[发明专利]一种盾构隧道衬砌设计方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及隧道盾构领域，具体涉及用于盾构衬砌管片的设计。

【背景技术】

随着我国经济的发展和综合国力的提高，大中城市地下空间开发的高潮即将到来，地下工程的发展速度加快，而盾构法作为一种成熟的施工技术，应用越来越为广泛，故安全、经济、合理的管片设计方法就显得尤为重要。盾构隧道衬砌管片设计理论的最大问题在于模型本身是否能反映管片的实际受力状态，国内外隧道衬砌管片设计方法有惯用法、修正惯用法、多铰环法与梁-弹簧模型法四种方法。梁-弹簧模型能较好的反映管片的受力状态，其中梁分为直梁和曲梁两类，主要用于模拟管片部分，而弹簧用于模拟接头部分，但美中不足的是，梁-弹簧模型是平面计算模型，并不能完全反映衬砌错缝拼装下的真实受力状态，因为管片错缝拼装条件下，衬砌受力状态为非平面应变状态，而梁-弹簧模型默认每环管片为平面应变状态。随着设计、施工经验的成熟，国内外盾构衬砌管片宽度有增加的趋势，例如在日本，过去的管片宽度为0.8~0.9m，1975年下半年管片宽度发展到1.0m，东京湾隧道衬砌的宽度为1.5m；国内从上海地铁的1m宽到广州地铁二号线的1.5m宽，其中广州地铁一号线、南京地铁一号线、深圳地铁和北京地铁五号线又采用了1.2m宽。通过增加衬砌管片的宽度，在隧道方向上管片接头的数目可以减少20％。由于减少管片环间接头的数目，既可以降低管片的生产费用，还可以改善隧道的防水状况。但是随着管片宽度的增加，由于管片环接头螺栓处产生的剪切力的作用，导致管片弯曲应力增加，并且集中于管片断面的边缘部位，这引起了工程界的担心，由于梁-弹簧模型默认每环管片都是平面应变状态，故不能反映管片断面边缘弯曲应力集中的现象，同时梁-弹簧模型也不能反映管片环纵向结构性能。国际隧道协会(ITA)在盾构法隧道设计指导中对隧道纵向结构性态的考虑就是沿纵向选择几个典型断面：上覆地层厚度最大的横断面、上覆地层厚度最小的横断面、地下水位最高的横断面、地下水位最低的横断面、超载最大的横断面、有偏压的横断面、地表有突变的横断面、附近现有或将来拟建新的隧道的横断面，进行计算。这样虽然对隧道纵向结构问题有所考虑，但并没有考虑到土性变化的分隔段或过度段。隧道纵向结构的理论解析分析方法模型主要有两种：纵向梁-弹簧模型、等效轴向刚度模型，但是隧道是一圆洞状结构，又是由许多管片拼装而成，结构性态相当复杂，沿纵向简化为梁难以准确反映衬砌环之间的结构性能，因而与隧道的力学特性及结构性能会有一定的差异，在刚度简化和计算参数选择时容易有较大的误差，对计算模型的准确性有较大影响，而且也无法模拟土体的分层情况。隧道纵向结构性能和横向结构性能是密不可分的，将不可避免地引起隧道衬砌在横向性能发生一定的变化，而目前没有一种模型能同时适用于隧道纵向和横向结构性能分析。基于以上原因，本发明提出了一种新的管片设计方法，能反映隧道衬砌的横向结构性能，包括管片断面边缘弯曲应力集中(局部添接效应)，又能反映隧道衬砌的纵向结构性能，较为真实的反映了管片的实际受力状况。

【发明内容】

本发明提出了一种新的盾构隧道衬砌设计方法，首先计算壳单元应力：建立壳体整体坐标系x′、y′、z′与壳单元局部坐标系x、y、z，壳单元采用矩形壳单元，每个壳单元有四个结点，每个结点具有六个自由度，分别为沿x轴，y轴，z轴方向的线位移和绕x轴，y轴，z轴的角位移。在确定的外荷载作用下，对于矩形单元i j m p，取结点位移为：

{δ_r}＝[u_r v_r w_r θ_xr θ_yr θ_zr]^T    (1)

取相应的结点力为：

{F_r}＝[U_r V_r W_r M_θxr M_θyr M_θzr]^T  (2)

令这些结点力与结点位移之间的关系为：

{F_r}＝[k_rs]{δ_s}

                                     (3)

(r，s＝i，j，m，p)