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第29卷第6期V ol.29 No.6 工程力学2012年6月June 2012 ENGINEERING MECHANICS 114 文章编号：1000-4750(2012)06-0114-11大断面越江盾构隧道管片拼装方式对结构内力的影响效应研究封坤1，何川1，邹育麟2(1. 西南交通大学地下工程系，成都 610031；2. 长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430000)摘 要：大断面越江隧道管片拼装方式对结构内力的影响一直引人关注，由于拼装方式的不同将引起管片结构内力的分布与量值的变化。
鉴于此，该文对圆形盾构隧道管片拼装效应的产生机理进行了理论分析，着重探讨了纵向相互作用力对管片环向内力的影响，随后以南京长江隧道为工程背景，对其管片在通缝与错缝拼装条件下结构环向内力分布及错缝拼装下目标管片内力沿圆周及幅宽方向的内力分布规律开展了原型试验研究。
结果表明，由于环间的相互作用效应，使错缝结构局部区域弯矩呈现出加强的效果。
在纵向螺栓作用区域，管片环向弯矩增幅、轴力降幅较大。
沿管片幅宽方向，正弯矩呈“凹”型分布，负弯矩呈“凸”型分布，轴力呈“凸”型分布。
该研究结果可为大断面水下盾构隧道的设计、施工和相关研究提供重要参考。
关键词：水下盾构隧道；管片衬砌结构；原型试验；管片拼装效应；拼装方式中图分类号：U451.4 文献标志码：A doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0591STUDY ON THE EFFECT OF ASSEMBLING METHOD ON THE INNER FORCE OF SEGMENTAL LINING FOR CROSS-RIVER SHIELD TUNNELWITH LARGE CROSS-SECTIONFENG Kun1 , HE Chuan1 , ZOU Yu-lin2(1. Department of Tunnel and Underground Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. Changjiang Survey Planning Design and Research Limited Co., Wuhan 430000, China)Abstract: The effect of assembling method on the inner force of segmental lining for cross-river shield tunnel with large cross-section has been concerned for a long time.Different assembling plan yields different distribution characteristics of inner force.In this paper,theoretical analysis is carried out to discuss the mechanism of assembling effect of circular shield tunnel, especially the effect of longitudinal interaction on circumferential inner force. Then based on Nanjing Yangtze River Shield Tunnel project, a prototype test is conducted to study the mechanical distribution characteristic of circumferential inner force in different assembling plan and the mechanical distribution characteristic of inner force of target segment (B5) along the circumference and width direction. The results show that, the effect of the interaction intensifies bending moment in local area when using staggered assembling, and the growth of bending moment and decline of axial force become larger near the longitudinal bolts. And along the width direction, the positive bending moment distributes as a concave type, the negative bending moment and axial force distribute as a convex type. The result can provide valuable references to design and construction of large-profile underwater shield tunnels; meanwhile it can also provide important reference to the correlative studies.Key words: underwater shield tunnel; segmental lining structure; prototype test; assembling effect; assembling method———————————————收稿日期：2010-08-17；修改日期：2010-10-27基金项目：高铁联合基金重点项目(U1134208)；国家杰出青年科学基金项目(50925830)；国家973计划项目(2010CB732105)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(SWJTU12BR036)通讯作者：何川(1964―)，男，重庆人，教授，博士，博导，地下工程系主任，主要从事公路、铁路及城市地铁隧道的科研、教学及咨询工作(E-mail: chuanhe21@).作者简介：封坤(1983―)，男，陕西南郑人，讲师，博士，从事盾构隧道的教学与研究工作(E-mail: windfeng813@)；邹育麟(1984―)，男，重庆人，博士生，从事盾构隧道设计理论方面的研究(E-mail: zouyulin_617@).工程力学 115盾构隧道设计与施工中常常采用不同的拼装方式，由于拼装方式的变化往往引起管片局部力学效应的复杂化。
大断面水下盾构隧道管片设计参数及其统计分析大断面水下盾构隧道管片设计参数及其统计分析晏启祥,王春艳,郑代靖,李灿(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,成都610031)摘要：以国内大型水下盾构隧道的构造设计为基础,结合国外典型盾构工程实例,分析我国水下盾构隧道衬砌构造设计现状,并对管片外径与管片楔形量、管片厚度、管片分块数、标准块圆心角、标准块重力等衬砌构造设计参数的相关性进行统计分析,论述管片厚度与最大水压、管片外径与隧道最小覆盖层厚度之间的关系。
研究表明：我国大型水下盾构隧道接缝构造正在向单道止水密封、非榫槽平顺接缝、通用楔形平板型管片错缝拼装方面发展；研究还得出管片外径与管片厚度、管片分块数和标准块重力之间呈正相关性等一系列结论。
关键词：水下隧道；盾构隧道；管片衬砌；构造设计；统计分析目前，国内外大型水下盾构隧道工程越来越多，如国内已经建成武汉长江隧道，南京长江隧道，崇明长江隧道，杭州庆春路隧道，杭州钱江隧道，上海翔殷路隧道、上中路隧道，国外已建成英法海峡隧道、日本东京湾隧道，荷兰绿色心脏隧道等，大型水下盾构隧道建设方兴未艾。
未来我国将在长江、黄浦江、珠江、钱塘江、黄河等流域继续建设水下盾构隧道的同时，发展穿越海湾海峡等近海海底水下盾构隧道工程，特别是穿越渤海湾、杭州湾、胶州湾、北部湾、莱州湾、琼州海峡、台湾海峡、东海舟山群岛等海域的水下隧道工程已是大势所趋，盾构法水下隧道已呈现出向大断面、大幅宽、高水头、长距离发展的总体趋势。
伴随着我国水下盾构隧道的不断建设，隧道工程界获得了大量水下盾构法隧道设计与施工的实践经验与技术积累。
如肖清明[1]等针对南京长江隧道拟定的4种分块方案进行了综合分析和选择；夏松林[2]研究了广州狮子洋隧道大断面原型管片衬砌结构通缝式拼装在不同水土压作用下的整体受力规律与破坏特征；姜安龙[3]针对沪崇苏通道南港隧道实际工程，开展了大直径盾构隧道管片结构理论分析；张建刚[4]等提出了适用于复杂接缝面管片接头的改进条带算法，研究了不同螺栓连接方式、不同承压衬垫方式、不同防水垫方式和不同接触状态下管片接头的力学特征；封坤[5]等对南京长江隧道原型管片衬砌结构进行了试验研究，探讨了大型水下盾构隧道结构在通缝和错缝拼装方式下的不同破坏形态；张小冬[6]等结合拟建的哈尔滨松花江隧道，对隧道周围土体及衬砌变形的力学性状进行了研究；张冬梅[7]等结合上海长江隧道衬砌结构整环试验，研究了考虑接头力学特性的盾构隧道衬砌结构计算方法。
文章编号:1004—5716(2002)05—94—03中图分类号:U455143 文献标识码:B 盾构隧道管片衬砌的内力分析肖龙鸽,薛文博(中铁隧道集团三处有限公司,广东乐昌512250)摘 要:结合上海市大连路越江隧道的工程特点,采用结构力学解析方法及多种计算模型进行了越江隧道盾构管片衬砌的内力计算,通过对衬砌内力的分析,为目前城市地铁区间盾构隧道管片衬砌内力计算探索出了一条计算模式。
关键词:盾构隧道;管片;衬砌;内力分析1 工程概况上海市大连路越江隧道横穿黄浦江,根据隧道所穿越土层的工程地质、水文地质条件而采用盾构法施工,衬砌采用单层装配式钢筋混凝土衬砌,衬砌外径为 11.040m,衬砌厚度δ= 55cm。
根据地质资料,浦东段沿线地基土按其岩性、时代、成因及物理力学性质差异从上至下可划分为10层,其工程地质特性如下:(1)人工填土层:以杂填土为主,部分素填土。
(2)褐黄～灰黄色粉质粘土:可塑～软塑状,中～高压缩性。
(3)灰色淤泥质粉质粘土:流塑,高压缩性。
(3—a)灰色粉质粘土:很湿～湿,中压缩性。
(4)灰色淤泥质粘土:流塑,高压缩性。
(5—1)灰色粘土:软塑状,高压缩性。
(5—2)灰色粉质粘土:可塑,中压缩性。
(6)暗绿～草黄色粘土:可塑～硬塑状,中压缩性。
(7-1)草黄色砂质粉土:湿,中密,中压缩性。
(7-2)草黄色粉细砂:湿,密实,中压缩性。
2 管片衬砌的内力分析2.1 概述地下结构设计和进行力学计算的模型和方法较多,目前主要采用荷载结构法设计模型和荷载结构法进行计算。
荷载结构法认为地层对结构的作用只是产生作用在地下结构上的荷载,以计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形,荷载结构法又可区分为两类:局部变形理论计算法和共同变形理论计算法。
图1为圆形衬砌常用计算方法的计算简图,其中,图1(a)表示周边承受主动荷载的自由变形圆环,对于松软地层可按自由变形圆环计算内力,图1(b)所示的圆环在侧向作用有弹性抗力,在坚硬地层中圆形衬砌结构内力计算必须考虑弹性抗力的作用。
第五章程序的界面处理ｆ３）提供了易学易用的应用程序集成开发环境；（４）结构化的程序设计语言；（５）支持多种数据库系统的访问；（６）支持动态数据交换、动态链接库和对象的链接与嵌入技术（７）完备的Ｈｅｌｐ联机帮助功能。
５．２程序的界面处理隧道管片衬砌内力计算程序界面处理的思路是：通过界面将数据输入，并写入到ＦＯＲＴＲＡＮ程序中的数据文件，以便运行执行文件时调入；之后激活ＭＳ．ＤＯＳ窗口，进入到编译连接得到的执行文件所在的子目录下，运行执行文件；在计算程序中将盾构隧道衬砌各截面的内力及位移写入到输出文件：在后处理时将输出文件的数据读入并绘成内力图形。
卜ＩＡｌ介绍盾构隧道管片衬砌内力计算程序的界衄。
首先，点击由ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ形成的执行文件，弹出图５－１所示的窗口。
图５－１欢迎窗口点击“继续”按纽，弹出图５－２所示的窗口。
如选择均质圆环计算方法，将出现５—３所示窗口，提示均质圆环计算方法的数据文件路径及数据文件名。
第五章程序的界面处理图５－２选择计算方法窗口图５－３均质圆环数据文件路径及文件名窗口在“数据文件路径”下输入计算程序的数据文件所处的路径。
在“数据文件名”下输入数据文件名。
这一步是确保程序执行过程中的输入输出正常进行。
然后，点击“确定”按纽，弹出图５—４所示的“均质圆环数据输入窗口”。
图５－４均质圆环数据输入窗口在图５—４中，可以输入程序执行过程中所需要的数据。
前三个按钮分别为“管片尺寸及地层参数”、“配筋参数”、“千斤顶参数”的数据输入按钮。
第四个按钮为“数据文件写入”按钮。
单击“管片尺寸及地层参数”按钮，弹出“管片尺寸及地层参数卡”，如图５．５所示。
其上有“覆土厚度”、“地下水位”、“管片外径“、管片宽度”、管片厚度“、土容重”、“混凝土容重”、“土的粘接力”、“土的内摩擦角”、“地面附加压力”、“地基反力系数”、“侧向土压系数”、“刚度调整系数”、“弯矩增一３９—第五章程序的界面处理图５－５管片尺寸及地层参数窗口大系数”、“混凝土的弹模”、“钢筋的弹模”、“内力计算角度增量”、“钢筋允许拉应力”、“钢筋允许压应力”、“混凝土允许压应力”。
盾构衬砌管片接头内力变形统一模型及试验分析一、内容概要随着城市地铁建设的发展，盾构施工技术已经成为地铁隧道工程的主要施工方法。
然而盾构施工过程中的管片接头是影响隧道结构安全和使用寿命的关键因素之一。
为了解决这一问题，本文对盾构衬砌管片接头内力变形进行了统一模型的研究，并通过试验分析验证了模型的有效性。
首先本文从管片接头的结构特点出发，分析了管片接头在盾构施工过程中所受到的外力作用，包括盾构机推进力、土压力、地下水压力等。
在此基础上，建立了考虑这些外力的管片接头内力变形统一模型，该模型能够全面描述管片接头在不同工况下的内力变形规律。
其次为了验证模型的有效性，本文采用实验室试验的方法，对不同类型的管片接头进行了静载荷试验。
通过对试验数据的分析，得出了管片接头在不同工况下的内力变形分布规律，以及关键参数对内力变形的影响程度。
同时根据试验结果对模型进行了修正和完善。
本文结合实际工程案例，对所建立的模型进行了验证。
通过对实际施工中的管片接头内力变形的监测数据进行分析，证实了模型的有效性和实用性。
此外本文还提出了针对不同类型管片接头的内力变形控制措施，为盾构施工提供了有针对性的技术指导。
1. 研究背景和意义随着城市化进程的加快，盾构施工技术在地下工程中的应用越来越广泛。
盾构施工过程中，管片接头是连接盾构机与隧道壁的关键部件，其性能直接影响到隧道的结构安全和使用寿命。
然而目前关于盾构衬砌管片接头内力变形的研究尚不完善，主要集中在理论分析方面，而实际应用中的效果评价和改进措施仍需进一步探讨。
因此建立一套统一的盾构衬砌管片接头内力变形模型，以指导实际工程应用，具有重要的理论和实践意义。
首先研究盾构衬砌管片接头内力变形统一模型有助于提高工程质量。
通过对管片接头内力变形规律的深入研究，可以为工程设计提供更为精确的理论依据，从而降低工程风险，确保工程质量。
此外该模型还可以为施工过程中的质量控制提供技术支持，有助于提高施工效率和降低成本。
盾构隧道管片衬砌内力计算方法比较
盾构隧道是现代城市化进程中最常见的地下隧道形式，随着城市的不断发展，越来越多的城市需要建设地下交通隧道。
盾构隧道的管片衬砌内力计算是盾构隧道建设过程中的重要环节。
本文将从几个方面来比较目前常用的盾构隧道管片衬砌内力计算方法。
第一、有限元法
有限元法是目前使用最广泛、应用最为成熟的计算方法之一，它通过离散化相应区域，建立微分方程，利用有限元分析软件来计算应力和应变分布，从而得到管片衬砌的内力。
这种方法的优点是计算结果精确可靠，具有较高的可重复性和可调节性，适合计算各种复杂条件下管片衬砌的内力。
第二、解析法
解析法是一种经典的数学分析方法，通过对管片衬砌的简化模型建立数学解析模型，从而得到内力的解析解。
这种方法的优点是计算速度快，计算结果精度高，适用于简单条件下的管片衬砌内力计算。
缺点是只适用于简单的几何形状，无法应用于复杂的情况。
第三、实验法
实验法是通过对管片衬砌进行特定实验，测量相应的数据，利用数学模型来计算管片衬砌的内力。
这种方法的优点是可以考虑到复杂条件下的多种因素，得到较为真实的内力值，缺点是实验成本较高、操作复杂，而且实验过程有一定的风险。
综上所述，以上三种计算方法各自有其优缺点，应针对不同情况进行选用，最终得到的结果需要结合实际情况进行分析和比较。
在实践中，工程师们应采用不同的计算方法来计算管片衬砌内力，最终得到最为精确、可靠的结果，从而保障盾构隧道建设的安全与可靠。
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、匀质硕地层、中软下硬地层、中硕下软地层），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、多较环法及梁■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，并选取讣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。
本次硏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，分别釆用修正惯用法（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、匀质硕地层、中软下硬地层、中硕下软地层），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） O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，衬砌环山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。
