几种盾构隧道管片设计方法的比较

　　文章编号 :10012831X(2003) 0420352205 几种盾构隧道管片 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方法的比较Ξ 朱　伟 , 胡如军 , 钟小春 (河海大学岩土 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 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 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,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 :A 1 　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 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 ,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。第二种方法也是将管片环考虑为 弯曲刚度均匀的环 ,但考虑了管片接头部分的弯曲 刚度下降和环向螺栓处的弯矩上升[1 ] (以下称为修 正惯用法) ,如图 1 (a) 所示。第三种方法是将管片 接头作为铰结构来考虑 ,地基与管片环之间的相互 第 23 卷 　第 4 期 2003 年 12 月 　　　　　　　　　　　　　 地 　　下 　　空 　　间 UNDERGROUND SPACE 　　　　　　　　　　　　　 Vol. 23 　No. 4 Dec. 2003 Ξ 收稿日期 :2003204217 作者简介 :朱 　伟 (19622) ,男 ,甘肃人 ,工学博士 ,教授 ,博导 ,主要从事盾构隧道设计、施工等方面的研究。 作用用地基弹簧来表示的设计计算法 (以下称为多 铰环法) ,如图 1 (b)所示。第四种方法是将管片主 截面模拟成梁、将管片环向接头模拟成旋转弹簧、 将环径向接头模拟成剪切弹簧 ,将地基与管片环之 间的相互作用用地基弹簧来表示 ,是一个较为接近 实际情况的设计计算方法[2 ] (以下称为梁一弹簧 法) ,如图 1 (c)所示。四种结构模型的比较见表 1。 四种结构模型的比较 表 1 方法 环向接头 径向接头 惯用法 不考虑 不考虑 修正惯用法 刚度降低 弯矩增减 多铰环法 铰 环向接头 梁 - 弹簧法 旋转弹簧 剪切弹簧 图 2 　各种方法的荷载系统 四种管片设计方法的地基抗力的比较 表 2 方法 　　　　受力特性 惯用法 自环顶部向左右 45°～135°分布的均布 (三角形)荷载 修正惯用法 自环顶部向左右 45°～135°分布的均布 (三角形)荷载 多铰环法 地层抗力全部转换成地基弹簧 梁2弹簧法 地层抗力大部分转换成地基弹簧 2. 2 　四种设计计算方法的荷载系统 四种设计计算方法的荷载系统如图 2 所示。 不管是那一种方法 ,在自重、上覆荷载、垂直土压 力、水平土压力及上部垂直荷载抗力的设定是基本 一致的。主要的区别在于水平地基抗力的设定方 法上 ,如表 2 所示 ,惯用法和修正惯用法是将水平 地基抗力作为一个三角形均布荷载来考虑 ,而多铰 环法及梁2弹簧法是通过地基弹簧来考虑的。另 外 ,在水压力的作用方式上 ,惯用法与修正惯用法 是将隧道顶部计算水压力作为垂直水压力和水平 水压力 ,不考虑水压力在隧道高度上的变化。而多 铰环法、梁2弹簧法考虑水平水压力在隧道高度上 的增加 ,水压力作用的方向指向管片形心。 2. 3 　设计计算的实施 根据以上理论编制了 4 种设计计算方法计算 程序。计算中的一些取值原则参考了日本土木学 会盾构规范[1 ] 和日本铁道技术综合研究所盾构隧 道设计规范[2 ] 。 3 　基本计算条件 3. 1 　设计计算的基本围岩条件 为了比较四种设计计算方法所产生的差异 ,本 文以深圳地铁盾构隧道工程的地质条件和衬砌管 片为基本条件进行了计算比较。深圳地铁隧道主 要埋置于第四系全新统海相冲积的淤泥、粉质粘土 层 ;第四系中更新统残积的砾质、砂质粘土层以及 燕山期花岗岩的风化土层内。在此选择了四种工 3532003 年第 4 期 　　　　　　　　　朱 　　伟等 :几种盾构隧道管片设计方法的比较研究 况进行了比较计算 :CASE - 1 —浅埋工况、CASE - 2 —深埋工况、CASE - 3 —埋置于砾质粘土层的工 况和 CASE - 4 —埋置于风化花岗岩的工况 ,各工况 的基本条件如图 3 所示。 图 3 　比较计算使用的四种工况 管片环结构的计算取值 表 3 计算方法 管 　片 螺 　栓 径向剪切模量 轴向剪切模量 正弯矩模量 负弯矩模量 E N/ mm2 μ EI (m4 ) 块间螺栓 环间螺栓 惯用法 345000 0117 010027 与管片同刚度 不考虑 修正惯用法 34500 0117 010027 刚度折减系数η= 0. 5 弯矩分配系数ξ= 0. 3 多铰环法 34500 0117 010027 铰 不考虑 梁2弹簧法 34500 0117 010027 (kNΠm) 235100 (kNΠm) 1608000 (kNmΠrad) 250000 (kNmΠrad) 150000 　　P0 为上覆荷载 ,Hw 为地下水位 ,H为隧道上部 埋深 ,γ为土的天然容重 ,c 为土的粘聚力 ,φ为土 的内摩擦角 ,D0 为盾构管片环的外径。另外 ,λ:侧 压力系数 , k :地基抗力系数 ,均是以土的强度参数 为依据 ,根据文献 1 的经验值查表而得。 3. 2 　设计计算的基本结构条件 深圳地铁的管片的结构剖面图如图 4。管片 环内径为 5. 2m ,使用 C50 钢筋混凝土管片 ,分块与 地铁隧道中的常用方法相同 ,采用的 6 块分割 ,小 封顶。管片间连接螺栓和环间连接螺栓均采用 M27 钢弧形螺栓连接。各种方法在计算时的参数 取值 (表 3)根据国内一些设计实例的取值 ,参照日 本铁道盾构隧道设计规范中的经验值设定。 4 　计算结果的比较 4. 1 　结构内力的结果比较 使用 4 种设计计算方法 ,对 4 种工况进行了计 图 4 　管片环的结构示意图 算 ,得到了管片的内力 (轴力、剪力、弯矩) 。将管片 环中轴力的最大值取出 ,对 4 种计算方法所得到的 轴力进行了比较。惯用法和修正惯用法的轴力基 453 地 　　下 　　空 　　间 　　　　　　　　　　　　　　　　　第 23 卷 本相同 ,多铰环法与梁 - 弹簧法的结果比较接近 , 而且多铰环法与梁2弹簧法的计算轴力大约是惯用 法和修正惯用法计算值的 1. 25～1. 3 倍 ,这种规律 在 4 种工况中比较一致。由于惯用法和修正惯用 法在计算时考虑的管片环刚度相对于多铰环法、梁2弹簧法要大一些 ,经受相同荷载时产生的轴力相 对较小。 图 5 　浅埋、深埋条件下计算弯矩的比较 图 6 　不同岩性条件下计算弯矩的比较 图 7 　浅埋、深埋条件下计算变形的比较 同样将 4 种方法计算出的剪力进行比较。结 果 ,惯用法和修正惯用法的剪力比较接近 ,梁2弹簧 法的剪力最大 ,多铰环法次之 ,惯用法和修正惯用 图 8 　不同岩性条件下计算变形的比较 法最小。梁2弹簧法∶多铰环法∶惯用法和修正惯用 法的比值大约为 2. 2∶1. 5∶1. 0 ,这种趋势在 4 种工 况中也较为一致。 考虑到盾构隧道在一般埋深下主要是一个弯 矩卓越问题 ,也就是说影响设计配筋的因素主要是 弯矩 ,所以主要对弯矩进行比较。 将 CASE - 1 和 CASE - 2 ,也就是深埋和浅埋 的计算最大弯矩在图 5 中进行比较 ,发现无论使用 那一种方法深埋和浅埋的差异都非常小。这是由 于深埋计算时 ,垂直土压力按照松弛土压力考虑 后 ,实际作用荷载与浅埋比较接近的缘故。将 CASE - 3 和 CASE - 4 ,也就是分别埋置于砾质粘土 层和风化花岗岩层中的计算最大弯矩在图 6 中进 行比较 ,强度参数较大时发生的弯矩较小。 最重要的是各种方法计算的大小 ,这与设计的 安全性和经济性直接相关。无论是那一种工况 ,修 正惯用法和梁2弹簧法的计算弯矩较大 ,而且两者 较为接近 ,多铰环法的计算弯矩最小 ,惯用法的计 算弯矩居中。差异最大时 ,修正惯用法的计算弯矩 可以达到多铰环的 2 倍左右。 由于梁2弹簧法计算时考虑管片环中螺栓及管 片环与环之间螺栓的作用 ,管片和螺栓之间存在的 刚度差异 ,在受弯时管片需要承受的弯矩更大一 些 ,所以计算弯矩比较大。而修正惯用法是在惯用 法计算弯矩的基础上 ,考虑螺栓的作用对弯矩考虑 一个增加系数 ,所以计算弯矩也比较大。而多铰环 法把接头考虑为铰接 ,整个管片环的刚度较小 ,所 以计算弯矩偏小。 4. 2 　计算变形的结果比较 对计算变形进行整理 ,得到计算最大值的关系 图 7 和图 8 ,首先可以看到 ,不管那一种工况多铰 环的计算变形是最大的 ,其他 3 种方法计算变形的 差异不大。而围岩的强度较小时 ,各种方法的计算 5532003 年第 4 期 　　　　　　　　　朱 　　伟等 :几种盾构隧道管片设计方法的比较研究 变形都会增加。从机理上讲 ,计算时考虑的管片环 刚度越低 ,计算出的变形越大。由于多铰环的整体 刚度最低 ,所计算出的变形也最大 ,可以达到其他 方法的 1. 5 - 2. 0 倍。本次计算主要依据深圳地铁 的地质条件进行 ,深圳的砾质粘土层或风化花岗岩 的强度较高 ,如果换成上海、南京等地的软粘土围 岩的话 ,多铰环法的计算变形会更大。 4. 3 　四种设计计算方法的适用性 从四种设计计算方法的结果可以认为 ,多铰环 法的问题较多 ,使用时要慎重。因为多铰环法的计 算弯矩最小 ,表面上似平可以进行最为经济的设 计。但是 ,弯矩的降低是在接头作为铰工作为前 提 ,接头要发挥铰的作用 ,必须设计特殊的接头结 构或在施工后将接头螺栓卸除 ,也就是欧洲有时采 用的方法。如果螺栓不作为铰工作的话 ,实际发生 的弯矩就有可能大于设计弯矩 ,从而发生安全上的 问题。相反 ,如果不考虑围岩的条件而一味地卸除 螺栓 ,就会造成管片的过大变形 ,造成漏水等问题。 实际上 ,欧洲的盾构隧道也是在围岩强度较高时才 采用多铰环法设计 ,莫斯科地铁是一个代表实例。 梁2弹簧法是最为符合实际情况的计算方法 , 但是具体计算较为繁琐 ,需要编制较为复杂的程 序。另外 ,管片间螺栓的旋转弹簧模量、管片环间 的剪切弹簧模量的确定也会对计算结果有较大的 影响。修正惯用法计算方法简单 ,结果也比较符合 实际 ,是一个简单实用的方法。日本对于一些大直 径、大埋深的盾构隧道一般采用梁2弹簧法设计 ,而 小型隧道则多用修正惯用法进行。 5 　结　语 (1) 根据深圳的四种工况计算结果可得知 ,四 种管片设计方法计算弯矩的大小顺序依次为修正 惯用法、梁2弹簧模法、惯用法、多铰环法。以修正 惯用法的计算弯矩为基准 ,修正惯用法、梁2弹簧 法、惯用法、多铰环法计算弯矩的平均比例依次为 1∶0. 82∶0. 92∶0. 4。 (2) 四种管片设计方法中 ,多铰环的计算变形 最大 ,其他方法之间的差距不是太大。 (3) 多铰环法只能在围岩坚硬强度较高的情 况下使用 ,同时要对管片接头采用特殊形式或在施 工后卸除。对于一般工程条件下 ,要避免使用这一 方法 ,同时也不能盲目卸除接头螺栓。 (4) 梁2弹簧法和修正惯用法应该是主要的设 计计算方法 ,对于小型隧道一般用修正惯用法即可 满足要求 ,对于大型隧道应尽可能采用梁2弹簧法 进行设计。 参考文献 : [1 ] 　朱伟译 1 日本土木学会隧道 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 规范 (盾构篇)及解说[M] . 北京 :中国建筑工业出版社 ,38 - 41 ,2001. [2 ] 　日本铁道综合研究所编 1 铁路构造物等设计标准·同解说 —— —Ë © ¨ ­ Ë [M] . 东京 :丸善出版社 ,1997171 《地下空间》征订启事 本刊是地下空间开发利用的综合性科技刊物 ;旨在通过国内外地下空间开发利用新成果的交流 ,并兼论与之相关的地 下工程与岩土工程的科技问题 ,以促进我国地下空间的合理开发利用。 本刊为公开发行刊物。国内统一刊号 CN5021084/ TU ,国际标准刊号 ISSN10012831X ,国际刊名代码 CODEN DIKOEH。自 1981 年创刊以来 ,承各方面支持 ,办刊质量逐步提高 ,从 1988 年起选为国家科技部中国科技信息中心的科技论文核心统计 源刊 ,并作为《中国学术期刊综合评价数据库》和《中国科学引文数据库》等的统计源期刊。论文的平均被引率位居全国土 建类刊物前列。近期正在申报改名为《地下空间与工程学报》。本刊具有内容广泛、深入浅出、理论与实践相结合 ,学术论 文与讨论报导共存的特点。可给广大从事城市规划、建筑、人防、地铁、隧道及地下工程、环境保护和大专院校等有关专业 人员在规划、设计、研究、教学、施工、管理等方面提供有价值的信息。 本刊为季刊 ,大 16 开本 ,全国非邮发联合征订和编辑部自办发行 ,全年订费 50 元 (含邮寄费) ,欢迎订阅。欲订者请向 本刊编辑部函索订单。 联 系 人 :重庆市 :重庆大学 B 区《地下空间》编辑部 　陈 　林 邮政编码 :400045 编辑部 E2mail : dxkjbjb @sohu. com. cn 653 地 　　下 　　空 　　间 　　　　　　　　　　　　　　　　　第 23 卷 UNDERGROUND SPACE Vol . 23 , No. 4 　　　　　　 　　　　　(Serial No. 96) Quarterly 　　　　　　　　　　　　December 2003 CONTENTS & ABSTRACTSÓPAPERS Ó 32D Numerical Simulation and Analysis of Construction Performance of Tunnel for Metro Transition Line WU Bo et al . (347)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ [ Abstract ] The project of tunnel for transition line in Da2Ke section of Shenzhen metro is a problem of system engi2 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 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. [ Keywords ] tunnel for transition line ; construction optimization ; ANSYS ; numerical simulation Comparative Study of Several Segment Design Methods for Shield Tunnels ZHU Wei et al (352)⋯⋯⋯⋯⋯ [ Abstract ] Aiming at the suitability of segment design methods for shield tunnel , taking the shield tunnel of Shenzhen Metro as basic object , four design methods are compared , namely , Routine method , Modified Routine Method , Multi2 Hinge Ring Method and Beam Spring Model Method. Matters needing attention and principles of application during method selection are pointed out . [ Keywords ] shield tunnel ; lining segment ; design method ; Shenzhen Metro Review 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 Guangzhou 2nd Metro Line as example , the following are analyzed : selection of the shield machines ; determination and optimal design of the segment joint stiffness of the shield tunnel ; balance of the soil pressure ; anti2seismic design of the shield tunnel linings ; field information2construction monitoring technology of EPB shield tunnel ; 3D Finite Ele2 ment Method simulation of EPB shield tunnel . The conclusions obtained can be used in the shield tunnel design and construction. [ Keywords ] Guangzhou Metro ; EPB shiele ; lining ; anti2seismic design ; information2construction monitoring ; 3D Fi2 nite Element Method Analysis on Negative Friction of Pile Body and Its Influence on Bearing Capacity of the Pile J IANG Zhou et al . (362) ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯