2、管片的接缝形式
? ? ? ? ? ? 所有衬砌环的纵缝呈一直线的情况称之为通缝拼装;相邻两环 间纵缝相互错开的情况称之为错缝拼装。 从结构形式看,错缝管片隧道相对通缝管片隧道是一种更为 一般的结构形式,通缝管片隧道仅为错缝管片隧道的特殊情 况。 通缝拼装:国内上海一号线开始使用 工艺简单(一缝到底),整体性差,可调整性差(加石 棉垫片)。 错缝拼装:国内广州一号线开始使用 工艺较为复杂(管片选型),整体性好,可调整性高 (全旋转)。

?

错缝拼装的优点在于:能使圆环接缝刚度分布均匀,减小接缝 及整个结构的变形;错缝拼装方式下,纵、环缝相交处仅有三缝交 汇,相比通缝拼装方式下的十字缝,在接缝防水上较易处理;而且 错缝拼装方式下接缝变形较小,这对防水是十分有利的。 由于错缝拼装方式有着这样的优点,在防水要求较高的盾构 法隧道(如过江、海底隧道、地铁等)或软土地区盾构法隧道中, 往往采用错缝拼装方式,以取得较好的空间刚度,达到控制隧道 衬砌的变形、保证隧道正常使用性能的目的。表1列举了一些采用 错缝拼装技术的盾构法隧道。

?

? 错缝拼装是主流

?

1.3、管片的分块形式:小封顶块VS大封顶块

小封顶块: 不等分割 圆,封顶块 较小,可以 不设纵向螺 栓

小封顶块(广州地铁一号线)

大封顶块(等分圆)
? 等角度分割 圆,k块与其 余管片大小基 本相同,有纵 向螺栓。

(南水北调黄河隧道,7等分,每块管片51.4°)

两种分块形式对比:
优点 缺点 应用

大封 1、可以减少分块数, 1、封顶块体积和质量 顶块 减少接缝; 大,不利于拼装; 2、利于防水。 2、纵向螺栓不利于拼 装。 小封 1、体积和质量小,灵 1、增加了分块,不利 顶块 活,利于拼装; 于防水和整体性。 2、可省纵向螺栓,利 于拼装。

上海10米直径 隧道,武汉长 江隧道等 地铁广泛应 用,上海崇明 岛隧道,英法 隧道等

1.5、隧道曲线拟合:楔型(通用型、左右 楔型);直线+楔型
? ? ? 为了满足盾构隧道在曲线上偏转及蛇行纠偏的需 要,应设计楔形衬砌环。目前国际上通常采用的 直 右 衬砌环类型有三种。 A)直线衬砌环与楔形衬砌环的组合。 盾构隧道在曲线上是以若干段折线(最短折 线长度为一环衬砌环宽)来拟合设计的光滑曲 线。设计和施工是采用楔形衬砌环与直线衬砌环 的优选及组合进行线路拟合的。根据线路转弯方 向及施工纠偏的需要,设计左转弯、右转弯楔形 衬砌环及直线衬砌环。设计时根据线路条件进行 全线衬砌环的排列,以使隧道设计拟合误差控制 在允许范围之内。盾构推进时,依据排列图及当 直线+楔型管片拟合曲线 前施工误差,确定下一环衬砌类型。由于采用的 衬砌环类型不完全确定性,所以给管片供应带来 一定难度。

? B)通用型管片。
? 目前欧洲较为流行通用管片。它 只采用一种类型的楔形衬砌环,盾构 掘进时通过盾构机内环向千斤顶的传 感器的信息确定下环转动的角度,以 使楔形量最大处置于千斤顶行程最长 处,也就是说,管片衬砌环是可以 360°旋转的。国内深圳地铁首次采用 通用管片。由于它只需一种管片类 型,可降低管模成本,不会因管片类 型供应不上造成工程质量问题。但是 通用管片拼装难度较高,需要有经验 的盾构机操作人员。







楔型管片拟合直线

? C)左、右楔形衬砌环之间相互组合。 ?
这种管片组合形式,国内在南京地铁施工中首次使用。根据 线路偏转方向及施工纠偏的需要,设计左转弯、右转弯楔形衬砌 环,在直线段通过左转弯和右转弯衬砌环一一对应组合形成直 线。设计时根据线路条件进行全线衬砌环的排列,以使隧道设计 拟合误差控制在允许范围之内。盾构推进时,依据排列图及当前 施工误差,确定下一环衬砌类型。

两种分块形式对比:
优点 楔型拟合型 (通用型和 左右楔型) 1、每环都可以旋转管 片来拟合掘进曲线; 2、管片生产简单,可 减少钢模。 缺点

直线+楔型 拟合型

1、封顶块可能位于隧道下部, 对拼装技术要求较高; 2、管片选型必须时刻注意; 3、由于管片与千斤顶存在夹 角,管片容易受力不均。 1、简化施工控制,减 1、需要做好管片生产计划,增 少管片选型工作量; 加钢模数量。

通用型管片案例
? 深圳地铁一期工程第七标“华—岗“区间共用两台海瑞克土 压平衡盾构机施工,隧道衬砌采用钢筋混凝土管片衬砌, 每环采用六块,管片宽1.2m厚30cm,内径6.0m。盾构机 始发掘进不久,即发现盾构机的姿态很难控制,并且管片 有规律性的漏水及挤碎。 管片分块L1、L2、B1、B2、B3、F,每块管片都有不同的 楔形量, F 最窄, B2最宽

?

为了查找原因,中外专家深入现场提出了多种见解,并使用了几 种应对措施,判断原因为首次使用通用管片,管片拼装不合理, 对管片拼装点位的选择缺乏经验造成的。 原因: ? 1、K块选择不当,千斤顶与管片有夹角 ? ? 当管片与推进千斤顶接触平面不重合时,在千斤顶产生推力时管 片即出现裂缝导致漏水,并且此时出现盾构机的姿态难以控制, 很难遵循预定线路前进。经过分析,施工时盾构机的总推力约为 1100t,每个千斤顶的推力为50t,由于管片与推进千斤顶接触平 面有个夹角,近似于线接触,管片混凝土的抗压强度为50kgf/ mm2左右,而千斤顶产生的局部压应力应力远远超过该值,由此 判断管片开裂起因于千斤顶与管片平面不重合。并且由于管片碎 裂使得盾构机各个千斤顶不同步,导致很难控制方向。

?

所以应使管片与推进千斤顶接触平面尽量重合,这可以通过选 择管片的拼装位置来实现。在选择管片位置时,有两个参数需 要考虑,一个是盾尾间隙的保证;另一个是管片平面走向趋 势。管片趋势相关的参数有:推进油缸行程,铰接油缸行程, 管片平面位置, 当我们用管片的不同楔形量来使CH(水平走向趋势)、CV(垂 直走向趋势) 为零时,管片平面就与盾构机前进平面重合,此 时盾构机的千斤顶受力情况最好,便于整个掘进工序,当楔形 量不能使CH与CV同时为0时时,应尽量使其中一个保持最 小,使盾构机能获得最大的推进力,并使侧向分力减小,便于 盾构机遵循预定线路前进。因此,应优先考虑管片趋势

?

? 2、盾尾间隙与选择管片位置控制不当
? 不同点位的选择,可以控制盾尾间隙,由于在盾尾后部设有一 圈加强环,可以保持盾尾保圆度另外还可以作为一道止水环,防 止泥水进人盾尾密封刷内。加强环高度为45mm,而且盾构机在 不同的线路上总是有一定的偏移量,因此盾尾间隙要保持在 45mm以上,否则会使加强环挤压管片造成碎裂,并妨碍了掘进 时方向的控制。由于管片类型不同,对盾尾间隙可以起到调节作 用 ?盾尾分成11个点位。例 如:当F块位于3点位置 时,就可以将3点位置上 的盾尾间隙减小,而9点 钟位置间隙得到最大补偿 见图。

楔型拟合型管片施工要求高,要谨慎使用
? 当前进线路为小半径曲线时,如果始终按照小曲线前进,一 侧盾尾间隙会变得很小,同时也使得千斤顶平面与管片平面有很 大的一个夹角,这会导致管片发生挤碎现象,造成盾构机的控制 上的困难。出于对盾尾间隙的考虑,我们选择的管片位置有时不 能只是按照设计曲线,当管片与盾尾间隙太小时,甚至发生碎裂 时,就必须通过控制盾构机的线路来使间隙得到平衡——即不按 照设计曲线掘进,从而选择最适合的点位如图4,当间隙得到平衡 后再重新开始拟合设计线路。

1.6、地铁管片厚度(约6米外径)

?

350mm(上海,天津,杭州,南京) 300mm(北京,沈阳、广州、深圳、西安、成都) 250mm(台湾,新加坡) 管片的厚度选择,反映了对管片设计理念的差别。首先得谈与之 密切相关的柔性衬砌设计理论。柔性衬砌设计理论认为,隧道衬 砌并不是受很明确的荷载作用的独立结构,衬砌设计不是一个结 构的问题,而是一个地层加结构的问题。衬砌的作用就象一层将 荷载重新分配给围岩(地层)的薄膜,而不象一个去支撑地层传来 荷载的拱圈。因此,通过适当调整隧道衬砌本身与周围地层之间 的相对刚度,可以调整地层的变形,改变衬砌与地层的相互作 用,从而有利于衬砌的受力,使衬砌设计更加经济合理。

?

?

?

新奥法通过允许和激励地层有控制的变形,调动土体的剪切 强度,从而限制了地层侵入隧道的趋势,也就是说,减小了衬砌 上的荷载。在盾构法隧道中,柔性衬砌设计理论也有着类似的应 用,比如通过减薄衬砌厚度、减小接头刚度、增加接头数量等来 达到〕。 在国内,由于通缝拼装方式能够使衬砌结构获得较好的柔性, 故随着柔性衬砌的采用而得到了广泛的应用。以上海为例,上海 地铁一、二号线,延安东路南线、北线隧道等均采用了通缝的拼 装方式。实践证明,柔性衬砌设计理论大大改进了隧道的环、纵 向受力性能,但在较差的土层中正是由于柔性衬砌的“柔性”,使 得隧道变形较大,给隧道防水带来了困难。为了克服这种太“柔” 的隧道,于是选择了较厚的大刚度管片,这也是350mm的原因之 一。

?

黄钟晖博士曾对管片厚度进行过研究。由计算分析可知,随着管 片厚度的增加,弯矩逐渐增大、轴力值逐渐减小,尤以弯矩值的 变化最为显著。 从弯矩一厚度变化曲线中可以看出,当管片厚度h较小时,其对位 移的影响尤为明显。从h =0.10--0.30 m,拱腰处水平位移几乎呈直 线急剧变化;当h >0.4时,曲线逐渐趋向于平缓,继续增大管片厚 度,位移减小并不明显。 可见管片厚度的增加,提高了隧道管片 本身的刚度,结构的总体变形逐渐减小,弯矩值增大,轴力值减 小,截面受力从小偏心向大偏心转变,因此过大的管片厚度不利 于隧道结构本身的受力。

?

? 对截面配筋的影响 ? 为了研究厚度变化时管片结构配筋的变化情况, ? ? ? ? ? 选取封顶块处的内力进行截面配筋。内力组合仅考虑 静载,分项系数按现行钢筋混凝土结构设计规范取为 1.2,纵筋采用对称配筋方式,根据配筋结果得出受拉 纵筋面积和厚度的关系如图6,纵筋配筋率和管片厚 度的关系如图7

?

从图7中可以看出,厚度h在0.l-0.3 m之间时,纵筋配筋率变化较 快,从h=0.3 m起,配筋率变化趋缓,并逐渐变为构造配筋率即 0.2%。此外,从受拉纵筋面积和厚度关系曲线中可以看出,当厚 度小于0.2 m时,纵筋面积As急剧上升,当h在0.2一0.5m之间变化 时,As平缓减小至最小值,然后随h的增大又逐渐上升。因此从配 筋率和配筋量来看,管片厚度在0.3 m左右是比较合适的,因为此 时的配筋率比较合适,且纵筋面积亦不会过大;从受力角度来说, 这样也比较能够充分发挥混凝土抗压能力,且对裂缝控制有利。 此时厚度与直径之比在3.4%一5.1%之间,工程实践表明这样的厚 度是可以满足受力、防水要求的。

? 薄管片存在耐久性的疑问 ?
从以上计算分析可知,从受力、防水、抗裂等角度看,管片厚 度的减薄是可行的,但是否能保证减薄后隧道结构的耐久性达到 要求却是一个复杂的课题。对于埋置于土层中的地铁隧道管片结 构而言,结构物的碳化以及由于地下水的渗人而引起的侵蚀性介 质的腐蚀是影响结构耐久性的重要原因。

2、盾构管片结构设计中的主要问题
2.1、作用于衬砌结构上荷载的分类和确定 2.2、衬砌结构的力学模型分类 2.3、算例

2.1、作用于衬砌结构上荷载的分类和确定
1.垂直土压力 2.水压力 主要荷载 3.自重 4.上覆荷载 5.地基抗力 6.内部荷载 次要荷载 7.施工荷载 8.地震的影响 9.平行配置隧道的影响 特殊荷载 10.近邻施工的影响 11.其它

荷载的确定和计算方法
垂直土压力:松动、总覆土 水平土压力:侧压力系数 水压力:水土分算、浮力 管片自重:g=W/2∏Re 地基反力:独立和从属、K值 内部荷载:设计中可不考虑 施工荷载:推力、注浆压力等 特殊荷载:

并行施工、不均匀沉降

土压与水压分算或合算的条件 计算土压力的方法有两种,一种是将水压力 作为土压力的一部分来考虑(即水土合算), 另一种是将水土力与土压力分开计算(即水土 分算)。一般而言,在砂性土层中,拟采用水 土分算;在粘性土层中拟采用水土合算,但对 于自立性好的硬质粘土及固结粉土也多以水土 分算来考虑。水土合算时,地下水位以上用湿 容重,地下水位以下的用饱和容重;在水土分 算时,地下水位以上用湿容重,地下水位以下 的用浮容重。

垂直土压 垂直土压的 取值方法有全覆土 土压和松动圈土压 两种,全覆土土压 由隧道顶部到地面 的覆土厚度乘以土 体容重而获得。但 图中有阴影部分的 可以忽略不计。

松动圈土压
当隧道顶部覆土厚度较大时, 需考虑土拱效应 (图 1.1) 其计算方法一般多采用太沙基公式, , 即:

h0 =

Β 1 (1 ?

C

Β 1γ

)
)
?
2

K 0tg ?
Β
1

(

1? e

? K

0

tg ?

H Β1

)
)

+

Ρ0

γ

e

? K 0 tg ?

H Β1

(1.3)

σ

V

=



?

C

Β1

K 0tg ?

(

1? e

? K 0t g ?

H Β1

+ Ρ 0e

? K 0 tg ?

H Β1

(1.4) (1.5)

? 45 o + Β 1 = R0 C t g ? 2 ?

? ? ?

h0:土的松动高度(m) ; 2B1:隧道顶部松动圈幅(m) ; H:覆土深度(m) ;

σ V :太沙基松动土压(KN/m2) ;
K 0:水平土压与垂直土压之比(通常 K0=1) ; C:土的粘聚力(KPa) ; R0:管片外圆半径(m) 。

? :土的内摩擦角( o );

松动圈土压计算条件
采用松动圈土压计算的条件必须同时满足以下条件: (1) 良好地层(砂、砾石) ; (2) 无双行隧道和已有相邻结构的影响; (3) 覆土与隧道外径相比,达到相当程度时。 日本规范规定:在砂性土中当覆土厚度大于 1~2D0(D0 为管片环外径)时,在粘性土中如 果 N≥8,同时覆土厚度大于 1~2 D0 时均可采用松动圈土压。但当计算出的松动土压不足 200 KN/m 时,最小取 200 KN/m 或取隧道外径 1.0~1.5 倍的覆土厚度的土压力值。
2 2

水平土压
水平土压的计算可把垂直土压乘上土的侧压力系数 λ 求出,即

qe1 = λ ( Ρe1 + γ t 2 ) ? 2C λ qe 2 = qe1 + λγ 2RC

(1.6) (1.7) (1.8)

λ = tg 2 ( 45o ? ? ) 2
qe 1 、 qe 2 :水平土压(KN/m2) ; RC :管片计算半径(m) ;

λ :侧向土压力系数;
t:管片厚度(m) 。

水压
如果采用竖向均布荷载和水平均匀变化的荷载组合,则隧道顶部与底部的水压力分别为

Ρ w1 = γ wΗ w ? ? 竖向水压 ? ? Ρ w2 = Ρw1 + γ w 2R0 ? ? ? qw1 = γ w ( Η w + t 2 ) ? ? ? ?水平水压 ? qw2 = qw1 + γ w 2RC ? ? ?

(1.9)

若采用静水压力(图 1.3) ,则管片上各点处的水压力为

Ρ w = γ w ? ( Η w + t 2 ) + RC (1 ? cos θ ) ? ? ?

(1.10)

Ρ w1 、 Ρw2 :隧道顶部及底部竖向水压(KN/m2) ; qw1 、qw2 : 隧道顶部及底部计算半径处的水平水压 (KN/m2) ;

γw

:水的容重(KN/m3) ;

若采用静水压力,则浮力为

Fw = γ wπ RC 2
此时隧道底部均布土压为

(1.11)

Ρe 2 = Ρe1 + π g ? Fw 2 RC = Ρe1 + π g ? π RC γ w 2 Ρe 2 :隧道底部竖向土压(KN/m2) ;
π g :管片自重分布在地基上的压力(KN/m2) 。

(1.12)

自重
管片自重是沿其计算半径分布的竖向荷载,自重产生的弯矩一般约为总弯矩的 20%,因 此是不可忽略的。 管片纵向每延米的重量 G = 2π RC t γ C = 2π RC g ,将此 重量均布在地基上,则得地基 压 力为 Ρ g =
2 π RC g 2 RC

=π g

(1.13)
2

g:管片环单位长度重量(KN/m ) ;

γ C :砼的容重(KN/m3) 。

土体抗力 `
土体抗力有垂直方向和水平方向两种,它是由圆环变形后,在结构变形的反方向产生的 土体反力。

竖向土体抗力
与垂直方向荷载平衡的地基反力为竖向土体抗力

Ρ r = Ρ w1 + Ρ e 1 + π g Ρ r :竖向土体抗力(KN/m 2)

(1.14)

侧向土体抗力
侧向土抗力是指随圆环横向变形时,地层所产生的被动土压。土抗力的大小与圆环向地层 方向的变化量成正比。侧向土抗力为水平方向作用,并呈三角形分布,上下零点在水平直径的 上、下 45°处,其最大值 qr 在水平直径处,如图 1.2 所示。其余任一点的侧向土抗力 qi 均为 qr 的函数,即
sinα α qi = qr 1 ? sin 45o = Kδ K 1 ? sin2

(

)

(

)

(1.15)

K:地层土抗力系数(KN/m3) ,其值可参考表 1.1

δ K :水平直径处,管片的最终水平变位(m)
?2 ( Ρ e1 + Ρ w1 ) ? ( q e1 + q w1 ) ? ( q e 2 + q w 2 ) + π g ? RC 4 ? δK = ? 4 24 η ΕJ + 0.045 K RC

(

)

(1.16)

η :管片圆环抗弯刚度的折减系数,η =0.6~0.8,一般也可取η =1.0。

ΕJ :管片圆环的抗弯刚度(KN-m2) ;

表 1.1 土 质 条 件 非常密实的砂 固结粘土 优良地层 密实砂 硬粘土 一般粘土 松砂 软土地层 软粘土 非常软弱的粘土

土抗力系数 K 值参考表 标准贯入试验的 N 值 K(KN/m3) N≥30 50000 N≥25 40000 30000 10<N<30 8≤N<25 4<N<8 N≤10 2<N<4 N≤2 20000 10000 10000 5000 0

一般认为在软弱的冲积粘性土层中可不考虑土体抗力,采用松动圈土压时,一般也不考虑侧向 土抗力,管片自重引起的侧向变形也可不考虑土抗力。

地震影响
一般来说盾构隧道设计可不考虑地震荷载,其理由是隧道在地层中是共同振动的,隧道的 抗震条件优越。但在以下条件下,地震对隧道的影响较大,需要认真对待。 (1) 地下连接部位(如与坚井的连接)结构发生变化时; (2) 在地质、覆盖层厚度、基岩深度等地基条件发生突变时; (3) 在松散饱和的砂质地层中,有发生液化的可能性时; (4) 急转弯的曲线部位; (5) 在软弱地基中。 用于抗震设计的方法有地震变位法和地震系数法之类的静力分析法以及动力分析法,这里 不作具体讨论。

地面荷载
地面荷载包括路面车辆荷载、隧道上部建筑物以及其他建筑物等。通常,当隧道的覆土大 于 7.0m 时,路面上的车辆荷载已显得很微小。 有关文献给出的地面超载参考值如下: P0=10 KN/m 2(公路车辆荷载) P0=25 KN/m (铁路车辆荷载) P0=10 KN/m 2(建筑物重力) 2 P0=20 KN/m (广州地铁)
2

施工荷载
从管片组装开始到盾尾空隙中壁后注浆材料的硬化为止,作用在管片环上的临时荷载统称 为施工荷载。施工荷载有以下几种: (1) 盾构千斤顶的推力; (2) 回填注浆压力; (3) 管片举重臂操作的荷载; (4) 后援的自重、管片矫正器的千斤顶推力、切削头的扭矩等。 管片设计时,施工荷载一般只考虑千斤顶推力,使用平板形管片时,管片均能满足千斤顶顶力 的要求,因此可省略验算工作。

相邻隧道的影响
相邻隧道是指同一区间里,两座隧道在平面或立面上平行而且近距离设置的情况。两条相 邻隧道施工时,会相互影响。其荷载与通常所指的荷载不同。根据实测,当两平行隧道间的净 距大于或等于后续隧道一倍外径时,后行隧道的施工对先行隧道几乎无影响。否则就有必要对 其进行充分的论证。 对先期隧道产生影响的主要因素是后续隧道施工时的荷载,包括顶推力、壁后注浆压力、泥水 压力及泥土压力等,这些荷载通过隧道间的土作为先期隧道的偏心压力进行作用,从而在隧道 的横断面及纵断面方向上引起异常的位移和应力。

衬砌结构的主要力学模型
接头刚度和本体刚度一样 (如惯用法和修正惯用法) 接头抗弯刚度为零 (多铰环模型)

? ? ? ?

惯用法 修正惯用法 梁-弹簧模型法 多铰环模型法

考虑环向接头刚度和 纵向接头刚度 (如梁-弹簧模型)

衬砌结构的力学模型图示
q

完全等刚度圆环和 平均等刚度圆环
惯用法(修正惯用法)

多铰圆环
多铰环模型法

同时考虑旋转弹簧和 剪切弹簧的圆环
梁-弹簧模型法

惯用设计方法
也有“自由变形弹性匀质圆环法”之称; 不考虑管片接头部分的弯曲刚度下降。 管片环和管片主截面具有相同刚度、并且弯曲刚度均 匀。 水平方向的地层抗力假定为自环顶部向左右45~135度 分布的三角形荷载 。

修正惯用设计方法
也有“考虑侧向水平弹性抗力法”之称 将接头部分弯曲刚度的降低评价为环整体刚度的降低, 管片环是具有ηEI (弯曲刚度的有效率η≤1)弯曲刚度 均匀的环(平均刚度均匀环)。 考虑错接头时的接头部分弯矩的分配,从根据ηEI 均 匀弯曲刚度环计算出来的截面内力中,对弯矩考虑一个 增减ζ(弯矩的提高率ζ≤1) ,则(1+ζ)M为主截面的设计用 弯矩,(1-ζ)M为接头的设计弯矩。

多铰环模型设计方法
以隧道周围围岩状况良好作为对象而采用的计算法,将管 片接头作为铰结构来计算。 多铰环自身是个超静定结构,只有在隧道周围的围岩作用 下才会成为静定结构。因此,对作用于环的荷载分布以及 围岩地基抗力的评价极为重要。 由于以隧道周围围岩普遍具有抗力为基础,需要注意其适 用地基的局限性。

梁~弹簧模型设计方法
将管片主截面模拟成圆弧梁或者直线梁、将管片接头模 拟成旋转弹簧、将环接头模拟成剪切弹簧,以评价接头 刚度的下降和交错组装的拼接效应的计算法 。并且通过 地基弹簧可以考虑结构与地层的相互作用。 考虑问题比较全面,但确定接头参数比较麻烦。 当将剪切弹簧和旋转弹簧常数同时设定为零,则基本上 与多铰环模型法相同;当将旋转弹簧常数设定为无限大 时,则与刚度均匀环的计算方法相同。

四种盾构隧道管片设计方法的比较研究
由于国际上管片设计方法多样性,对各种设计方法的适用范 围了解不深刻。随意套用现有的设计图纸,其结果是可能在某 些地层中出现意想不到后果。 四种管片设计方法中,惯用法没有考虑接头影响的修正惯用 法考虑因管片接头对整体刚度的降低,从而修正惯用法比惯用 法更接近工程实际。 多铰环法由于其刚度最小所计算的弯矩值偏小,而变形量偏 大,因此需要较好的周围围岩提供地基抗力。 梁-弹簧模型法因考虑的因素最为全面,从理论上来讲,比 修正惯用法更为先进,但参数的选取十分不易。

世界各国设计方法比较
国家 澳大利亚 设计模型 全周弹簧模型Muir Wood法Curtis 法 设计土压力、水压力 σv=全部覆土重 σh=λσv+静水压力 浅埋σv=全部覆土重 深埋Terzaghi松弛土压公式 σv=全部覆土重 σh=λσv σv=全部覆土重或Terzaghi松弛土压公式 σv=全部覆土重 σh=λσv λ-经验值 σv=全部覆土重 σh=λσv 粘着力忽略不计Terzaghi松弛土压公式 σv=全部覆土重 σh=(1+λ)/2σv λ=Ko σv=全部覆土重 σh=λσv 只考虑半径方向 地基反力系数 平板荷载试验 k=Es/r 只考虑半径方向的反力

奥地利

全周弹簧模型 覆土深2d局部弹簧模型覆土深2d全周 弹簧模型 全周弹簧模型或有限元

西德

没有回答 k=E‘/(1+μ)r

法国

中国

经验法

用垂直或水平荷载板试验求得

日本 西班牙

惯用设计法 梁—弹簧模型 考虑地层和结构相互作用的Buqera法

英国

全周弹簧模型MuirWood

根据三轴试验确定

美国

弹性地基圆环法

根据室内实验确定

? 2.2、算例(以广州地铁二号线客大区间为例)
? 采用《同济曙光岩土及地下工程设计与施工分析软件》进行空间结构计算3个断面
各计算断面参数表
计算点 里程 钻孔 轨面高程(m) 覆土厚(m) 覆水深(m) 隧道所处地层 基床反力系数 (Mpa/m) 3 土容重(KN/m ) 粘聚力(Kpa)
°

断面 1 YDK7+320 MCZ3-KX-13 -14.32 22.14 18.94 <8> 550 25.0 8000

断面 2 YDK7+900 MCZ3-KX-34 -18.91 21.41 19.41 <7> 120 22.0 50

断面 3 YDK8+590 MCZ2-B054 -7.96 10.87 8.87 <5-2> 30 3 18.9(计算中用的是 20KN/m ) 32

内摩擦角( ) 33 20 18 标贯击数 100 63 22 地面超载(Kpa) 20 20 20 水土分/合算 分算 分算 合算 注:上表参数为隧道所处地层之值,基床反力系数偏于安全的没有计及管片周围注浆引起的地 层抗力系数增大的影响。

断 面1

断 面2

断 面3

?

电算法从理论上讲,是一种接近实际、趋于理想的计算方法。但 由于接头的抗弯刚度Kθ、圆环径向抗剪刚度Kr和切向抗剪刚度 Kt取值,目前有的还处于研究阶段,比如本算例的Kθ,在隧道 内侧受拉时,取5×104kN·m/rad,在隧道外侧受拉时,取 3×104kN·m/rad,就是参照了国内外有关的研究成果;与实际情 况有多大的出入很难说清楚。因此电算的结果也不是十全十美 的。 电算法的存在的疑问:从三个断面的电算荷载布置图看出,结构 模型相同、荷载形式相同,但弹簧设置的范围为什么各不相同? 内力弯矩图的形状为什么各不相同?从位移图上看,断面1、断 面2上有些地方的位移是向内的,而在结构外侧为什么还要设置 弹簧?

?

?

盾构电算,建议先从平面计算入手,等到成熟以后再进入空间结 构的分析计算。目前一个是原始的平面解析法,一个是较高端的 三维空间分析计算法,等级差别大,可比性就小,这完全在情理 之中。

3、管片配筋
分为梁式配筋和板式配筋。 板式配筋:即认为管片是板结构,平均分布钢筋; 梁式配筋:按照格栅钢架思路配筋。

环面配筋 加强

板式配筋,主筋分布较均匀,在管片的环面进行了 加强,以抵抗千斤顶推力。

环向钢筋:12φ18;纵向钢筋:18¢10.

梁式配筋

红色主筋在环向形成三 条梁

剖面可见螺栓孔位无主筋,管片螺 栓孔洞也是梁式配筋的客观原因。

细部配筋加强

5、管片防水设计

C50

S12)

接缝:遇水膨胀橡胶条 螺栓孔:密封垫圈

接缝:三元乙丙橡胶条(复合式) 嵌缝:氯丁胶乳水泥

4、管片构造设计
管片止水条外弧面外缝不宜过大,否则浆液和盾尾油脂会渗漏,可 以加海绵条
管片外周的缝 隙

海绵条

? 手孔圆滑利于脱模

? 两个手孔可以设计 成连通,否则两个 手孔之间砼脱模时 容易掉块

?管片的接缝榫槽

?

在纵横向同时设置榫槽。

? 理论认为榫槽可以加强隧道整体的刚度,防止变形。 在软土隧道里榫槽应用取得了成功。但要注意:由于 受到盾构纠偏、管片上浮、注浆等因素影响,管片在 纵向方向上的变形可能性较大,环向榫槽设置要慎重 ? 对于适应纵向不均匀变形的问题,说到底就是一个“以 柔去适应”,还是“以刚去抵抗”的问题,这主要取决于 对于隧道结构耐久性和防水的要求。

? 2004重庆污水隧道 管片接缝的破碎。 泥水盾构采用单液 浆,围岩稳定,管 片上浮,凹凸榫槽 限制了管片的变形

环向的凸榫

外弧面砼碎裂

? 2007南水北调管片环缝 外弧面破碎

6、管片的连接螺栓:
1、弧形螺栓(地 铁多用); 2、斜螺栓(重庆 如图) 3、埋入式平直螺 栓(南水北调 黄河隧道) 4、不用螺栓连接

埋入式直螺栓设计图

纵缝

环缝

环缝剖切图

讲 课 结束 谢 谢!


赞助商链接