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盾构管片衬砌结构设计计算《地下铁道》7.5 盾构管片衬砌结构设计计算隧道与地下工程系7.5 盾构管片衬砌结构设计计算1.设计原则盾构法隧道宜采用荷载结构模型和地层结构模型进行结构计算，前者用于常规设计，后者用于特殊设计。
◆管片设计时可将其视为单独承受弯矩、轴力及剪力的线性梁来处理。
◆按相对于横断面方向的设计来决定管片的断面，根据地震及地基沉降的影响等来研究隧道纵断面结构的合理性。
1.设计原则◆荷载模式：浅埋与深埋、水土合算和分算。
◆结构模型：(1) 均质(等刚度)圆环模型在饱和含水软土地层中，主要由于工程上的防水要求，对由装配式衬砌组成的衬砌圆环，其接缝必须具有一定的刚度，以减小接缝变形量。
由于相邻环间接错缝拼装，并设置一定数量的纵向螺栓或在环缝上设有凹凸榫槽，使纵缝刚度有了一定的提高。
因此，圆环可近似地认为是一均质等刚度圆环。
1.设计原则◆结构模型：(2) 多铰圆环结构模型该原理在于圆环多铰衬砌环在主和被动土压作用下产生变形，圆环由一不稳定结构逐渐转变成稳定结构，圆环变形过程中，铰不发生突变。
计算假定：1)适用于圆形结构。
2)衬砌环在转动时，管片或砌块视作刚体处理。
3)衬砌环外围土抗力按均匀分布，土抗力的计算满足对砌环稳定性的要求，土抗力作用方向全部朝向圆心。
4)计算中不计及圆环与土壤介质间的摩擦力。
5)土抗力和变形间关系按温克尔公式计算。
1.设计原则◆结构模型：在不稳定地层中，多铰圆环结构(铰的数量大于3个)处于结构不稳定状态，当圆环外围土层给圆环结构提供了附加约束，使得随着多铰圆环的变形而提供了相应的地层抗力，于是多铰圆环就处于稳定状态。
在稳定地层中，衬砌环按多铰圆环计算是十分经济合理的。
对圆环变形量要有一定的限制，并对施工要求提出必要的技术措施。
2.管片内力计算(1)均质圆环模型◆按普通圆形结构计算，不同的是因为衬砌圆环是由数块管片拼装而成的，它的刚度不如整体浇筑的圆环，应予以折减。
◆钢筋混凝土管片为0.7，复合管片为0.8，铸铁管片的刚度折减率可取为0.9。
盾构管片选型和安装林建平在盾构法施工中，管片的选型和安装好坏直接影响着隧道的质量和使用寿命。
本文根据广州地铁三号线客～大区间的实际施工情况，就盾构管片选型和安装技术做总结分析。
一、工程概况客～大盾构区间分为两条平行的分离式单线圆形盾构隧道，总长度为3016.933米，管片生产与安装2011环。
管片外径6000mm，内径5400mm，宽度1500mm，防渗等级S10，砼C50。
依据配筋将管片分为A、B、C三类，C类配筋最高、B类配筋最低；管片的楔形量38mm，分左转、右转、标准三类。
二、管片的特征1、管片的拼装点位本区间的管片拼装分10个点位，和钟表的点位相近，分别是1、2、3、4、5、7、8、9、10、11。
管片划分点位的依据有两个：管片的分块形式和螺栓孔的布置。
拼环时点位尽量要求ABA（1点、11点）形式。
在广州盾构隧道管片要求错缝拼装，相邻两环管片不能通缝。
管片拼装点位有很强的规律，管片的点位可划分为两类，一类为1点、3点、5点、8点、10点；二类为11点、2点、4点、7点、9点。
同一类管片不能相连，例如1点后不能跟3、5、8、10这四个点位，只能跟11、2、4、7、9五个点位。
在成型隧道里两联络通道之间的奇数管片是同一类，偶数管片是同一类。
（竖列表示拼装好的管片，横向：√-表示可选后续的管片；×-表示不可选后续的管片）2、隧道管片排序鉴于管片拼装的规律性，所以盾构施工前必须对隧道管片做好排序，并根据设计，模拟出联络通道和泵房位置，管片拼到联络通道处时，点位要正好和设计点位符合，否则联络通道位置会被改变。
在本工程中，是从左线始发，第325、326环处是联络通道，此处拼装点位是11点，将标准块A3块拼到洞门位置。
盾构始发时的负环是6环，1环零环。
从负环到325环共332环，第325环是11点，相当于第332环是11点，那么负环第一环点位应该是1点，或3点、5点、8点、10点。
管片排序时，要优化洞门的长度，在广州洞门长度要求在400mm以上，一环管片的长度是1500mm，在条件允许的条件下，通过调整始发负环的位置，把每节隧道两端的洞门长度之和控制在1500mm以内，当隧道长度除以管片长度的余数大于两倍最小洞门宽度800mm（各地洞门的最小宽度要求不同）时，就取余数的一半为洞门长度。
362楔形量计算法盾构管片选型楔形量计算法作为盾构管片选型的一种方法，是一种相对简单而有效的方法。
在盾构施工中，楔形量是指盾构管片在施工过程中对地层的扰动程度，它与盾构施工的顺利进行和管片的选型有着密切的关联。
通过计算楔形量，可以选择适合施工地层条件的管片类型，从而保证盾构施工的质量和安全。
楔形量的计算方法主要包括体积法和位移法两种。
下面将分别介绍这两种方法的计算原理和步骤。
1.体积法：体积法是通过计算管片中位于土体中的楔形体积来确定楔形量的大小。
计算的步骤如下：(1)将土体按照盾构施工的步骤划分为一系列薄片，计算每个薄片的楔形体积。
(2)将每个薄片的楔形体积相加，得到总体的楔形体积。
(3)根据管片类型和楔形体积，选择合适的管片类型。
2.位移法：位移法是通过计算盾构推进时地层位移的大小来确定楔形量的大小。
计算的步骤如下：(1)分析盾构推进过程中地层的位移规律。
(2)根据地层位移与盾构推进距离的关系，计算出盾构推进过程中地层的总位移。
(3)根据总位移和管片类型，确定合适的管片类型。
在进行楔形量计算时，需要考虑以下因素：1.地层性质：地层的力学性质和稳定性是选择管片类型的重要依据。
常见的地层类型包括软土、弱固结土、黏性土等，每种地层类型对盾构推进的影响是不同的。
2.盾构机参数：盾构机的推进力、盾构机的外径等参数也会对楔形量的计算结果产生影响。
因此，在进行计算时需要准确测量和掌握这些参数。
3.管片类型：不同类型的管片具有不同的楔形体积和位移特征。
因此，选择合适的管片类型也是确定楔形量的重要因素。
通过楔形量的计算，可以根据施工地层的情况选择合适的管片类型。
合理选择管片类型可以保证盾构施工的安全和质量，提高施工效率。
同时，楔形量的计算方法也可以作为盾构施工设计和监测的参考依据，为工程的顺利进行提供支持。
地铁盾构管片计算模式的分析摘要：以北京地铁15号线某盾构区间为例，通过运用目前国内外地铁盾构区间管片设计中常用的匀质圆环模型、等效刚度圆环模型、自由铰圆环模型、弹性铰圆环模型等计算模式，来进行盾构管片的内力分析，得到以下结论：（1）匀质圆环模型计算结果受整体折减系数影响较大，其计算结果偏保守；（2）自由铰圆环模型不适宜在北京地区应用；（3）弹性铰圆环模型计算结果受弹簧转动刚度影响较大，其值应根据试验结果与工程类比法得到。
关键词：盾构区间；管片设计；计算分析Abstract: Beijing metro line no. 15 a shield interval as an example, through the utilization at home and abroad and the subway shield tunnel in common use in the design of interval and ring model, equivalent stiffness of ring model, free hinge circle model, elastic hinge circle model calculation mode, to force analysis of shield lining segments, get the following conclusions: (1) of the model result and ring reduction by overall influence coefficient is bigger, the calculating result partial conservative. (2) free hinge circle model is not suitable for application in Beijing area; (3) the elastic hinge the model result by spring ring rotary stiffness influence is bigger, its value should be based on the test results and the engineering analogy method to get.Key Words: shield interval; segment design; calculation and analysis0 引言近年来，由于城市交通问题日益严重，全国各地许多城市都修建地铁来改善交通问题。
文章编号:10012831X(2003)0420352205几种盾构隧道管片设计方法的比较Ξ朱 伟,胡如军,钟小春(河海大学岩土工程研究所,江苏 南京 210098)摘 要:针对盾构隧道管片设计中各种方法的适用性问题,本文使用国内外常见的四种管片设计方法,以深圳地铁的盾构隧道为基本对象,对几种设计方法进行了比较研究,提出了设计方法选择时的注意事项和使用原则。
关键词:盾构隧道;衬砌管片;设计方法;适用性;深圳地铁中图分类号:U452+.4 文献标识码:A1 引言我国近几年在若干大城市开始了大规模的地下铁路建设工作。
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,最近北京、广州、南京、深圳等地都在地铁施工中开始使用盾构技术,也可以说盾构技术是一个正在兴起的新技术。
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,而本文主要是针对设计上的问题进行了一些比较研究。
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。
无论在结构模型或荷载设定上还未形成系统的理论和方法。
因此对于设计结果的安全性、经济性只能通过经验进行判断。
为了明确国际上常用设计方法之间的关系和对于地层的适用性,对常见的四种设计方法进行了计算对比,主要目的是明确以下三个问题:(1)各种设计计算方法将怎样影响设计结果?(2)对设计设计结果的影响大小、影响范围如何?(3)选取设计计算方法时应注意什么,方法选取的原则?2 国内外常见的四种设计计算方法2.1 四种设计计算方法的结构模型第一种方法是将管片环作为刚度均匀的环来考虑的设计计算法,此方法不考虑管片接头部分的弯曲刚度下降,管片环和管片主截面具有同样刚度、并且弯曲刚度均匀的方法(以下称为惯用法),图1 各种计算方法所采用的管片环的结构特征如图1(a)所示。
盾构选型及参数计算方法1.1、序言盾构是一种专门用于隧道工程的大型高科技综合施工设备，它具有一个可以移动的钢结构外壳（盾壳），盾构内装有开挖、排土、拼装和推进等机械装置，进行土层开挖、碴土排运、衬砌拼装和盾构推进等系列操作，使隧道结构施工一次完成。
它具有开挖快、优质、安全、经济、有利于环境保护和降低劳动强度的优点，从松散软土、淤泥到硬岩都可应用，在相同条件下，其掘进速度为常规钻爆法的4～10倍。
较长地下工程的工期对经济效益和生态环境等方面有着重大影响，而且隧道工程掘进工作面又常常受到很多限制，面对进度、安全、环保、效益等这些问题，使用盾构机无疑是最好的选择。
些外，对修建穿越江、湖、海底和沼泽地域隧道，采用盾构法施工，也具有十分明显的技术和经济优势。
采用盾构法施工，盾构的选型及配置是隧道施工中关键环节之一，盾构选型应根据工程地质水文情况、工期、经济性、环境保护、安全等综合考虑。
盾构的选型及配置是一种综合性技术，涉及地质、工程、机械、电气及控制等方面。
1.2盾构机选型主要原则1.2.1盾构的选型依据盾构选型主要应考虑以下几个因素：1）工程地质、水文条件及施工场地大小。
2）业主招标文件中的要求。
3）管片设计尺寸与分块角度。
4）盾构的先进性、适应性与经济性。
5）盾构机厂家的信誉与业绩。
6）盾构机能否按期到达现场。
1.2.2 盾构的型式1）敞开式型盾构敞开式型盾构是指盾构内施工人员可以直接和开挖面土层接触，对开挖面工况进行观察，直接排除开挖面发生的故障。
这种盾构适用于能自立和较稳定的土层施工，对不稳定的土层一般要辅以气压或降水，使土层保持稳定，以防止开挖面坍塌。
有人工开挖盾构、半机械开挖盾构、机械开挖盾构。
2）部分敞开式型盾构部分敞开式型盾构是在盾构切口环在正面安装挤压胸板或网格切削装置，支护开挖面土层，即形成挤压盾构或网格盾构，施工人员可以直接观察开挖面土层工况，开挖土体通过网格孔或挤压胸板闸门进入盾构。
盾构管片计算模型的选择
1 前言
随着我国地铁建设的蓬勃兴起，盾构法作为一种暗挖隧道的施工方法，以其地层适应性强、施工速度快、施工质量有保证、对周边环境干扰少等优点而得到了越来越广泛的应用。
从目前国内地铁区间隧道施工工法发展趋势来看，随着盾构法隧道延米造价的降低，其大有取代矿山法之势。
作为盾构法隧道的衬砌——盾构管片，其厚度、含钢量、混凝土强度等设计的合理与否，对整个盾构隧道工程造价影响甚大，而其合理性与管片采用的计算模型息息相关。
2 计算模型
目前国内地铁盾构隧道衬砌均采用预制钢筋混凝土管片拼装而成，管片环普遍采用“3+2+1”的分块模式，即3块标准块+2块邻接块+1块封顶块，如图1所示。
管片块与块、环与环之间采用高强螺栓连接，同时为了增加空间刚度，减少管片变形量，管片环与环之间一般采用错缝进行拼装。
根据管片的构造特点，由于管片接头的存在，管片环的整体刚度被削弱，因此如何客观地评价管片接头的影响是各计算模型的关键。
针对管片接头处理方法的不同，管片计算模型主要有均质圆环模型、等效刚度圆环模型、自由铰圆环模型、弹性铰圆环模型四种。
图1：管片分块模式
2.1 均质圆环模型（惯用计算法）
该模型不考虑管片接头的影响，假定管片环为自由变形的弹性均质圆环，其接头具有和管片主截面同等刚度EI，如图2所示。
图2：均质圆环模型
2.2 等效刚度圆环模型（修正惯用计算法）
该模型考虑管片接头的存在使得管片环整体刚度的平均降低，折减系数为η（η≤1），即管片环是具有等效刚度ηEI，如图3所示。
进一步考虑到管片错缝拼装的影响，在根据等效刚度为ηEI的圆环计算得到内力基础上，将弯矩考虑一个增大系数ξ（ξ≤1），则管片主截面的弯矩为（1+ξ）M，管片接头弯矩为（1-ξ）M。
根据国内外大量地面管片错接头荷载试验结果，参数η大致取值为0.6~0.8，ξ大致取值为0.2~0.3。
此模型若取η=1，ξ=0则成为均质圆环模型。
因此该模型实际上是对均质圆环模型的修正。
图3：等效刚度圆环模型
2.3 自由铰圆环模型
该模型认为管片间接头不能传递弯矩，是一个可自由转动的铰，其弯曲刚度为0，管片环的块与块之间通过自由铰接而连成一个多铰圆环，如图4所示。
管片环本身是一非静定结构，在地层抗力作用下而成为静定结构。
为了易使管片环发生变形而获得良好的地层抗力，
该模型管片环间多数采用通缝拼装，有时为了使管片接头与理论假定
更加一致，在地层稳定后将管片接头螺栓拆除而使管片接头能自由转动。
图4：自由铰圆环模型
2.4 弹性铰圆环模型
由于管片接头采用高强螺栓连接，在外力作用下能传递一定的弯矩，故该模型认为管片接头是具有一定弯曲刚度的弹性铰，其承担的弯矩与其刚度成正比。
计算中通常将弹性铰用旋转弹簧模拟，同时考虑到错缝拼装的影响，管片环间剪切刚度用剪切弹簧模拟，如图5所
示。
对如何确定旋转弹簧的转动刚度K
θ是该模型的关键点，其大小直接影响管片的内力。
参照国内外有关试验研究结果, 其值通常为1 0000－100000kN•m/rad，在管片内侧受拉时约为50000kN•m／rad，在管片外侧受拉时约为30000kN•m／rad。
此模型若将旋转弹簧和剪切弹簧刚度同时取为0则成为自由铰圆环模型；若将旋转弹簧刚度取为无穷大，剪切弹簧刚度取为0则成为均质圆环模型。
所以该模型实际上包含了前述两种模型。
图5：弹性铰圆环模型
3 工程实例
3.1 工程概况
广州地铁三号线客村站至大塘站区间采用盾构法施工，盾构管片内径5400mm，外径6000mm，厚300mm，采用上述“3+2+1”分块模式。
管片环向采用12根M24高强螺栓，纵向采用10根M24高强螺栓连接，管片环与环之间错缝拼装，封顶块位于偏离正上方±18°位置。
本区间隧道主要在白垩系红层强风化岩层<7>、中风化岩层<8>及第四系残积土层<5-2>中通过，根据沿线隧道埋深、工程及水文地质条件，本次选取3个典型断面进行计算，各计算断面的计算条件汇总见下表1：
3.2 荷载模式
地铁盾构管片通常采用荷载——结构法进行计算，作用于盾构管片上的荷载主要有地面超载、管片自重、土压力、水压力、地层抗力等，其计算原则如下：
1）地面超载
地面超载一般按20Kpa考虑。
2）管片自重
钢筋混凝土管片重度取25KN/m3。
3）土压力
对于深埋隧道首先按太沙基卸拱理论计算上覆地层压力，当上覆地层压力值小于2D（D为隧道外径）隧道高度的上覆地层自重时，取2D范围内上覆地层自重作用在隧道上进行计算分析；对于浅埋隧道则将上覆地层自重完全作用在隧道上进行计算分析，即计算中竖向地
层压力按全部地层压力计算。
对于侧向土压力则将上覆地层压力值与侧向土压力系数相乘得到。
4）水压力
在确定水压力时，水压均按静水压力考虑，对于砂性土采用水土分算，对于粘性土采用水土合算。
5）地层抗力
对于均质圆环模型和等效刚度圆环模型仅考虑水平方向地层抗力，布置于自环顶向左右45°~135°范围，呈三角形分布，水平直径处最大。
对于自由铰圆环模型和弹性铰圆环模型则通过设置在衬砌全环只能受压的径向弹簧单元和切向弹簧单元来体现，这些单元受拉时将自动脱离，弹簧单元的刚度由衬砌周围地层的基床反力系数决定。
根据上述原则求得各计算模型的荷载布置模式如图6、图7所示。
图6 ：均质圆环模型和等效刚度圆环模型
荷载模式
图7 ：自由铰圆环模型和弹性铰圆环模型
荷载模式
3.3 计算结果及分析
在上述荷载作用下，各断面所得最大弯矩、轴力及其位置如表2所示，从表2中的计算结果分析可知：
1）相同条件下各计算模型所得最大轴力相近，并均出现在拱腰处。
2）在相同条件下均质圆环模型和等效刚度圆环模型计算所得最大弯矩相近，且均大于自由铰圆环模型和弹性铰圆环模型，除自由铰圆环模型最大弯矩位置不定外，其余计算模型的最大弯矩位置均出现在拱
顶处。
3）对于处于强、中风化岩层中管片衬砌，由于地层能提供良好的地基抗力，各计算模型所得最大弯矩均远小于土层中管片衬砌。
4）自由铰圆环模型在各种地层中计算弯矩均为最小，其最大弯矩出现位置随地层抗力大小而变化。
在<5-2>土层中由于地基抗力小，计算中所得管片环变形大大超过了允许值。
4 结论
各种计算模型通过结合工程实例进行分析比较可得以下结论：1）各种计算模型的本质区别在于管片接头弯曲刚度的处理不同，其对管片轴力影响很小，对管片弯矩影响甚大，设计中管片计算模型的选择应综合考虑管片构造特点、周围地层特性等来确定。
2）均质圆环模型是一种传统的计算模型，由于没有考虑管片接头的存在，显然是很不合理的，按该模型进行计算，结构偏于安全，但不经济，不建议采纳。
3）等效刚度圆环模型是对均质圆环模型的修正，但过于笼统，管片接头位置及受力不明确，同时参数η、ξ取值很难评判，计算结果随意性较大，建议该模型用于校核计算。
4）自由铰圆环模型考虑了管片接头位置，但没有考虑接头弯曲刚度。
该模型是建立在地层能提供良好抗力的前提下，对于岩层中的盾构隧道最为适用，利用该模型进行计算，管片环上的外力在岩层良好抗力作用下几乎全部转化为管片轴力，弯矩接近为0，管片按构造配筋即
可。
因此，在岩层中的盾构隧道按该模型进行设计最经济。
5）弹性铰圆环模型同时考虑了管片接头刚度、接头位置及错缝拼装效应，是一种较为合理的计算模型，在各种地层中均能得到较为理想的计算结果，建议优先选择。
参考文献
[1] 刘建航，候学渊编著.盾构法隧道.北京：中国铁道出版社，1991
[2] 朱伟译.隧道标准规范（盾构篇）及解说.北京：中国建筑工业出版社，2001
[3] 同济曙光岩土及地下工程设计与施工分析软件理论说明，2001。
