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1、第23卷第4期地下空间Vol.23No.42003年12月UNDERGROUNDSPACEDec.2003文章编号:10012831X(2003)0420352205X几种盾构隧道管片设计方法的比较朱伟,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:
2、U452.4文献标识码:A(3)选取设计计算方法时应注意什么,方法选1引言取的原则?我国近几年在若干大城市开始了大规模的地2国内外常见的四种设计计算方法下铁路建设工作。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2.1四种设计计算方法的结构模型成为地铁隧道施工的主流技术。在我国,上海是较第一种方法是将管片环作为刚度均匀的环来早使用盾构隧道施工技术的城市,最近北京、广州、考虑的设计计算法,此方法不考虑管片接头部分的南京、深圳等地都在地铁施工中开始使用盾构技弯曲刚度下降,管片环和管片主截面具有同样刚
3、术,也可以说盾构技术是一个正在兴起的新技术。度、并且弯曲刚度均匀的方法(以下称为惯用法),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
4、性,对常见的四种图1各种计算方法所采用的管片环的结构特征设计方法进行了计算对比,主要目的是明确以下三如图1(a)所示。第二种方法也是将管片环考虑为个问题:弯曲刚度均匀的环,但考虑了管片接头部分的弯曲(1)各种设计计算方法将怎样影响设计结果?[1](以下称为修刚度下降和环向螺栓处的弯矩上升(2)对设计设计结果的影响大小、影响范围如正惯用法),如图1(a)所示。第三种方法是将管片何?接头作为铰结构来考虑,地基与管片环之间的相互X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
5、从事盾构隧道设计、施工等方面的研究。2003年第4期朱伟等:几种盾构隧道管片设计方法的比较研究353作用用地基弹簧来表示的设计计算法(以下称为多四种结构模型的比较表1铰环法),如图1(b)所示。第四种方法是将管片主方法环向接头径向接头截面模拟成梁、将管片环向接头模拟成旋转弹簧、惯用法不考虑不考虑将环径向接头模拟成剪切弹簧,将地基与管片环之修正惯用法刚度降低弯矩增减间的相互作用用地基弹簧来表示,是一个较为接近[2]多铰环法铰环向接头实际情况的设计计算方法(以下称为梁一弹簧梁-弹簧法旋转弹簧剪切弹簧法),如图1(c)所示。四
6、种结构模型的比较见表1。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是将隧道顶部计算水压力作为垂直水压力和水平方法受力特性水压力,不考虑水压力在隧道高度上的变化。而多自环顶部向左右45°～135°分布的均布铰环法、梁2弹簧法考虑水平水压力在隧道高度上惯用法(三角形)荷载的增加,水压力作用的方向指向管片形心。自环顶部向左右45°～135°分布的均布2.3设计计算的实施修正惯用法(三角形)荷载根据以上理论编制了4种设计计算方法计算多铰环法地层抗力全部转换成地基弹簧程序。计算中的一些取值原则参考了日本土木学梁2弹
7、簧法地层抗力大部分转换成地基弹簧[1]会盾构规范和日本铁道技术综合研究所盾构隧[2]道设计规范。2.2四种设计计算方法的荷载系统3基本计算条件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3.1设计计算的基本围岩条件力、水平土压力及上部垂直荷载抗力的设定是基本为了比较四种设计计算方法所产生的差异,本一致的。主要的区别在于水平地基抗力的设定方文以深圳地铁盾构隧道工程的地质条件和衬砌管法上,如表2所示,惯用法和修正惯用法是将水平片为基本条件进行了计算比较。深圳地铁隧道主地基抗力作为一个三角
8、形均布荷载来考虑,而多铰要埋置于第四系全新统海相冲积的淤泥、粉质粘土环法及梁2弹簧法是通过地基弹簧来考虑的。另层;第四系中更新统残积的砾质、砂质粘土层以及外,在水压力的作用方式上,惯用法与修正惯用法燕山期花岗岩的风化土层内。在此选择了四种工354地下空间第23卷况进行了比较计算:CASE-1—浅埋工况、CASE-况和
