[发明专利]盾构隧洞复合衬砌内水压力下荷载结构共同作用计算方法

说明书

本发明公开了一种盾构隧洞复合衬砌内水压力下的荷载结构共同作用计算方法，包括以下步骤：(1)建立由内而外依次为内衬、盾构管片和围岩的共同承担内水压力的计算模型，把三者分解为独立承担内水压力的结构体，分别计算在不同内水压力作用下各自的内径变化以及不同内水压力与结构体的应力关系；(2)根据径向变形协调和防渗要求控制的变形，结合步骤(1)的结果，确定三者各自可分担的荷载，盾构隧洞可承担的总内水压力为各结构体在位移协调下可承担的内压力之和，在确保可承担设计内水压值的条件下最终确定盾构隧洞的实际结构。本发明力学概念明确，计算简便，可为这种复杂受力结构的工程设计提供一个有效、简便的荷载结构法实用计算方法。

技术领域

本发明涉及有压输水隧洞工程与基础技术领域，特别是一种盾构隧洞复合衬砌内水压力下的荷载结构共同作用技计算方法。

背景技术

盾构隧道在地铁等市政建设中已广泛应用，在这些工程中，盾构管片主要是承受隧道外的水土压力，对这种条件下隧道盾构管片的受力计算，人们已做了很多的研究。但盾构施工的隧道用于承受内水压力时的受力计算则相对研究的较少，尤其是在高内水压力情况下采用内衬与盾构管片的复合衬砌共同承担内、外水土荷载时，目前尚缺乏合理的共同作用计算模型。由于盾构施工方法的快速发展，目前正越来越多的被用于建造大型输水隧洞。

目前我国已建成的有内压盾构输水隧洞案例有：南水北调的穿黄工程，上海青草沙源水供水工程和广州的西江引水工程等。南水北调穿黄隧洞埋深23～35米，盾构外径8.7m，设计内水压力为0.517MPa，采用了盾构管片内设预应力混凝土内衬的复合结构，盾构管片与内衬间设置排水软垫分隔，设计理念是采用管片单独承担外水土荷载，内衬单独承担内水压力，管片和内衬不共同作用承担荷载。上海青草沙供水工程盾构管片岛域段(长兴岛)外径6.4m，穿越长江段外径6.8m，设计内水压力0.45MPa，埋深16.08～33.8米，仅用盾构管片承担内外水土压力，不设内衬。广州西江引水工程内水压力0.9Mpa，用盾构单独承担外水土荷载，内衬钢管单独承担内水压力，管片和钢管间灌注自密实混凝土，在管片内侧设置排水垫层分隔内衬，管片和内衬不共同作用承担荷载。正准备建设的珠江三角洲水资源配置工程拟采用盾构隧洞的方式建设输水管道，其最高内水压力达1.0MPa，是目前国内采用这种隧洞内压最高的，在世界上也是少有的，其初步考虑采用类似广州西江引水工程的结构形式，用钢管内衬单独承担内水压力，盾构管片承担外水土荷载，这是受力最安全的结构型式。

已有的研究多采用有限元等复杂的数值方法分析这种结构的受力，如章青等放松了离散单元交界面上的位移连续条件，模拟盾构隧洞外衬管片之间螺栓的连接作用和各种缝面的不连续变形特征(盾构式输水隧洞的计算模型及其工程应用[J].水利学报.1999(2): 19-22.)；李敏和朱银邦等利用ABAQUS对某双层衬砌输水隧洞进行了模拟，主要研究了两层衬砌之间空隙对二者受力的影响(盾构输水隧洞双层复合衬砌的联合受力分析[J].中国水利水电科学研究院学报.2014(01):109-112.)；谢小玲等利用MARC软件考虑外衬与地基抗力单元之间的接触、外衬管片间的接触、内衬和外衬之间的接触来对双层衬砌受力特性进行研究(穿黄隧道双衬砌结构平面非线性有限元分析[J].长江科学院院报.2002(S1): 61-63.)；杨钊等利用ABAQUS采用实体单元模拟管片，对青草沙水源地原水过江隧洞工程进行了衬砌受力的模拟(盾构输水隧洞复合衬砌计算模型[J].中南大学学报(自然科学版).2010,41(5):1945-1952.)。但有限元方法也存在一些影响计算结果可靠性的因素，主要是计算参数的不确定性，如接头参数、土与结构的接触参数和网格划分以及复杂的岩土本构模型等，这些都给计算结果带来不确定性。