盾构隧道管片衬砌结构荷载结构模型

盾构隧道管片衬砌结构荷载结构模型

① 保持围岩稳定，可以长期承受作用于盾构隧道上的全部荷载； ② 可以承受施工过程中的千斤顶推力及注浆压力等施工荷载； ③ 满足防渗要求； ④ 满足环境保护要求。 基本要求： 1 、盾构管片结构设计流程 隧道的使用功能； 结构运营寿命； 运营空间要求，如净空、线路、施工精度等； 预埋件结构，如起吊件、连接预埋件等； 防水要求； 规范规定的要求等。 影响管片设计的因素包括： 管片设计流程 2 、设计条件拟定 （ 1 ）隧道内空断面形状和尺寸 我国盾构技术概况 国内地铁盾构隧道管片结构的设计及使用 隧道内径 工程名称 车辆限界 /mm 隧道内径 /mm 备注 上海地铁 5200 5500 软土 南京地铁 1 号线 5200 5500 软土 南京地铁 2 号线 5200 5500 软土 北京地铁 5 号线 5200 5400 广州地铁 3 号线 客 - 大区间 5200 5400 围岩 Ⅰ ～ Ⅳ 级 工程名称 管片形式 管片厚度 /mm 备注 上海地铁 钢筋混凝土 350 软土 南京地铁 1 号线 钢筋混凝土 350 软土 南京地铁 2 号线 钢筋混凝土 350 软土 北京地铁 5 号线 钢筋混凝土 300 广州地铁 3 号线 客 - 大区间 平板型钢筋混凝土 300 围岩 Ⅰ ～ Ⅳ 级 管片的形式与厚度 我国盾构技术概况 国内地铁盾构隧道管片结构的设计及使用 管片幅宽 工程名称 分块 管片宽度 /m 最小曲率半径 /m 南京地铁 1 号线 K(21.5   )+2L(68   ) ＋ 3B(67.5   ) 1.2 400 南京地铁 2 号线 K(21.5   )+2L(68   ) ＋ 3B(67.5   ) 1.2 400 北京地铁 5 号线 K(22.5   )+2L(67.5   ) ＋ 3B(67.5   ) 1.2 300 广州地铁 3 号线 客 - 大区间 K+2L ＋ 3B 1.5 1500 管片分块 地铁隧道管片常用分块数为六块和七块两种在国内上海地铁一号线、广州地铁一、二、三号线南京地铁一、二号线、成都地铁一号线盾构区间隧道都采用 六 块方案。 （ 2 ）管片类型 钢筋混凝土管片 钢管片 铸铁管片 复合管片 （ 3 ）管片的厚度与幅宽 管片厚度越大，其截面抗弯能力越强，可以节约钢筋用量，但同时也增加了混凝土用量。管片厚度的选取应视管片接头部位和混凝土截面的受力情况而定，根据经验，管片厚度一般为衬砌环外径的 4% 左右，但对于大断面隧道，尤其是当采用钢筋混凝土管片时，约为 5.5% 左右。 为了便于搬运和组装以及有利与隧道曲线段的施工，希望管片宽度小一些为好；从降低每延米隧道衬砌的制造成本、减少接头个数和提高施工速度方面考虑，则又希望幅宽大一些好。参照国内外大断面隧道的建设情况，幅宽多数为 2m 。 （ 4 ）管片衬砌环的分块方式 管片分块方法总体上讲有等分模式及不等分模式，等分模式下由于没有小封顶块，采用错缝拼装时管片整体刚度较为均匀，是一种理想的受力分块方式；不等分模式一环管片一般是由几块 A 型管片（标准块）、两块 B 型管片（邻接块）和一块 K 型管片（封顶块）组成。 封顶块 邻接块 （ 5 ）管片的接头角与插入角 由于 K 型管片插入方式分两种，沿半径方向插入的角度称为接头角（ αr ），沿轴方向插入的角度称为插入角（ α1 ）。 如果是半径方向插入型管片，对于其中的 K 型管片的接头角度 (αr) 依下式计算。 αr ＝ θk/2+ω ，上式中的 ω 是为便于 K 型管片的插入所需要的富裕角度，一般采用 2° ～ 5° 。 如果是轴方向插入型管片，其中的 K 型管片一般不需要接头角度 (αr) 。但是，考虑到包括盾构机长度在内的施工条件和管片接头与管片环之间的干扰，还是需要设定管片的插入角度 (α1) 。管片的插入角度多取决于施工条件，但是取 17° ～ 24° 的实例居多。 (6) 管片环楔形量 盾构在曲线段施工和蛇行修正时，需要使用一种幅宽不等的管片环 , 称为楔形管片环 . 楔形管片环中最大宽度与最小宽度之差，称为楔形量。 蛇行修正用楔形管片环的数量，会因工程区域内所包含的缓曲线和急曲线区段的比例、有无 S 形曲线等的隧道线路、影响盾构操作稳定性的周围围岩的情况而不同。 （ a ）普通环；（ b ）单侧楔形环；（ c ）两侧楔形环 (7) 管片的拼装 盾构隧道管片的拼装方式有两种，通缝拼装和错缝拼装。 通缝拼装时，管片衬砌结构的整体刚度较小，导致变形较大、内力较小。 采用错缝拼装时，管片衬砌结构的整体刚度较大，导致变形较小、内力较大。对于管片的分块设计要求比通缝拼装条件下较高。错缝拼装的拼转角度根据纵向螺栓的布置而定，可以两环一组错缝拼装，也可以三环一组错缝拼装。 (1) 在相同地层条件下，错缝式拼装与通缝式拼装管片结构中的 受拉受压区域基本相同 ，错缝式拼装盾构隧道中接头及其周围处的弯矩与相同条件下通缝式拼装管片相比有较大幅度的改变。错缝式拼装的最大弯矩较大，而相应的轴力却较小，不同的拼装方式附加内力的大小和分布规律也有较大的区别。这就给配筋提出了更高的要求。 (2) 错缝拼装管片弯矩绝对值的最大值较通缝拼装管片弯矩绝对值的最大值大，而在此位置错缝拼装的轴力较通缝拼装的轴力小，错缝拼装弯矩绝对值最大值比通缝拼装弯矩绝对值最大值大 50 ％左右，轴力小 20 ％左右，并且不同的拼装方式又有所不同。 (3) 在相同埋深、相同地质条件下，通缝式拼装结构的位移值要比错缝式拼装结构的位移值大 20 ％左右；不同的错缝式拼装方案下，结构的位移值相差不大，在 10 ％以内。 方法 特点 标准衬砌环、左转弯衬砌环和右转弯衬砌环组合 直线地段除施工纠偏外，采用标准衬砌环；曲线地段可通过标准衬砌环与左、右转弯衬砌环组合使用，以模拟曲线。此方法施工方便，操作简单。 左转弯衬砌环和右转弯衬砌环组合 通过左转弯环、右转弯环组合来拟合线路，由于每环均为楔形，拼装时施工操作相对麻烦一些，欧洲常采用，国内暂未看到报道采用。 通用管片环 通过一种楔形环管片模拟线路、曲线及施工纠偏，管片拼装时，衬砌环需扭转多种角度，封顶块有时会位于隧道下半部，工艺相对复杂，大大降小模具数量，降低造价。 管片环组合方法 我国盾构技术概况 国内地铁盾构隧道管片结构的设计及使用 楔形衬砌环与直线衬砌环的组合 衬砌环形式 楔形衬砌环之间相互组合 通用型管片环 国内目前只有在南京 地铁施工中使用 深圳地铁首次采用 应用工程 管片厚度 （ mm ） 盾构外径 （ m ） 管片拼装 上海地铁 350 6.34 通缝 南京地铁 1 号线 350 6.34 错缝 南京地铁 2 号线 350 6.34 错缝 北京地铁 5 号线 300 6.20 错缝 广州地铁 3 号线 客 - 大区间 300 6.30 错缝 深圳地铁 300 错缝 管片拼装形式 (8) 接头构造 管片的连接处一般称为接头，包括 接缝 、 螺栓 及其 附近（包括螺栓孔）的部位。 柔性接头 由于允许在相邻管片间产生微小转动和压缩，使得整个衬砌环能随内力而产生一定变形； 刚性接头 则主要通过增加螺栓数量等手段力图在构造上使接头刚度与构件本身相同。 目前的趋势：减薄衬砌厚度、减弱接头刚度和增加接头数量等措施以达到增加衬砌柔性的目的。 管片接头 环间接头 特征 对接方法 紧固方法 对接方法 紧固方法 平板螺栓接头 全面对接 直螺栓 全面对接 直螺栓 有榫管片 部分对接 斜螺栓 键式 斜螺栓 环刚度小；不需紧固；斜螺栓施工用； 高刚性构件与带销螺栓并用 全面对接 高刚性构件 全面对接 并用带销螺栓 环刚度大；拼装作业快速； 开尾销与快速接头 全面对接 开尾销 全面对接 快速接头 环刚度大；拼装机械化快速化 KL 管片 键式 弯螺栓 键式 弯螺栓 环刚度小 凸凹型与销榫 凹形接头 销子 键式 销榫 环刚度小；拼装快 长螺栓 全面对接 长螺栓 全面对接 长螺栓 环刚度大 内表面光滑管片 全面对接；部分对接；键式 水平开尾销 键式 销榫 可调环刚度；拼装机械化快速化 二 . 盾构隧道管片衬砌结构 计算方法 国内外管片结构设计方法 国 家 管片结构设计模型 设计土水压（ σ v 和 σ h 分别为垂直和水平土水压力） 入江健二（ 1993 ） ITA （ 1978 ） 澳大利亚 全周弹簧模型 不详 σ v = 全上覆土重 σ h =λσ v + 静水压力 奥地利 全周弹簧模型 弹性地基圆环法 浅埋隧道： σ v = 全上覆土重 σ h =λσ v 深埋隧道按泰沙基土压力公式 西 德 局部弹簧模型（覆土深≤ 2d ） 全周弹簧模型（覆土深≥ 2d ） σ v = 全上覆土重 σ h =λσ v （ λ=0.5 ） 法 国 全周弹簧模型或有限元法 σ v = 全上覆土重或泰沙基土压力 σ h =λσ v （ λ 取经验值） 中 国 均质圆环法或弹性铰模型 σ v = 全上覆土重 σ h =λσ v （ λ 取经验值） 日 本 惯用设计法、梁 - 弹簧模型 惯用设计法 σ v = 全上覆土重 σ h =λσ v 西班牙 考虑地层与结构相互作用的 Buqera 法 不详 不计粘着力的泰沙基土压力 英 国 全周弹簧模型法或 Muir Wood 法 σ v = 全上覆土重（ + 水压） σ h = （ 1+λ ） σ v /2 （ + 水压） 美 国 弹性地基圆环法 σ v = 全上覆土重 σ h =λσ v （ λ=0.4~0.5 ）（ + 水压） 根据对管片接头的不同力学模型假设，可将管片结构设计方法主要分为 （修正）惯用法 、 多铰圆环法 和 梁－弹簧模型法 。不同设计方法的区别主要在于对管片接头抗弯刚度的取值差异。 接头演变过程 2.1 盾构隧道衬砌结构计算方法特征分析 ( 修正 ) 惯用法 梁 - 弹簧模型法 多铰圆环法 2.2 盾构隧道衬砌结构计算荷载 垂直土压力 水压力 结构自重 上覆荷载 地基抗力 衬砌设计荷载分类 主要荷载 次要荷载 特殊荷载 内部荷载 施工荷载 地震的影响 平行配置隧道的影响 邻近施工的影响 其它 荷载计算模式图 2.3 衬砌结构与地层之间的作用 刚性衬砌 柔性衬砌 衬砌圆环与周围土体的相互作用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土体的地基抗力系数决定 2.4 衬砌结构的力学模型和计算方法 衬砌结构 力学模型 衬砌本 体模型 接头 ( 接缝 ) 模型 特征参数 接头 刚度 环向接头刚度 纵向接头刚度 表征接头性能的最重要的参数是接头抗弯刚度，被定义为接头产生单位转角所需要的弯矩，即 K=dM/dθ ，就是接头刚度等于接头处弯矩的增量与接头处接缝的相对转角的增量之比。 K 值越大，表示每增加单位转角，所需增加弯矩的值越大。 管片接头抗弯刚度 定 义： 影响因素： 结构内力：弯矩、轴力、螺栓预紧力等 结构尺寸：幅长、幅宽、厚度、接缝宽度等 材料参数：管片混凝土、连接螺栓、衬垫 相对位置：螺栓位置、衬垫厚度 研究意义 ： 控制着衬砌结构设计安全性和经济性 优化结构设计 盾构隧道管片接头产生单位转角所需弯矩定义为管片接头抗弯刚度 k θ ，综合反映了管片接头力学性能及承载能力 盾构隧道纵向结构性能 迫切性： 理论模式： 研究意义： 起步晚，研究理论和计算模型不完善 ● 等效弹性地基－梁 ● 三维骨架模型 ● 等效刚度模型 ● 完善现有结构计算模式 ● 优化纵向结构设计 3 、荷载计算 ① 统计法 ② 普氏理论 该理论认为：所有的岩体都不同程度的被节理、裂隙所切割，因此可以视为有粘聚力的散粒体。 普氏还提出了基于 自然平衡拱 概念的计算理论，从而确定 围岩的松动压力 。认为在具有一定粘聚力的松散介质中开挖坑道后，其上方会形成一个抛物线形的拱形洞顶，作用在支护结构上的围岩压力就是自然平衡拱以内的松动岩体的重力。 ③Terzaghi 理论 该理论认为：当隧道的埋深增加到某个限值后，围岩竖向松动压力随埋深的变化的幅度就趋近于零。 在深埋分析中主要采用Terzaghi理论，在浅埋分析中按全部或部分地层压力计算土层压力的方法，并保证最小土压等效高度不小于1.5 -2 倍隧道外径。 （2）荷载的分类与组合 将垂直土压力看做作用于衬砌顶部的均布荷载，其大小根据隧道的覆土厚度、断面形状、外径和围岩条件决定。  当 覆土厚度小于隧道外径 ，一般不考虑地基的拱效应。  当覆土厚度大于隧道外径时 ，地基产生拱效应的可能性比较可靠，可以考虑在设计计算时采用松弛土压力。  在砂性土中 ，当覆土厚度大于1～2D（D为管片环外径）时多采用松弛土压力。  在粘性土中 ，如果由硬质粘土（N>8）构成的良好地基，当覆土厚度大于1～2D时多采用松弛土压力。  对于中等固结的粘土（4