几种盾构隧道管片设计方法的比较.pdf

文章编号10012831X20030420352205 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,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 1a 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 1a 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。 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 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 1b 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 1c 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 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 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 m 4 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345000117 010027 刚度折减系数 η 0.5 弯矩分配系数 ξ 0.3 多铰环法345000117 010027铰不考虑 梁2弹簧法345000117 010027 kN Π m 235100 kN Π m 1608000 kNmΠ rad 250000 kNmΠ rad 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 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 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 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 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 › [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 DIK OEH。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 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. UNDERGROUND SPACE Vol. 23 ,No.4 Serial No.96 Quarterly December 2003 CONTENTS construction optimization; ANSYS; numerical simulation Comparative Study of Several Segment Design s for Shield TunnelsZHU Wei et al352⋯⋯⋯⋯⋯ [ Abstract] Aiming at the suitabilityof segment design sfor shield tunnel , taking the shield tunnel of Shenzhen Metro as basic object , four design s are compared , namely , Routine , Modified Routine , Multi2 Hinge Ring and Beam Spring Model . Matters needing attention and principles of application during selection are pointed out. [ Keywords] shield tunnel ; lining segment ; design ; Shenzhen Metro Review of the Study on EPB Shield Tunnels for Guangzhou 2nd Metro LineLIN Zhi et al357⋯⋯⋯⋯⋯ [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 ination2construction monitoring technology of EPB shield tunnel ; 3D Finite Ele2 ment 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; ination2construction monitoring; 3D Fi2 nite Element Analysis on Negative Friction of Pile Body and Its Influence on Bearing Capacity of the Pile JIANG Zhou et al. 362 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.