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1、第17卷 第2期石家庄铁道学院学报Vol117No122004年6月 JOURNALOFSHIJIAZHUANGRAILWAYINSTITUTEJun12004盾构隧道管片衬砌内力计算丁军霞, 冯卫星, 张保俭(石家庄铁道学院土木工程分院,河北石家庄 050043)摘要:介绍了盾构隧道管片衬砌内力计算的方法。自由变形圆环法作为盾构隧道管片衬砌设计的传统方法,其计算结果虽安全但偏于保守。针对一工程实例,分别用自由变形圆环法和弹性地基梁法、弹性铰法进行了内力计算,并将后两种方法的结果与自由变形圆环法的结果进行了比较,得出了一些有助于盾构隧道衬砌设计的建议。关键词:盾构
2、隧道;衬砌;内力中图分类号:U451 文献标识码:A 文章编号:100623226(2004)02200662041 引言近年来,由于城市建筑、公共设施及各种交通日益繁杂,地面拥挤的现象越来越严重,地铁作为一种交通工具,其发展规模越来越大,同时地下铁道、各种地下管线及其它地下构筑物的纵横交错,使得传统的施工方法难以普遍使用,因此,盾构法由于其独特的优势而得到越来越广泛的应用。[1]地下工程中常用的计算方法是荷载结构法和地层结构法。荷载结构法认为地层对结构的作用只是产生作用在地下结构上的荷载,以计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形。地层结构法认为衬砌与地层一起构成受力变形
3、的整体,并可按连续介质力学原理来计算衬砌和周围地层的内力和变形。地层结构法的特点是不仅计算衬砌结构的内力,而且计算洞室周围地层的应力。由于地层结构法尚处于发展阶段,目前在具体的工程设计中并不常用。盾构隧道管片衬砌设计仍以荷载结构法为主。在工程实践中,又多以自由变形圆环法为主。但自由变形圆环法在对实际情况的假设时,忽略了衬砌接头的影响,并且土层抗力只考虑拱腰部分,这使得计算结果偏于保守。而弹性地基梁法在衬砌全周都考虑了土层抗力,弹性铰法则同时考虑了全周土层抗力和接头对衬砌刚度的影响。针对上海某区间隧道,同时用上述3种方法进行了内力计算,并将计算结果进行了比较。2 计算方法
4、简介目前用于盾构隧道衬砌设计计算的模型主要采用荷载结构模型。荷载结构模型按土层抗力和接头模拟的假设进行各种组合:(1)接头部分的假设。接头和管片为等刚度的均质圆环(用刚度折减系数折减);接头转动刚度为零,铰接;用弹簧模拟接头部分(含环向和径向)。(2)土层被动抗力的假设。忽略土层的被动抗力;考虑被动抗力,被动抗力按假定分布;用弹簧力模拟被动抗力。根据这两类假设的不同,考虑了土层抗力和接头的3种组合,即3种计算方法。 收稿日期:2003205215作者简介:丁军霞 女 1972年2月出生 助教第2期 丁军霞等:盾构隧道管片衬砌内力计算
5、 67211 自由变形圆环法[2]自由变形圆环法是将盾构隧道衬砌结构视为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,将土层抗力假定为三角形分布荷载进行计算(在水平轴上下45°范围内),荷载计算图式如图1。自由变形圆环法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,取半结构进行计算,根据弹性中心处的相对角位移和相对水平位移为零的条件,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。图1 均质圆环法计算图式212 弹性地基梁法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[3
6、,4]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与围岩的相互作用。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。本文所用模型为全周弹簧模型,见图2。弹性地基梁法计算图式见图3。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。图2 全周弹簧模型 图3 弹性地基梁法计算图式EAEA00-00ll12EI6EI12EI6EI
7、0320-32llll6EI4EI6EI2EI020-2{ellll[K]=(1)EAEA-0000ll12EI6EI12EI6EI0-3-203-2llll6EI2EI6EI4EI020-2llll式中,E为管片衬砌的弹性模量;I为梁单元截面惯性矩;A为梁单元截面积;l为梁单元长度。对于弹簧单元,其单元刚度k为k=Krs(2)式中,Kr为围岩的侧向弹性抗力系数,根据试验或经验确定;s为相邻单元长度和的一半。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
