幾種盾構(gòu)隧道管片設(shè)計(jì)方法的比較

朱　偉, 胡如軍, 鐘小春
(河海大學(xué)巖土工程研究所,江蘇　南京　210098)

摘　要:針對(duì)盾構(gòu)隧道管片設(shè)計(jì)中各種方法的適用性問題,本文使用國(guó)內(nèi)外常見的四種管片設(shè)計(jì)方法,以深圳地鐵的盾構(gòu)隧道為基本對(duì)象,對(duì)幾種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了比較研究,提出了設(shè)計(jì)方法選擇時(shí)的注意事項(xiàng)和使用原則。
關(guān)鍵詞: 盾構(gòu)隧道; 襯砌管片; 設(shè)計(jì)方法; 適用性; 深圳地鐵

1 　引言
　　我國(guó)近幾年在若干大城市開始了大規(guī)模的地下鐵路建設(shè)工作。由于盾構(gòu)隧道施工技術(shù)可以最大限度地減少對(duì)城市其他設(shè)施的影響,所以正逐漸成為地鐵隧道施工的主流技術(shù)。在我國(guó),上海是較早使用盾構(gòu)隧道施工技術(shù)的城市,最近北京、廣州、南京、深圳等地都在地鐵施工中開始使用盾構(gòu)技術(shù),也可以說盾構(gòu)技術(shù)是一個(gè)正在興起的新技術(shù)。對(duì)于這一新技術(shù)的應(yīng)用,存在著機(jī)械、設(shè)計(jì)、施工等多方面的問題,而本文主要是針對(duì)設(shè)計(jì)上的問題進(jìn)行了一些比較研究。關(guān)于盾構(gòu)隧道管片設(shè)計(jì)方法,由于國(guó)內(nèi)尚無統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范,很多設(shè)計(jì)施工單位根據(jù)機(jī)械制造商(國(guó)外廠商) 所提供的方法進(jìn)行設(shè)計(jì),有的情況下是憑借上海等地鐵盾構(gòu)隧道實(shí)例進(jìn)行模仿設(shè)計(jì)。無論在結(jié)構(gòu)模型或荷載設(shè)定上還未形成系統(tǒng)的理論和方法。因此對(duì)于設(shè)計(jì)結(jié)果的安全性、經(jīng)濟(jì)性只能通過經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷。為了明確國(guó)際上常用設(shè)計(jì)方法之間的關(guān)系和對(duì)于地層的適用性,對(duì)常見的四種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比,主要目的是明確以下三個(gè)問題:

(1) 各種設(shè)計(jì)計(jì)算方法將怎樣影響設(shè)計(jì)結(jié)果?
(2) 對(duì)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)結(jié)果的影響大小、影響范圍如何?
(3) 選取設(shè)計(jì)計(jì)算方法時(shí)應(yīng)注意什么,方法選取的原則?

2 　國(guó)內(nèi)外常見的四種設(shè)計(jì)計(jì)算方法
2. 1 　四種設(shè)計(jì)計(jì)算方法的結(jié)構(gòu)模型
第一種方法是將管片環(huán)作為剛度均勻的環(huán)來考慮的設(shè)計(jì)計(jì)算法,此方法不考慮管片接頭部分的彎曲剛度下降,管片環(huán)和管片主截面具有同樣剛度、并且彎曲剛度均勻的方法(以下稱為慣用法) ,

圖1 　各種計(jì)算方法所采用的管片環(huán)的結(jié)構(gòu)特征

圖3 　比較計(jì)算使用的四種工況

2. 2 　四種設(shè)計(jì)計(jì)算方法的荷載系統(tǒng)

圖3 　比較計(jì)算使用的四種工況

　　P₀ 為上覆荷載,H_w 為地下水位,H 為隧道上部埋深,γ為土的天然容重,c 為土的粘聚力,φ為土的內(nèi)摩擦角,D0 為盾構(gòu)管片環(huán)的外徑。另外,λ:側(cè)壓力系數(shù), k :地基抗力系數(shù),均是以土的強(qiáng)度參數(shù)為依據(jù),根據(jù)文獻(xiàn)1 的經(jīng)驗(yàn)值查表而得。

3. 2 　設(shè)計(jì)計(jì)算的基本結(jié)構(gòu)條件
深圳地鐵的管片的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖4。管片環(huán)內(nèi)徑為5. 2m ,使用C50 鋼筋混凝土管片,分塊與地鐵隧道中的常用方法相同,采用的6 塊分割,小封頂。管片間連接螺栓和環(huán)間連接螺栓均采用M27 鋼弧形螺栓連接。各種方法在計(jì)算時(shí)的參數(shù)取值(表3) 根據(jù)國(guó)內(nèi)一些設(shè)計(jì)實(shí)例的取值,參照日本鐵道盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中的經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定。

4 　計(jì)算結(jié)果的比較
4. 1 　結(jié)構(gòu)內(nèi)力的結(jié)果比較

使用4 種設(shè)計(jì)計(jì)算方法,對(duì)4 種工況進(jìn)行了計(jì)算,得到了管片的內(nèi)力(軸力、剪力、彎矩) 。將管片環(huán)中軸力的最大值取出,對(duì)4 種計(jì)算方法所得到的軸力進(jìn)行了比較。慣用法和修正慣用法的軸力基本相同,多鉸環(huán)法與梁- 彈簧法的結(jié)果比較接近,而且多鉸環(huán)法與梁2彈簧法的計(jì)算軸力大約是慣用法和修正慣用法計(jì)算值的1. 25～1. 3 倍,這種規(guī)律在4 種工況中比較一致。由于慣用法和修正慣用法在計(jì)算時(shí)考慮的管片環(huán)剛度相對(duì)于多鉸環(huán)法、梁2彈簧法要大一些,經(jīng)受相同荷載時(shí)產(chǎn)生的軸力相對(duì)較小。

　　同樣將4 種方法計(jì)算出的剪力進(jìn)行比較。結(jié)果,慣用法和修正慣用法的剪力比較接近,梁2彈簧法的剪力最大,多鉸環(huán)法次之,慣用法和修正慣用法最小。梁2彈簧法∶多鉸環(huán)法∶慣用法和修正慣用法的比值大約為2. 2∶1. 5∶1. 0 ,這種趨勢(shì)在4 種工況中也較為一致?？紤]到盾構(gòu)隧道在一般埋深下主要是一個(gè)彎矩卓越問題,也就是說影響設(shè)計(jì)配筋的因素主要是彎矩,所以主要對(duì)彎矩進(jìn)行比較。將CASE - 1 和CASE - 2 ,也就是深埋和淺埋的計(jì)算最大彎矩在圖5 中進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)無論使用那一種方法深埋和淺埋的差異都非常小。這是由于深埋計(jì)算時(shí),垂直土壓力按照松弛土壓力考慮后,實(shí)際作用荷載與淺埋比較接近的緣故。將CASE - 3 和CASE - 4 ,也就是分別埋置于礫質(zhì)粘土層和風(fēng)化花崗巖層中的計(jì)算最大彎矩在圖6 中進(jìn)行比較,強(qiáng)度參數(shù)較大時(shí)發(fā)生的彎矩較小。
最重要的是各種方法計(jì)算的大小,這與設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性直接相關(guān)。無論是那一種工況,修正慣用法和梁2彈簧法的計(jì)算彎矩較大,而且兩者較為接近,多鉸環(huán)法的計(jì)算彎矩最小,慣用法的計(jì)算彎矩居中。差異最大時(shí),修正慣用法的計(jì)算彎矩可以達(dá)到多鉸環(huán)的2 倍左右。

由于梁2彈簧法計(jì)算時(shí)考慮管片環(huán)中螺栓及管片環(huán)與環(huán)之間螺栓的作用,管片和螺栓之間存在的剛度差異,在受彎時(shí)管片需要承受的彎矩更大一些,所以計(jì)算彎矩比較大。而修正慣用法是在慣用法計(jì)算彎矩的基礎(chǔ)上,考慮螺栓的作用對(duì)彎矩考慮一個(gè)增加系數(shù),所以計(jì)算彎矩也比較大。而多鉸環(huán)法把接頭考慮為鉸接,整個(gè)管片環(huán)的剛度較小,所以計(jì)算彎矩偏小。

4. 2 　計(jì)算變形的結(jié)果比較

　　對(duì)計(jì)算變形進(jìn)行整理,得到計(jì)算最大值的關(guān)系圖7 和圖8 ,首先可以看到,不管那一種工況多鉸環(huán)的計(jì)算變形是最大的,其他3 種方法計(jì)算變形的差異不大。而圍巖的強(qiáng)度較小時(shí),各種方法的計(jì)算變形都會(huì)增加。從機(jī)理上講,計(jì)算時(shí)考慮的管片環(huán)剛度越低,計(jì)算出的變形越大。由于多鉸環(huán)的整體剛度最低,所計(jì)算出的變形也最大,可以達(dá)到其他方法的1. 5 - 2. 0 倍。本次計(jì)算主要依據(jù)深圳地鐵的地質(zhì)條件進(jìn)行,深圳的礫質(zhì)粘土層或風(fēng)化花崗巖的強(qiáng)度較高,如果換成上海、南京等地的軟粘土圍巖的話,多鉸環(huán)法的計(jì)算變形會(huì)更大。

圖5 　淺埋、深埋條件下計(jì)算彎矩的比較


圖6 　不同巖性條件下計(jì)算彎矩的比較

圖7 　淺埋、深埋條件下計(jì)算變形的比較

圖8 　不同巖性條件下計(jì)算變形的比較

4. 3 　四種設(shè)計(jì)計(jì)算方法的適用性

　　從四種設(shè)計(jì)計(jì)算方法的結(jié)果可以認(rèn)為,多鉸環(huán)法的問題較多,使用時(shí)要慎重。因?yàn)槎嚆q環(huán)法的計(jì)算彎矩最小,表面上似平可以進(jìn)行最為經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)。但是,彎矩的降低是在接頭作為鉸工作為前提,接頭要發(fā)揮鉸的作用,必須設(shè)計(jì)特殊的接頭結(jié)構(gòu)或在施工后將接頭螺栓卸除,也就是歐洲有時(shí)采用的方法。如果螺栓不作為鉸工作的話,實(shí)際發(fā)生的彎矩就有可能大于設(shè)計(jì)彎矩,從而發(fā)生安全上的問題。相反,如果不考慮圍巖的條件而一味地卸除螺栓,就會(huì)造成管片的過大變形,造成漏水等問題。

　　實(shí)際上,歐洲的盾構(gòu)隧道也是在圍巖強(qiáng)度較高時(shí)才采用多鉸環(huán)法設(shè)計(jì),莫斯科地鐵是一個(gè)代表實(shí)例。梁2彈簧法是最為符合實(shí)際情況的計(jì)算方法,但是具體計(jì)算較為繁瑣,需要編制較為復(fù)雜的程序。另外,管片間螺栓的旋轉(zhuǎn)彈簧模量、管片環(huán)間的剪切彈簧模量的確定也會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大的影響。修正慣用法計(jì)算方法簡(jiǎn)單,結(jié)果也比較符合實(shí)際,是一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的方法。日本對(duì)于一些大直
徑、大埋深的盾構(gòu)隧道一般采用梁2彈簧法設(shè)計(jì),而小型隧道則多用修正慣用法進(jìn)行。

5 　結(jié)　語

(1) 根據(jù)深圳的四種工況計(jì)算結(jié)果可得知,四種管片設(shè)計(jì)方法計(jì)算彎矩的大小順序依次為修正慣用法、梁2彈簧模法、慣用法、多鉸環(huán)法。以修正慣用法的計(jì)算彎矩為基準(zhǔn),修正慣用法、梁2彈簧法、慣用法、多鉸環(huán)法計(jì)算彎矩的平均比例依次為
1∶0. 82∶0. 92∶0. 4。
(2) 四種管片設(shè)計(jì)方法中,多鉸環(huán)的計(jì)算變形最大,其他方法之間的差距不是太大。
(3) 多鉸環(huán)法只能在圍巖堅(jiān)硬強(qiáng)度較高的情況下使用,同時(shí)要對(duì)管片接頭采用特殊形式或在施工后卸除。對(duì)于一般工程條件下,要避免使用這一方法,同時(shí)也不能盲目卸除接頭螺栓。
(4) 梁2彈簧法和修正慣用法應(yīng)該是主要的設(shè)計(jì)計(jì)算方法,對(duì)于小型隧道一般用修正慣用法即可滿足要求,對(duì)于大型隧道應(yīng)盡可能采用梁2彈簧法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn):
[1 ] 　朱偉譯1 日本土木學(xué)會(huì)隧道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(盾構(gòu)篇) 及解說[M] . 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,38 - 41 ,2001.
[2 ] 　日本鐵道綜合研究所編1 鐵路構(gòu)造物等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)·同解說—— —Ë © ¨ ­ Ë[M] . 東京:丸善出版社,1997171

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