深圳污水通道盾构管片设计计算

施工技术2004年10月40CONSTRUCTION TECHNOLOGY第33卷第10期深圳污水通道盾构管片设计计算林志',姜勇2(1.铁道第二勘察设计院,四川成都610031;2. 同济大学,上海 200092)[摘要]对比分析了修正的惯用设计法、梁接头元连续和不连续模型等3种设计法的原理。通过对深圳水库流城污水通道盾构管片进行受力及配筋计算,得出曲梁~接头元不连续模型设计法更为经济、合理。[关键词]盾构管片;错缝拼装;设计[中图分类号] U455;TU942[文献标识码] A[文章编号] 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深圳水库流域污水通道从深圳水库下面通过，管算两种方式决定。为弥补惯用设计法的不足,引人修道衬砌内径为4.0m,采用盾构法施工。根据提供的有正的惯用设计法。关工程地质资料,地层从上至下为:素填土层,淤泥质引入由于管片间接缝存在使得整体刚度降低的折粘土层,粉质粘土层,细砂层,粗砂层,卵石层,强风化减参数η.则:长石石英岩层和弱风化长石石英岩层。EI* = nEI(0< η< 1)(1)该污水管道通过深圳和香港两地居民饮用水库的且不考虑地层弹簧直接作用，取而代之的是在水下方,因此,在该工程的施工期间及工程竣工后,均不平两侧按Winkler地基反力变形的线性假定,在水平向允许污染水库,更不允许管道内的污水外泄。因而对量45°范围内地层反作用力分布是以等腰三角形状作设计计算提出了较高的要求。用在管片上,腰顶点大小为δ(见图1),即1盾构衬砌有限元理论与分析δ=(2Pw- Qown- Qm)R'(2)24( nEl/h+ 0.045K,RF)在盾构隧道衬砌结构中管片接头和管片环间接头对衬砌结构的内力和变形,尤其是接头部分的内力和H = 2Rsin45° =v2R .(3)变形起着极其主要的影响作用。本文采用曲梁接头式中:R--管 片中心线处半径;h--管片厚;元不连续模型,并与修正的惯用设计法对比。1.1修正的惯用设计法Ko一地层反力 系数;惯用设计法不考虑管片接头柔性特征,将拼装衬分别为卜、下垂直荷重;砌作为均匀刚度来设计;作用在衬砌结构上的初始静中国煤化工平荷重。止荷载则按如下方式确定:对于砂土、硬质粘土和固结MHCNMHG粘土,当上覆土层厚度大于1.5倍隧道直径时采用泰[收稿日期] 2004-06-24;[修订日期] 200408-31沙基公式,否则按覆土层厚度直接给出土压荷载;此[作者简介]林志(1957--),男 ,四川南江人,铁道第二勘察设计院桥隧处工程师，四川成都市通锦路3号610031, 电话:外,地层中的水压力视地层条件由水土合算和水土分(028)812398852004 No.10林志等:深圳污水通 道盾构管片设计计算4对于错缝拼装方式,为考虑相邻管片环间的弯矩2.1施工阶段厚覆土处设计分析传递作用,引入弯矩增加系数ξ,故实际弯矩为2.1.1水 土压力计算M=(1+ξ)M°(4)土体φ平均值23.72*,c平均值为37.03kPao顶部式中,M*为计算弯矩。对于接头部分的弯矩,在设计压力为188.6kPa,顶部侧压为32.04kPa,底部侧压为时可考虑为(1- &)M*。71. 1kPa,底部对管片压力为208.2kPa,乘以荷载分项系Pon数后,其值分别为:226.3、38.4.85.3kPa(未包括底部对管片压力,该部分由程序自动计算,下同)。| >82.1.2地层反力系数根据地质资料提供的标准贯人击数得法向反力系J Qan数为15000kPa/m,切向反力系数为3000kPa/m。图1修正的惯用设计法的荷载分布模式2.1.3计算结果1.2 直(曲)梁~接头元连续模型计算得到的管片弯矩、轴力、剪力分别如图2.3.4直(曲)梁-接头元连续模型是建立在线弹性理论所示。基础上,即接头元和管片本身均为弹性体,将管片视为448453603-24梁,接头视为变形连续的弹簧。采用卡氏第二定理(δ-s7=aU/aF),先求得柔度阵,再对之求逆，即得到刚度4-76阵。梁_接头连续模型法为日本现行设计法。地层弹-787-64簧作用与否按平衡迭代方式进行。对错缝式拼装,纵向连接螺栓作用模拟成接头元。但是,梁接头连续模型是建立在适用于线弹性介质的卡氏第二定理的基础图2施工阶段厚覆土处衬砌弯 矩(单位:kN. m)上,它不能全面、准确地模拟管片接头的非线性性状。298301288而试验表明接头内力变形关系在整个加载过程表现382397出明显的非线性特征。44041.3直(曲)梁-接头元不连续模型5-487478该模型从结构的非线性出发,引进了非线性介质457<393力学数值分析的古德曼单元的思想,并认为接头单元318286具有抗拉伸作用。盾构隧道是由若干管片组成的,因此它本身存在圄3施工阶段厚土处衬砌轴力(单位:kN)固有不连续接缝或接头。所以,可以将管片离散为梁单元，而将两管片间的接头离散成双节点构成的接头单元。对于管片错缝拼装下环间接头的纵向加强作用24可采用剪切模型来模拟,剪切模型包括沿管片体径向和环向剪切,其基本原理同上。2盾构衬砌有限元计算 与配筋设计本工程管片采用错缝拼装,形式为A-B-C,管片图4施工阶段厚土处衬砌剪力(单位:kN)材料为C50混凝土,环宽1m,厚度0.25m,E=3.5x10'kPa,1=0.0013mt ,A = 0.25m2。计算模型采用曲梁-2.1.4验算及配筋接头元不连续模型,水土压力计算时,因为覆土不足(1)最不利截面确定经过对 多个截面试算配筋,2D(D为管片直径),故采用全部土柱重量作为竖直土发现弯矩较大、轴力较小的截面相对配筋较多,因而将压,侧压力计算采用朗金土压力理论。它作为是不利裁而进行重占哈笪。计算时对施工阶段和使用阶段分别计算。施工阶中国煤化工M= 11k9.m,Nv=段管片不受内水压作用,只受到外部水土压力和超载225kHCNMH C采用I级钢,内层作用,而使用阶段受到内水压作用。在计算中取岸边622,外层6p22。覆土最厚处和水库覆土最薄处2个截面进行分析。厚(3)接缝张开量计算环向螺栓 达到允许应力覆土处水土合算,浅覆土处水土分算。340000/1 .55= 219400kPa时,内侧螺栓伸长量OL =.42施工技术第33卷0.209mm,衬砌外侧张开量B = 0.9mm < 3mm,满足密封变化的同时,弯矩增大了23.5% ,轴力减小了13.3%，条防水能力。偏心距增大了42.5% ,按此计算进行设计将大大增加(4)裂缝宽度验算M= 119kN.m, N= 225kN,按衬砌结构的造价。有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率13214141968.为1.82%,纵向受拉钢筋合力点至受压区合力点距离Y3>8为0.1798m,按荷载标准组合计算的钢筋混凝土构件纵493645429-13779619329向受拉钢筋的应力σ = 238210kPa,裂缝间纵向受拉钢2gs筋应变不均匀系数ψ= 0.6877,最大裂縫宽度w. =4850.3mm> 0.2mm,不满足抗裂要求。283520-28372. 0515135在管片厚度不变的情况下,外层钢筋采用9$20,则圉6轴力圉(单位:kN) 圉7 剪力圈(单位:kN)纵向受拉钢筋截面面积A,=28.27cn?,按有效受拉混3结论凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率为0.0226,(1)施工阶段厚覆土处盾构衬砌受轴力最大,为纵向受拉钢筋合力点至受压区合力点距离为0. 1798m,490kN,发生在左右腰部;弯矩最大值为120kN.m,发生o。= 12200kPa, ψ = 0.6885, Ww.. = 0.204mm,满足抗裂在底部;最不利截面位于管片底部。要求。(2)采用曲梁接头元不连续模型可在一定程度上(5)环向螺栓验算环向接头最大弯 矩发生在封节约隧道造价,关键问题是要正确确定管片接头的抗顶块，大小81kN.m,相应轴力301kN, 偏心距eo =压抗剪抗弯刚度,必要时可进行接头试验。0.269m,受压区高度x =0.0238m,计算得安全系数k=(3)在地层可以提供抗力的情况下,应考虑地层抗1.03。力的作用,可以充分利用地层本身的承载力。环向接头最大负弯矩发生在侧面，大小为57kN..参考文献:m,轴力为412kN, eo = 0. 138m,衬砌外侧位于受拉区,[1] 杨劲松.盾构隧道村砌计算机辅助设计[D].上海:同济大学，2000因接头处防水条不能承受拉力,故按假定断面进行验2] 刘建航，侯学渊.盾构法隧道[M] .北京:中国铁道出版社, 191.算:h = 0.115m,eo = 0.0705m,x = 0.036m,计算得h[3]张庆贺,朱合华。 土木工程专业毕业生设计指南一-隧逍 及地= 1.53 > 1。故该截面螺栓满足要求。下工程分册[M] .北京:中国水利水电出版社, 199其他工况的计算不再赘述,只简述2个结论:①使4] 朱合华,陶履彬.盾构隧道衬砌结构受力分析的梁:弹簧系统模用阶段由于内水压的作用抵消了部分水土压力,计算型[J].岩土力学, 198,6.结果偏于安全;②浅覆土处由于土压力较小,水压力虽s]朱 合华.盾构衬砌管片的设计模型与荷载分布的研究[J].岩土工程学报200222).,然较大,但因为水压力只产生很小的弯矩(接近于均布压力),所以得到的弯矩值较小,轴力值相对较大,且较青藏铁路建设攻克3大世界性难题均匀。但要注意采取抗浮措施。“高寒缺氧、多年冻土、生态脆弱'是青藏铁路建设中2.2与修 正的惯用设计法计算结果的比较采用修正惯用法时,刚度折减系数η=0.8,弯矩的3大世界性难题，自2001年6月29日开工建设以来,广分配系数ξ= 0,即不考虑非接头处弯矩的增大，以便大建设者取得了攻克3大世界性难题的突破性进展。全长100km的青藏铁路横跨可可西里和唐古拉山无于进行比较,其他参数与上述相同,得到的弯矩、轴力、人区,大部分地区氧气含量仅占海平面的50%左右,极端剪力如图5.6.7所示。气温可达- 40C。_ -54> >-11青藏铁路穿越550km的多年冻土地区,这里的多年冻-119土复杂而独特。科技人员相继攻克了20多项世界性高原-138冻土施工难题，隧道顺利贯通。青藏铁路重点控制性工程138=/-127已相继完工,铺轨里程达580km,已完成工程合格率达-129-4支1009中国煤化工,大约21亿元,占整个圉5弯矩图(单位:kN.m)项目;YHC N M H G年部门最近的调查表明,青藏铁路开工建设以来,青藏高原水环境一直处于良由图5~7可见，按匀质圆环计算,在最危险截面好的保持状态,生态环境未受明显影响。(方法1为隧道底部,方法2为隧道顶部)的位置发生(摘自《中国建筑报>2004-09-09)