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1、第24卷第4期市政技术Vol.24No.42006年7月MunicipalEngineeringTechnologyJuly,2006文章编号:1009-7767(2006)04-0244-04北京地铁盾构隧道管片设计合理性探讨122郭玉海,陈丹,袁大军(1.北京市政集团第四工程处,北京100073;2.北京交通大学隧道与地下工程研究中心,北京100044)摘要:介绍了管片衬砌内力计算理论——修正惯用法和梁-弹簧模型法,并分别用其计算北京盾构地铁隧道的两个工程实例,通过比较分析得出梁-弹簧模型更符合北京地铁隧道工程实际。最后,通
2、过理论分析,推荐使用梁-弹簧模型法对北京地铁隧道管片进行设计优化,可减少其配筋量,为北京地铁工程创造更高的经济效益和社会效益。关键词:隧道工程;盾构管片;修正惯用法;梁-弹簧模型法中图分类号:U455.43文献标识码:BDiscussiononRationalityofSegmentDesignforShieldTunnelingofBeijingMetroGUOYu-hai,CHENDan,YUANDa-jun北京地铁隧道目前正处建设高峰期,工期非常紧1修正惯用法和梁-弹簧法的理论基础张。由于城市建(构)筑物拥挤,地下管线错综
3、复杂,以1.1修正惯用法理论基础[2]往传统施工方法(明挖法、盖挖法及浅埋暗挖法等)的隧道设计计算模型通常分为4种:(1)经验类比局限性日益突出。盾构工法则以其安全快速的优点得模型;(2)荷载结构模型;(3)地层结构模型;(4)收敛到了广泛应用,而作为盾构工法关键要素之一的隧道限制模型。其中最常用的是荷载结构模型和地层结构衬砌——管片,其设计与制造费用占盾构隧道建设费模型,修正惯用法就属于荷载结构法。修正惯用法的[3]用的很大比重。管片厚度、配筋率、混凝土强度等设计设计思路是:将衬砌视为具有刚度ηEI的均质圆环,参数的合理与否,
4、对体现盾构工法优越性、降低建设将计算出的弯矩乘以增大系数(1+ζ)即得到管片体的造价及提高工程经济性影响甚大;其设计的合理性与弯矩(1+ζ)M,将求出弯矩乘以减小系数(1-ζ)即得到管片采用的计算模型密切相关。因此,选择合理的管接头处弯矩(1-ζ)M。其中:η称为弯曲刚度有效率;ζ片计算模型至关重要。为弯矩增大率,它为传递给邻环的弯矩与计算弯矩之目前,北京管片设计计算模型是采用日本70年比。采用修正惯用法管片受力图式如图1所示,管片[1]代提出的修正惯用法。该计算模型未考虑管片接头的影响,计算简单,但用于北京地层是否经济合理未[
5、1]作深入研究。而梁-弹簧模型法是建立在错缝拼装、考虑管片螺栓接头形式和大小一种计算方法,为目前日本国内规范推荐使用,该模型较符合北京地铁隧道管片拼装实际状况,但用于北京盾构隧道管片设计是否更经济合理,须作分析研究。鉴于目前北京地铁建设的形势,探讨分析北京地铁盾构隧道管片设计合理性非常必要。收稿日期:2006-05-08作者简介:郭玉海(1972-),男,北京人,工程师,现从事地铁盾构隧道施工和研究工作。图1管片所受荷载2006年第4期北京地铁盾构隧道管片设计合理性探讨·245·截面内力示意图如图2所示,模型外荷载确定和内力[4
6、][5]计算公式见相关文献。图3梁-弹簧模型图2管片截面内力1.2梁-弹簧法理论基础梁-弹簧法是根据日本实际情况,考虑错接头的拼装效应而采用的方法,是村上(Murakami)和小泉(Koizumi)在弹性铰圆环模型基础上考虑错缝拼装效果;采用弹簧来评价环间的抗剪阻力,可用来解释管图4错缝拼装的解析模型片接头的转动和剪切特征,并且还给出了管片纵向接北京某盾构隧道所处地质属于第四系地层,土层头剪切效应的解析方法(又叫M—K法)。此模型同时基本上以填土、粉土、粉质粘土、砂土为主,结构覆土考虑了管片接头刚度、接头位置及错缝拼装效应,是为
7、填土、粉细砂、粉土、粉质粘土。覆土厚度为10.3m,一种较为合理的计算模型。该方法是将管片主截面简地下水位埋深13.3m。管片截面参数见表1,计算用化为圆弧梁或者直线梁构架,将管片接头看成为旋转土层参数见表2。混凝土采用C50,主筋采用热轧钢弹簧,将环接头看成为剪切弹簧的构造模型,将其弹[6]筋HRB335,螺栓采用A级或M24,力学等级8.8级,性性能用有限元法进行构架分析,计算截面内力。直[7]其力学参数可查阅相关规范。梁-弹簧模型和曲梁-弹簧模型见图3。错缝拼装解析模型见图4[6]。表1管片基本截面数据2北京地铁盾构隧道管
8、片设计实例盾构外径/m管片厚度/m管片宽/m衬砌中心半径/m分块数2.1工程概况6.00.31.22.856表2计算用土层参数表水平地基反力覆土厚度/m覆土密度/(kN/m3)3地下水位/m饱和密度/(kN/m)粘聚力/kPa内摩擦角/度侧压系数系数/(MPa/
