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
行文区间左线管片选型 、曲线半径使用管片计算 1. 转弯环偏角计算（xx） 0= 2X arctjg S /D = 2X arctg()= 0.3457 缓和曲线偏角 p 1= 1.2898 p2== 1.2898 圆曲线偏角 a= a—( p 1 p 2 = 4.77 - ( 1.2898 +1.2898 ) = 2.1904 式中： A――平曲线的总转角 缓和曲线中转弯环的数量 N1= p 1/ 0 + 3=2/1.2898 /0.3457 + 1.2898/0.3457 =7.46 环?8环左转缓和曲线中标准环的数量 M1 =( 11 +12)/ 1.5-N1=( 45+ 45)/ 1.5- 8 = 60-8=52 环 圆曲线中转弯环的数量 N2= a 0/= 2.1904 /0.3457 =6.33 环?7环左转 圆曲线中标准环的数量 M2=[Ls-(l1+l2)]/1.5-N2 =[128.194-(45+45)]/1.5-7
= 26-7=19环 2. 转弯环偏角计算（右转） 0= 2X arctjg S /D = 2X arctg()= 0.3457 缓和曲线偏角 p 1= 1.2898 p2== 1.2898 圆曲线偏角 a= a—( p 1 p 2 = 4.6555 - ( 1.2898 +1.2898 ) = 2.0759 式中： A——平曲线的总转角 缓和曲线中转弯环的数量 N1= p 1/ 0 + 3=2/1.2898 70.3457 =3.7 环?4环右转 缓和曲线中标准环的数量 M1 = 11 /1.5-N1=45/1.5- 4 = 30-4=26 环 ZDK27+181.92--ZDK27+179.21有2 环为右转弯环。 纵断面坡度调整转弯环数量 S1a= V/B= 2%o/ tg =环~1环 曲线范围内坡度调整转弯环数量 Sa= 37/202 x 1 爭 纵断面坡度调整转弯环数量
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=?+?=?
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。
城市地铁盾构施工土压力选择 随着北京2008年申奥成功，我国的城市地铁施工必将走向了一个崭新的一页。城市地铁盾构施工具有快速、安全、对地面建筑物影响小等诸多优点，已经被越来越多的人们所认可。在城市地铁盾构施工中，如何设置合理的土压，对于控制地表沉降有着至关重要的意义。 一、土压平衡复合式盾构机三种工况的简要介绍土压平衡复合式盾构有三种工况，即敞开式、半敞开式、土压平衡三种掘进模式。地层围岩条件较好时，螺旋输送机伸入土仓，螺旋输送机的卸料口完全打开，土仓内不保持土压，维持刀盘、土仓、螺旋输送机之间的完全敞开，实现敞开式模式掘进。当围岩稳定性变坏，工作面有坍塌时或有坍塌的可能，或地下涌水不能得到有效控制时，缩回螺旋输送机，关闭螺旋输送机的卸料口，压入压缩空气，土仓会被压力封闭，控制地下水的涌出，防止坍塌的进一步发生，即可实现半敞开式掘进模式；若水压力大或工作面不能达到稳定状态，则先停止螺旋输送机的出碴，切削下来的碴土充满土仓。与此同时，用螺旋输送机排土机构，进行与盾构推进量相应的排土作业，掘进过程中，始终维持开挖土量与排土量的平衡来维持仓内碴土的土压力。以土仓内的碴土压力抗衡工作面的土体压力和水压力，以保持工作面的土体的稳定，防止工作面的坍塌和地下水的涌出，从而使盾构机在不松动的围岩中掘进，确保不产生地层损失，实现土压平衡掘进模式。 二、掘进土压力的设定 在选择掘进土压力时主要考虑地层土压，地下水压（孔隙水压），预先考虑的预备压力地层施工土压 在我国铁路隧道设计规范中，根据大量的施工经验，在太沙基土压力理论的基础上，提出以岩体综合物性指标为基础的岩体综合分类法，根据隧道的埋资深度不同，将隧道分为深埋隧
管片楔形量计算 The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020
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=°。 楔形量与转弯半径关系（如图）的计算公式如下：
曲线中心 图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。
盾构机的推力和扭矩计算 盾构机的推力和扭矩计算包括软土和硬岩两种情况进行。 在软土中掘进时盾构机的推力和扭矩的计算 地层参数按〈6〉岩石全风化带选取，由于岩土体中基本无水，所以水压力的计算按水土合算考虑。选取可能出现的最不利受力情况埋深断面进行计算。根据线路的纵剖面图，〈6〉层埋深不大，在确定盾构机拱顶处的均布围岩竖向压力P e时，可直接取全部上覆土体自重作为上覆土地层压力。 盾构机所受压力： P e = 丫h+ P o P0i= P e + G/DL P i=F e xx R=(P+ 丫.D)入 式中：入为水平侧压力系数，入= h为上覆土厚度，h= 丫 为土容重，丫= t/m 3 G为盾构机重，G=340 t D为盾构机外径，D= m ; L为盾构机长度，L= m ; P 0为地面上置何载， P o=2 t/m 2; P oi为盾构机底部的均布压力；P i为盾构机拱顶处的侧向水土压力；P2为盾构机底部的侧向水土压力；P e=X +2= t/m 2 2 2 P oi=+34O/ (x) =m P i=x =m 2 P2 =+ xx =m 盾构推力计算 盾构的推力主要由以下五部分组成： F F i F2 F3 F4 F5 式中：F i为盾构外壳与土体之间的摩擦力；F2为刀盘上的水平推力引起的推力F3为切土所需要的推力；F4为盾尾与管片之间的摩阻力 F5为后方台车的阻力 1
F l 一(P e P01 P P2)DL . 4 式中：：土与钢之间的摩擦系数，计算时取0.3 1 F1(26.83 33.37 14.89 18.3) 6.25 8.32 0.3 1144.23t 4 F2 ,4(D2P d) 式中：P d为水平土压力，P d( h D) 2 D 6.28 h 12.8 15.93m 2 2 2 F d 0.47 1.94 15.93 14.52t/m F2/ 4(6.282 14.52) 445.48t F3/4(D2C) 式中：C为土的粘结力，c=m F3 (6.252 4.5) 138.06t 4 F4 W c c 式中：VC、卩c为两环管片的重量(计算时假定有两环管片的重量作用在盾尾内，当管片容重为m3管片宽度按计时，每环管片的重量为)，两环管片的重量为考虑。卩C= F448.24 0.3 14.47t F5 G h sin g G h cos 式中：G h为盾尾台车的重量，G~ 160t; B为坡度，tg 9 = 卩g为滚动摩阻，卩g= F5160 0.025 0.05 160 1 12.00t 盾构总推力：F 1144.23 445.48 138.06 14.47 12.00 1754.24t 盾构的扭矩计算
土压平衡盾构施工土压力的确定 摘要：在土压平衡盾构施工中，设置合理的施工土压对控制地表沉降有非常重要的意义。本文通过对地层土压力、水压力的计算原理分析，确定出土压平衡盾构施工土压力的设置方法，最后结合现场施工对设置方法进行简单的验证。 关键词：土压平衡盾构施工土压力确定 1、概述 土压平衡盾构工法具有对地面、地下环境影响小、掘进速度快、地表沉降小等特点，已经越来越多地应用于城市地铁施工领域。土压平衡盾构施工中，合理设置施工土压对控制地表沉降有非常重要的意义。 土压平衡盾构施工过程中，施工土压力的设定遵循以下原则： a.土仓内的土压力应可以维持刀盘前方的围岩稳定，不致因土压偏低造成土体坍塌、地下水流失。 b.土仓内的土压应尽可能低，以降低掘进扭矩和推力，提高掘进速度，降低土体对刀具的磨损，以最大限度地降低掘进成本。 因此，对盾构土仓内的土压力值的确定，就显得十分重要。 2、地层土压计算 地层压力的计算原理有多种，目前我国铁路隧道设计规范是在太沙基土压力理论的基础上，提出以岩体综合物性指标为基础的岩体综合分类法。根据隧道的埋置深度不同，将隧道分为深埋隧道和浅埋隧道；然后根据隧道的具体情况，采用不同的计算方式进行地层土压计算[1]。 2.1深埋隧道的土压计算 对于深埋隧道，一般根据隧道围岩分类和隧道结构参数，按照《铁路隧道设计规范》的计算公式计算围岩竖直分布松动压力和水平松动压力。 地层的水平侧向力为： σ水平侧向力= q×0.41×1.79Sω 式中， S—围岩级别，如Ⅲ级围岩，则S=3； ω—宽度影响系数，且ω=1+i（B-5）； B—隧道净宽度，单位以m计；
i —以B=5m 为基准，当B<5m 时，取i=0.2，当B>5m ，取i=0.1； q —根据围岩级别确定的水平侧压力系数，具体见表1： 2.2.1主动土压力与被动土压力 盾构隧道施工过程中，刀盘扰动改变了原状天然土体的静止弹性平衡状态，从而使刀盘附近的土体产生主动土压力或被动土压力。 盾构推进时，如果土仓内土压力设置 偏低，工作面前方的土体向盾构刀盘方向产生微小的移动或滑动，土体出现向下滑动趋势，为了抵抗土体的向下滑动趋势，土体的抗剪力逐渐增大。当土体的侧向应力减小到一定程度，土体的抗剪强度充分发挥时，土体的侧向土压力减小到最小值，土体处于极限平衡状态，即主动极限平衡状态，与此相应的土压力称为主动土压力Ea ，如图1所示。 盾构推进时，如果土仓内土压力设置偏高，刀盘对土体的侧向应力逐渐增大，刀盘前部的土体出现向上滑动趋势，为了抵抗土体的向上滑动趋势，土体的抗剪力逐渐增大，土体处于另一极限平衡状态，即被动极限平 衡状态，与此相应的土压力称为被动土压力Ep ，如图2所示。 2.2.2主动土压力与被动土压力计算： 根据盾构的特点及盾构施工原理，结合我国铁路隧道设计、施工的具体经验，采用朗金理论计算主动土压力与被动土压力。 盾构推力偏小时，土体处于向下滑动的极限平衡状态。此时，土体内的竖直应力σ z 相当于大主应力σ1，水平应力σa 相当于小主应力σ3。水平应力σa 为维持刀盘前方的土体不向下滑移所需的最小土压力，即土体的主动土压力： σa =σz tan 2（45°-φ/2）-2ctan （45°-φ/2） 式中， σz －深度z 处的地层自重应力；
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
目录 1、纵坡 (1) 2、土压平衡盾构施工土压力的设置方法 (1) 2.1深埋隧道土压计算 (3) 2.2浅埋隧道的土压计算 (3) 2.2.1主动土压力与被动土压力 (3) 2.2.2主动土压力与被动土压力计算： (4) 2.3地下水压力计算 (4) 2.4案例题 (5) 2.4.1施工实例1 (5) 2.4.2施工实例2 (7) 3、盾构推力计算 (9) 4、盾构的扭矩计算 (9) 1、纵坡 隧道纵坡：隧道底板两点间数值距离除以水平距离 如图所示：隧道纵坡=（200-100）/500=2‰ 注：规范要求长达隧道最小纵坡>=0.3%,最大纵坡=<3.0% 2、土压平衡盾构施工土压力的设置方法 根据上述对地层土压力、水压力的计算原理分析，笔者总结出在土压平衡盾构的施工过程中，土仓内的土压力设置方法为：
a、根据隧道所处的位置以及隧道的埋深情况，对隧道进行分类，判断出隧道是属于深埋隧道还是浅埋隧道（一般来说埋深在2倍洞径以下时，算作是浅埋段，2倍以上算深埋)； b、根据判断的隧道类型初步计算出地层的竖向压力； c、根据隧道所处的地层以及隧道周边地地表环境状况的复杂程度，计算水平侧向力； d、根据隧道所处的地层以及施工状态，确定地层水压力； e、根据不同的施工环境、施工条件及施工经验，考虑0.010～0.020Mpa 的压力值作为调整值来修正施工土压力； f、根据确定的水平侧向力、地层的水压力以及施工土压力调整值得出初步的盾构施工土仓压力设定值为： σ初步设定=σ水平侧向力＋σ水压力＋σ调整 式中， σ初步设定－初步确定的盾构土仓土压力； σ水平侧向力－水平侧向力； σ水压力－地层水压力； σ调整－－修正施工土压力。 g、根据经验值和半经验公式进一步对初步设定的土压进行验证比较，无误时应用施工之中； h、根据地表的沉降监测结果，对施工土压力进行及时调整，得出比较合理的施工土压力值。
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
地铁隧道常用管片特点与选型计算 （王国义中铁十三局集团第二工程有限公司，广东深圳 518083） 内容提要：盾构作为地铁隧道施工的主要设备在中国迅速发展，管片作为地铁隧道的永久衬砌应用非常广泛，管片选型的好坏直接影响到地铁隧道的精度和质量，甚至达到隧道重新修改设计线路的严重后果。从现在最常用管片的特点开始着手，着重讲述现今应用普遍的等腰梯形转弯环管片的楔形量计算、管片排版计算及盾构管片选型依据，首次提出根据实际拼装管片和设计隧道中心线的偏离值与盾构自动导向系统生成管片的偏差相比较，校核人工测量和盾构自动导向测量的准确性理论，对地铁盾构施工有一定的指导作用。 关键词：管片；转弯环；楔形量；选型；校核 1 引言 在国内各大城市地铁隧道工程中，目前已越来越多地开始使用盾构来掘进区间隧道，用预制钢筋混凝土管片[1]作为永久衬砌。成型管片的质量直接关系到隧道的质量，而隧道的成型质量直接受到管片选型好坏的影响。这就需要在盾构施工中掌握管片技术参数及管片楔形量计算知识，达到能够灵活选用盾构[2]管片，保证盾尾间隙和管片成型质量之目的，同时实际成型隧道位置是否正常直接影响到隧道的最终验收及使用。 2 常用地铁管片的特点 目前在地铁隧道盾构施工中，各个大中城市主要采用标准环和转弯环管片对设计隧道平纵曲线拟合，管片一般分为标准环、左转弯环、右转弯环三种管片，每环管片一般由六块管片组成，三块标准块，两块邻接块，一块封顶块，由盾构上的拼装机[3]拼装成一个整环(如图1)。 2.1 地铁常用管片技术参数(如表1) 表1 地铁常用管片技术参数
图1 右转弯环管片示意图 2.2 管片拼装点位的分布 管片成型的隧道为了能够达到很好的线形，完成隧道的左转弯、右转弯、上坡、下坡等功能，需要使用不同的楔形量管片[4]，这就要求转弯环管片有不同的位置来达到此目的。 现在常用的地铁管片一般采用错缝拼装，有10个点位，来达到转弯所需要的不同楔形量。管片拼装点位是以封顶块的中线位置来叙述的(管片拼装点位如图2)，转弯环不同的拼装点位在平曲线中有不同的楔形量，达到不同的转弯半径[5]。 为了能够顺利拼装管片，左转弯环或右转弯环一般拼装1、2、3、8、9、10这六个点位。 83 图2 管片拼装点位图 2.3 管片楔形量的计算
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；
Φ6250复合盾构机的推力和扭矩计算 盾构机的推力和扭矩计算包括软土和硬岩两种情况进行。 一、在软土中掘进时盾构机的推力和扭矩的计算 地层参数按〈6〉岩石全风化带选取，由于岩土体中基本无水，所以水压力的计算按水土合算考虑。选取可能出现的最不利受力情况埋深断面进行计算。根据线路的纵剖面图，〈6〉层埋深不大，在确定盾构机拱顶处的均布围岩竖向压力P e 时，可直接取全部上覆土体自重作为上覆土地层压力。 盾构机所受压力： P e =γh+ P 0 P 01= P e + G/DL P 1=P e ×λ P 2=(P+γ.D) λ 式中：λh γ为土容重，γG 为盾构机重，D 为盾构机外径，D=6.25 m ； L 为盾构机长度，L=8.32 m ； P 0为地面上置荷载，P 0=2 t/m 2； P 01为盾构机底部的均布压力；P 1为盾构机拱顶处的侧向水土压力；P 2为盾构机底部的侧向水土压力；P e =1.94×12.8+2=26.83 t/m 2 P 01=26.83+340/（6.25×8.32）=33.37t/m 2 P 1=26.83×0.47=14.89t/m 2 P 2 =(26.83+1.94×6.25)×0.47=18.3t/m 2 1、盾构推力计算 盾构的推力主要由以下五部分组成： 54321F F F F F F ++++= 式中：F 1为盾构外壳与土体之间的摩擦力 ；F 2为刀盘上的水平推力引起的推力 F 3为切土所需要的推力；F 4为盾尾与管片之间的摩阻力 F5为后方台车的阻力 πμ.)(4 121011DL P P P P F e +++=
3.0=μμ数，计算时取：土与钢之间的摩擦系式中： t F 23.11443.032.825.63.1889.1437.3383.264 11=???+++?=π）（ ） （d P D F 224π= 为水平土压力式中：d P ，）（2 D h P d + =λγ m D h 93.15228.68.122=+=+ 2/52.1493.1594.147.0m t P d =??= t F 48.44552.1428.64/22=?=）（π ） （C D F 234/π= 式中：C 为土的粘结力，C=4.5t/m 2 t F 06.1385.425.6423=??=）（π c c W F μ=4 式中：W C 、μC 为两环管片的重量 （计算时假定有两环管片的重量作用在盾尾内，当管片容重为2.5t/m 3，管片宽度按1.5m 计时，每环管片的重量为24.12t ），两环管片的重量为48.24t 考虑。μC =0.3 t F 47.143.024.484=?= θμθcos sin 5h g h G G F +?= 式中：G h 为盾尾台车的重量，G h ≈160t ； θ为坡度，tg θ=0.025 μg 为滚动摩阻，μg =0.05 t F 00.12116005.0025.01605=??+?≈ 盾构总推力：t F 24.175400.1247.1406.13848.44523.1144=++++= 7.8.2.1.2盾构的扭矩计算 盾构配备的扭矩主要由以下九部分组成。在进行刀盘扭矩计算时： 987654321M M M M M M M M M M ++++++++= 式中：M 1为刀具的切削扭矩；M 2为刀盘自重产生的旋转力矩
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/d811138298.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
**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