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

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

图3 　比较计算使用的四种工况

2. 2 　四种设计计算方法的荷载系统

图3 　比较计算使用的四种工况

　　P₀ 为上覆荷载,H_w 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。

　　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。

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

图8 　不同岩性条件下计算变形的比较

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—— —Ë © ¨ ­ Ë[M] . 东京:丸善出版社,1997171

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