盾构隧道管片衬砌结构——荷载结构模型

盾构隧道管片衬砌结构荷载-结构模型①保持围岩稳定，可以长期承受作用于盾构隧道上的全部荷载；②可以承受施工过程中的千斤顶推力及注浆压力等施工荷载；③满足防渗要求；④满足环境保护要求。基本要求：1、盾构管片结构设计流程隧道的使用功能；结构运营寿命；运营空间要求，如净空、线路、施工精度等；预埋件结构，如起吊件、连接预埋件等；防水要求；规范规定的要求等。影响管片设计的因素包括：设计条件的设定荷载的计算截面内力的计算弯矩及轴力的单位应力的计算；剪应力的计算单位应力的校核构件的设计计算构造详图的设计对于特殊荷载的设计绘图管片的制作设计条件◆隧道的线性◆必要的内空断面◆土质条件◆管片种类◆管片分块主要荷载的计算◆土质的分类（水土合算、分算）◆垂直土压力的计算（采用松动土压力否？）◆侧向土压力系数◆地基反力系数◆自重荷载及结构模型的选定◆惯用计算法◆修正惯用法◆梁-弹簧模型计算方法◆部分地基弹簧模型，全周地基弹簧模型◆管片主断面的假定◆接头的模型化◆对于主要荷载的主断面的单位应力的校核◆容许应力与单位应力的校核对主要荷载及附加荷载作用下的构件设计计算◆接头的计算（螺栓、接头板、锚筋等）◆纵肋的计算◆底面板及横衬板的计算◆注浆孔◆吊具◆接头角度◆锥形衬环◆地震的影响◆地基沉降的影响◆邻接施工的影响◆对相邻建（构）筑物的影响◆并设隧道的影响◆急弯施工的影响附加荷载的计算◆内部荷载◆施工荷载NONOOKOK管片设计流程2、设计条件拟定（1）隧道内空断面形状和尺寸我国盾构技术概况国内地铁盾构隧道管片结构的设计及使用隧道内径工程名称车辆限界/mm隧道内径/mm备注上海地铁52005500软土南京地铁1号线52005500软土南京地铁2号线52005500软土北京地铁5号线52005400广州地铁3号线客-大区间52005400围岩Ⅰ～Ⅳ级工程名称管片形式管片厚度/mm备注上海地铁钢筋混凝土350软土南京地铁1号线钢筋混凝土350软土南京地铁2号线钢筋混凝土350软土北京地铁5号线钢筋混凝土300广州地铁3号线客-大区间平板型钢筋混凝土300围岩Ⅰ～Ⅳ级管片的形式与厚度我国盾构技术概况国内地铁盾构隧道管片结构的设计及使用管片幅宽工程名称分块管片宽度/m最小曲率半径/m南京地铁1号线K(21.5)+2L(68)＋3B(67.5)1.2400南京地铁2号线K(21.5)+2L(68)＋3B(67.5)1.2400北京地铁5号线K(22.5)+2L(67.5)＋3B(67.5)1.2300广州地铁3号线客-大区间K+2L＋3B1.51500管片分块地铁隧道管片常用分块数为六块和七块两种在国内上海地铁一号线、广州地铁一、二、三号线南京地铁一、二号线、成都地铁一号线盾构区间隧道都采用六块方案。（2）管片类型钢筋混凝土管片钢管片铸铁管片复合管片（3）管片的厚度与幅宽管片厚度越大，其截面抗弯能力越强，可以节约钢筋用量，但同时也增加了混凝土用量。管片厚度的选取应视管片接头部位和混凝土截面的受力情况而定，根据经验，管片厚度一般为衬砌环外径的4%左右，但对于大断面隧道，尤其是当采用钢筋混凝土管片时，约为5.5%左右。为了便于搬运和组装以及有利与隧道曲线段的施工，希望管片宽度小一些为好；从降低每延米隧道衬砌的制造成本、减少接头个数和提高施工速度方面考虑，则又希望幅宽大一些好。参照国内外大断面隧道的建设情况，幅宽多数为2m。（4）管片衬砌环的分块方式管片分块方法总体上讲有等分模式及不等分模式，等分模式下由于没有小封顶块，采用错缝拼装时管片整体刚度较为均匀，是一种理想的受力分块方式；不等分模式一环管片一般是由几块A型管片（标准块）、两块B型管片（邻接块）和一块K型管片（封顶块）组成。封顶块邻接块（5）管片的接头角与插入角由于K型管片插入方式分两种，沿半径方向插入的角度称为接头角（αr），沿轴方向插入的角度称为插入角（α1）。如果是半径方向插入型管片，对于其中的K型管片的接头角度(αr)依下式计算。αr＝θk/2+ω，上式中的ω是为便于K型管片的插入所需要的富裕角度，一般采用2°～5°。如果是轴方向插入型管片，其中的K型管片一般不需要接头角度(αr)。但是，考虑到包括盾构机长度在内的施工条件和管片接头与管片环之间的干扰，还是需要设定管片的插入角度(α1)。管片的插入角度多取决于施工条件，但是取17°～24°的实例居多。(6)管片环楔形量盾构在曲线段施工和蛇行修正时，需要使用一种幅宽不等的管片环,称为楔形管片环.楔形管片环中最大宽度与最小宽度之差，称为楔形量。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、影响盾构操作稳定性的周围围岩的情况而不同。（a）普通环；（b）单侧楔形环；（c）两侧楔形环(7)管片的拼装盾构隧道管片的拼装方式有两种，通缝拼装和错缝拼装。通缝拼装时，管片衬砌结构的整体刚度较小，导致变形较大、内力较小。采用错缝拼装时，管片衬砌结构的整体刚度较大，导致变形较小、内力较大。对于管片的分块设计要求比通缝拼装条件下较高。错缝拼装的拼转角度根据纵向螺栓的布置而定，可以两环一组错缝拼装，也可以三环一组错缝拼装。(1)在相同地层条件下，错缝式拼装与通缝式拼装管片结构中的受拉受压区域基本相同，错缝式拼装盾构隧道中接头及其周围处的弯矩与相同条件下通缝式拼装管片相比有较大幅度的改变。错缝式拼装的最大弯矩较大，而相应的轴力却较小，不同的拼装方式附加内力的大小和分布规律也有较大的区别。这就给配筋提出了更高的要求。(2)错缝拼装管片弯矩绝对值的最大值较通缝拼装管片弯矩绝对值的最大值大，而在此位置错缝拼装的轴力较通缝拼装的轴力小，错缝拼装弯矩绝对值最大值比通缝拼装弯矩绝对值最大值大50％左右，轴力小20％左右，并且不同的拼装方式又有所不同。(3)在相同埋深、相同地质条件下，通缝式拼装结构的位移值要比错缝式拼装结构的位移值大20％左右；不同的错缝式拼装方案下，结构的位移值相差不大，在10％以内。方法特点标准衬砌环、左转弯衬砌环和右转弯衬砌环组合直线地段除施工纠偏外，采用标准衬砌环；曲线地段可通过标准衬砌环与左、右转弯衬砌环组合使用，以模拟曲线。此方法施工方便，操作简单。左转弯衬砌环和右转弯衬砌环组合通过左转弯环、右转弯环组合来拟合线路，由于每环均为楔形，拼装时施工操作相对麻烦一些，欧洲常采用，国内暂未看到报道采用。通用管片环通过一种楔形环管片模拟线路、曲线及施工纠偏，管片拼装时，衬砌环需扭转多种角度，封顶块有时会位于隧道下半部，工艺相对复杂，大大降小模具数量，降低造价。管片环组合方法dd内外封顶块Δ/2Δ/2曲线段直线段平面视图通用管片环我国盾构技术概况国内地铁盾构隧道管片结构的设计及使用楔形衬砌环与直线衬砌环的组合衬砌环形式楔形衬砌环之间相互组合通用型管片环国内目前只有在南京地铁施工中使用深圳地铁首次采用应用工程管片厚度（mm）盾构外径（m）管片拼装上海地铁3506.34通缝南京地铁1号线3506.34错缝南京地铁2号线3506.34错缝北京地铁5号线3006.20错缝广州地铁3号线客-大区间3006.30错缝深圳地铁300错缝管片拼装形式(8)接头构造管片的连接处一般称为接头，包括接缝、螺栓及其附近（包括螺栓孔）的部位。柔性接头由于允许在相邻管片间产生微小转动和压缩，使得整个衬砌环能随内力而产生一定变形；刚性接头则主要通过增加螺栓数量等手段力图在构造上使接头刚度与构件本身相同。目前的趋势：减薄衬砌厚度、减弱接头刚度和增加接头数量等措施以达到增加衬砌柔性的目的。管片接头环间接头特征对接方法紧固方法对接方法紧固方法平板螺栓接头全面对接直螺栓全面对接直螺栓有榫管片部分对接斜螺栓键式斜螺栓环刚度小；不需紧固；斜螺栓施工用；高刚性构件与带销螺栓并用全面对接高刚性构件全面对接并用带销螺栓环刚度大；拼装作业快速；开尾销与快速接头全面对接开尾销全面对接快速接头环刚度大；拼装机械化快速化KL管片键式弯螺栓键式弯螺栓环刚度小凸凹型与销榫凹形接头销子键式销榫环刚度小；拼装快长螺栓全面对接长螺栓全面对接长螺栓环刚度大内表面光滑管片全面对接；部分对接；键式水平开尾销键式销榫可调环刚度；拼装机械化快速化二.盾构隧道管片衬砌结构计算方法国内外管片结构设计方法国家管片结构设计模型设计土水压（σv和σh分别为垂直和水平土水压力）入江健二（1993）ITA（1978）澳大利亚全周弹簧模型不详σv=全上覆土重σh=λσv+静水压力奥地利全周弹簧模型弹性地基圆环法浅埋隧道：σv=全上覆土重σh=λσv深埋隧道按泰沙基土压力公式西德局部弹簧模型（覆土深≤2d）全周弹簧模型（覆土深≥2d）σv=全上覆土重σh=λσv（λ=0.5）法国全周弹簧模型或有限元法σv=全上覆土重或泰沙基土压力σh=λσv（λ取经验值）中国均质圆环法或弹性铰模型σv=全上覆土重σh=λσv（λ取经验值）日本惯用设计法、梁-弹簧模型惯用设计法σv=全上覆土重σh=λσv西班牙考虑地层与结构相互作用的Buqera法不详不计粘着力的泰沙基土压力英国全周弹簧模型法或MuirWood法σv=全上覆土重（+水压）σh=（1+λ）σv/2（+水压）美国弹性地基圆环法σv=全上覆土重σh=λσv（λ=0.4~0.5）（+水压）根据对管片接头的不同力学模型假设，可将管片结构设计方法主要分为（修正）惯用法、多铰圆环法和梁－弹簧模型法。不同设计方法的区别主要在于对管片接头抗弯刚度的取值差异。忽略接头刚度影响，假定接头部位具有与管片结构相同的刚度（惯用法模型）部分考虑接头刚度影响，假定接头部位具有与管片结构相同的刚度（修正惯用法模型）假定管片接头抗弯刚度为零（多铰圆环法模型）假定接头部位具有抗弯刚度k（弹性铰模型）考虑内外衬砌间的相互作用（层间压缩及剪切模型）考虑接头刚度影响，接头抗弯刚度kθ、切向抗剪刚度kt和径向抗剪刚度kn（梁-弹簧法模型）接头演变过程2.1盾构隧道衬砌结构计算方法特征分析(修正)惯用法梁-弹簧模型法多铰圆环法2.2盾构隧道衬砌结构计算荷载垂直土压力水压力结构自重上覆荷载地基抗力衬砌设计荷载分类主要荷载次要荷载特殊荷载内部荷载施工荷载地震的影响平行配置隧道的影响邻近施工的影响其它荷载计算模式图2.3衬砌结构与地层之间的作用σσσσσK0σK0σK0σ0.5(1-K0)σ衬砌上应力分布原位应力挠曲形状原来形状刚性衬砌柔性衬砌衬砌圆环与周围土体的相互作用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土体的地基抗力系数决定2.4衬砌结构的力学模型和计算方法衬砌结构力学模型衬砌本体模型接头(接缝)模型特征参数接头刚度环向接头刚度纵向接头刚度表征接头性能的最重要的参数是接头抗弯刚度，被定义为接头产生单位转角所需要的弯矩，即K=dM/dθ，就是接头刚度等于接头处弯矩的增量与接头处接缝的相对转角的增量之比。K值越大，表示每增加单位转角，所需增加弯矩的值越大。管片接头抗弯刚度定义：影响因素：结构内力：弯矩、轴力、螺栓预紧力等结构尺寸：幅长、幅宽、厚度、接缝宽度等材料参数：管片混凝土、连接螺栓、衬垫相对位置：螺栓位置、衬垫厚度研究意义：控制着衬砌结构设计安全性和经济性优化结构设计盾构隧道管片接头产生单位转角所需弯矩定义为管片接头抗弯刚度kθ，综合反映了管片接头力学性能及承载能力盾构隧道纵向结构性能迫切性：理论模式：研究意义：起步晚，研究理论和计算模型不完善●等效弹性地基－梁●三维骨架模型●等效刚度模型●完善现有结构计算模式●优化纵向结构设计3、荷载计算①统计法②普氏理论该理论认为：所有的岩体都不同程度的被节理、裂隙所切割，因此可以视为有粘聚力的散粒体。普氏还提出了基于自然平衡拱概念的计算理论，从而确定围岩的松动压力。认为在具有一定粘聚力的松散介质中开挖坑道后，其上方会形成一个抛物线形的拱形洞顶，作用在支护结构上的围岩压力就是自然平衡拱以内的松动岩体的重力。③Terzaghi理论该理论认为：当隧道的埋深增加到某个限值后，围岩