地铁盾构管片计算

步骤三中完成可选择拼装点位的选择性评价后，还需对当前环盾构管⽚拼装施⼯完成后的盾构机千⽄顶⾏程信息和盾尾间隙信息分别进⾏计算；当前环盾构管⽚拼装施⼯完成后的盾构机千⽄顶⾏程信息包括YGS、YGX、YGZ和YGY；其中，YGS为当前环盾构管⽚拼装施⼯完成后盾构机上部千⽄顶的⾏程，YGX为当前环盾构管⽚拼装施⼯完成后盾构机下部千⽄顶的⾏程，YGZ为当前环盾构管⽚拼装施⼯完成后盾构机左侧千⽄顶的⾏程，YGY为当前环盾构管⽚拼装施⼯完成后盾构机右侧千⽄顶的⾏程；当前环盾构管⽚拼装施⼯完成后的盾尾间隙信息包括DWS、DWX、DWZ和DWY；其中，DWS 为当前环盾构管⽚拼装施⼯完成后的上部盾尾间隙，DWX为当前环盾构管⽚拼装施⼯完成后的下部盾尾间隙，DWZ为当前环盾构管⽚拼装施⼯完成后的左侧盾尾间隙，DWY为当前环盾构管⽚拼装施⼯完成后的右侧盾尾间隙。

上述⼀种地铁盾构施⼯通⽤环管⽚拼装点位确定⽅法，其特征是：步骤⼆中三个所述选择影响指标中所述盾构机姿态的权重系数记作λZ，盾构机千⽄顶⾏程差的权重系数记作λQ，盾尾间隙的权重系数记作λD；其中，0＜λZ＜1，0＜λQ＜1，0＜λD＜1，λZ+λQ+λD＝1。

上述⼀种地铁盾构施⼯通⽤环管⽚拼装点位确定⽅法，其特征是：步骤⼆中三个所述选择影响指标的权重系数中数值最⼤的权重系数记作λM，λM＝0.4～0.6；三个所述选择影响指标的权重系数中数值最⼩的权重系数记作λm，λm＝0.1～0.3。

上述⼀种地铁盾构施⼯通⽤环管⽚拼装点位确定⽅法，其特征是：步骤⼆中对三个所述选择影响指标的权重系数进⾏确定时，先根据对当前环盾构管⽚所处隧道节段进⾏盾构掘进施⼯时的盾构掘进施⼯参数，并结合预先设定的设定参数，对三个所述选择影响指标的影响程度分别进⾏确定；影响程度最⼤的选择影响指标的权重系数＝λM，影响程度最⼩的选择影响指标的权重系数＝λm；所述设定参数包括盾构机姿态偏差阈值s、千⽄顶⾏程差阈值q和盾尾间隙允许值d；其中，s＞0，q＞0且d＞0。

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 0k δ2、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。

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，应采用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。

盾构施工中管片的简易选取原则广佛项目部 刘国栋在盾构施工中要精确的控制推进油缸行程，使主机最大限度的沿着设计轴线DTA 前进很重要的一个环节就是管片的选取与拼装。

管片按其形状可分为平行环（标准环）和楔形环（转弯环）两种。

标准环和转弯环按照不同的组合方式可以拟合出不同曲率半径的隧道。

在选取管片的过程中我们主要需要考虑三方面的因素。

一、盾尾间隙；二、推进油缸行程差；三、隧道趋势。

所以在选取管片的时候需要综合考虑，对于选取管片的一些参数我们要做到心中有数。

一、管片选取相关参数以及相互关系计算记u 为上一环管片拼装完成后的油缸行程差，D 为油缸安装直径，因为盾尾间隙的该变量△t 远小于管片的宽度b ，上一环管片拼装完成后的油缸行程差u 远小于油缸安装直径，所以可以得到如下等式：b t =Du →△t =b D u （1） 通过以上计算公式我们可以发现下一环的盾尾间隙的数值可以通过本环的管片拼装完成后的油缸行程差得出，在拼装本环管片时我们就可以通过计算得出本环拼装完成后的盾尾间隙以及本环拼装完成后的油缸行程差，进一步得出下一环的盾尾间隙对下一环的盾尾间隙进行判断，综合主机方向以及DTA ，确定是否需对主机趋势进行改变，以良好的拟合DTA ，同时又保证合理的盾尾间隙。

二、超前量对油缸行程差标准环与转弯环的不同之处在于从拼装好的一环管片顶部看标准环在平面上的投影为一矩形，而转弯环在平面上的投影为对称的梯形。

在管片安装时，如果正在安装的一环为转弯环，且转弯环的中K 块的位置处于隧道的正上方，这时管片腰部的两侧将产生衬砌长度的不同，这种长度的不同称为超前，它的数值称为超前量，超前量的大小因隧道设计曲线的要求而不尽相同。

对于有超前量的管片来说，它的安装点位对隧道设计曲线的拟合的质量好坏影响很大。

对应不同的点位转弯环对油缸行程差以及盾尾间隙的调节作用是不同的。

设每个管环的纵向螺栓孔有N 个，而且这些螺栓孔沿着管环圆周方向均匀分布，所以每两个相邻的螺栓孔之间与管环中心所形成的角度为360/N 。

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。

盾构超挖量计算公式及其影响因素分析盾构法施工在城市地铁、隧道等地下工程中得到了广泛应用。

在盾构掘进过程中，由于盾构机刀盘切削范围与盾构壳体扫掠范围之间的差异，会产生一定的超挖量。

超挖量的大小不仅影响工程成本，还与隧道稳定性和安全性密切相关。

因此，准确计算盾构超挖量对于指导盾构施工、优化设计方案具有重要意义。

一、盾构超挖量计算公式盾构超挖量主要由盾构机刀盘切削范围与盾构壳体扫掠范围之间的差异产生。

一种常见的盾构超挖量计算公式为：超挖量= 盾构机刀盘切削范围的半径（r1）-盾构机壳体的扫掠范围的半径（r2）在实际应用中，为了更精确地计算盾构超挖量，还可以采用以下公式：超挖量= 盾构沿曲线推进时的开挖量（V_Q）-盾构沿直线推进时的开挖量（V_z）对于盾构曲线掘进引起的土体损失，可以采用几何学有关理论进行分析。

将每环管片分为n 小段进行推进，其中一环的推进长度为l，则每小段的土层损失为：V_i = L_s ×tan(l_i / R) ×D_s ×l_i式中：V_i为每小段超挖土体的体积；L_s为盾构长度；D_s为盾构机直径；l_i为第i小段的长度；R为隧道平曲线或纵曲线半径。

二、影响盾构超挖量的因素1. 土壤结构和力学性能：土壤的力学性质和结构会影响盾构机的掘进速度和切削效果，从而影响超挖量。

例如，软黏土会降低盾构机的掘进速度，增加切削阻力，导致超挖量增加；而岩石则会提高盾构机的掘进速度，减小切削阻力，降低超挖量。

2. 盾构机设计参数：盾构机的设计参数如功率、切削头形状和数量等也会影响掘进速度和切削效果。

功率越大、切削头越锋利，掘进速度越快，超挖量相对减小。

3. 施工条件：盾构机的掘进速度受到现场施工条件的限制，如顶土高度、地下水位等。

这些条件会影响土壤的稳定性和流动性，从而影响盾构机的掘进效果和超挖量。

4. 盾构机操作水平：盾构机操作人员的技能水平和经验对超挖量也有一定影响。

盾构隧道管片详细设计研究盾构隧道管片详细设计研究盾构隧道管片详细设计研究摘要：盾构隧道管片的详细设计国内目前尚无规范可遵循，然而，此项工作却是盾构隧道结构设计中极为关键的一环,其设计是否合理，直接关系到工程的安全、造价及使用。

通过对国内轨道交通工程常用盾构管片细部尺寸的研究及归纳，本文详细论述了各尺寸的设计方法及注意事项，包括结构形式、分块方案、拼装方式、连接形式、接缝设计、手孔设计等内容。

关键词：盾构隧道；管片结构；分块方案；接缝；螺栓；中图分类号：U452.1+3 文献标识码：A文章编号：、概述盾构法施工的隧道在我国地铁、铁路、公路、水利等行业应用的越来越广泛，并取得了良好的经济和社会效益。

但是关于盾构隧道管片的详细设计国内目前尚无规范可遵循，很多设计单位是根据设备厂商所提供的方法进行设计,更多的则是采用模仿。

然而，此项工作却是盾构隧道结构设计中极为关键的一环,其设计是否合理，直接关系到工程的安全、造价及使用,因此，很有必要对盾构管片详细设计进行研究及归纳。

、盾构管片详细设计的内容盾构管片详细设计包括的主要内容有如下几方面：确定隧道内部尺寸、管片结构形式、管片厚度、宽度、分块方案、拼装方式、楔形量、连接方式、防水设计、管片接缝张开量、榫槽的设置、管片螺栓设计、管片手孔设计等。

上述项目基本涵盖了盾构管片详细设计的内容，既以上项目确定后，管片的设计工作也就完成了。

、盾构管片详细设计的主要内容盾构隧道内轮廓对于地铁隧道，由建筑限界和车辆限界决定；对于铁路隧道，出了考虑建筑限界外，还要考虑空气动力学、救援通道、各种附属设施等；对于公路隧道，由车流量和车道数目决定。

另外盾构隧道内径空的确定，还需要考虑施工误差、测量误差、设计拟合误差、不均匀沉降等因素。

目前国内地铁大部分均采用A1型车辆，对应的盾构隧道建筑限界为5200mm[1]。

施工误差、测量误差、设计拟合误差一般考虑50～100mm,不均匀沉降一般考虑50mm，因此地铁盾构隧道内径一般为5400mm，如北京地铁、广州地铁、西安地铁、成都地铁等；也有采用直径为5500mm的情况，如上海地铁、宁波地铁、天津地铁等。

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。

管片楔形量、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，楔形量厶=38m m，楔形角B =°。

楔形量与转弯半径关系（如图）的计算公式如下：根据圆心角的计算公式：X = 180L/ n R 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，180X (1500-△/2)/[ nX (R-3000)]=180X (1500+A /2)/[ nX (R+3000)]简化得楔形量与转弯半径关系公式：(1500-A /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 。

曲线中心图楔形量与转弯半径关系图本工程盾构区间环宽1200mm的管片为满足曲线模拟和施工纠偏的需要，设计了左、右转弯楔形环，通过与标准环的各种组合来拟合不同的曲线。

行文区间左线管片选型一、曲线半径使用管片计算1。

转弯环偏角计算（左转）θ＝2×arctg（δ/D）＝2×arctg（18。

1/6000）＝0.3457°缓和曲线偏角β1＝45/（2＊1000)*180/3.14＝1。

2898°β2＝45/(2*1000）＊180/3.14＝1。

2898°圆曲线偏角α0＝αA－（β1＋β2）＝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＝β1/θ+β2/θ＝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＝（l1＋l2)／1。

5－N1 ＝（45＋45)／1.5－8＝60—8=52环圆曲线中转弯环的数量N2＝α0/θ＝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）θ＝2×arctg(δ/D) ＝2×arctg（18.1/6000）＝0.3457°缓和曲线偏角β1＝45/(2＊1000)＊180/3.14＝1。

2898°β2＝45/（2＊1000)＊180/3.14＝1。

2898°圆曲线偏角α0＝αA－（β1＋β2)＝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＝β1/θ+β2/θ＝1.2898°／0.3457°＝3。

7环≈4环右转缓和曲线中标准环的数量M1＝l1／1。

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 n =0.8，弯矩增大系数E =0.3。

计算 简图如下图所示。

使用ANSYS?序软件进行结构计算。

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/m 计；有列车通过地段按40KN/m 计。

3） 附加荷载：施工荷载一一盾构千斤顶推力，不均匀注浆压力，相邻隧道施工影 响等。

4） 特殊荷载：地震力一一按抗震基本烈度为7度计算，人防荷载按六级人防计算, 按水平弹性抗力地面超载自重J水平弹性抗力侧向水土压力I 1 1 ] i 1 1】1 1 I ]基底竖向反力修正惯用设计法计算模型计算模型节点划分动载化为静载计算。

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/m）: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：<b-2>隧道横断面与地层关系2、列车通过地段：地面超载40KN/m，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。