盾构法隧道结构_地下建筑结构

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10盾构法隧道结构 21806年,工程师Brunel针对松散饱和软土层发明了最早的网格式盾构并提出专利。1818年,Brunel从蛆虫腐蛀船底成洞得到启发，提出了全封闭螺旋式盾构工法(土压平衡盾构的原型)。1825～1843年，Brunel设计的方形铸铁框盾构贯通了泰晤士河的第一条隧道。1869年,Burlow和Great负责建造泰晤士河的第二条隧道，Great采用新开发的圆形盾构、扇形铸铁管片。1886年,Great在南伦敦铁路隧道施工中使用了盾构和压气组合工法，为现在的盾构工法奠定了基础。盾构工法 本章主要内容衬砌型式和构造衬砌圆环内力计算衬砌断面设计隧道防水及其综合处理盾构新型管片衬砌形式 10.1衬砌型式和构造10.1.1衬砌断面的型式与选型衬砌结构在施工阶段保护开挖面以防止土体变形、坍塌及泥水渗入，并承受盾构推进时千斤顶顶力及其它施工荷载；在隧道竣工后作为永久性支撑结构，并防止泥水渗入，同时支承衬砌周围的水、土压力以及使用阶段某些特殊需要的荷载，以满足结构的预期使用要求。 依据隧道的使用目的、地层条件以及施工方法，合理选择衬砌的强度、结构、形式和种类等。盾构隧道横断面一般有圆形、矩形、半圆型、马蹄形、椭圆形等多种型式，最常用的为圆型与矩型。在饱和含水软土地层中修建隧道，由于顶压和侧压较为接近，较有利的结构型式是选用圆形结构。 （一）内部使用限界的确定隧道内轮廓的净尺寸应根据建筑限界或工艺要求并考虑曲线影响及盾构施工偏差和不均匀沉降来决定。1.车辆限界车辆限界是指在平、直线路上运行中的车辆达到的最大运动包迹线。在确定车辆限界的各个控制点时，除考虑车辆外轮廓横断面的尺寸外，还需考虑到制造上的公差，车轮和钢轨之间及在支承中的机械间隙、车体横向摆动和在弹簧上颤动倾斜等。2.建筑限界建筑限界是决定隧道内轮廓尺寸的依据，是在车辆限界以外一个形状类似的轮廓。任何固定的结构、设备、管线等都不得侵入这个限界以内。建筑限界由车辆限界外增加适量安全间隙来求得，其值一般为150～200mm。 （二）圆型隧道断面的优点可等同地承受各方向外部压力。饱和含水软土地层中顶压、侧压较为接近，更显示出圆形隧道断面的优越性；施工中易于盾构推进；便于管片的制作、拼装；盾构即使发生转动，对断面的利用也毫无妨碍。用于圆形隧道的拼装式管片衬砌一般由若干块组成，分块的数量由隧道直径、受力要求、运输和拼装能力等因素确定。管片类型分为标准块、邻接块和封顶块三类。管片宽度一般为300mm～2000mm，厚度为隧道外径的5%～6%，块与块、环与环之间用螺栓连接。 （三）单双层衬砌的选用隧道衬砌是直接支承地层，保持规定的隧道净空，防止渗漏，同时又能承受施工荷载的结构。由管片拼装的一次衬砌和必要时在其内面灌注混凝土的二次衬砌所组成。一次衬砌为承重结构的主体，二次衬砌主要是为了一次衬砌的补强和防止漏水与浸蚀而修筑的。由于防水或截水材料质量的提高，可以考虑省略二次衬砌，采用单层的一次衬砌，既承重又防水。对于有压的输水隧道，为了承受较大的内水压力，需做二次衬砌。 10.1.2衬砌的分类及其比较(一)按材料及形式分类1．钢筋混凝土管片1)箱形管片一般用于较大直径的隧道。单块管片重量较轻，管片本身强度不如平板形管片，特别在盾构顶力作用下易开裂。2)平板形管片用于较小直径的隧道，单块管片重量较重，对盾构千斤顶顶力具有较大的抵抗能力，正常运营时对隧道通风阻力较小。 2．铸铁管片国外在饱和含水不稳定地层中修建隧道时较多采用铸铁管片。管片较轻，耐蚀性好，机械加工后管片精度高，能有效地防渗抗漏。缺点是金属消耗量大，机械加工量也大，价格昂贵。由于铸铁管片具有脆性破坏的特性，不宜用作承受冲击荷重的隧道衬砌结构。 3．钢管片优点是重量轻、强度高。缺点是刚度小，耐锈蚀性差，需进行机械加工以满足防水要求。成本昂贵，金属消耗量大，国外在使用钢管片的同时，再在其内浇注混凝土或钢筋混凝土内衬。4．复合管片外壳采用钢板制成，在钢壳内浇注钢筋混凝土，组成一复合结构，其重量比钢筋混凝土管片轻，刚度比钢管片大，金属消耗量比钢管片小。缺点是钢板耐蚀性差，加工复杂冗繁。 (二)按结构型式分类根据不同的使用要求分成箱形管片、平板形管片等几种结构型式。钢筋混凝土管片四侧都设螺栓与相邻管片连接。平板形管片在特定条件下可不设螺栓，称为砌块，砌块四侧设有不同几何形状的接缝槽口，以便砌块间和环间相互衔接起来。1.管片适用于不稳定地层内各种直径的隧道，接缝间通过螺栓予以连接。由错缝拼装的可视为一匀质刚度圆环，接缝由于设置了一排或二排的螺栓可承受较大的正、负弯矩。环缝上设置纵向螺栓，具有抵抗隧道纵向变形的能力。管片拼装进度大为降低，增加工人劳动强度，也相应地增高了施工和衬砌费用。 2．砌块一般适用于含水量较少的稳定地层内。由于隧道衬砌的分块要求，使由砌块拼成的圆环(超过三块以上)成为一个不稳定的多铰圆形结构。衬砌结构在通过变形后(变形量必须予以限制)地层介质对衬砌环的约束使圆环得以稳定。砌块间以及相邻环间接缝防水、防泥必须得到满意的解决，否则会引起圆环变形量的急剧增加而导致圆环丧失稳定，形成工程事故。砌块由于在接缝上不设置螺栓，施工拼装进度可加快，隧道的施工和衬砌费用也随之而降低。 (三)按形成方式分类分为装配式衬砌和挤压混凝土衬砌。装配式衬砌圆环是由分块的预制管片在盾尾拼装而成的，按照管片所在位置及拼装顺序不同可将管片划分为标准块、邻接块和封顶块。有铸铁、钢、混凝土、钢筋混凝土管片和砌块之分装配式衬砌的特点在于：1.安装后能立即承受荷载；2.管片生产工厂化，质量易于保证，管片安装机械化，方便快捷；3.其接缝处防水需要采取特别有效的措施。 盾尾后现浇混凝土的挤压式衬砌工艺，即高压作用下的盾尾处刚浇捣而未硬化的混凝土作为盾尾推进的后座，盾尾在推进的过程中，不产生建筑空隙，空隙由注入的混凝土填充。挤压混凝土衬砌施工方法特点：1.自动化程度高，施工速度快；2.整体式衬砌结构可以达到理想的受力、防水要求，建成的隧道有满意的使用效果；3.采用钢纤维混凝土能提高薄形衬砌的抗裂性能；4.在渗透性较大的砂砾层中要达到防水要求尚有困难。 (四)按构造型式分类可分为单层及双层衬砌两种型式。修建在饱和含水软土地层内的隧道，由于接缝防水问题，多选择双层衬砌结构，外层是装配式衬砌结构，内层是混凝土或钢筋混凝土层。双层衬砌问题：开挖断面增大，增加了出土量；施工工序复杂，延长了施工期限，导致了隧道建设成本的增加。解决单层衬砌的防水技术和使用效果，以逐步取代双层衬砌结构。外层衬砌视作一施工临时支撑结构，简化了外层衬砌的要求。在内层现浇衬砌施工前，对外层衬砌进行清理、堵漏和必要的结构构造处理，然后再浇捣内衬层，并使内层衬砌与外层村砌连成一起视作一整体结构(或近似整体结构)以共同抵抗外荷载。 10.1.3装配式钢筋混凝土管片环宽分块封顶块形式拼装方式 根据国内外实践经验，无论是钢筋混凝土管片或金属管片，环宽一般在300～2000mm之间。环宽过小会导致接缝数量的增加，加大隧道防水的难度；环宽过大虽对防水有利，但也会使盾尾长度增长而影响盾构的灵敏度；单块管片重量也增大。(一)环宽 (二)分块单线地下铁道衬砌分为6～8块，双线分为8～10块。小断面隧道可分为4～6块。少数采用4等份管片，把管片接缝设置在内力较小处，使衬砌环具有较好的刚度和强度，接缝构造也可相应得到简化。管片的最大弧、弦长一般较少超过4m，管片越薄其长度应越短。(三)封顶管片形式考虑到施工方便以及受力的需要，趋向于采用小封顶形式。封顶块的拼装形式有两种：径向楔入和纵向插入。后者封顶块受力情况较好，在受荷后，封项块不易向内滑移，但缺点是需加长盾构千斤顶行程。 (四)拼装方式圆环的拼装方式：通缝、错缝所有衬砌环的纵缝环环对齐的称为通缝；而环间纵缝相互错开，犹如砖砌体一样的称为错缝。通缝拼装时为十字型式，在接缝防水上丁字缝比十字缝较易处理。圆环衬砌采用错缝拼装较普遍，其优点在于能加强圆环接缝刚度，约束接缝变形，圆环近似地可按匀质刚度考虑。当管片制作精度不够好时，采用错缝拼装形式容易管片在盾构推进过程中顶碎；另外在错缝拼装条件下，环、纵缝相交处呈丁字型式； 21通缝1.甲型：环向短直螺栓、纵向为头尾相接的长螺栓2.乙型：环向单头螺栓、纵向为弯螺栓3.丙型：环向、纵向为短直螺栓错缝：A-B-A,A-B-C错逢拼装形式 10.1.4管片接缝（头）构造管片间的接缝（头）（下称接头）有两类：沿纵向（接头面平行于纵轴）的称纵向接头，沿环向（接头面垂直于纵轴）的称环向接头。从其力学特性可分为柔性和刚性接头；前者要求相邻管片间允许产生微小的转动与压缩，后者则是通过增加螺栓数量等手段，力图在构造上使接头刚度与构件本身相同。基本的接头结构有螺栓接头、铰接头、销插入式接头、楔形接头、榫接头等等。 弯螺栓直螺栓斜直螺栓暗销接头纵径向销接头 24滑动式销钉管片滑动式销钉（C型金属构件）滑动式销钉ー（T型金属构件）快速接头滑动式销钉管片安装后隧道传统的螺栓或销钉管片常规的螺栓或销钉管片安装成型后隧道内侧完全光滑型・单向接触组装的管片的构造（滑动式销钉管片） 10.1.5其它构造（一）纵肋对钢管片和钢筋混凝土箱型管片，纵肋配置必须保证千斤顶推力均匀传递。钢制管片上，纵肋必须考虑等间隔配置，其数量至少要按2条纵肋支承1块压力垫的比例配置，否则不可能均匀传递千斤顶推力。对箱型管片，纵肋的配置方法应和钢制管片的一样，其数量一般和盾构千斤顶数量相同。（二）注浆孔为均匀注浆，通常每个管片上设置一个或一个以上注浆孔。由于注浆孔数量的增加会增加可能的渗漏水通道，且目前广泛采用盾尾同步壁后注浆方式，管片上的注浆孔往往用作二次注浆。因而，国内采用较多的是每个管片上仅设置一个注浆孔。注浆孔直径须依据使用的注浆材料确定，一般采用内径50mm左右。（三）起吊环必须考虑设置起吊环。混凝土平板型管片和球墨铸铁管片大多将壁后注浆孔同时兼作起吊环使用，而钢管片则需另设置起吊配件。 10.2衬砌圆环内力计算隧道衬砌结构设计必须满足两个基本要求：满足施工及使用阶段结构强度、刚度的要求，承受诸如水、土压力及一些特殊使用要求的外荷载；满足使用功能要求的环境条件，保持隧道内部的干燥和洁净，特别是在饱和含水软土地层中采用装配式钢筋混凝土管片结构时对衬砌防水的措施。 10.2.1钢筋混凝土管片的设计要求和方法按照强度、变形、裂缝限制等需要分别验算。确定衬砌结构的几个工作阶段——施工荷载阶段，基本使用荷载阶段和特殊荷载阶段，提出各个工作阶段的荷载和安全质量指标要求(衬砌裂缝宽度，接缝变形和直径变形的允许量，隧道抗渗防漏指标，结构安全度，衬砌内表面平整度要求等)，进行各个工作阶段和组合工作阶段的结构验算。 10.2.2结构计算方法的选择荷载—结构法和地层—结构法：下面着重介绍荷载—结构法。荷载—结构法：三要素（荷载模式，结构模型，结构与地层共同作用）荷载模式：浅埋与深埋、水土合算和分算结构模型:(1)饱和含水地层中，常采用匀质(等刚度)圆环计算方法。(2)在不稳定地层中，多铰圆环结构(铰的数量大于8个)处于结构不稳定状态。(3)在稳定地层中，衬砌环按多铰圆环计算是十分经济合理的。对圆环变形量要有一定的限制，并对施工要求提出必要的技术措施。结构与地层共同作用：全周模式和局部模式 10.2.3荷载的确定 10.2.3荷载的确定荷载分类表10-2a基本荷载地层压力水压力自重上覆荷载的影响地基抗力附加荷载内部荷载施工荷载地震的影响特殊荷载平行配置隧道的影响接近施工的影响其他 计算工况荷载种类荷载组合系数第一组合施工阶段第二组合运行阶段第三组合地震验算地面超载1.4√√√结构自重1.2√√√地层垂直土压力1.2√√√地层水平土压力1.2√√√外水压力1.2√√√道路设计荷载1.4√√√盾构千斤顶顶力1.2√不均匀注浆压力1.2√地震荷载1.3√表10-2b计算工况荷载组合表 (一)基本使用阶段(环宽按1m考虑) 深埋地层竖向土压：泰沙基公式以及苏联的普罗托季雅柯诺夫公式。 侧向主动土压侧向主动士压大都按朗金公式计算。但侧压常受地层、施工方法和衬砌结构刚度的影响，有时会出现很大的差异。例如在采用挤压盾构法施工时，刚开始时侧压很大、顶压小于侧压，隧道出现“竖鸭蛋”现象。含水砂土层采用水土分算原则，含水粘土层中则采用水土合算原则。确定侧压系数时必须谨慎对待，日本隧道衬砌设计常对侧压系数选择范围大致在0.3～0.8之间，也有不超过0.7的做法。 (二)施工阶段1．管片拼装：钢筋混凝土管片拼装成环时，对纵向接缝拧紧螺栓，由于管片制作精度不高，环面接触不平，往往在拧紧螺栓时，使管片局部出现较大的集中应力，导致管片开裂和存在着局部内应力。2．盾构推进：由于制作和拼装的误差管片的环缝面往往是参差不平的。当盾构千斤顶施加在环缝面上，特别是千斤顶顶力存在偏心状态情况下，极易使管片开裂和顶碎。 3．衬砌背后压注：衬砌背后的建筑空隙内注以水泥浆或水泥砂浆等材料。软土地层注浆材料不是均匀分布在衬砌四周，而仅是局部聚集在注浆孔的一定范围内，过高的注浆压力常引起圆环变形和出现局部的集中应力，封顶楔形块管片也会向内滑移。4．衬砌环刚出盾尾：衬砌顶部土压即迅速作用到衬砌上，而侧压却因某种原因未能及时作用，这时衬砌可能处于比基本使用阶段更为不利的工作条件。不利工作条件的因素很多，难以事先估计衬砌结构在施工阶段引起的。目前一般的处理方法是除实地观测和提出相应改进措施外，还常采用一个笼统的附加安全系数，以保证衬砌结构的一定安全度。 (三)特殊荷载阶段根据使用需要还得进行特殊荷载阶段的验算；属于瞬时性的荷载，且荷载作用时间又短，但往往是控制衬砌结构设计的关键。可妥善合理选择结构的附加安全系数和适当提高建筑材料的物理力学性能指标。 荷载—结构法自由变形与侧向弹性抗力均质模型日本修正的惯用法:等效刚度模型多铰圆环结构模型直(曲)梁—接头连续模型（梁—弹簧模型）衬砌结构计算模型：10.2.4衬砌内力计算 （1）自由变形均质模型在饱和含水软土地层中，主要由于工程上的防水要求对由装配式衬砌组成的衬砌圆环，其接缝必须具有一定的刚度，以减小接缝变形量。由于相邻环间接错缝拼装，并设置一定数量的纵向螺栓或在环缝上设有凹凸榫槽，使纵缝刚度有了一定的提高。因此，圆环可近似地认为一均质刚度圆环。由于荷载的对称性，故整个圆环为二次超静定结构。按结构力学力法原理，可解出各千截面上的M、N值。(一)自由变形与侧向弹性抗力均质模型计算法 （2）侧向弹性抗力均质模型 国际隧协推荐两种估算方法，即-法法和旋转弹簧（半铰）K-（法）。（1）-法圆环抗弯刚度为ηEJ（η为抗弯刚性的有效率，η≤1），计及圆环水平直径处变位y，两侧抗力pk=ky后，考虑错缝拼装管片接头部弯矩的传递，结构整体加强效果。接头处管片式中——弯矩调整系数0.6≤≤0.8，0.3≤≤0.5。如果管片环内没有接头，则=1，=0错缝拼装弯矩传递及分配示意图（二）日本修正惯用法 （2）K-x法弹簧铰模型用一个旋转弹簧（半铰）模拟接头，且假定弯矩与转角成正比管片环没有接头，则K=∞，x=0。若假定管片环的接头为铰接，则K=0，x=1 (三)多铰圆环结构模型计算法(1)日本山本稔法该原理在于圆环多铰衬砌环在主和被动土压作用下产生变形，圆环由一不稳定结构逐渐转变成稳定结构，圆环变形过程中，铰不发生突变。计算假定：1)适用于圆形结构。2)衬砌环在转动时，管片或砌块视作刚体处理。3)衬砌环外围土抗力按均匀分布，土抗力的计算满足对砌环稳定性的要求，土抗力作用方向全部朝向圆心。4)计算中不计及圆环与土壤介质间的摩擦力。5)土抗力和变形间关系按Winkler公式计算。 （四）直(曲)梁—接头连续模型计算法（梁—弹簧模型）结构力学方法：建立在线弹性理论基础上，即接头弹簧和管片本身均为弹性体。采用卡氏第二定理，先求得柔度阵，再对之求逆，即得到刚度阵。日本现行设计法：地层弹簧作用与否按平衡迭代方式进行。对错缝式拼装，将纵向连接螺栓作用模拟成接头元。 以直梁－弹簧元为例，有: 纵向螺栓剪切模型其基本原理同上纵向螺栓剪切模型 或: 接头材料模式及其刚度系数线性模式正负不对称正负对称正负不对称 双线性模式正负不对称正负对称正负不对称 地层抗力模式局部地层弹簧模式全周地层弹簧模式 地层弹性抗力由下式给出：其中 10.3衬砌断面设计在基本使用荷载阶段，需进行抗裂或裂缝限制，强度和变形等验算。组合基本荷载阶段和特殊荷载阶段的衬砌内力时，一般仅进行强度检验，变形和裂缝开展可不予以考虑。 10.3.1抗裂及裂缝限制的计算(一)抗裂计算(二)裂缝宽度验算 10.3.2衬砌断面强度计算衬砌结构根据不同工作阶段的最不利内力，分别进行正负弯矩的偏压构件强度计算和截面选择。接缝部位上的部分弯矩M值可通过纵向构造设置，传递到相邻环的截面上去(环缝面上的纵向传递能力必须事先估算并于事后通过结构试验予以检定)。纵向传递能力大致为20％～40％M，其弯矩M值应乘以传递系数1.3，而接缝部位则乘以折减系数0.7。 10.3.3衬砌圆环的直径变形计算 10.3.4纵向接缝计算(一)接缝张开的验算：管片拼装之际由于受到螺栓预应力的作用，在接缝上产生预压应力 当接缝受到外荷后的应力状态 (二)纵向接缝强度计算都采用一种近似的计算方法，实际的接缝承载能力必须通过接头试验和整环试验求得。一般接缝强度的安全系数应大于断面强度安全系数。 10.3.5环缝的近似计算 10.4隧道防水及其综合处理必须从管片生产工艺，衬砌结构设计，接缝防水材料等几个方面进行综合处理，其中尤以接缝防水材料的选择为突出的技术关键。 10.4.1衬砌的抗渗衬砌埋设在含水地层内，承受着一定静水压力，必须具有相当的抗渗能力，衬砌本身的抗渗能力要求：（1）合理提出衬砌本身的抗渗指标。（2）经过抗渗试验的混凝土的合适配合比，严格控制水灰比，一般不大于0.4，另加塑化剂以增加混凝土的和易性。（3）衬砌构件的最小混凝土厚度和钢筋保护层。（4）管片生产工艺：振捣方式和养护条件的选择。（5）严格的产品质量检验制度。（6）减少管片在堆放、运输和拼装过程中的损坏率。 10.4.2管片制作精度管片制作精度对于隧道防水效果具有很大的影响。管片制作精度不够引起隧道漏水。制作精度较差的管片，再加上拼装误差的累计，往往导数衬砌拼装缝不密贴而出现了较大的初始接隙，当管片防水密封垫的弹性变形量不能适应初始接隙时就会漏水。管片制作精度的不够，造成管片的顶碎和开裂，造成漏水。必须要有一个高精度的钢模。 10.4.3接缝防水的基本技术要求（1）保持永久的弹性状态和具有足够的承压能力，使之适应隧道长期处于“蠕动”状态而产生的接缝张开和错动。（2）具有令人满意的弹性期龄和工作效能。（3）与混凝土构件具有一定的粘结力。（4）能适应地下水的侵蚀。环缝密封垫需要有足够的承压能力和弹性复原力，能承受和均布盾构千斤顶顶力，防止管片顶碎。并在千斤顶顶力往复作用下，密封垫仍保持良好的弹性变形性能。纵缝密封垫具有比环缝密封垫相对较低的承压能力，能对管片的纵缝初始缝隙进行填平补齐，并对局部集中应力具有一定缓冲和抑制作用。较可靠的是在环、纵缝沿隧道内侧设置嵌缝槽，在槽内填嵌密封防水材料。 10.4.4二次衬砌常采用双层衬砌。在外层装配式衬砌已趋基本稳定的情况下，进行二次内衬浇捣，在内衬混凝土浇筑前应对隧道内侧的渗漏点进行修补堵漏，污泥以高压水冲浇、清理。内衬混凝土层的厚度根据防水和内衬混凝土施工的需要，至少不得小于150mm，也有厚达300mm。有在外层衬砌结构内直接浇捣两次内衬混凝土；也有在外层衬砌的内侧面先喷注20mm厚的找平层，再铺设油毡或合成橡胶类的防水层，再浇注内衬混凝土层。内衬混凝土一般都采用混凝土泵再加钢模台车配合分段进行，每段大致为8～lOm左右。内衬混凝土每二十四小时进行一个施工循环。隧道顶拱部分混凝土质量不易保证，尚需预留压浆孔进行压注填实。也有用喷射混凝土进行二次衬砌。 10.4.5其它隧道防水还有其它的一些附加措施可以采用，诸如隧道外围的压浆，以及地层注浆等，视不同情况予以采用。 10.5盾构新型管片衬砌形式简介10.5.1双圆盾构管片衬砌10.5.2通用管片衬砌10.5.3预应力管片10.5.4钢纤维复合管片 思考题盾构法隧道的适用条件和特点？盾构法隧道衬砌管片形式有哪些？举出三种常见型号并简述其各自特点和使用条件？盾构法隧道结构计算模式有那几种？各有何优劣？如何考虑接头的影响？盾构法隧道结构的水土荷载如何计算？试分析地层抗力对隧道结构内力的影响？简述几种新型管片形式的特点。盾构法圆形衬砌管片拼装方式有那几种？各有何有缺点和适用性？盾构法隧道衬砌内力分布与管片结构的关系？盾构法隧道衬砌结构断面选择时都应验算哪些内容，在验算时都应注意什么？盾构法隧道衬砌结构的防水、抗渗都可以采取那些措施。 计算题如图所示，为一软土地区地铁盾构隧道的横断面，又一块封顶块K,两块邻接块L,两块标准块B以及一块封底块D六块管片组成，衬砌外径6200mm,厚度为350mm,采用通缝拼装，混凝土强度为C50，环向螺栓为5.8级。管片裂缝宽度允许值为0.2mm,接缝张开允许值为3mm。地面超载为20kPa。试计算衬砌内力，画出内力图，并进行隧道抗浮、管片局部抗压、裂缝、接缝张开等验算及管片配筋计算。