盾构隧道衬砌计算方法.ppt

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1、第十章盾构隧道衬砌计算方法10.1国内外的发展动态-常用模型盾构隧道的设计模型，多用荷载一结构模型。但由于其断面为圆形，地层结构法对均一地层中单孔圆形隧道也取得了精确的解析解，但其他情况仍须借助数值逼近。国际隧道协会(ITA)推荐使用日本(修正)惯用设计法、弹性地基梁法及有限元法。目前简化模型有均质圆环法、弹性铰法、多铰圆环模型和梁-弹簧模型。其中最常用的是均质圆环法，即日本的惯用设计法。日本提出并进一步发展了梁-弹簧模型。10.2荷载结构法的假设荷载结构法对于实际情况的假设如下:(I)对于盾构隧道管片简化、对实际情况的简化及基本假设。①假定地层和衬砌处于平面应变状态。

2、②对于浅埋隧道，作用在衬砌上的主动土压力取为上覆地层全部厚度的土柱重。如有地面附加荷载，附加荷载需予考虑。对于深埋隧道，衬砌上的主动土压力用泰沙基土压力理论或普氏理论。③在地层和衬砌之间存在着约束，这种约束可能是径向的或切向的或两种都有。荷载结构法的假设④由于衬砌和地层的共同作用，衬砌的变形将引起地层的抗力。⑤地层和衬砌材料假定是弹性的。⑥衬砌是均质和连续的。由于接缝之间都设有一定数量的螺栓连接，且相邻环之间采用错缝拼装的形式来弥补接缝刚度的不足，因此衬砌可假定为均质的和连续的。(2)对于外荷载的简化。①竖向水压力和土压力按匀布荷载计算。②水平向水压力和土压力按均匀变化

3、荷载考虑。③衬砌在竖向主动土压力作用下发生压扁变形，引起介质的被动抗力。10.3地层结构法认为衬砌与地层一起构成受力变形的整体，并可按连续介质力学原理来计算衬砌和周边地层的计算方法称为地层结构法。地层结构法由于实际情况的复杂性，只对小部分问题取得了解析解，而大部分问题只能依赖数值解。10.4均质圆环法计算管片衬砌内力自由变形圆环模型是将盾构衬砌结构视作在土体中自由变形的弹性均质圆环，不考虑管片接头刚度变化的影响，将地基抗力假定为三角形分布荷载进行计算。自由变形圆环内力求解采用弹性中心法，即根据荷载和结构均对称于竖直轴，取半结构进行分析，根据弹性中心处的相对角位移和相对水

4、平位移为零的条件，列出力法方程，求出多余未知力，再根据多余未知力求出圆环任意截面上的内力。自由变形圆环法即属于荷载结构模型。它同样基于荷载结构法的假设以及简化。均质圆环法的外荷载包括竖向和水平土压力、水压力、自重压力和地基反力。用弹性中心法计算得到各个截面的内力。竖向和水平土压力、水压力土压力——计算土压力时的土壤容重，地下水位以上的取土壤湿容重，地下水位以下的取水下容重。若隧道覆盖层厚度小于2D，则拱顶土压力按土柱高度确定(若有地面附加压力，则需加上附加压力)。若隧道覆盖层厚度不小于2D，则按泰沙基公式算折减后的竖向土压力水压力——一般情况下作用在衬砌上的水压力为静水

5、压力。但为了简化计算，也可以将水压力取为拱顶以上和隧底以下其值分别与该处静水压力相等的匀布竖向压力以及由拱顶至隧底均匀变化的水平荷载，其值分别与在拱顶和隧底处的静水压力相等。地基反力衬砌和地层是相互作用的，对地层反力简化的不同将引起衬砌变形及内力的不同。均质圆环法假定作用于两侧的土反力是随着衬砌向地基内位移而产生的，竖向正负45°范围内为脱离区，而水平方向正负45°范围内，按三角形分布的荷载考虑(以水平直径上的点为顶点)，水平直径上点的土反力与衬砌向地基内的水平位移成正比。土壤介质的侧向弹性抗力系数的取值不同，衬砌结构内力的M、N值也随之相应的变化，对工程的经济意义很大

6、，必须谨慎合理，保证结构具有一定的安全度。均质圆环法内力表10.5弹性地基梁法——结构模型弹性地基梁法将衬砌结构看成弹性地基上的圆环，当土体中管片衬砌产生变形时，衬砌周围的土体将阻止管片变形，即产生土体抗力。弹性地基梁法用弹性地基弹簧来模拟衬砌围岩的相互作用。弹性地基梁法从考虑土体抗力的不同可分为两种模型，一种是全周弹簧模型，另一种是局部弹簧模型。局部弹簧模型假定在拱顶90°范围内为脱离区，不产生土体抗力。全周弹簧模型，见图2。弹性地基梁法计算图式见图3。弹性地基梁法——计算方法用有限元法，把衬砌结构离散为有限个梁单元，对于梁单元，其单元刚度矩阵与结构力学中杆单元的单元

7、刚度矩阵相同。取梁轴线为x轴，可写出该梁单元的单元刚度矩阵。将所有梁单元和弹簧单元在局部坐标系下的单元刚度矩阵变换为整体坐标系下的单元刚度矩阵,再把所有整体坐标系下的单元刚度矩阵组成总体刚度矩阵,然后将围岩压力转化为节点荷载,再利用边界条件求出梁单元的内力和位移。假定各节点位移以使地基弹簧受压为正,若求出某节点位移为负(向隧道内位移),即此处弹簧受拉,则将此处的地基弹簧去掉,重新进行计算,在去掉位移为负的节点处的地基弹簧后，经计算若某个已被去掉地基弹簧的节点处位移又为正,则需将此处的地基弹簧加上再重新计算,直到所有的地基弹簧都受压为止。1