論文盾構(gòu)隧道管片計(jì)算方法研究

1、哀盾構(gòu)隧道管片啊計(jì)算方法研究疤摘要：隨著我案國經(jīng)濟(jì)發(fā)展罷,敗各大中大城市耙建造大規(guī)模的班公路、過江隧岸道及城市地鐵按隧道八,拔盾構(gòu)隧道由于絆其地層適應(yīng)性鞍強(qiáng)、施工便利哀、節(jié)約地下空版間資源、降低氨工程造價(jià)，最礙大限度地減少版對(duì)城市其他設(shè)澳施的影響等方唉面的獨(dú)到的優(yōu)扳勢(shì)而逐漸在地埃鐵、市政等工扮程建設(shè)中得到皚廣泛應(yīng)用。本疤文結(jié)合某盾構(gòu)襖隧道工程情況拔，對(duì)盾構(gòu)管片艾計(jì)算方法進(jìn)行班研究分析，以靶期對(duì)行業(yè)發(fā)展般有所參考意義扳。唉關(guān)鍵詞：盾構(gòu)懊軌道；管片計(jì)板算；自由變形皚圓環(huán)法；彈性八地基梁法引言拌近年來班,靶我國開始了大般規(guī)模的公路過跋江隧道及城市挨地鐵隧道的建懊設(shè)工作。由于傲盾構(gòu)隧道施工跋技術(shù)可以最

2、大啊限度地減少對(duì)扮城市其他設(shè)施暗的影響矮,壩所以正逐漸成昂為地鐵隧道施頒工的主流技術(shù)胺。在我國背,拜上海是較早使礙用盾構(gòu)隧道施敗工技術(shù)的城市胺,扮北京、廣州、岸南京、深圳等唉城市在地鐵施胺工中開始使用扮盾構(gòu)技術(shù)隘,氨盾構(gòu)技術(shù)是一辦項(xiàng)正在興起的佰新技術(shù)。對(duì)于骯這一新技術(shù)的笆應(yīng)用絆,伴存在著機(jī)械、般設(shè)計(jì)、施工等白多方面的問題襖,搬而本文主要是搬針對(duì)管片計(jì)算阿方法的問題進(jìn)氨行了一些分析擺研究。管片設(shè)叭計(jì)是盾構(gòu)隧道凹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中比班較關(guān)鍵的一環(huán)版,霸管片設(shè)計(jì)的成半敗直接關(guān)系到凹工程的安全、疤造價(jià)及使用敖,昂關(guān)于盾構(gòu)隧道岸管片設(shè)計(jì)方法癌,搬由于國內(nèi)尚無霸統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)案范俺,襖很多設(shè)計(jì)、施頒工單位根據(jù)機(jī)芭械

3、制造商把(昂國外廠商吧)俺所提供的方法挨進(jìn)行設(shè)計(jì)啊,胺有的情況下是暗憑借上海等地氨鐵盾構(gòu)隧道實(shí)搬例進(jìn)行模仿設(shè)敖計(jì)。把2阿、主要研究內(nèi)敗容艾挨本頒文芭采用多種研究澳方法，對(duì)盾構(gòu)把隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算哀模型、各項(xiàng)計(jì)佰算參數(shù)的敏感靶性以及盾構(gòu)隧敗道縱向結(jié)構(gòu)計(jì)稗算進(jìn)行了系統(tǒng)艾研究。主要內(nèi)跋容如下：佰（1）針對(duì)荷斑載-結(jié)構(gòu)模型熬中不同斷面和佰不同地質(zhì)條件奧下的垂直土壓胺力取值及拱肩扳土壓力、水壓案力作用方式等八，分析了不同般條件下盾構(gòu)隧癌道的力學(xué)特征搬。辦（2）分別對(duì)矮荷載-結(jié)構(gòu)模襖型中襯砌結(jié)構(gòu)搬對(duì)土層側(cè)壓力吧系數(shù)、地層抗八力系數(shù)及管片版接頭剛度的敏八感性以及連續(xù)百介質(zhì)模型中襯白砌結(jié)構(gòu)對(duì)地層襖彈性模量、泊敗松比

4、、荷載釋奧放系數(shù)、襯砌靶環(huán)剛度有效率翱等計(jì)算參數(shù)的哀敏感性進(jìn)行了罷研究，并對(duì)各按參數(shù)的取值方白法和取值范圍頒進(jìn)行研究。扒（3）通過對(duì)昂不同的盾構(gòu)隧耙道管片分塊及胺環(huán)寬進(jìn)行力學(xué)拜計(jì)算，分析不擺同盾構(gòu)管片分拜塊方案及環(huán)寬背對(duì)隧道內(nèi)力的跋影響。八（4）針對(duì)復(fù)奧雜地質(zhì)條件下吧盾構(gòu)隧道工程伴，采用地層-扮結(jié)構(gòu)模型，對(duì)埃不同地質(zhì)層狀敖構(gòu)造對(duì)襯砌內(nèi)俺力及變形影響版規(guī)律進(jìn)行研究靶。頒3、管片計(jì)算唉方法懊3.1 自由骯變形圓環(huán)法計(jì)澳算理論壩該方法是將盾骯構(gòu)隧道襯砌結(jié)凹構(gòu)視為在土體柏中自由變形的艾彈性均質(zhì)圓環(huán)皚，土層抗力按唉Winkle頒r地基反力變襖形的線形假定啊，在水平向量耙范圍內(nèi)邦的地層反作用吧力是以等腰三

5、敖角形作用分布捌在管片上，腰吧頂點(diǎn)大小為艾半，荷載計(jì)算案圖式如圖1。拜自由變形圓環(huán)班法內(nèi)力求解采扮用彈性中心法吧，即根據(jù)荷載伴和結(jié)構(gòu)均對(duì)稱板于豎直軸。根艾據(jù)彈性中心處般的相對(duì)角位移按和相對(duì)水平位敖移為零的條件靶，列出力法方拜程，求出多余骯未知力，再根傲據(jù)多余未知力背求出圓環(huán)任意藹截面上的內(nèi)力懊。百圖1啊安自由變形圓環(huán)案法計(jì)算圖式跋盾構(gòu)隧道管片隘接頭力學(xué)行為啊十分復(fù)雜，具佰有典型的非線礙性特征，設(shè)計(jì)叭中主要通過剛氨度折減進(jìn)行考拜慮。對(duì)于自由白變形圓環(huán)法管奧片間接縫的影扒響，引入了彎稗曲剛度有效率辦進(jìn)行整體圓伴環(huán)剛度折減，礙即圓環(huán)等價(jià)剛吧度為，拔剛度折減系數(shù)昂I。佰而對(duì)于管片錯(cuò)笆縫拼裝方式，背需增

6、加考慮相背鄰管片環(huán)間的埃彎矩傳遞作用版，引入彎矩增笆加系數(shù)；通背縫拼接方式可八不考慮彎矩的啊增加系數(shù)。吧3.2彈性地暗基梁法計(jì)算理安論板彈性地基梁法稗是基于共同變扳形理論，將襯埃砌結(jié)構(gòu)看成彈班性均質(zhì)圓環(huán)。辦針對(duì)管片間接盎縫的影響，同斑樣引入了彎曲班剛度有效率板進(jìn)行整體圓環(huán)凹剛度折減，管懊片錯(cuò)縫拼裝，八引入彎矩增加霸系數(shù)。當(dāng)土笆體中管片襯砌拜產(chǎn)生變形時(shí)，藹襯砌周圍的土版體將阻止管片阿變形，即產(chǎn)生壩土體抗力。彈辦性地基梁法從耙考慮土體抗力扳的不同可分為扒兩種模型，一邦種是全周彈簧矮模型，另一種俺是局部彈簧模胺型。局部彈簧疤模型假定在按拱頂90范俺圍內(nèi)為脫離區(qū)哀，不產(chǎn)生土體敗抗力。本文所哎用模型為全

7、周罷彈簧模型，彈辦性地基梁法計(jì)凹算圖式見圖胺，用有限元法辦，把襯砌結(jié)構(gòu)敗離散為有限個(gè)百梁單元，用彈襖簧單元來模擬版襯砌與圍巖的礙相互作用，將壩圍巖壓力轉(zhuǎn)化熬為節(jié)點(diǎn)荷載。安通過坐標(biāo)變換傲和剛度集成，熬再利用邊界條盎件求出梁單元敗和彈簧單元的哎內(nèi)力和位移。捌假定各節(jié)點(diǎn)位板移以使地基彈半簧受壓為正，扒若求出某節(jié)點(diǎn)瓣位移為負(fù)（向阿隧道內(nèi)位移）胺，即此處彈簧骯受拉，拜則將此處的地俺基彈簧去掉，岸重新進(jìn)行計(jì)算稗，直到所有的傲地基彈簧都受板壓為止。拌圖彈性地把基梁計(jì)算圖式熬圖2（a）不俺考慮列車動(dòng)載背計(jì)算模型板圖2（b）考叭慮列車動(dòng)載計(jì)笆算模型瓣3.3 計(jì)算伴新方法懊由于彈性地基稗梁模型與自由扒變形圓環(huán)模型

8、阿在考慮承受荷罷載模式、接頭癌剛度折減等方背面相同，計(jì)算背原理存在極大傲的相似性，因芭此，針對(duì)當(dāng)前擺列車動(dòng)荷載對(duì)吧盾構(gòu)隧道管片般襯砌施加偏應(yīng)襖力而自由變形藹圓環(huán)法無法計(jì)扮算列車動(dòng)載引扳起的偏載情況邦的管片襯砌內(nèi)爸力，以常規(guī)自背由變形圓環(huán)法敖設(shè)計(jì)計(jì)算理論阿為控制模式，笆提出自由變形板圓環(huán)法與彈性拌地基梁法結(jié)合暗，借助彈性地按基梁法實(shí)現(xiàn)偏叭載這一物理過巴程的新方法具奧有可行性。根爸據(jù)文獻(xiàn)李志業(yè)扒，曾艷華的氨地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)岸原理與方法盎（成暗都：西南交通叭大學(xué)出版社，按胺板），自由變形哀圓環(huán)法求的內(nèi)白力為：頒其中，翱為計(jì)算截面處版半徑與豎直角邦的夾角的函襖數(shù)矩陣。彈性佰地基梁法得到凹梁與地基的共邦同作

9、用方程為般：阿梁單元結(jié)點(diǎn)埃力與結(jié)點(diǎn)位移吧關(guān)系為：岸其中，梁的整叭體剛度矩陣辦、地基剛芭度矩陣Ks邦為定值，梁艾單元?jiǎng)偠染仃嚢栋襡藹為的函數(shù)矩懊陣。因此，對(duì)唉于同樣荷載條邦件下同一截面隘處，自由變形板圓環(huán)法求的內(nèi)疤力與彈性地基板梁法求的內(nèi)力傲為一固定比例跋關(guān)系，筆者對(duì)柏多組荷載進(jìn)行搬計(jì)算比較，同伴一截面處的內(nèi)罷力比例系數(shù)基跋本一致。根據(jù)佰自由變形圓環(huán)襖法計(jì)算不慮列版車動(dòng)載影響的跋管片最大彎矩矮M叭1拔和相應(yīng)的軸力啊N安1敗，然后按照彈白性地基梁法計(jì)奧算在同等條件瓣下的管片最大搬彎矩百M(fèi)敗2伴和相應(yīng)的軸力俺唉癌，按以下公式襖求得換算系數(shù)KM、KN。斑考慮動(dòng)載情況半按照正常使用拌極限狀態(tài)運(yùn)用懊彈性地

10、基梁法板計(jì)算最大彎矩版M芭3跋和相應(yīng)的軸力艾N稗3笆。按照彎矩和巴軸力換算系數(shù)襖K辦M耙、K芭N班 埃進(jìn)行換算彎矩捌M安4襖和軸力N霸4凹，最后按自由芭變形圓環(huán)法計(jì)襖算控制配筋。4、實(shí)例分析襖4.1工程概皚況頒某地鐵盾構(gòu)隧傲道區(qū)間下穿鐵巴路，穿越處上絆方共有鐵路正頒線四條，線路版中心間距由北捌向南依次為5壩.58m，7伴.89m和5盎.64m；穿板越處盾構(gòu)隧道百線路與鐵路平皚面斜交，相交背角度取平均值扳40，如圖八3。隧道埋深凹14.6m，俺隧道外徑5.艾9m，管片厚拌度34cm，埃管片通縫連接奧；設(shè)計(jì)列車速壩度：客車16百0km/h，捌貨車100k扳m/h；控制癌荷載：軸重扒t的機(jī)車拖熬載軸

11、重t壩貨車車輛，速柏度100km笆/h。翱盾構(gòu)推進(jìn)施工霸將引起上方鐵白路線路的軌面背變形，影響鐵斑路行車安全和癌速度；同時(shí)鐵熬路行車又使盾哀構(gòu)管片承受附壩加動(dòng)應(yīng)力的長佰期作用，影響巴隧道結(jié)構(gòu)的安疤全性及耐久性擺。因此采取了艾在隧道穿越鐵班路交叉區(qū)域進(jìn)皚行注漿加固措拔施，保證盾構(gòu)頒推進(jìn)施工期及艾運(yùn)營期的鐵路哀及隧道結(jié)構(gòu)安隘全，加固剖面盎圖如圖所示半，各土層的物扳理力學(xué)參數(shù)如骯表所示。鞍本文計(jì)算采用版水土合算，土安體天然容重取矮伴m皚3氨，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值鞍，土體加固后唉層靜耙止側(cè)壓力系數(shù)八的取值為艾；土層水爸平抗力系數(shù)取澳為隘，襯砌扮自重氨哀m佰3巴，由于該地域俺深層土質(zhì)為軟礙土，土拱能否吧形成一直是

12、值邦得討論的問題按，因此從計(jì)算啊安全考慮，這擺里計(jì)算中不考百慮土拱效應(yīng)。唉4.2計(jì)算案與分析拌4.2.1無敗動(dòng)載工況下的八管片襯砌內(nèi)力扒此時(shí)按荷載結(jié)班構(gòu)模型，盾構(gòu)礙管片所受的荷伴載大小如表霸所示，計(jì)算模靶型如圖、圖跋（）所示把，管片襯砌的艾彎曲剛度有效熬率為。芭分別按自由變辦形圓環(huán)法和彈骯性地基梁法計(jì)艾算得到各截面骯的彎矩、軸澳力如圖所示瓣。半計(jì)算結(jié)果顯示拌，自由變形圓半環(huán)法與彈性地澳基梁法的管片叭最大彎矩均發(fā)半生在拱頂處，絆最大軸力發(fā)生耙在拱腰處。由稗此可得兩種方皚法計(jì)算的拱頂哀、拱底、拱腰壩位置的轉(zhuǎn)換系笆數(shù)K鞍M跋、K唉N捌 霸如表。此時(shí)選?。喊笍澗?fù)Q算系數(shù)挨：K胺M懊 埃1.2；軸辦力換

13、算系數(shù)：疤K八N唉 擺1.0捌4.2.2 把有動(dòng)載的管片澳襯砌內(nèi)力癌根據(jù)軌檢車實(shí)拌測(cè)的軌道不平頒順性譜，按照隘車輛軌道耦班合動(dòng)力學(xué)分析耙得到相應(yīng)的輪八軌接觸力間歷熬程，以此作為罷外部輸入的列邦車動(dòng)力荷載，爸沿軌道縱向建絆立的有限元計(jì)搬算模型，按最吧不利工況四線哎列車運(yùn)行計(jì)算佰得到隧道拱頂瓣、拱底、拱腰稗處的列車附加百動(dòng)應(yīng)力如圖唉所示。由于上扳方鐵路與下穿奧隧道為斜交，頒故荷載圖式存岸在一定的偏載邦。霸考慮圖的附凹加動(dòng)荷載，按捌照?qǐng)D（）拌計(jì)算模型，計(jì)艾算得到管片襯埃砌的內(nèi)力如圖笆所示。 昂考慮自由變形辦圓環(huán)法與彈性傲地基梁法的換班算系數(shù)，將計(jì)罷算得到的最大邦彎矩和相應(yīng)的拌軸力通過彎矩瓣和軸力換算系襖數(shù)K骯M拜、K哎N矮 埃進(jìn)行換算得到扒控制配筋的最凹大彎矩為26斑5.7KN礙、剪力為7鞍45.4K板。以此內(nèi)力按把照鐵路隧道哀設(shè)計(jì)規(guī)范（哀TB1000百3-99）中霸的抗裂承載力骯法進(jìn)行配筋計(jì)叭算即可。5、結(jié)論懊（1）目前工爸程上常用的自敗由變形圓環(huán)法跋計(jì)算隧道管片扮內(nèi)力是采用彈辦性中心法，即盎根據(jù)荷載和結(jié)吧構(gòu)均對(duì)稱于豎阿直軸，彈性中傲心處的相對(duì)角襖位移和相對(duì)水