盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算方法

1、盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算方法內(nèi) 容管片類型管片尺寸設(shè)計作用荷載計算模型結(jié)構(gòu)驗算管片堆放及吊裝管片類型分類標準管片材料管片形狀管片類型（1）鋼管片（2）鋼筋混凝土管片（1）矩形管片（2）楔形管片（3）梯形管片（4）六邊形管片（5）箱形管片梯形管片矩形管片楔形管片六邊形管片箱形管片管片尺寸設(shè)計管片環(huán)的外徑取決于隧道隧道凈空和襯砌厚度（管片厚度與二次襯砌厚度）考慮施工誤差與后期變形等管片的厚度主要由荷載條件決定，兼顧隧道施工條件和使用目的同一條隧道一般采用統(tǒng)一厚度，通過調(diào)整配筋來滿足受力要求管片的寬度從降低工程成本，減少接頭，提高防水性能，加快施工速度方面考慮，管片寬度大些好為便于運輸、組裝以及在

2、隧道曲線上的施工，管片寬度小一些好根據(jù)隧道斷面，結(jié)合施工機械情況和實際工程經(jīng)驗，選擇在經(jīng)濟、施工方面均較合理的寬度中至大直徑隧道管片寬度一般為10002000mm，隧道直徑大則采用的管片寬管片的分塊滿足管片運輸、吊裝和拼裝的要求考慮封頂塊的拼裝方式和連接螺栓的布置與形式據(jù)以往經(jīng)驗，管片環(huán)一般由511塊管片組成，小直徑隧道管片數(shù)少作用荷載特殊說明：1. 上覆荷載&地面活載：隧道埋深越大，地表荷載對之影響越小，如塌落拱高度小于隧道埋深，可以不考慮上覆荷載2. 溫度變化的影響：隧道內(nèi)一年內(nèi)溫差變化較小，通常不考慮由于溫度變化所產(chǎn)生的荷載3. 盾構(gòu)施工荷載：盾構(gòu)推進油缸的推力作用在管片上的裝配荷載壁后

3、注漿壓力計算模型1. 平均等剛度圓環(huán)2. 多鉸圓環(huán)3. 梁 彈簧模型4. 有限元法考慮接縫的存在，截面剛度按如下公式（Muir Wood）折減：EIe = E*Ij + I * (4/n)2其中Ij為縱向接縫截面慣性矩，I為管片截面慣性矩，n為接縫數(shù)量計算模型將縱向接頭作為鉸接結(jié)構(gòu)來計算1. 平均等剛度圓環(huán)2. 多鉸圓環(huán)3. 梁 彈簧模型4. 有限元法計算模型將縱向接縫考慮為旋轉(zhuǎn)及剪切彈簧，旋轉(zhuǎn)及剪切剛度宜根據(jù)實驗確定；如將剪切彈簧常數(shù)設(shè)為零，當旋轉(zhuǎn)彈簧常數(shù)為零時，則與多鉸圓環(huán)計算法相同，當它被設(shè)為無限大時，則與平均等剛度圓環(huán)法相同。1. 平均等剛度圓環(huán)2. 多鉸圓環(huán)3. 梁 彈簧模型4. 有

4、限元法計算模型1. 平均等剛度圓環(huán)2. 多鉸圓環(huán)3. 梁 彈簧模型4. 有限元法結(jié)構(gòu)驗算通過以上計算模型運算，可以得到管片在各工況下各截面的內(nèi)力，包括彎矩M、軸力N和剪力Q。需要開展的（但不限于）的結(jié)構(gòu)驗算包括1）管片主截面承載能力極限狀態(tài)計算，關(guān)鍵的斷面包括正彎矩最大的截面、負彎矩最大的截面、軸力最大的截面和剪力最大的截面2）管片在正常使用狀態(tài)下的鋼筋混凝土裂縫寬度驗算3）縱向和環(huán)向接縫承載能力驗算4）接縫連接螺栓強度驗算5）推進油缸推力的安全性驗算6）管片吊裝與堆放設(shè)計結(jié)構(gòu)驗算管片主截面承載能力極限狀態(tài)驗算 依據(jù)規(guī)范BS 8110-3:1985 Design Chart進行管片配筋 考慮彎

5、矩和軸力所設(shè)計的截面有足夠的抗剪強度，可以不作抗剪驗算結(jié)構(gòu)驗算正常使用狀態(tài)管片的裂縫寬度驗算 采用規(guī)范BS 8110-2:1985 Section 3.4中公式12計算裂縫寬度不超過規(guī)范BS 8110-2: 1985 Clause 3.2.4規(guī)定值 （一般為0.3mm)公式12公式13結(jié)構(gòu)驗算結(jié)構(gòu)驗算縱向接縫承載力驗算混凝土承載力(Bearing Capacity)要考慮最大軸力和最大彎矩兩種情況A.國內(nèi)按混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50010-2002)要求設(shè)計B.香港按Code of Practice for Precast Concrete Construction 2003Clause 2

6、.7.9驗算） 和一般錯縫組裝管片環(huán)，鄰近管片會分擔接縫處部分內(nèi)力，所以建議在驗算縱向管片接縫混凝土承載能力的時候要將最大軸力和彎矩進行折減，折減系數(shù)可根據(jù)實驗或經(jīng)驗確定(目前香港未考慮折減)結(jié)構(gòu)驗算縱向接縫承載力驗算2. 螺栓錨固端混凝土強度驗算按Code of Practice for Structural Use of Concrete 2004 Clause 12.11計算所需鋼筋量結(jié)構(gòu)驗算縱向接縫承載力驗算3. 螺栓強度驗算由自重荷載(Ws = F1)產(chǎn)生的剪力與拉力Fs1 = Ws * cos / n Ps = 0.6*Py*AsFt1 = Ws * sin / n Pt假定：緩沖

7、墊上的所有壓力(F2)均由螺栓施加Fs2 = F2 * sin / n PsFt2 = F2 * cos / n Pt拉剪組合 (Code of Practice for Structural Use of Steel 2005, Cl 9.3.8|(Fs1 + Fs2)| / Ps + |(Ft1 +Ft2)| / Pt 1.4其中 Ws:管片自重: 螺栓與水平面夾角n:管片環(huán)向螺栓數(shù)量Ps:單個螺栓抗剪能力Pt:單個螺栓抗拉能力F1F2結(jié)構(gòu)驗算環(huán)向接縫承載力驗算混凝土承載力(Bearing Capacity)在油缸推力作用下的承載力計算按局部受壓構(gòu)件進行驗算F (油缸總推力) *Fc (安

8、全系數(shù)) / A (受壓面積) 0.4*fcu (混凝土特征抗壓強度)螺栓強度驗算抗剪能力Ws (管片自重) / n (管片環(huán)向螺栓數(shù)量) Ps (單個螺栓抗剪能力)抗拉能力Ft (緩沖墊所能承受的最大壓力即作用在螺栓上的最大拉力) / n (管片環(huán)向螺栓數(shù)量) Pt 單個螺栓抗拉能力)拉剪組合Ws/Ps + Ft/Pt 1.4結(jié)構(gòu)驗算緩沖墊結(jié)構(gòu)驗算承受管片間擠壓力能力(軸力Nmax)承受地下水壓能力 (basing on gasket offset and max. gap)管片堆放及吊裝一般一個管片環(huán)上的所有管片堆在一堆二個墊塊的位置選擇應(yīng)保證由管片自重產(chǎn)生的正、反彎矩基本相等驗算管片一天 (堆放) 和七天(吊裝)抗彎和抗剪強度是否滿足要求考慮上下墊塊位置出現(xiàn)偏差的情況管片堆放及吊裝A. 僅堆放管片1，驗算跨中截面抗彎和墊塊處截面抗彎與抗剪能力B. 所有管片完成堆放，驗算管片1上墊塊擺放位置有偏差時，跨中截面抗彎和墊塊處截面抗彎與抗剪能力C. 所有管片完成堆放，驗算管片2在上、下墊塊擺放位置均有偏差時