施工技術(shù)2004年10月40CONSTRUCTION TECHNOLOGY第33卷第10期深圳污水通道盾構(gòu)管片設(shè)計(jì)計(jì)算林志',姜勇2(1.鐵道第二勘察設(shè)計(jì)院,四川成都610031;2. 同濟(jì)大學(xué),上海 200092)[摘要]對(duì)比分析了修正的慣用設(shè)計(jì)法、梁接頭元連續(xù)和不連續(xù)模型等3種設(shè)計(jì)法的原理。通過(guò)對(duì)深圳水庫(kù)流城污水通道盾構(gòu)管片進(jìn)行受力及配筋計(jì)算,得出曲梁~接頭元不連續(xù)模型設(shè)計(jì)法更為經(jīng)濟(jì)、合理。[關(guān)鍵詞]盾構(gòu)管片;錯(cuò)縫拼裝;設(shè)計(jì)[中圖分類(lèi)號(hào)] U455;TU942[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 102-8498<200)10-003The Design Method of Shield Tunnel Segments in ShenzhenSewage Tunnel ProjectLIN Zhi'，JIANG Yong(1. The Second Railuays Suney & Design Institute，Chengdu, Sichuan 610031, China;2. Tongji Unierity, Shanghai 200092, China)Abstract: It analyses modifed conventional method, beam-joint continuous model and discontinwous model. By calculaing theintermal force and the reinforcing steel bar of shield tunnel lining in Shenzhen Drainage Pipeline Project, it can be seen that thebeam-joint discontinuous model is more economical and reasonable than the modified conventional method and bearm-joint continu-ous model.Key words: shield tunnel segments; interlaced fixing;design深圳水庫(kù)流域污水通道從深圳水庫(kù)下面通過(guò)，管算兩種方式?jīng)Q定。為彌補(bǔ)慣用設(shè)計(jì)法的不足,引人修道襯砌內(nèi)徑為4.0m,采用盾構(gòu)法施工。根據(jù)提供的有正的慣用設(shè)計(jì)法。關(guān)工程地質(zhì)資料,地層從上至下為:素填土層,淤泥質(zhì)引入由于管片間接縫存在使得整體剛度降低的折粘土層,粉質(zhì)粘土層,細(xì)砂層,粗砂層,卵石層,強(qiáng)風(fēng)化減參數(shù)η.則:長(zhǎng)石石英巖層和弱風(fēng)化長(zhǎng)石石英巖層。EI* = nEI(0< η< 1)(1)該污水管道通過(guò)深圳和香港兩地居民飲用水庫(kù)的且不考慮地層彈簧直接作用，取而代之的是在水下方,因此,在該工程的施工期間及工程竣工后,均不平兩側(cè)按Winkler地基反力變形的線性假定,在水平向允許污染水庫(kù),更不允許管道內(nèi)的污水外泄。因而對(duì)量45°范圍內(nèi)地層反作用力分布是以等腰三角形狀作設(shè)計(jì)計(jì)算提出了較高的要求。用在管片上,腰頂點(diǎn)大小為δ(見(jiàn)圖1),即1盾構(gòu)襯砌有限元理論與分析δ=(2Pw- Qown- Qm)R'(2)24( nEl/h+ 0.045K,RF)在盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)中管片接頭和管片環(huán)間接頭對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形,尤其是接頭部分的內(nèi)力和H = 2Rsin45° =v2R .(3)變形起著極其主要的影響作用。本文采用曲梁接頭式中:R--管 片中心線處半徑;h--管片厚;元不連續(xù)模型,并與修正的慣用設(shè)計(jì)法對(duì)比。1.1修正的慣用設(shè)計(jì)法Ko一地層反力 系數(shù);慣用設(shè)計(jì)法不考慮管片接頭柔性特征,將拼裝襯分別為卜、下垂直荷重;砌作為均勻剛度來(lái)設(shè)計(jì);作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的初始靜中國(guó)煤化工平荷重。止荷載則按如下方式確定:對(duì)于砂土、硬質(zhì)粘土和固結(jié)MHCNMHG粘土,當(dāng)上覆土層厚度大于1.5倍隧道直徑時(shí)采用泰[收稿日期] 2004-06-24;[修訂日期] 200408-31沙基公式,否則按覆土層厚度直接給出土壓荷載;此[作者簡(jiǎn)介]林志(1957--),男 ,四川南江人,鐵道第二勘察設(shè)計(jì)院橋隧處工程師，四川成都市通錦路3號(hào)610031, 電話:外,地層中的水壓力視地層條件由水土合算和水土分(028)812398852004 No.10林志等:深圳污水通 道盾構(gòu)管片設(shè)計(jì)計(jì)算4對(duì)于錯(cuò)縫拼裝方式,為考慮相鄰管片環(huán)間的彎矩2.1施工階段厚覆土處設(shè)計(jì)分析傳遞作用,引入彎矩增加系數(shù)ξ,故實(shí)際彎矩為2.1.1水 土壓力計(jì)算M=(1+ξ)M°(4)土體φ平均值23.72*,c平均值為37.03kPao頂部式中,M*為計(jì)算彎矩。對(duì)于接頭部分的彎矩,在設(shè)計(jì)壓力為188.6kPa,頂部側(cè)壓為32.04kPa,底部側(cè)壓為時(shí)可考慮為(1- &)M*。71. 1kPa,底部對(duì)管片壓力為208.2kPa,乘以荷載分項(xiàng)系Pon數(shù)后,其值分別為:226.3、38.4.85.3kPa(未包括底部對(duì)管片壓力,該部分由程序自動(dòng)計(jì)算,下同)。| >82.1.2地層反力系數(shù)根據(jù)地質(zhì)資料提供的標(biāo)準(zhǔn)貫人擊數(shù)得法向反力系J Qan數(shù)為15000kPa/m,切向反力系數(shù)為3000kPa/m。圖1修正的慣用設(shè)計(jì)法的荷載分布模式2.1.3計(jì)算結(jié)果1.2 直(曲)梁~接頭元連續(xù)模型計(jì)算得到的管片彎矩、軸力、剪力分別如圖2.3.4直(曲)梁-接頭元連續(xù)模型是建立在線彈性理論所示?；A(chǔ)上,即接頭元和管片本身均為彈性體,將管片視為448453603-24梁,接頭視為變形連續(xù)的彈簧。采用卡氏第二定理(δ-s7=aU/aF),先求得柔度陣,再對(duì)之求逆，即得到剛度4-76陣。梁_接頭連續(xù)模型法為日本現(xiàn)行設(shè)計(jì)法。地層彈-787-64簧作用與否按平衡迭代方式進(jìn)行。對(duì)錯(cuò)縫式拼裝,縱向連接螺栓作用模擬成接頭元。但是,梁接頭連續(xù)模型是建立在適用于線彈性介質(zhì)的卡氏第二定理的基礎(chǔ)圖2施工階段厚覆土處襯砌彎 矩(單位:kN. m)上,它不能全面、準(zhǔn)確地模擬管片接頭的非線性性狀。298301288而試驗(yàn)表明接頭內(nèi)力變形關(guān)系在整個(gè)加載過(guò)程表現(xiàn)382397出明顯的非線性特征。44041.3直(曲)梁-接頭元不連續(xù)模型5-487478該模型從結(jié)構(gòu)的非線性出發(fā),引進(jìn)了非線性介質(zhì)457<393力學(xué)數(shù)值分析的古德曼單元的思想,并認(rèn)為接頭單元318286具有抗拉伸作用。盾構(gòu)隧道是由若干管片組成的,因此它本身存在圄3施工階段厚土處襯砌軸力(單位:kN)固有不連續(xù)接縫或接頭。所以,可以將管片離散為梁?jiǎn)卧鴮晒芷g的接頭離散成雙節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的接頭單元。對(duì)于管片錯(cuò)縫拼裝下環(huán)間接頭的縱向加強(qiáng)作用24可采用剪切模型來(lái)模擬,剪切模型包括沿管片體徑向和環(huán)向剪切,其基本原理同上。2盾構(gòu)襯砌有限元計(jì)算 與配筋設(shè)計(jì)本工程管片采用錯(cuò)縫拼裝,形式為A-B-C,管片圖4施工階段厚土處襯砌剪力(單位:kN)材料為C50混凝土,環(huán)寬1m,厚度0.25m,E=3.5x10'kPa,1=0.0013mt ,A = 0.25m2。計(jì)算模型采用曲梁-2.1.4驗(yàn)算及配筋接頭元不連續(xù)模型,水土壓力計(jì)算時(shí),因?yàn)楦餐敛蛔?1)最不利截面確定經(jīng)過(guò)對(duì) 多個(gè)截面試算配筋,2D(D為管片直徑),故采用全部土柱重量作為豎直土發(fā)現(xiàn)彎矩較大、軸力較小的截面相對(duì)配筋較多,因而將壓,側(cè)壓力計(jì)算采用朗金土壓力理論。它作為是不利裁而進(jìn)行重占哈笪。計(jì)算時(shí)對(duì)施工階段和使用階段分別計(jì)算。施工階中國(guó)煤化工M= 11k9.m,Nv=段管片不受內(nèi)水壓作用,只受到外部水土壓力和超載225kHCNMH C采用I級(jí)鋼,內(nèi)層作用,而使用階段受到內(nèi)水壓作用。在計(jì)算中取岸邊622,外層6p22。覆土最厚處和水庫(kù)覆土最薄處2個(gè)截面進(jìn)行分析。厚(3)接縫張開(kāi)量計(jì)算環(huán)向螺栓 達(dá)到允許應(yīng)力覆土處水土合算,淺覆土處水土分算。340000/1 .55= 219400kPa時(shí),內(nèi)側(cè)螺栓伸長(zhǎng)量OL =.42施工技術(shù)第33卷0.209mm,襯砌外側(cè)張開(kāi)量B = 0.9mm < 3mm,滿(mǎn)足密封變化的同時(shí),彎矩增大了23.5% ,軸力減小了13.3%，條防水能力。偏心距增大了42.5% ,按此計(jì)算進(jìn)行設(shè)計(jì)將大大增加(4)裂縫寬度驗(yàn)算M= 119kN.m, N= 225kN,按襯砌結(jié)構(gòu)的造價(jià)。有效受拉混凝土截面面積計(jì)算的縱向受拉鋼筋配筋率13214141968.為1.82%,縱向受拉鋼筋合力點(diǎn)至受壓區(qū)合力點(diǎn)距離Y3>8為0.1798m,按荷載標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的鋼筋混凝土構(gòu)件縱493645429-13779619329向受拉鋼筋的應(yīng)力σ = 238210kPa,裂縫間縱向受拉鋼2gs筋應(yīng)變不均勻系數(shù)ψ= 0.6877,最大裂縫寬度w. =4850.3mm> 0.2mm,不滿(mǎn)足抗裂要求。283520-28372. 0515135在管片厚度不變的情況下,外層鋼筋采用9$20,則圉6軸力圉(單位:kN) 圉7 剪力圈(單位:kN)縱向受拉鋼筋截面面積A,=28.27cn?,按有效受拉混3結(jié)論凝土截面面積計(jì)算的縱向受拉鋼筋配筋率為0.0226,(1)施工階段厚覆土處盾構(gòu)襯砌受軸力最大,為縱向受拉鋼筋合力點(diǎn)至受壓區(qū)合力點(diǎn)距離為0. 1798m,490kN,發(fā)生在左右腰部;彎矩最大值為120kN.m,發(fā)生o。= 12200kPa, ψ = 0.6885, Ww.. = 0.204mm,滿(mǎn)足抗裂在底部;最不利截面位于管片底部。要求。(2)采用曲梁接頭元不連續(xù)模型可在一定程度上(5)環(huán)向螺栓驗(yàn)算環(huán)向接頭最大彎 矩發(fā)生在封節(jié)約隧道造價(jià),關(guān)鍵問(wèn)題是要正確確定管片接頭的抗頂塊，大小81kN.m,相應(yīng)軸力301kN, 偏心距eo =壓抗剪抗彎剛度,必要時(shí)可進(jìn)行接頭試驗(yàn)。0.269m,受壓區(qū)高度x =0.0238m,計(jì)算得安全系數(shù)k=(3)在地層可以提供抗力的情況下,應(yīng)考慮地層抗1.03。力的作用,可以充分利用地層本身的承載力。環(huán)向接頭最大負(fù)彎矩發(fā)生在側(cè)面，大小為57kN..參考文獻(xiàn):m,軸力為412kN, eo = 0. 138m,襯砌外側(cè)位于受拉區(qū),[1] 楊勁松.盾構(gòu)隧道村砌計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)[D].上海:同濟(jì)大學(xué)，2000因接頭處防水條不能承受拉力,故按假定斷面進(jìn)行驗(yàn)2] 劉建航，侯學(xué)淵.盾構(gòu)法隧道[M] .北京:中國(guó)鐵道出版社, 191.算:h = 0.115m,eo = 0.0705m,x = 0.036m,計(jì)算得h[3]張慶賀,朱合華。 土木工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生設(shè)計(jì)指南一-隧逍 及地= 1.53 > 1。故該截面螺栓滿(mǎn)足要求。下工程分冊(cè)[M] .北京:中國(guó)水利水電出版社, 199其他工況的計(jì)算不再贅述,只簡(jiǎn)述2個(gè)結(jié)論:①使4] 朱合華,陶履彬.盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力分析的梁:彈簧系統(tǒng)模用階段由于內(nèi)水壓的作用抵消了部分水土壓力,計(jì)算型[J].巖土力學(xué), 198,6.結(jié)果偏于安全;②淺覆土處由于土壓力較小,水壓力雖s]朱 合華.盾構(gòu)襯砌管片的設(shè)計(jì)模型與荷載分布的研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)200222).,然較大,但因?yàn)樗畨毫χ划a(chǎn)生很小的彎矩(接近于均布?jí)毫?,所以得到的彎矩值較小,軸力值相對(duì)較大,且較青藏鐵路建設(shè)攻克3大世界性難題均勻。但要注意采取抗浮措施?！案吆毖酢⒍嗄陜鐾?、生態(tài)脆弱'是青藏鐵路建設(shè)中2.2與修 正的慣用設(shè)計(jì)法計(jì)算結(jié)果的比較采用修正慣用法時(shí),剛度折減系數(shù)η=0.8,彎矩的3大世界性難題，自2001年6月29日開(kāi)工建設(shè)以來(lái),廣分配系數(shù)ξ= 0,即不考慮非接頭處彎矩的增大，以便大建設(shè)者取得了攻克3大世界性難題的突破性進(jìn)展。全長(zhǎng)100km的青藏鐵路橫跨可可西里和唐古拉山無(wú)于進(jìn)行比較,其他參數(shù)與上述相同,得到的彎矩、軸力、人區(qū),大部分地區(qū)氧氣含量?jī)H占海平面的50%左右,極端剪力如圖5.6.7所示。氣溫可達(dá)- 40C。_ -54> >-11青藏鐵路穿越550km的多年凍土地區(qū),這里的多年凍-119土復(fù)雜而獨(dú)特。科技人員相繼攻克了20多項(xiàng)世界性高原-138凍土施工難題，隧道順利貫通。青藏鐵路重點(diǎn)控制性工程138=/-127已相繼完工,鋪軌里程達(dá)580km,已完成工程合格率達(dá)-129-4支1009中國(guó)煤化工,大約21億元,占整個(gè)圉5彎矩圖(單位:kN.m)項(xiàng)目;YHC N M H G年部門(mén)最近的調(diào)查表明,青藏鐵路開(kāi)工建設(shè)以來(lái),青藏高原水環(huán)境一直處于良由圖5~7可見(jiàn)，按勻質(zhì)圓環(huán)計(jì)算,在最危險(xiǎn)截面好的保持狀態(tài),生態(tài)環(huán)境未受明顯影響。(方法1為隧道底部,方法2為隧道頂部)的位置發(fā)生(摘自《中國(guó)建筑報(bào)>2004-09-09)