幾種盾構(gòu)隧道管片設(shè)計(jì)方法的比較_圖文

1、文章編號:10012831X(20030420352205幾種盾構(gòu)隧道管片設(shè)計(jì)方法的比較朱偉,胡如軍,鐘小春(河海大學(xué)巖土工程研究所,江蘇南京210098摘要:針對盾構(gòu)隧道管片設(shè)計(jì)中各種方法的適用性問題,本文使用國內(nèi)外常見的四種管片設(shè)計(jì)方法,以深圳地鐵的盾構(gòu)隧道為基本對象,對幾種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了比較研究,提出了設(shè)計(jì)方法選擇時(shí)的注意事項(xiàng)和使用原則。關(guān)鍵詞:盾構(gòu)隧道;襯砌管片;設(shè)計(jì)方法;適用性;深圳地鐵中圖分類號:U452+.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A1引言我國近幾年在若干大城市開始了大規(guī)模的地下鐵路建設(shè)工作。由于盾構(gòu)隧道施工技術(shù)可以最大限度地減少對城市其他設(shè)施的影響,所以正逐漸成為地鐵隧道施工的主流技術(shù)。在

2、我國,上海是較早使用盾構(gòu)隧道施工技術(shù)的城市,最近北京、廣州、南京、深圳等地都在地鐵施工中開始使用盾構(gòu)技術(shù),也可以說盾構(gòu)技術(shù)是一個(gè)正在興起的新技術(shù)。對于這一新技術(shù)的應(yīng)用,存在著機(jī)械、設(shè)計(jì)、施工等多方面的問題,而本文主要是針對設(shè)計(jì)上的問題進(jìn)行了一些比較研究。關(guān)于盾構(gòu)隧道管片設(shè)計(jì)方法,由于國內(nèi)尚無統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范,很多設(shè)計(jì)施工單位根據(jù)機(jī)械制造商(國外廠商所提供的方法進(jìn)行設(shè)計(jì),有的情況下是憑借上海等地鐵盾構(gòu)隧道實(shí)例進(jìn)行模仿設(shè)計(jì)。無論在結(jié)構(gòu)模型或荷載設(shè)定上還未形成系統(tǒng)的理論和方法。因此對于設(shè)計(jì)結(jié)果的安全性、經(jīng)濟(jì)性只能通過經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷。為了明確國際上常用設(shè)計(jì)方法之間的關(guān)系和對于地層的適用性,對常見的四種設(shè)計(jì)

3、方法進(jìn)行了計(jì)算對比,主要目的是明確以下三個(gè)問題:(1各種設(shè)計(jì)計(jì)算方法將怎樣影響設(shè)計(jì)結(jié)果?(2對設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)結(jié)果的影響大小、影響范圍如何?(3選取設(shè)計(jì)計(jì)算方法時(shí)應(yīng)注意什么,方法選取的原則?2國內(nèi)外常見的四種設(shè)計(jì)計(jì)算方法2.1四種設(shè)計(jì)計(jì)算方法的結(jié)構(gòu)模型第一種方法是將管片環(huán)作為剛度均勻的環(huán)來考慮的設(shè)計(jì)計(jì)算法,此方法不考慮管片接頭部分的彎曲剛度下降,管片環(huán)和管片主截面具有同樣剛度、并且彎曲剛度均勻的方法(以下稱為慣用法 ,圖1各種計(jì)算方法所采用的管片環(huán)的結(jié)構(gòu)特征如圖1(a所示。第二種方法也是將管片環(huán)考慮為彎曲剛度均勻的環(huán),但考慮了管片接頭部分的彎曲剛度下降和環(huán)向螺栓處的彎矩上升1(以下稱為修正慣用法,如圖

4、1(a所示。第三種方法是將管片接頭作為鉸結(jié)構(gòu)來考慮,地基與管片環(huán)之間的相互第23卷第4期2003年12月地下空間UNDERG ROUND SPACEV ol.23N o.4Dec.2003收稿日期:2003204217作者簡介:朱偉(19622,男,甘肅人,工學(xué)博士,教授,博導(dǎo),主要從事盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)、施工等方面的研究。作用用地基彈簧來表示的設(shè)計(jì)計(jì)算法(以下稱為多鉸環(huán)法,如圖1(b 所示。第四種方法是將管片主截面模擬成梁、將管片環(huán)向接頭模擬成旋轉(zhuǎn)彈簧、將環(huán)徑向接頭模擬成剪切彈簧,將地基與管片環(huán)之間的相互作用用地基彈簧來表示,是一個(gè)較為接近實(shí)際情況的設(shè)計(jì)計(jì)算方法2(以下稱為梁一彈簧法,如圖1(c

5、所示。四種結(jié)構(gòu)模型的比較見表1。四種結(jié)構(gòu)模型的比較表1方法環(huán)向接頭徑向接頭慣用法不考慮不考慮修正慣用法剛度降低彎矩增減多鉸環(huán)法鉸環(huán)向接頭梁-彈簧法旋轉(zhuǎn)彈簧 剪切彈簧圖2各種方法的荷載系統(tǒng)四種管片設(shè)計(jì)方法的地基抗力的比較表2方法受力特性慣用法自環(huán)頂部向左右45°135°分布的均布(三角形荷載修正慣用法自環(huán)頂部向左右45°135°分布的均布(三角形荷載多鉸環(huán)法地層抗力全部轉(zhuǎn)換成地基彈簧梁2彈簧法地層抗力大部分轉(zhuǎn)換成地基彈簧2.2四種設(shè)計(jì)計(jì)算方法的荷載系統(tǒng)四種設(shè)計(jì)計(jì)算方法的荷載系統(tǒng)如圖2所示。不管是那一種方法,在自重、上覆荷載、垂直土壓力、水平土壓力及上部垂直

6、荷載抗力的設(shè)定是基本一致的。主要的區(qū)別在于水平地基抗力的設(shè)定方法上,如表2所示,慣用法和修正慣用法是將水平地基抗力作為一個(gè)三角形均布荷載來考慮,而多鉸環(huán)法及梁2彈簧法是通過地基彈簧來考慮的。另外,在水壓力的作用方式上,慣用法與修正慣用法是將隧道頂部計(jì)算水壓力作為垂直水壓力和水平水壓力,不考慮水壓力在隧道高度上的變化。而多鉸環(huán)法、梁2彈簧法考慮水平水壓力在隧道高度上的增加,水壓力作用的方向指向管片形心。2.3設(shè)計(jì)計(jì)算的實(shí)施根據(jù)以上理論編制了4種設(shè)計(jì)計(jì)算方法計(jì)算程序。計(jì)算中的一些取值原則參考了日本土木學(xué)會盾構(gòu)規(guī)范1和日本鐵道技術(shù)綜合研究所盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)規(guī)范2。3基本計(jì)算條件3.1設(shè)計(jì)計(jì)算的基本圍巖條

7、件為了比較四種設(shè)計(jì)計(jì)算方法所產(chǎn)生的差異,本文以深圳地鐵盾構(gòu)隧道工程的地質(zhì)條件和襯砌管片為基本條件進(jìn)行了計(jì)算比較。深圳地鐵隧道主要埋置于第四系全新統(tǒng)海相沖積的淤泥、粉質(zhì)粘土層;第四系中更新統(tǒng)殘積的礫質(zhì)、砂質(zhì)粘土層以及燕山期花崗巖的風(fēng)化土層內(nèi)。在此選擇了四種工3532003年第4期朱偉等:幾種盾構(gòu)隧道管片設(shè)計(jì)方法的比較研究況進(jìn)行了比較計(jì)算:C ASE -1淺埋工況、C ASE -2深埋工況、C ASE -3埋置于礫質(zhì)粘土層的工況和C ASE -4埋置于風(fēng)化花崗巖的工況,各工況的基本條件如圖3所示 。圖3比較計(jì)算使用的四種工況管片環(huán)結(jié)構(gòu)的計(jì)算取值表3計(jì)算方法管片螺栓徑向剪切模量軸向剪切模量正彎矩模量

8、負(fù)彎矩模量E N/mm2EI (m 4塊間螺栓環(huán)間螺栓慣用法3450000117010027與管片同剛度不考慮修正慣用法345000117010027剛度折減系數(shù)=0.5彎矩分配系數(shù)=0.3多鉸環(huán)法345000117010027鉸不考慮梁2彈簧法345000117010027(kN m 235100(kN m 1608000(kNm rad 250000(kNm rad 150000P 0為上覆荷載,H w 為地下水位,H 為隧道上部埋深,為土的天然容重,c 為土的粘聚力,為土的內(nèi)摩擦角,D 0為盾構(gòu)管片環(huán)的外徑。另外,:側(cè)壓力系數(shù),k :地基抗力系數(shù),均是以土的強(qiáng)度參數(shù)為依據(jù),根據(jù)文獻(xiàn)1的經(jīng)

9、驗(yàn)值查表而得。3.2設(shè)計(jì)計(jì)算的基本結(jié)構(gòu)條件深圳地鐵的管片的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖4。管片環(huán)內(nèi)徑為5.2m ,使用C50鋼筋混凝土管片,分塊與地鐵隧道中的常用方法相同,采用的6塊分割,小封頂。管片間連接螺栓和環(huán)間連接螺栓均采用M27鋼弧形螺栓連接。各種方法在計(jì)算時(shí)的參數(shù)取值(表3根據(jù)國內(nèi)一些設(shè)計(jì)實(shí)例的取值,參照日本鐵道盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中的經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定。4計(jì)算結(jié)果的比較4.1結(jié)構(gòu)內(nèi)力的結(jié)果比較使用4種設(shè)計(jì)計(jì)算方法,對4 種工況進(jìn)行了計(jì)圖4管片環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖算,得到了管片的內(nèi)力(軸力、剪力、彎矩。將管片環(huán)中軸力的最大值取出,對4種計(jì)算方法所得到的軸力進(jìn)行了比較。慣用法和修正慣用法的軸力基453地下空間第23卷

10、本相同,多鉸環(huán)法與梁-彈簧法的結(jié)果比較接近,而且多鉸環(huán)法與梁2彈簧法的計(jì)算軸力大約是慣用法和修正慣用法計(jì)算值的1.251.3倍,這種規(guī)律在4種工況中比較一致。由于慣用法和修正慣用法在計(jì)算時(shí)考慮的管片環(huán)剛度相對于多鉸環(huán)法、梁2彈簧法要大一些,經(jīng)受相同荷載時(shí)產(chǎn)生的軸力相對較小 。圖5淺埋、 深埋條件下計(jì)算彎矩的比較圖6 不同巖性條件下計(jì)算彎矩的比較圖7淺埋、深埋條件下計(jì)算變形的比較同樣將4種方法計(jì)算出的剪力進(jìn)行比較。結(jié)果,慣用法和修正慣用法的剪力比較接近,梁2彈簧法的剪力最大,多鉸環(huán)法次之, 慣用法和修正慣用圖8不同巖性條件下計(jì)算變形的比較法最小。梁2彈簧法多鉸環(huán)法慣用法和修正慣用法的比值大約為2

11、.21.51.0,這種趨勢在4種工況中也較為一致?？紤]到盾構(gòu)隧道在一般埋深下主要是一個(gè)彎矩卓越問題,也就是說影響設(shè)計(jì)配筋的因素主要是彎矩,所以主要對彎矩進(jìn)行比較。將C ASE -1和C ASE -2,也就是深埋和淺埋的計(jì)算最大彎矩在圖5中進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)無論使用那一種方法深埋和淺埋的差異都非常小。這是由于深埋計(jì)算時(shí),垂直土壓力按照松弛土壓力考慮后,實(shí)際作用荷載與淺埋比較接近的緣故。將C ASE -3和C ASE -4,也就是分別埋置于礫質(zhì)粘土層和風(fēng)化花崗巖層中的計(jì)算最大彎矩在圖6中進(jìn)行比較,強(qiáng)度參數(shù)較大時(shí)發(fā)生的彎矩較小。最重要的是各種方法計(jì)算的大小,這與設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性直接相關(guān)。無論是那一種

12、工況,修正慣用法和梁2彈簧法的計(jì)算彎矩較大,而且兩者較為接近,多鉸環(huán)法的計(jì)算彎矩最小,慣用法的計(jì)算彎矩居中。差異最大時(shí),修正慣用法的計(jì)算彎矩可以達(dá)到多鉸環(huán)的2倍左右。由于梁2彈簧法計(jì)算時(shí)考慮管片環(huán)中螺栓及管片環(huán)與環(huán)之間螺栓的作用,管片和螺栓之間存在的剛度差異,在受彎時(shí)管片需要承受的彎矩更大一些,所以計(jì)算彎矩比較大。而修正慣用法是在慣用法計(jì)算彎矩的基礎(chǔ)上,考慮螺栓的作用對彎矩考慮一個(gè)增加系數(shù),所以計(jì)算彎矩也比較大。而多鉸環(huán)法把接頭考慮為鉸接,整個(gè)管片環(huán)的剛度較小,所以計(jì)算彎矩偏小。4.2計(jì)算變形的結(jié)果比較對計(jì)算變形進(jìn)行整理,得到計(jì)算最大值的關(guān)系圖7和圖8,首先可以看到,不管那一種工況多鉸環(huán)的計(jì)算

13、變形是最大的,其他3種方法計(jì)算變形的差異不大。而圍巖的強(qiáng)度較小時(shí),各種方法的計(jì)算5532003年第4期朱偉等:幾種盾構(gòu)隧道管片設(shè)計(jì)方法的比較研究變形都會增加。從機(jī)理上講,計(jì)算時(shí)考慮的管片環(huán)剛度越低,計(jì)算出的變形越大。由于多鉸環(huán)的整體剛度最低,所計(jì)算出的變形也最大,可以達(dá)到其他方法的1.5-2.0倍。本次計(jì)算主要依據(jù)深圳地鐵的地質(zhì)條件進(jìn)行,深圳的礫質(zhì)粘土層或風(fēng)化花崗巖的強(qiáng)度較高,如果換成上海、南京等地的軟粘土圍巖的話,多鉸環(huán)法的計(jì)算變形會更大。4.3四種設(shè)計(jì)計(jì)算方法的適用性從四種設(shè)計(jì)計(jì)算方法的結(jié)果可以認(rèn)為,多鉸環(huán)法的問題較多,使用時(shí)要慎重。因?yàn)槎嚆q環(huán)法的計(jì)算彎矩最小,表面上似平可以進(jìn)行最為經(jīng)濟(jì)的

14、設(shè)計(jì)。但是,彎矩的降低是在接頭作為鉸工作為前提,接頭要發(fā)揮鉸的作用,必須設(shè)計(jì)特殊的接頭結(jié)構(gòu)或在施工后將接頭螺栓卸除,也就是歐洲有時(shí)采用的方法。如果螺栓不作為鉸工作的話,實(shí)際發(fā)生的彎矩就有可能大于設(shè)計(jì)彎矩,從而發(fā)生安全上的問題。相反,如果不考慮圍巖的條件而一味地卸除螺栓,就會造成管片的過大變形,造成漏水等問題。實(shí)際上,歐洲的盾構(gòu)隧道也是在圍巖強(qiáng)度較高時(shí)才采用多鉸環(huán)法設(shè)計(jì),莫斯科地鐵是一個(gè)代表實(shí)例。梁2彈簧法是最為符合實(shí)際情況的計(jì)算方法,但是具體計(jì)算較為繁瑣,需要編制較為復(fù)雜的程序。另外,管片間螺栓的旋轉(zhuǎn)彈簧模量、管片環(huán)間的剪切彈簧模量的確定也會對計(jì)算結(jié)果有較大的影響。修正慣用法計(jì)算方法簡單,結(jié)果

15、也比較符合實(shí)際,是一個(gè)簡單實(shí)用的方法。日本對于一些大直徑、大埋深的盾構(gòu)隧道一般采用梁2彈簧法設(shè)計(jì),而小型隧道則多用修正慣用法進(jìn)行。5結(jié)語(1根據(jù)深圳的四種工況計(jì)算結(jié)果可得知,四種管片設(shè)計(jì)方法計(jì)算彎矩的大小順序依次為修正慣用法、梁2彈簧模法、慣用法、多鉸環(huán)法。以修正慣用法的計(jì)算彎矩為基準(zhǔn),修正慣用法、梁2彈簧法、慣用法、多鉸環(huán)法計(jì)算彎矩的平均比例依次為10.820.920.4。(2四種管片設(shè)計(jì)方法中,多鉸環(huán)的計(jì)算變形最大,其他方法之間的差距不是太大。(3多鉸環(huán)法只能在圍巖堅(jiān)硬強(qiáng)度較高的情況下使用,同時(shí)要對管片接頭采用特殊形式或在施工后卸除。對于一般工程條件下,要避免使用這一方法,同時(shí)也不能盲目卸

16、除接頭螺栓。(4梁2彈簧法和修正慣用法應(yīng)該是主要的設(shè)計(jì)計(jì)算方法,對于小型隧道一般用修正慣用法即可滿足要求,對于大型隧道應(yīng)盡可能采用梁2彈簧法進(jìn)行設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn):1朱偉譯1日本土木學(xué)會隧道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(盾構(gòu)篇及解說M.北京:中國建筑工業(yè)出版社,38-41,2001.2日本鐵道綜合研究所編1鐵路構(gòu)造物等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)同解說 M.東京:丸善出版社,1997171地下空間征訂啟事本刊是地下空間開發(fā)利用的綜合性科技刊物;旨在通過國內(nèi)外地下空間開發(fā)利用新成果的交流,并兼論與之相關(guān)的地下工程與巖土工程的科技問題,以促進(jìn)我國地下空間的合理開發(fā)利用。本刊為公開發(fā)行刊物。國內(nèi)統(tǒng)一刊號C N5021084/T U,國際標(biāo)準(zhǔn)刊

17、號ISS N10012831X,國際刊名代碼C ODE N DIK OEH。自1981年創(chuàng)刊以來,承各方面支持,辦刊質(zhì)量逐步提高,從1988年起選為國家科技部中國科技信息中心的科技論文核心統(tǒng)計(jì)源刊,并作為中國學(xué)術(shù)期刊綜合評價(jià)數(shù)據(jù)庫和中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫等的統(tǒng)計(jì)源期刊。論文的平均被引率位居全國土建類刊物前列。近期正在申報(bào)改名為地下空間與工程學(xué)報(bào)。本刊具有內(nèi)容廣泛、深入淺出、理論與實(shí)踐相結(jié)合,學(xué)術(shù)論文與討論報(bào)導(dǎo)共存的特點(diǎn)?？山o廣大從事城市規(guī)劃、建筑、人防、地鐵、隧道及地下工程、環(huán)境保護(hù)和大專院校等有關(guān)專業(yè)人員在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、研究、教學(xué)、施工、管理等方面提供有價(jià)值的信息。本刊為季刊,大16開本,全國非郵

18、發(fā)聯(lián)合征訂和編輯部自辦發(fā)行,全年訂費(fèi)50元(含郵寄費(fèi),歡迎訂閱。欲訂者請向本刊編輯部函索訂單。聯(lián)系人:重慶市:重慶大學(xué)B區(qū)地下空間編輯部陳林郵政編碼:400045編輯部E2mail:dxkjbjbs 653地下空間第23卷UNDERGROUND SPACE Vol. 23 , No. 4 ( Serial No. 96 Quarterly December 2003 CONTENTS & ABSTRACTS PAPERS 32D Numerical Simulation and Analysis of Construction Performance of Tunnel for Met

19、ro Transition Line Keywords tunnel for transition line ; construction optimization ; ANSYS ; numerical simulation method selection are pointed out . Keywords shield tunnel ; lining segment ; design method ; Shenzhen Metro construction. nite Element Method © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical D

20、isc Co., Ltd. All rights reserved. WU Bo et al . ( 347 neering for tunnel group with complicated structure. Its construction work is quite difficult and with high risk due to poor geological condition and environmental restriction around. An analysis on optimization of this project construction was

21、carried out . A model of 32D FEA was developed and 32D elasto2plastic emulated analysis during construction was performed. Some useful results have been gained. The practical work shows that this analysis is reasonable. Comparative Study of Several Segment Design Methods for Shield Tunnels ZHU Wei e

22、t al ( 352 Revie w of the Study on EPB Shield Tunnels for Guangzhou 2nd Metro Line LIN Zhi et al ( 357 Abstract Based on analysis and summary of the related literature both at home and abroad , taking the first part of and optimal design of the segment joint stiffness of the shield tunnel ; balance

23、of the soil pressure ; anti2seismic design Analysis on Negative Friction of Pile Body and Its Influence on Bearing Capacity of the Pile of the shield tunnel linings ; field information2construction monitoring technology of EPB shield tunnel ; 3D Finite Ele2 Metro as basic object , four design methods are compared , namely