计算盾构施工过程中衬砌内力的两种方法比较 【摘要】盾构隧道的建造是一个多步骤施工的过程，为了更好地分析衬砌的受力状况，采用地层—结构法和荷鞍—结构法从不同角度对施工过程加以模拟，并各有侧重。地层—结构法引进应力释放系数概念，依据结构与土相互作用的观点，对施工过程中影响隧道内力的因素进行分析，奉文还针对施工过程中注浆压力、注浆影响范围对衬砌内力产生的影响进行了讨论；同时，采用荷载—结构法，考虑施工过程中荷载的变化，特别是注浆压力的变化米计算衬砌结构内力。最后，结合工程实例，比较了两种计算方法给出计算结果的差别，这为设计方法的改进提供了依据。【关键词】盾构隧道施工过程地层—结构法荷载—结构法1前言 盾构机械施工时，首先依靠盾构机本身的刚性支护和开挖面土压力的平衡装置而开挖前方土体，随着盾构的推进，不断拼装管片，同时在盾尾向衬砌环外围进行注浆。由于注浆材料的逐渐凝固以及土体的固结，整个隧道的隧道受力状态趋于稳定，投入运营使用。在运营阶段，又会受到列车的振动荷载和人群荷载。从以上过程可以看出：盾构隧道的建造是一个复杂的多步骤施工过程。在进行衬砌内力分析中为
了模拟施工过程，地层—结构法与荷载—结构法分别采用了不同的假设条件和设计理论，以期全面的反映盾构衬砌的受力状况。荷载—结构法首先把一切影响因素转化为荷载作用在结构上，这样需要引进诸多假设，如假设水土压力分布形式，地基抗力等。然后利用按最不利工况荷载组合的原则来进行内力分析，寻求盾构隧道内力包络图。地层一结构法分析中引进应力系数释放的概念，将土与隧道作为一个整体宋分析计算，建立模拟盾构隧道衬砌施工全过程的有限元分析模型，这就回避了荷载结构法中引进的假设，从最大限度上模拟了各个施工因素对衬砌受力的影响。本文依据自行研制的同济曙光软件，采用地层—结构法和荷载—结构法对盾构隧道的施工过程做出模拟，并比较分析结果。 2盾构衬砌的结构分析模型 2.1管片的离散化 盾构隧道衬砌结构通常属管片—接缝构造体系，其在隧道横断面上为若干管片通过螺栓连接成管片环，在隧道纵向上为管片环通过纵向螺栓连接，呈通缝或错缝拼装而成。在地层一结构法和荷载—结构法中，都可以将衬砌离散为二结点六自由度的梁单元如图1所示，假定隧道管片材料处于弹
盾构管片计算方法研究 摘要：随着我国经济发展,各大中大城市建造大规模的公路、过江隧道及城市地铁隧道,盾构隧道由于其地层适应性强、施工便利、节约地下空间资源、降低工程造价，最大限度地减少对城市其他设施的影响等方面的独到的优势而逐渐在地铁、市政等工程建设中得到广泛应用。本文结合某盾构隧道工程情况，对盾构管片计算方法进行研究分析，以期对行业发展有所参考意义。 关键词：盾构轨道；管片计算；自由变形圆环法；弹性地基梁法 1、引言 近年来,我国开始了大规模的公路过江隧道及城市地铁隧道的建设工作。由于盾构隧道施工技术可以最大限度地减少对城市其他设施的影响,所以正逐渐成为地铁隧道施工的主流技术。在我国,上海是较早使用盾构隧道施工技术的城市,北京、广州、南京、深圳等城市在地铁施工中开始使用盾构技术,盾构技术是一项正在兴起的新技术。对于这一新技术的应用,存在着机械、设计、施工等多方面的问题,而本文主要是针对管片计算方法的问题进行了一些分析研究。管片设计是盾构隧道结构设计中比较关键的一环,管片设计的成败直接关系到工程的安全、造价及使用,关于盾构隧道管片设计方法,由于国内尚无统一的设计规范,很多设计、施工单位根据机械制造商(国外厂商)所提供的方法进行设计,有的情况下是凭借上海等地铁盾构隧道实例进行模仿设计。 2、主要研究内容 本文采用多种研究方法，对盾构隧道结构计算模型、各项计算参数的敏感性以及盾构隧道纵向结构计算进行了系统研究。主要内容如下： （1）针对荷载-结构模型中不同断面和不同地质条件下的垂直土压力取值及拱肩土压力、水压力作用方式等，分析了不同条件下盾构隧道的力学特征。 （2）分别对荷载-结构模型中衬砌结构对土层侧压力系数、地层抗力系数及管片接头刚度的敏感性以及连续介质模型中衬砌结构对地层弹性模量、泊松比、荷载释放系数、衬砌环刚度有效率等计算参数的敏感性进行了研究，并对各参数的取值方法和取值范围进行研究。 （3）通过对不同的盾构隧道管片分块及环宽进行力学计算，分析不同盾构管片分块方案及环宽对隧道内力的影响。
软土地区地铁盾构隧道课程设计说明书 （共00页） 姓名杨均 学号 070849 导师丁文琪 土木工程学院地下建筑与工程系 2010年7月
1． 设计荷载计算 1.1 结构尺寸及地层示意图 ?=7.2 ?=8.9 2 q=20kN/m 图1-1 结构尺寸及地层示意图 如图，按照要求，对灰色淤泥质粉质粘土上层厚度进行调整： mm 43800 50*849+1350h ==灰。 按照课程设计题目，以下只进行基本使用阶段的荷载计算。 1.2 隧道外围荷载标准值计算 （1） 自重 2 /75.835.025m kN g h =?==δγ （2）竖向土压 若按一般公式：
2 1 /95.44688.485.37.80.11.90.185.018q m KN h n i i i =?+?+?+?+?==∑=γ 由于h=1.5+1.0+3.5+43.8=48.8m>D=6.55m ，属深埋隧道。应按照太沙基公式或普氏公式计算竖向土压： a 太沙基公式： )tan ()tan (0010 ]1[tan )/(p ??? γB h B h e q e B c B --?+--= 其中： m R B c 83.6)4/7.75.22tan(/1.3)4/5.22tan(/0000=+=+=? （加权平均值0007.785 .5205 .42.7645.19.8=?+?= ?） 则： 2 )9.8tan 83 .68 .48()9.8tan 83.68 .48(11/02.18920]1[9 .8tan )83.6/2.128(83.6p m KN e e =?+--=-- b 普氏公式： 2 012/73.2699.8tan 92.7832tan 32p m KN B =??== ?γ 取竖向土压为太沙基公式计算值，即： 2 1/02.189p m KN e =。 （3） 拱背土压 m kN R c /72.286.7925.2)4 1(2)4 1(2G 22=??- ?=?- =π γπ 。 其中： 3/6.728 .1645.11 .728.10.8645.1m KN =+?+?= γ。 （4） 侧向主动土压 )2 45tan(2)245(tan )(q 0021? ?γ-?--?+=c h p e e 其中： 21/02.189p m KN e =， 3/4.785 .5205 .41.7645.18m KN =?+?= γ 0007.785 .5205.42.7645.19.8=?+?=?
区间盾构隧道结构设计 1）主要设计原则 ①盾构隧道衬砌结构应满足运营功能要求以及建筑限界、施工工艺、结构防水和城市规划等方面的要求。结构安全等级为一级，按地震烈度为7度进行结构抗震设计，采取相应的构造处理措施，以提高结构的整体抗震能力。结构抗力应满足人防部门的要求，抗力级别为6级。 ②结构类型和施工方法，应根据工程地质、水文地质和周围的环境条件，通过技术经济比选确定，并应按相关规范的规定进行结构设计计算。 ③结构设计应符合强度、刚度、稳定性、抗浮和裂缝宽度验算的要求，并满足施工工艺的要求。 ④对于钢筋混凝土结构应就其施工和正常使用阶段进行结构强度计算，必要时也应进行刚度和稳定性验算。钢筋混凝土结构应进行裂缝宽度验算，其最大裂缝允许值为：明挖法和矿山法施工的结构为0.2～0.3mm；盾构法施工的结构为0.15～0.20mm。结构进行抗浮验算时，其抗浮安全系数不得小于1.05，否则应采取抗浮处理措施。 ⑤采用暗挖法施工时，区间隧道为平行的双洞单线隧道，两隧道的净距一般不宜小于1.0倍隧道洞径。 ⑥所选择的盾构机型，必须对地层有较好的适应性，并同时依据盾构推进速度、周围环境状况、工期、造价等各方面进行技术经济比较后确定。 ⑦严格控制工程施工引起的地面沉降量，其允许数值应根据地铁沿线的地面建筑及地下构筑物等实际情况确定，并因地制宜地采取措施。 ⑧结构防水设计应根据工程地质、水文地质、地震烈度、环境条件、结构形式、施工工艺及材料来源等因素进行，并应遵循“以防为主、多道设防、刚柔结合、因地制宜、综合防治”的原则。车站及出入口通道防水等级为一级；车站风道及区间隧道防水等级为二级。 2）盾构机类型的选择
目录 1 荷载计算-------------------------------------3 1.1 结构尺寸及地层示意图-----------------------3 1.2 隧道外围荷载标准值-------------------------3 1.2.1 自重--------------------------------3 1.2.2 均布竖向地层荷载----------------------4 1.2.3 水平地层均布荷载----------------------4 1.2.4 按三角形分布的水平地层压力--------------5 1.2.5 底部反力-----------------------------5 1.2.6 侧向地层抗力--------------------------5 1.2.7 荷载示意图----------------------------6 2 内力计算---------------------------------------6 3 标准管片配筋计算--------------------------------8 3.1 截面及内力确定-----------------------------8 3.2 环向钢筋计算--------------------------------8 3.3 环向弯矩平面承载力验算-----------------------11 4 抗浮验算-------------------------------------10 5 纵向接缝验算--------------------------------12 5.1 接缝强度计算------------------------------12 5.2 接缝张开验算------------------------------14 6 裂缝张开验算------------------------------15 7 环向接缝验算----------------------------16
线路中边桩坐标正反算程序(2013-9-18) MAIN-PROG(主程序) Lbl 4: 9→DimZ：“1→ZS,2→FS，3→GPZT”?N(选择计算模式，1为正算，2为反算,3为管片姿态计算) N=1=>Goto 1:N=2=>Goto 2:N=3=>Goto 3 Lbl 1: “K=”?S：“PJ=”?Z：Prog “SJ-PM”： Abs(S-O) → W：Prog “SUB1-ZS”： F-90→F ：If F≥360：Then F-360→F :“X=”：Locate4,4,X:“Y=”：Locate4,4,Y: “W=”：Locate4,4,F°：S→K：Prog “SJ-GC”：“H=”：Locate4,4,H◢ Goto 4 (正算-输入待求点里程K=、输入待求点偏距PJ=、显示待求点里程X=、显示待求点里程Y=、显示待求点方位角W=、显示待求点高程H=) Lbl 2:“X=”?X：“Y=”？Y:Prog“SJ-PM”： X→ I： Y→ J：Prog "SUB2-FS"：O+W→S: “K="：Locate4,4, S：“PJ="：Locate4,4, Z ：S→K：Prog “SJ-GC”：“H=”：Locate4,4,H◢Goto 4 (反算-输入实测点X=、输入实测点Y=、显示实测点里程K=、显示实测点偏距PJ=) Lbl 3:“X=”?X：“Y=”？Y：“H=”？→Z[7]：Prog“SJ-PM”： X→I ：Y→ J：Prog "SUB2-FS"：O+W→S:Prog "SJ-PYL"：Prog "SUB4-PYL"：Z-Z[6]→Z[8]：S→K：Prog “SJ-GC”：Prog “SJ-DCHD”：Z[7]-(H-Z[5])→Z[9]：“SP=”：Locate4,4,Z[8]：“GC=”：Locate4,4,Z[9]◢ Goto 4 （管片姿态计算时，输入全站仪实测的平面坐标X、Y以及水准测得的管片底标高H，结果显示平面偏差“SP=”，左-右+，高程偏差“GC=”，高+低-） SJ-PM（子程序名-平面线形数据库）里程从DK44+744.5~DK47+160.091 （直线段）If S ≥44744.5（线元起点里程）:Then 315898.3852→U（线元起点X坐标）：509426.7059→V（线元起点Y坐标）：44744.5→O（线元起点里程）：357057’7”→G（线元起点方位角）：179.775 →H（线元长度）：1×1045→P（线元起点曲率半径）：1×1045→R（线元终点曲率半径）：0→Q（线元左右偏标志：左-1右1直0）：IfEnd （ZH点）If S ≥44924.275（线元起点里程）:Then 316078.0453→U（线元起点X坐标）：509420.2813→V（线元起点Y坐标）：44924.275→O（线元起点里程）：357057’7”→G（线元起点方位角）：20 →H（线元长度）：1×1045→P（线元起点曲率半径）：2000→R（线元终点曲率半径）：1 →Q（线元左右偏标志：左-1右1直0）：IfEnd
盾构隧道设计基本概念 1盾构管片的几何设计 1.1隧道线形的选择—平纵断面的拟合 隧道的中线是由直线及曲线组成。设计常常采用楔形衬砌环（见图1-1），来实现盾构隧道在曲线上偏转及纠偏，楔形衬砌环最大宽度与最小宽度之差称为楔形量。一般来说，楔形量的确定具有经验性，应考虑管片种类、环宽、直径、曲线半径、曲线区间楔形管片环使用比例、管片制作的方便性、盾尾操作空隙因素综合确定；管片楔形量还必须为施工留出适当的余裕。如下图所示，阴影部分是管片的平面投影图，圆弧是隧道设计中心线，圆弧中心点O1是隧道的转弯半径所在的中心点，O2是理论上能拼出的最小转弯半径时的圆心，则O2P＜O1P。 a）普通环b）单侧楔形环c）两侧楔形环 图1-1 楔形衬砌环（β-楔形角、△-楔形量） 图1-2 楔形量与转弯半径示意图 日本曾统计管片外径与楔形量的相关关系，如下图所示。
图1-3 楔形量的施工统计 《盾构工程用标准管片（1990年）》规定管片环外径与楔形量的关系如表1-1所示。 表1-1 楔形量与管片环外径的关系 目前，多采用楔形衬砌环与直线衬砌环的组合、左右楔形衬砌环以及通用型管片。 1.1.1标准环+楔形环 管片拼装时，根据隧道线路的不同，直线段采用标准环管片，曲线段采用楔形管片（左转弯环、右转弯环）用于隧道的转弯和纠偏。楔形环的楔形角由标准管片的宽度、外径和施工曲线的半径而定。采用这类管片时，至少需三种管片模具，即标准环管模、左转弯环管模和右转弯环管模。 a）直线段b）曲线段 图1-4 标准环+楔形环拟合线路 通常，以短折线拟合曲线，在设计时常以2标准环+1楔形环来拟合；不得以（极端困难）时，以1标准环+1楔形环来拟合。
盾构隧道管片内力计算及配筋优化分析 摘要：以北京某在建工程地铁盾构隧道衬砌管片为研究对象，采用修正惯用法（公式法、地基弹簧法）、三维梁～弹簧法分别对衬砌管片在不同地层条件下的 受力进行分析（匀质软地层、匀质硬地层、中软下硬地层、中硬下软地层），提 出了各种算法和地层条件下，衬砌管片内力的分布和变化规律，经对比分析，结 合盾构管片环结构的实际受力环境和特点，得出了指导和优化衬砌管片结构配筋 设计的相关结论和建议，提升了结构的安全性和经济性。 关键词：盾构隧道；管片配筋；修正惯用法；三维梁～弹簧法； 1 前言 在城市轨道交通工程中，单层装配式混凝土管片是盾构隧道常用的衬砌结构 型式，衬砌管片设计是盾构隧道结构设计的核心内容，与工程的安全性、经济性 和耐久性密切相关。常用的盾构管片内力计算方法有惯用法、修正惯用法、多铰 环法及梁-弹簧模型法[1-3]，这些计算方法主要以二维分析为主，大致地模拟了盾 构管片的受力状态，并选取计算结果最大包络进行配筋。这些算法简便、易于实现，但却未能充分精细地揭示管片的实际内力状态，因此管片配筋针对性较弱， 影响工程的经济性。 本次研究以北京某在建工程地铁盾构隧道衬砌管片为研究对象，考虑地层条 件和衬砌构造的三维空间特征，充分考虑管片环内接头所引起的刚度下降以及错 缝拼装导致的环间传力效应，分别采用修正惯用法（公式法、地基弹簧法）、三 维梁～弹簧法对衬砌管片在不同地层条件下的受力进行分析（匀质软地层、匀质 硬地层、中软下硬地层、中硬下软地层），通过对分析结论的整理、归纳，总结 了各种算法的适用性和不同地质条件下衬砌管片内力的分布和变化规律，以期指 导和优化衬砌管片结构设计，提升结构的安全性和经济性。 2 工程概况 盾构隧道埋深10.5m～30m，穿越地层分为全断面卵石（匀质硬地层）、全 断面粉土、粉质粘土交互（匀质软地层）、仰拱卵石、中部粉土（中软下硬地层）以及中部卵石、下部粉质粘土（中硬下软地层）等四种典型的地层结构（详见图1）。 盾构隧道衬砌采用外径6.0m、幅宽1.2m、厚0.3 m的单层装配式钢筋混凝土管片，衬砌环由6块管片组成（详见图2），错缝拼装，标准封顶块位置偏离正 上方±22.5°，相邻环左右交替布置。 图2 盾构区间衬砌结构示意图 3 计算模型概述 3.1 惯用法及修正惯用法 惯用法与修正惯用法在隧道衬砌管片内力计算中是被普遍采用的算法，通过 使用公式或平面直梁（曲梁）单元建模，操作简便结论可靠，但惯用法与修正惯 用法不能准确地反应环内各管片之间以及管片环间的内力分布状态，特别是修正 惯用法中环内弯曲刚度折减系数η和环间弯矩传递系数ζ的选取对计算结果影响 较大，并且ζ的取值受地层影响较大，不易把握，不能满足精细化设计的要求。 本次研究，为体现惯用法与修正惯用法具体应用时，采用公式计算和建立平 面直梁（曲梁）单元模型计算的差异，分别按经典公式（简称公式法）和建立管
管片楔形量 一、管片楔形量计算 护盾式TBM（含盾构）在曲线段施工和蛇行修正时，需要使用楔形管片环，楔形管片环分为左转环及右转环。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TBM （含盾构）操作稳定性的周围围岩的情况而不同。通常，蛇行修正用楔形管片环数量大概是直线区间所需管片环数的3%～5%，可通过线形计算。 楔形量除了根据管片种类、管片宽度、管片环外径、曲线外径、曲线间楔形管片环使用比例、管片制作的方便性确定外，还应根据盾尾操作空隙而定。根据区间隧道线形，其最小半径为350m，建议曲线拟合采用楔形量38mm的楔形管片环，模拟线形采用标准环、左转环和右转环组合的方式。 管片楔形量确定主要因素有三个：①线路的曲线半径；②管片宽度；③标准环数与楔形环数之比u值。还有一个可供参考的因素：楔形量管模的使用地域。楔形量理论公式如下： △=D（m+n）B/nR （D-管片外径，m:n-标准环与楔形环比值，B-环宽，R-拟合圆曲线半径）结合青岛市地铁1号线工程具体情况，TBM施工区段线路最小曲线半径为350m，按最小水平曲线半径R=350m计算，楔形量△=38mm，楔形角β=0.3629°。 楔形量与转弯半径关系（如图7.8）的计算公式如下：
曲线中心 图7.8 楔形量与转弯半径关系图 根据圆心角的计算公式： X＝180L/πR 式中： L——段线路中心线的长度(mm)， R——曲线半径(mm)， X——圆心角。 将圆心角公式代入得， 180×(1500-△/2)/[π×(R-3000)]=180×(1500+△/2)/[π×(R+3000)]简化得楔形量与转弯半径关系公式： (1500-△/2)/(R-3000)=(1500+△/2)/(R+3000) R=9000000/△ 将管片拼装的最大楔形量△=38mm代入上式计算得此转弯环管片的理论最小转弯半径为：R=236842mm。
管片选型与排版 区间盾构结构为预制钢筋混凝土环形管片，外径6200mm，内径5500mm，厚度350mm，宽度1200mm。在盾构施工开工前，应对管片进行预排版，确定管片类型数量. 1）隧道衬砌环类型 为满足盾构隧道在曲线上偏转及蛇形纠偏的需要，应设计楔形衬砌环，目前国际上通畅采用的衬砌环类型有三种：①直线衬砌环与楔形衬砌环的组合；②通用型管片；③左、右楔形衬砌环之间相互组合。国内一般采用第③种，项目隧道采用该衬砌环。 直线衬砌环与楔形衬砌环组合排版优缺点：优点—简化施工控制，减少管片选型工作量；缺点—需要做好管片生产计划，增加钢模数量。 盾构推进时，依据预排版及当前施工误差，确定下一环衬砌类型。由于采用衬砌环类型不完全确定性，所以给管片供应带来一定难度。2）管片预排版 1、转弯环设计 区间转弯靠楔形环完成，分三种：标准换、右转弯环、左转弯环。即管片环向宽度六块不是同一量，曲线外侧宽，内侧窄。 管片楔形量确定主要因素有三个：①线路的曲线半径；②管片宽度；③标准环数与楔形环数之比u值。还有一个可供参考的因素：楔形量管模的使用地域。楔形量理论公式如下： △=D（m+n）B/nR ①
（D-管片外径，m:n-标准环与楔形环比值，B-环宽，R-拟合圆曲线半径） 本次南门路到团结桥楔形环设计为双面楔形，楔形量对称设置于楔形环的两侧环面。按最小水平曲线半径R=300m计算，楔形量△=37.2mm，楔形角β=0.334°。 值得注意的是转弯环设计时，环宽最大和最小处是固定的，左转弯以K块在1点位设计，右转弯以K块在11点位设计，即在使用转弯环时，要考虑错缝拼装和管片位置要求。 2、圆曲线预排版 设需拟合圆曲线半径为450m（南门路到团结桥区间曲线半径值），拟合轴线弧长270m，需用总楔形量计算如下： β=L/R=0.6 ② △总=（R+D/2）β-（R-D/2）β=3720mm ③ 由△总计算出需用楔形环数量： n1=△总/△=100 ④ 标准环数量为： n2=（L-n1*B）/B=125 ⑤ 标准环和楔形环的比值为： u=n2：n1=5:4 ⑥ 即在R=450圆曲线上，标准环和楔形环比例为5:4，根据曲线弧长计算管片数量，确定出各类型管片具体数量，出现小数点时标准环数量减1，转弯环加1。
1． 设计荷载计算 1.1 结构尺寸及地层示意图 ?=7.2 ?=8.9 2 q=20kN/m 图1-1 结构尺寸及地层示意图 如图，按照要求，对灰色淤泥质粉质粘土上层厚度进行调整： mm 43800 50*849+1350h ==灰。按照课程设计题目，以下只进行基本使用阶段的荷载计算。 1.2 隧道外围荷载标准值计算 （1） 自重 2 /75.835.025m kN g h =?==δγ （2）竖向土压 若按一般公式： 2 1 /95.44688.485.37.80.11.90.185.018q m KN h n i i i =?+?+?+?+?==∑=γ 由于 h=1.5+1.0+3.5+43.8=48.8m>D=6.55m ，属深埋隧道。应按照太沙基公式或普氏公式计算竖向土压： a 太沙基公式： )tan ()tan (0010 ]1[tan )/(p ??? γB h B h e q e B c B --?+--= 其中： m R B c 83.6)4/7.75.22tan(/1.3)4/5.22tan(/0000=+=+=?
（加权平均值0007.785 .5205 .42.7645.19.8=?+?= ?） 则：2 )9.8tan 83 .68 .48()9.8tan 83.68 .48(11/02.18920]1[9 .8tan )83.6/2.128(83.6p m KN e e =?+--=-- b 普氏公式： 2 0012/73.2699 .8tan 92 .7832tan 32p m KN B =??== ?γ 取竖向土压为太沙基公式计算值，即：2 1/02.189p m KN e =。 （3） 拱背土压 m kN R c /72.286.7925.2)4 1(2)4 1(2G 22=??- ?=?- =π γπ 。 其中：3/6.728 .1645.11 .728.10.8645.1m KN =+?+?= γ。 （4） 侧向主动土压 )2 45tan(2)245(tan )(q 0021? ? γ-?-- ?+=c h p e e 其中：2 1/02.189p m KN e =， 3/4.785 .5205 .41.7645.18m KN =?+?= γ 0007.785.5205.42.7645.19.8=?+?=? kPa c 1.1285 .5205 .41.12645.12.12=?+?= 则：200 00 2 1/00.121)27.745tan(1.122)27.745(tan 02.189q m KN e =-??--?= 2 00 00 2 2 /06.154)27.745tan(1.122)27.745(tan )85.54.702.189(q m KN e =-??--??+= （5） 水压力按静水压考虑： a 竖向水压：2 w1w w1/478.24=48.8×9.8=H =p m KN γ b 侧向水压：2 w1w w1/478.24=48.8×9.8=H =q m KN γ 2w2w w2/532.14=5.5)(48.8×9.8=H =q m KN +γ （6） 侧向土壤抗力 衬砌圆环侧向地层（弹性） 压缩量：) R 0.0454k EI 24()]R q (q -)q (q -)p [2(p =4c 4 c w2e2w1e1w1e1?+?+++ηδ 其中：衬砌圆环抗弯刚度取2 37 6.12326512 0.35×0.1103.45EI m KN ?=??= 衬砌圆环抗弯刚度折减系数取7.0=η；
盾构隧道衬砌设计计算书 060987李博 一、设计资料 如图所示，为一软土地区地铁盾构隧道横断面，有一块封顶块K，两块邻接块L，两块标准块B 以及一块封底块D 六块管片组成。 q=20kN/m 2 j=7.2 j=8.9 部分数据 地面超载 2/20m kN q =超 地层基床系数 2/20000m kN k = 衬砌外径 m D 2.60= 衬砌内径 m D 5.5= 管片厚度 mm t 350= 管片宽度 m b 2.1=
管片裂缝宽度 允许值 []mm 2.0=v 接缝张开允许值 []mm 3=D 混凝土抗压强度 设计值 MPa f c 1.23= 混凝土抗压强度 设计值 MPa f t 89.1= 钢筋抗拉强度 设计值（II 级钢） MPa f y 300= 钢筋抗拉强度 设计值（II 级钢） MPa f y 300' = 管片混凝土 保护层厚度 mm a a s s 50' == 钢筋抗拉强度 设计值（I 级钢） MPa f y 210= 混凝土弹性模量 2 7 /1045.3m kN E ′= 钢筋弹性模量 （II 级钢） 28/100.2m kN E ′=钢 M30螺栓有效面 积 26.560mm A g = M30螺栓设计强 度 MPa R g 210= M30螺栓弹性模 量 28/101.2m kN E ′=螺栓 M30螺栓长度 cm l 5.18=螺栓 二、荷载计算 1、 自重 kN R D D g H h 81.1602)(41 220=×-=p g p 2、 竖向土压力 由于隧道上覆土层为灰色淤泥质粉质粘土，地层基床系数2 /20000m kN k =，推测应为硬黏性土，且隧道埋深超过隧道半径很多倍，故竖向土压力应按照太沙基公式计算。 衬砌圆环顶部的松弛宽度 m D B 73.6)4 8cot(200=+= j p 地面超载2 /20m kN q =超，且H q 西场站～西村站～广州火车站～草暖公园区间盾构 隧道结构计算书 一、结构尺寸 隧道内径：5400；隧道外径：6000；管片厚度：300mm；管片宽度：1500mm。 二、计算原则 选择区间隧道地质条件较差、隧道埋深较大、地面有特殊活载（地面建筑物桩基、铁路线等）等不同地段进行结构计算。 三、计算模型 计算模型采用修正惯用设计法。考虑管片接头影响，进行刚度折减后按均质圆环进行计算；水平地层抗力按三角形抗力考虑；计算结果考虑管片环间错缝拼装效应的影响进行内力调整。弯曲刚度有效率η=0.8，弯矩增大系数ξ=0.3。计算简图如下图所示。使用ANSYS程序软件进行结构计算。 修正惯用设计法计算模型 计算模型节点划分 四、计算荷载 荷载分为永久荷载、活载、附加荷载和特殊荷载等四种。 1）永久荷载：管片自重、水土压力、上部建筑物基础产生的荷载。考虑地层特征采取水土合算或水土分算。 2）活载：地面超载一般按20KN/m2计；有列车通过地段按40KN/m2计。 3）附加荷载：施工荷载——盾构千斤顶推力，不均匀注浆压力，相邻隧道施工影响等。 4）特殊荷载：地震力——按抗震基本烈度为7度计算，人防荷载按六级人防计算，按动载化为静载计算。 五、内力计算 1、一般地段：地质条件较差、埋深较大地段（地面超载20KN/m2）：里程YCK5+990 选取地质钻孔为MEZ2-A073。隧道埋深约33.9m，地下水位在地面下5.0m。地层由上至下分别为<1>-7.3m；<5-1>-39.2m；<5-2>-20m。隧道所穿过地层为<5-2>。隧道横断面与地层关系如下图所示： 隧道横断面与地层关系 2、列车通过地段：地面超载40KN/m2，里程YCK6+050 选取地质钻孔为MEZ2-A166。隧道埋深约35.5m，地下水位在地面下12.5m。地层由上至下分别为<1>-8.5m；<5-2>-12.7m；<6>-19.3m；<7>-20m。隧道所穿过地层为<6>。隧道横断面与地层关系如下图所示： 一、盾构隧道结构计算模型 1、惯用法(自由圆环变形法) 惯用法的想法早在1960年就提出了，在日本国内得到了广泛的应用。惯用法假设管片环是弯曲刚度均匀的环，不考虑管片接头部分的柔性特征和弯曲刚度下降，管片截面具有同样刚度，并且弯曲刚度均匀的方法。这种方法计算出的管片环变形量偏小，导致在软弱地基中计算出的管片截面内力过小，而在良好地基条件下计算出的内力又过大。地层反力假设仅在水平方向上下45°范围内按三角形规律分布，这种模型可以计算出解析解。 P 0 k δ 2、修正惯用法 在采用惯用法的60年代，怎样评价错缝拼装效应是一个问题。如果错缝拼装管片，可弥补管片接头存在造成的刚度下降。于是，在对带有螺栓接头的管片环进行多次核对研究时，首次引入了η-ξ对错缝拼装的衬砌进行内力计算，即为修正惯用法。该法将衬砌视为具有刚度ηEI的均质圆环，将计算出的弯矩增大即（1+ξ）M，得到管片处的弯矩；将求出的弯矩减少即（1-ξ）M，得到接头处的弯矩。其中η称为弯曲刚度有效率，ξ称为弯矩增加率，它为传递给邻环的弯矩与计算弯矩之比。管片接头由于存在一些铰的作用，所以可以认为弯矩并不是全部经由管片接头传递，其一部分是利用环接头的剪切阻力传递给错缝拼装起来的邻接管片。 隧 道 纵 向 接头传递弯矩示意图 二、管片计算荷载的确定 1、荷载的分类 衬砌设计所考虑的各种荷载，应根据不同的地质条件和设计方法进行假定并根据隧道的用途加以考虑。衬砌设计所考虑的各种荷载见表所示。 衬砌设计荷载分类表 2、计算断面选择 ●埋深最大断面 ●埋深最小断面 ●埋深一般断面 ●水位 3、水土压力计算 对于粘性土层，如西安地铁黄土地层、成都地铁二号线膨胀土地 层等，地下水位以上地层荷载用湿容重计算，地下水位以下用饱和容重计算。 对于透水性较好的砂性地层，如西安地铁粗砂、中砂地层，成都 地铁卵石土地层等，此时地下水位以上地层荷载用湿容重计算，地下水位以下用浮容重计算。 水土压力合算与分算，主要影响管片结构侧向荷载。一般水土分算时侧向压力更大。 4、松弛土压力 将垂直土压力作为作用于衬砌顶部的均布荷载来考虑。其大小宜根据隧道的覆土厚度、隧道的断面形式、外径和围岩条件等来决定。考虑长期作用于隧道上的土压力时，如果覆土厚度小于隧道外径，一般不考虑地基的拱效应而采用总覆土压力。但当覆土厚度大于隧道外径时，地基中产生拱效应的可能性比较大，可以考虑在计算时采用松弛土压力，一般采用泰沙基公式计算。 水事频道●技术频道 ●国际频道 ●视频中心 ●重磅专题●法律频道 ●文化频道 ● 商务频道 所在位置：首页->水信息网->技术频道->科技前沿 盾构隧道衬砌结构内力计算方法的对比浅析（邵岩 孟旭 央王卿） https://www.doczj.com/doc/2917367388.html, 时间： 2009-11-05 09:17:00 来源：《黄河规划设计》2009年第3期 放大 缩小打印 ［摘要］简要介绍了盾构衬砌常用的荷载-结构计算方法，并通过算例计算分析，揭示了不同模型简化计算盾构衬砌内力的大小、分布规律，并提出了自己的见解，为以后的设计计算提供了有益的参考和提示。 ［关键词］盾构衬砌内力计算荷载-结构法 1 引言 盾构法隧道的衬砌结构在施工阶段作为隧道施工的支护结构，用于保护开挖面以防止土体变形、坍塌及泥水渗入，并承受盾构推进时千斤顶顶力及其他施工荷载；在隧道竣工后作为永久性支撑结构，并防止泥水渗入，同时支撑衬砌周围的水、土压力以及使用阶段和某些特殊需要的荷载，以满足结构的预期使用要求。 盾构法隧道的设计内容基本上包括三个阶段：第一阶段为隧道的方案设计，以确定隧道的线路、线形、埋置深度以及隧道的横断面形状和尺寸等；第二阶段为衬砌结构与构造设计，其中包括管片的分类、厚度、分块、接头形式、管片孔洞、螺孔等；第三阶段为管片的内力计算，衬砌断面设计。管片厚度、配筋率、混凝土强度等设计参数的合理与否, 对体现盾构法的优越性、降低工程造价及提高工程经济性影响甚大，其设计的合理性与管片采用的计算模型密切相关。因此，选择合理的管片计算模型至关重要。 2 盾构衬砌计算方法介绍 目前关于盾构管片的设计还没有统一的设计计算方法，很多时候是用经验类比的方法进行设计。对于装配式盾构衬砌结构，常采用如图1 所示的计算方法。 2.1 有限单元法 搜索 查询 地铁区间隧道常见结构的设计 【摘要】结合深圳地铁2号线工程实例,介绍地铁区间隧道常见结构型式的设计,以用于指导建设实践。 【关键词】地铁;区间隧道;结构设计 地铁区间隧道目前主要的设计方案有暗挖马蹄形断面隧道、圆形盾构断面隧道、明挖矩形断面隧道。每种型式各有优缺点,在设计中需根据不同的地质条件、线路埋深和周边环境加以选择。 1、设计结构型式的选择 1.1 明挖矩形结构经过多年的发展,明挖法施工工艺成熟,方法简单、可靠,施工风险小,容易控制;工程进度快,根据需要可以分段同时作业;浅埋时造价及运营费用低;对地质条件要求不高;防水处理容易。但施工对城市地面交通和居民的正常生活也有一定影响,在施工期间对周边环境有一定的破坏;在明挖影响范围的地下管线需拆迁;需较大的施工场地。对于跨度大、埋深浅、地质条件差且地面环境允许,有施工场地的区间段,应优先考虑使用,以减少施工的风险和减少工程造价。 1.2矿山法马蹄形结构 1.2.1矿山法优缺点分析地铁区间隧道采用矿山法施工,是为适应城市浅埋隧道的需要而发展起来的施工方法,也称浅埋暗挖法。在我国地铁区间隧道建设中已广泛采用。它是采用信息化设计和施工,可以根据施工监测的信息反馈来验证或修改设计和施工工艺,具有适应城市地下工程周围环境复杂、地质条件较差、埋深浅、地面沉降控制严格及结构防水要求高等特点。矿山法施工除在施工竖井或洞口位置需占有一定的施工场地外,对地面交通、管线等干扰较少,对周边环境影响较小;废弃土石方量少;对不同的地质情况及周边环境采用不同的工程措施及施工方法,针对性强;对软硬不均地层,可以采用不同的开挖方式进行处理,处理方便容易。矿山法也有自身的弱点:在施工中容易引起地下水流失,从而引起地面沉降或隆起,在重要管线和房屋周边需采取切实可行的保护措施;在施工中处理不当,容易引起地面坍塌,从而造成对周边环境的影响和引发事故。在施工过程中需严格按施工工艺和要求进行施工,并加强施工中的监控量测工作。跨度大时,需分多步进行开挖施工,工序之间干扰大,施工组织麻烦,施工中存在一定的风险。在设计及施工过程中,需要充分论证和考虑隧道周边的环境和工程及水文地质条件,采用合理的工程措施和施工工艺之后,以上弱点才可以弱化并避免的。因此采用矿山法设计和施工时,必须从隧道施工方法、施工程序、辅助工法的采用等方面进行认真研究。 1.2.2计算简图采用荷载-结构模型平面杆系有限单元法。选取地质条件最差、最不利典型横断面进行承载能力极限状态和正常使用极限状态的计算。计算简图和计算结果见图1~图3。 1.3盾构法圆形结构 1.3.1盾构法优缺点盾构法施工不仅施工进度快,而且无噪音,无振动,对地面交通及沿线建筑物、地下管线和居民生活等影响较少。由于管片采用高精度预制构件,机械化拼装,因而质量易于控制。地铁工程建设经验表明,由于采用高精度管片及复合防水封垫,单层钢筋混凝土管片组成的隧道衬砌可取得良好的防水效果,不需要修筑内衬结构。盾构技术的发展,尤其是泥水式、复合式土压平衡式盾构的开发,使之在含水砂层以及砂质黏性土层等地层中进行开挖成为可能,所以当工程地质和水文地质条件以及周围环境情况等难以用矿山法和明挖法施工时,盾构法是较好的选择。而且采用盾构法施工下穿房屋筏板基础时,能较有效控制地面沉降,减少对房屋的破坏。因此,地铁区间隧道采用盾构技术已成为发展的必然趋势。采用盾构法较矿山法施工有施工风险相对较小、对环境的影响较小、工程投资较省等优点。盾构法施工也有一定的弱点。盾构机在匀质地层中施工是顺利的,但是地层软硬不均,尤其是在软 **工程盾构管片预制建厂分析报告 二零一四年四月 **盾构管片建厂分析报告 一、**工程管片概况 1. 工程概况 **工程全长，共设18车站，14个区间，1个辆段出入段，1座综合基地。全工程单延米长度25648米，管片数量约17100环。 2. 目前正在运营的管片厂 目前南宁市地铁1号线正在建设。根据调查，目前南宁市地铁轨道公司安排了3个管片预制厂，分别是中铁8局、中铁20局、中铁23局管片预制厂，均成立了管片预制注册公司。管片到场价格每环16100元。日产能力平均30环，日最大生产能力35环（各厂简介见附件4、5、6）。二、我方投资自建管片厂建厂投入 1．预计规模 （1）预计固定投资 新建管片厂占地80亩，购15套模具，采用流水线生产计算，年最高产量可达到7200环（外径6m，环宽，厚，8 m3/环，按照2环/天/套计算）。主要包括：厂房、管片生产车间、办公室、员工宿舍、养护水池、管片堆场硬化、管片模具、混凝土搅拌站、锅炉、车间行车、运输管片的叉车、翻片机、管片吸盘机等配套设施（不含土地费用），新建厂施工时间约为7个月。预计固定资产投资约3430万元，见下表。 管片厂投资建设估算费用表 （2）租地费用 本管片预制厂，根据管片量，需要用地80亩，租期按三年考虑，租金10000元/亩.年,租赁费合计10000*80*3=240000元,青苗补偿费80*4000=320000元,累计2720000元。 三、盾构管片每环成本测算 经分析测算，管片到施工现场每环价格为元（不含税金，含税为元）。如下表 管片成本测算（到场价） 四、利、税指标的分析 （1）税金： 由项目统一上交，管片厂为项目劳务分包，可以不缴纳税费。 （2）利润：每环成品管片到场价格为元，与外购相比，每环利润为：16100－=2857元。 总利润为17100环×2857元/环=4885万元（未包括设备折旧后的残值、前期建厂费用投入及库存产品的资金占用费）。 五、风险 1.目前中铁已有三家管片厂,有一家已在建尚未投产。现有三家管片厂明年初基本完成1号线生产任务，南宁轨道公司是否同意2号线自建管片厂？ 2.在租赁场地上建大型厂房,五象新区管委会是否同意？ 3.砂的采购比较困难，根据对目前中铁三个厂的调查看，管片砼用砂，技术要求高，本地产河砂、江砂量不能满足需要，而要从北海合浦或玉林陆川运过来，运距远，费用高。 4.现场盾构掘进决定着管片生产是否正常，根据目前中铁三个厂家调查看，现场各种因素特别是管线迁移及复杂地质条件的影响，滞约盾构掘进速度，使管片成品积压严重，造成投入资金长时间占用不能回收。 六、结论 总体来看，自建厂生产管片利大于弊。一是可与轨道公司及五象新区管委会进行深入沟通。二是广泛寻找砂源，同设计院沟通，改进管片生产工艺。三是做好现场盾构施工前的各项地质预测和防范，与管线产权单位做好沟通协调和积极改移配合，风险是可控的。 因此，建议自建厂生产管片。 附件:1混凝土配合比 !匀质圆环,在原程序上加了静水压力，故本命令流适合水土分算 fini /cle *dim,wxn,array,2000 !!定义名为wxn的数组，2000行1列，下同 *dim,wyn,array,2000 *dim,xn,array,2000 *dim,yn,array,2000 *dim,fxn,array,2000 *dim,fyn,array,2000 *dim,aa1,array,2000 *dim,bb1,array,2000 *dim,aa2,array,2000 *dim,bb2,array,2000 *dim,jx1,array,2000 *dim,jy1,array,2000 *dim,jx2,array,2000 *dim,jy2,array,2000 !!!!!!!!!!定义参数并赋值 nodesum=120 !!!!!!!!!!单元数 pi=3.1415927 height=0.35 !!!!!!环厚0.35米 width=1.0 !!!!!!环宽 area=height*width !!!!!!面积 inertia=width*height*height*height/12 !!!!!!惯性矩 emod=34500*1000000 !!!!!!弹性模量，按C50混凝土计 radius=2.925 !!!!!!计算半径 density=25*1000/10 !!!!!!材料密度 wradius=radius+0.5 !!!!!!弹簧节点所处半径 tankang=12*1000000*width !!!!!!弹簧刚度,MPa/m !!!!!!!!!!赋荷载值 ptop=200*1000*width !!!!!!顶板压力，单位按KN计 pltop=80*1000*width !!!!侧向压力 plbot=50*1000*width !!!!侧向沿竖向增加的侧压，即墙底水平压力为pltop+plbot pbot=140*1000*width !!!!底板压力 water=8.0*1000*width !!!!顶板处水位埋深 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! /prep7 et,1,beam3 !!!!!!定义单元类型,弹模,密度，实常数 mp,ex,1,emod mp,dens,1,density盾构区间隧道结构计算书
盾构隧道结构ansys计算方法
盾构衬砌计算方法
地铁区间隧道常见结构的设计
盾构管片建厂分析
盾构管片修正惯用法内力计算 ansys命令流
相关主题
文本预览