盾構(gòu)隧道管片設(shè)計模型的改進★

(黑龍江科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150027)

0 引言

地鐵管片采用裝配式襯砌時，襯砌結(jié)構(gòu)是由圓弧形管片拼裝成環(huán)，每環(huán)之間逐一連接而成的。管片與管片之間，環(huán)與環(huán)之間通過螺栓連接，對于如何估計管片接頭的力學(xué)性態(tài)是一大難題［1-3］。

隨著地鐵建設(shè)的快速發(fā)展，如何準(zhǔn)確計算裝配式襯砌管片的內(nèi)力，是管片設(shè)計的當(dāng)務(wù)之急。

目前，在地鐵管片設(shè)計中，用的較多的是慣用法模型。慣用法模型是假定接頭和管片的剛度相等、土層被動抗力按照假設(shè)分布。這種模型簡化顯然與實際工程狀況不符。在不考慮整體穩(wěn)定性時，慣用法模型計算的內(nèi)力偏大、變形偏小。

本文對目前廣泛應(yīng)用的慣用法模型的接頭簡化進行了改進，推導(dǎo)了改進慣用法模型的內(nèi)力和位移求解公式;并結(jié)合北京地鐵十號線亮馬河站—農(nóng)展館站區(qū)間段勘測與設(shè)計資料，對慣用法模型及其改進模型進行了對比分析，與數(shù)值解法等做了綜合驗證分析。結(jié)果表明，本文推導(dǎo)的公式是可靠的，對地鐵管片的設(shè)計和施工具有理論和實踐意義。

1 改進的慣用法模型及其內(nèi)力公式推導(dǎo)

1.1 力學(xué)模型的建立

目前使用最多的模型是慣用修正法，見圖1。本文考慮到管片接頭的剛度降低，影響內(nèi)力和應(yīng)力，所以將接頭處理方式進行了改進，改進的慣用法模型見圖2。由于荷載和結(jié)構(gòu)均對稱，取其一半計算。內(nèi)力求解模型見圖3。

圖1 慣用法模型

圖2 改進的慣用法模型

1.2 內(nèi)力公式的推導(dǎo)

各種荷載情況下結(jié)構(gòu)任意截面上的內(nèi)力公式:

其中，

圖3 內(nèi)力求解模型

圖4 現(xiàn)用公式和推導(dǎo)公式的特殊截面處的內(nèi)力值

2 本文改進慣用法模型推導(dǎo)的公式與現(xiàn)用慣用法公式計算結(jié)果的比較

2.1 工程實例

本文以北京地鐵十號線一期工程亮馬河站—農(nóng)展館站區(qū)間(區(qū)間里程:K16+959.0～K17+645.3)段隧道為工程背景，地質(zhì)參數(shù)如表1所示。地下水位標(biāo)高為10.1 m，洞的中心距離表面土層33 m，洞口直徑6.0 m。

表1 工程地質(zhì)參數(shù)

2.2 計算結(jié)果分析

本文改進慣用法模型推導(dǎo)的內(nèi)力和位移公式與現(xiàn)用的慣用法公式在特殊截面處的內(nèi)力值比較見圖4。主要結(jié)論如下:

1)由圖4a)可知，由本文推導(dǎo)公式計算的正彎矩值數(shù)值小于由現(xiàn)有公式計算的數(shù)值，說明在現(xiàn)用的慣用法模型的理論計算中不考慮接頭影響，截面彎矩值偏大，設(shè)計偏于安全，不經(jīng)濟。2)由圖4b)可知，本文公式計算的截面剪力絕對值大于現(xiàn)用設(shè)計公式計算的剪力絕對值。截面剪力相差不大，仍說明現(xiàn)用的慣用法模型設(shè)計偏于安全，但不經(jīng)濟。3)由圖4c)可知，兩種模型的公式計算的軸力值在襯砌的上半圓各截面處幾乎完全相同，在控制截面即水平直徑端點處截面軸力值一樣。在與豎向夾角90°～180°范圍內(nèi)襯砌各截面軸力變化趨勢出現(xiàn)分歧，現(xiàn)用設(shè)計公式計算結(jié)果呈繼續(xù)上升趨勢，而本文推導(dǎo)公式計算結(jié)果是呈下降趨勢。

［1］蔣洪勝.盾構(gòu)法隧道管片接頭的理論研究及應(yīng)用［D］.上海:同濟大學(xué)博士學(xué)位論文，2000.

［2］胡志平，羅麗娟，蔡志勇.盾構(gòu)隧道管片襯砌荷載模式比較分析［J］.巖土工程技術(shù)，2004，18(1):19-22，42.

［3］龔 放.淺析TBM隧道管片的結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.山西建筑，2011，37(25):173-174.