盾构隧道管片设计的主要影响因素分析_赵国旭

赵国旭

＊1

,何　川

2

(1.广州市地下铁道总公司建设事业总部,广州　510030;2.西南交通大学土木工程学院,成都　610031)

【摘要】分析影响管片设计的主要因素如管片形状尺寸、管片受力结构、管片设计细节等。结合某工程实例,对管片厚度、管片环的整体偏转、管片环分块与接头位置、管片环拼装方式等进行设计优化,得出一

些有益的结论。

【关键词】盾构隧道　管片设计　影响因素

2块B型管片和1块最后封闭成环的K型管片组成。

管片的分块直接影响螺栓的个数,所以应综合考虑,以方便施工。

1.2　管片结构设计方法及荷载

(1)管片结构设计计算方法:管片的设计必须以安全性为基础。在计算管片环的断面应力时,应根据管片种类、接头形式、接头位置组合所产生的接头效应等,对衬砌的结构特性进行确切的评价。在计算管片环的断面应力时,常用的有三种方法:把管片环作为具有均质刚度的环来考虑的方法;作为多铰环来考虑的方法;作为由回转弹簧和剪切弹簧支承的环来考虑的方法。

(2)荷载:计算管片结构时的荷载一般包括垂直和水平土压力、水压力、自重、上覆荷载、地基抗力、内部荷载、施工荷载、地震影响、平行相邻隧道的影响、施工环境的影响、地基沉降的影响及其它。1.3　管片设计细节

影响管片设计细节的因素包括对接头结构、螺栓配置、防水结构、注浆孔、起吊环、配筋、防锈蚀等。

1　影响管片设计的因素

管片是盾构隧道的永久衬砌结构,管片设计的成功与否直接关系到盾构隧道的质量和寿命。盾构隧道的断面形状一般多为圆形,目前使用最多的是单层钢筋混凝土管片衬砌。通过长期的研究和应用实践,普遍认为影响管片设计的因素包括隧道的使用功能(如作为公路隧道、排水管、地铁隧道等)、结构运营寿命、运营空间要求(如净空、线路、施工精度等)、预埋件结构(如起吊件、连接预埋件等)、防水要求、规范规定的要求等

[1、2]

。以上因素从三方面来叙述。

1.1　管片形状尺寸

(1)管片环的外径取决于隧道净空和管片厚度。(2)管片的厚度主要取决于荷载条件,但有时隧道的使用目的和管片施工条件也起支配作用,如为了防腐蚀而加大管片厚度。

(3)管片的宽度:考虑便于搬运、组装以及在隧道曲线段上的施工、盾尾长度等条件,管片宽度小一些为好。但是,从降低隧道总长的管片制造成本、减少易出现漏水等缺陷的接头数量、提高施工速度等方面考虑,则宽度大一些好。所以,应根据隧道断面,结合实际施工经验,选择在经济性、施工性方面比较合理的尺寸。

(4)管片环的分块:管片环一般由数块A型管片、

＊赵国旭　广州市地下铁道总公司建设事业总部工作,同时在西南交通大学土木工程博士后流动站做在职博士后。

2　工程背景

管片设计定型是进行盾构隧道设计的第一个重要环节。管片的形式、尺寸等有关参数对盾构机的外径、总长、装备能力、机型选择、推进方式乃至工期等的确定都有直接影响。为使管片研究更接近工程实际,我们结合国内某地下铁道区间盾构隧道工程进行管片的度、实时的网络化数字视频服务,将能大大增强提供信息资源的服务能力,协助保障快速、高效、安全的城市地铁轨道交通,并且能为城市工程抢险、紧急医疗救护、防灾救灾以至国防需要等提供综合服务。

改回日期:2003-10-20

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设备,从而阶段性地过渡到一个全数字化的高级方案。可最大限度地融合原有系统,逐步实现全系统改造,有效地保护用户已有资源。

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铁道建筑　　2003年第12期(责任审编　王　红)

—25—

优化设计和分析研究。工程原管片设计参数为:外半径3.1m,内半径2.75m,中心半径2.925m,宽度1.0m,厚度350mm,分块数目为6块且最大的底块为84°,拼装方式为通缝拼装。

影响管片设计的因素很多,如隧道直径、土压力大小和方向、周围地层的结构和特性、管片本身的尺寸、拼装方式等,其中可以通过人为改变的因素只有管片的设计厚度与宽度、管片的分块、拼接方式等,所以本文主要从人为可改变的因素来研究管片设计的优化,优化改进的具体思路为:

(1)在管片衬砌结构施工期间的安全性和使用阶段的安全储备不低于原设计的前提下,通过采用合理的分块、整体偏转等手段,保持配筋总量不变,只将原来设计的管片厚度350mm减薄为300mm以节约材料、减少开挖量,并由此减小盾构机外径与装备能力,从而降低工程造价。

(2)将原设计管片的宽度1.0m扩宽到1.2m,以减少同样里程内的隧道环间接缝,降低漏水概率,提高防渗效果。由于将衬砌环的纵向接头数减少20%左右,可减少管片制作和安装费用,提高功效,加快施工进度。

(3)通过调整衬砌环分块及环向、纵向接头位置,将原设计管片的全区间通缝拼装方式,根据所在区间具体位置改变为通缝拼装与错缝拼装兼用的方式,以改善衬砌结构的受力状况和抗变形能力,发挥各拼装方式的优势。

注:(a)均质圆环;(b)考虑接头的存在与实际刚度

图1　衬砌圆环计算的力学模式

　　衬砌圆环与周围土体的相互作用通过设在衬砌圆环周边只能受压的径向弹簧单元和切向弹簧单元来体现,这些单元受拉时将自动脱离,计算中用迭代法来实现这一情况,弹簧单元的刚度由衬砌周围土体的地基抗力系数按表1取定。

3　管片结构数值计算分析

3.1　计算的力学模型

对盾构隧道管片结构截面内力及变形方面的计算,目前国内外尚无完全成熟的、公认的计算方法,大多以经验性的简化计算为主。本次计算中,首先用较精确的计算法(考虑接头位置与刚度及通缝与错缝的实际差异,并考虑隧道与周围土体的实际相互作用关系)与简化的计算法(均质圆环)进行比较(见图1)。结果表明,简化计算法因不能显示接头位置,难以反映实际的受力状况,且计算结果偏于不安全,故统一采用能考虑接头位置与刚度的计算法。管片结构的总体计算力学模式采用荷载—结构模式(见图2)。计算荷载按水土压不分离作用方式考虑。其中,竖向荷载W1为隧道上方土体的自重γH(γ为湿重力密度)和地面荷载P0之和,侧向荷载q1和q2为相应点的竖向荷载乘以侧压系数λ,隧道底部的竖向反力W2为竖向荷载W1与隧道自重Wg之和。—26—图2　管片的荷载模式

衬砌圆环的结构按以下两种力学模式进行模拟:(1)均质圆环。将衬砌圆环考虑为弹性均质圆环,用刚度折减系数η(η<1)来体现环向接头的影响,不

考虑接头具体位置,即仅降低衬砌圆环的整体抗弯刚度。用曲梁单元模拟刚度折减后的衬砌圆环。

此种模式仅用于通缝式接头的计算,并根据经验将η取0.55、0.65、0.75作对比计算分析。

(2)考虑接头刚度。在一衬砌圆环内,具体考虑环向接头的存在和接头的刚度,用曲梁单元模拟管片的实际情况,用接头抗弯刚度Kθ来体现环向接头的实际抗弯刚度。如错缝式拼装时,因纵向接头将引起衬砌圆环间的相互咬合作用,此时根据错缝拼装方式,除考虑计算对象的衬砌圆环外,将对其有影响的前后的衬砌圆环也作为对象,采用空间结构进行计算,并用圆环径向抗剪刚度Kr和切向抗剪刚度Kt来体现纵向接

铁道建筑　　2003年第12期头的环间传力效果。

根据计算管片的接头情况,参照国内外有关试验研究结果

4[3、4]

头、配筋总量及其它部分均与“原设计”一致,可理解为将原管片外部取走50mm厚的混凝土,纵向接头位置及纵向通缝式拼装方式不变。主要尺寸为:外半径3.05m,内半径2.75m,中心半径2.9m,宽度1.0m,厚度300mm,环的块数为6块。

(3)对“减薄型”管片的分割角度进行调整(简称“减薄调整型”)。除管片的分割角度外,其它与“减薄型”一致。“减薄调整型”的衬砌环分块仍为6块,封顶块22.5°,其余5块均为67.5°,纵向拉力联系为16处,按22.5°等角度布置。

管片的布置见图3,管片在纵向可实现通缝式和错缝式两种方式拼装,主要尺寸为:外半径3.05m,内半径2.75m,中心半径2.9m,宽度1.0m,厚度300mm,分块仍为6块。

作为计算对象的盾构隧道管片有三种类型,即“原设计”、“减薄型”、“减薄调整型”。对各种类型的计算均在完全相同的荷载条件及土体约束条件下进行,因此具有可比性。

,对全部环向接头的抗弯刚度Kθ,在隧道

4

内侧受拉时取为5×10kN·m rad,隧道外侧受拉时取为3×10kN·m rad。

另外,当采用错缝拼装时,基于偏向安全的考虑,纵向接头的径向抗剪刚度Kr和切向抗剪刚度Kt均取为无穷大,即认为各环管片在纵向接头处不产生错动。3.2　荷载模式

在作用荷载方面,国内外主要采用太沙基公式或其修正公式进行土压力计算,并有将土压与水压作分离或联合的多种方法,但均带有较大的主观性和近似性。故从安全方面考虑,国外也有取最小土压力≮2D或1.5D(D为盾构隧道外径)覆土自重的经验法。考虑到本次计算的最小、最大埋深分别为11m和15.17m,故为安全计,考虑上覆土体自重完全作用于隧道结构上(即考虑全土柱荷载)。3.3　土质条件

选择盾构将直接穿越的3类有代表性的土体作为计算对象,即淤泥质粉质粘土、粉土、粉砂。计算所需参数根据地质情况综合取定。

计算中,首先分别对盾构穿越的3种有代表性的土质进行对比计算,经比选后取最不利的淤泥质粉质粘土作最后计算依据,见表1。

表1　计算参数

计算分类

隧道埋深 m

土重力密度 (kN m3)地面荷载 (kN m2)侧压系数

地基抗力系数 (kN m)

3

淤泥质粉质粘土11及15.17

18200.443960

粉土1118200.483000

粉砂1118200.484000

图3　减薄调整型管片布置图(单位:mm)

3.4.2　截面内力、变形等的计算

通过对荷载类别、管片类型、土体性质、埋深、拼装

方式、衬砌圆环计算的力学模式等进行组合,共对有代表性的21组荷载管片结构方案进行了计算。

3.4　计算方案

3.4.1　计算管片的类型

(1)原设计盾构隧道管片(简称“原设计”)。原设计管片在纵向为通缝式拼装,管片的分割角度、尺寸、材料、接头、配筋及其它各部分均按设计图(对直线路段的衬砌圆环(SR)进行计算)。主要尺寸为:外半径3.1m,内半径2.75m,中心半径2.925m,宽度1.0m,厚度350mm,衬砌环分成6块。

(2)原设计盾构隧道管片的减薄型(简称“减薄型”)。隧道内径不变,仅将“原设计”管片的厚度由350mm减薄为300mm,而管片的分割角度、材料、接

铁道建筑　　2003年第12期4　计算结果分析

4.1　管片厚度

“原设计”在11m埋深条件下,拱顶变形4.35mm,具有较大安全储备。但当埋深为15.17m时,拱顶变

形达5.91mm,接近0.1D的允许变形量(本次计算设定标准)。同时因拱底块出现的弯矩过大而导致内侧混凝土受拉裂缝达0.264mm,超过了0.2mm的设定

—27—

标准,但这是在15.17m土柱重量这一超荷载作用下的结果,不能轻言原设计不能成立,这里仅将其作为参照进行对比。

“减薄型”的计算结果为:在11m埋深下(No.2)能满足设计要求,在15.17m埋深下(No.13)拱底块内侧混凝土裂缝为0.224mm,超过了0.2mm的设定标准而小于“原设计”的0.264mm,但拱顶最大变形达6.117mm,稍微超过了0.1D(此时D=6.1m)的设定标准。

因此,“减薄型”管片结构在安全性上与“原设计”较为接近并各有优劣,作为付诸实施的设计尚缺乏充分的理由。但计算结果表明,在某一土压力范围及一定的管片分块情况下,单纯加大管片厚度会导致弯矩增大,同时引起混凝土的裂缝增大。这一现象为我们预期的当管片直径由6.1m减至约6m时,管片厚度由350mm减为300mm的想法的可行性,从侧面提供了一个有力的佐证。4.2　隧道圆环结构整体偏转

在其它条件不变的情况下,将“原设计”和“减薄型”隧道圆环结构整体向左或向右偏转15°(非错缝拼装),再进行计算,结果为:“原设计”拱顶变形由5.91mm减为5.18mm;混凝土最大裂缝宽度由0.264mm减为0.234mm,仍大于0.2mm之标准值,但整体受力情况有所改善;“减薄型”的拱顶变形由6.117mm减为5.774mm,最大裂缝宽度由0.224mm减为0.170mm,满足各项设计要求。以上结果表明,将管片由350mm减薄至300mm后,只要合理地布置接头位置,减薄后的隧道结构能完全满足各项设计要求,并优于原设计。4.3　管片分块与接头位置

从多种方案的计算看出,“原设计”及“减薄型”的最大弯矩均在拱底出现,且量值极大,主要原因是拱底块过长,“原设计”分块角度达84°,不尽合理。“减薄调整型”则重新调整管片的分块,最大夹角为67.5°,此结构在15.17m埋深下,最大弯矩值大幅下降,最大拱顶变形值并无太大变化,说明“减薄调整型”较为合理地利用了接头的变形性能,能防止产生过大的弯矩,并能将最大变形控制在许可范围内。由此可知,类似于“减薄调整型”的管片结构尽管其厚度被减至30cm,但其受力变形情况还是明显优于“原设计”及“减薄型”的管片。4.4　管片拼装方式

盾构隧道圆环结构由于管片接头的存在,其整体抗弯刚度较无接头的、同样厚度的圆环要低许多,在受力特征上表现为变形较大,但弯矩因接头的存在而降低。—28—在能提供一定抗力的土体中,特别是在密实度较高的土体中,采用通缝式拼装时如隧道最大变形能满足允许值,管片环结构的截面内力(主要是弯矩)会得到有效控制,可充分发挥管片结构的承载能力。但在变形量大的软弱土体中,尤其是在特浅埋、施工环境复杂等特殊场合,尽管管片结构抗弯能力有很大富余,但有可能产生较大变形而丧失使用功能,此时以采用错缝式拼装为宜。错缝式拼装时,相邻环通过纵向接头的咬合作用,虽然会产生比通缝式拼装时要大的弯矩,但能有效地减少衬砌环的变形。

本次计算通过对“减薄调整型”管片的试算,用22.5°、45°、33.75°等多种偏转角,用二环一组及三环一组进行拼装组合。尽管“减薄调整型”以通缝方式拼装时,在15.17m埋深下其承载能力有较大富余,但因各种错缝式拼装均因产生过大的弯矩而导致混凝土裂缝宽度过大而达不到设计要求。

另一方面,在11m埋深时,“减薄调整型”以错缝拼装可满足抗弯的要求,同时产生的变形量很小。因此,如采用同样的管片结构,在浅埋或特浅埋段,以错缝拼装较为有利且安全可行。但“原设计”及“减薄型”因纵向接头的分布关系,不能进行错缝式拼装,其适用性将受到限制。

5　结论

根据对国内外盾构隧道工程实际情况的分析及详细的计算分析论证,提出如下具体建议:

(1)将原设计中衬砌环的管片厚度由350mm减为300mm具体实施方案,按优先度选择如下方案之一:方案一:采用类似于“减薄调整型”衬砌圆环结构。封顶块取22.5°,其余5块取67.5°,每环管片分为6块5种(即K、B1、B2、A1、A2型管片)。纵向拉力联系按22.5°设16处。管片式样、接头类型、配筋按原设计。管片结构分块见图3。

在采用通缝拼装时,封顶块处于正中,隧道整体不作偏转。当采用二环一组或三环一组的错缝式拼装,偏转角取用22.5°和45°两种角度。

方案二:采用“减薄型”衬砌圆环结构,即仅将管片厚度减为300mm,其余与“原设计”一致(在接头等细部处理方面要作小的调整)。

当采用通缝式拼装时(因不便调整为错缝拼装),衬砌圆环应整体统一向左或向右偏转15°左右(此时封顶块中心线与铅垂线呈15°的夹角),见图4。

(2)如有其它考虑,不宜减薄管片衬砌时需保持原设计的厚度,在拼装时,也宜按衬砌圆环整体向左或向右偏转15°左右的方式进行。

铁道建筑　　2003年第12期时速160km、200km列车通过隧道时

产生的压力波研究

余南阳

(西南交通大学机械工程学院,成都　610031)

【摘要】采用一维、可压缩、非定常流动理论及特征线法发展了准高速、高速列车通过隧道时引起压力波动的数值模拟方法,据此研究列车通过单线隧道和两列车在双线隧道内相会时压力波的变化规律,根据舒适度判据,得出合适的单线和双线隧道断面积,供新线隧道断面设计参考。【关键词】铁路隧道　压力波　一维流动　非定常流动　　当列车速度大于160km h时,列车与空气的相互作用变得突出,特别是当两列车以160km h的速度在

隧道内相会时,由于隧道内的空气流动受隧道壁的限制,产生相当大的压力波。这种压力波不仅会使列车上的司机、乘客感到很不舒适,而且还会危及隧道中作业人员的安全。因此,开展提速、高速列车通过隧道时产生压力波的研究,是新线铁路隧道设计和既有线隧道改造的重要依据。

理。一维完全气体绝热不稳定流动的基本方程为:

(1)连续性方程(不考虑隧道截面大小的变化)

ρ u x+u ρ x+ ρ t=0(1)　　(2)动量方程

u t+u u x+ p (ρ x)+J=0

　　(3)能量方程2 p pρ ρ+u-α+u t x t x=

(2)

ρ(k-1)(q+uJ)(3)

1　假设及基本方程

隧道内压力波动的完全描述不仅要考虑空气的可压缩性、传热和摩擦效应,而且应包括列车头尾部、隧道口、通风竖井处的三维流动。当隧道长度远大于水

力直径时,在同一截面上的空气流动可认为是均匀的,即同一截面上的压强近似相等

[1]

　　方程(2)、(3)中的摩擦项J及传热项q在隧道内不同的空气流动空间(图1)可表示为

J=[fTUu|u|STU+fTR1(u-V1)|u-V1|STR1+

fTR2(u-V2)|u-V2|STR2] (2F2AN)

q=[fTU|STU(TTU-T)+fTR1|u-v1|STR1(TTR1-T)

+fTR2|u-V2|STR2(TTR2-T)] [2FAN(k-1)]

,可用一维流动处理。

列车头尾部、隧道口和通风竖井处的三维粘性流效应

利用压力损失系数来模拟。提速列车通过隧道产生的压力波动问题可采用一维、可压缩、不稳定流动模型处

　　式中:F2AN=FTU-FTR1-FTR2;v是列车速度;ρ、t、u、p、f、a、q、v、k、F、S、L分别是空气密度、时间、空

气流速、空气压力、壁面摩擦系数、当地声速、单位时间　　(3)将以上建议中的管片宽度加至1.2m。

参

考

文

献

1　刘建航,侯学渊.盾构法隧道.北京:中国铁道出版社,19912　刘铁雄译.日本隧道标准规范(盾构篇)及解释.成都:西南

交通大学出版社,1988

3　张厚美.圆形隧道装配式衬砌接头刚度模型研究.岩土工程

学报,Vol.22,No.3,309～314

4　潘昌实译.盾构隧道衬砌设计指南(草案).世界隧道,1997(2),19～29

收稿日期:2003-09-20

(责任审编　邵根大)

图4　管片偏转示意图

铁道建筑　　2003年第12期—29—