盾构隧道管片结构的理论研究及计算分析

盾构隧道管片结构的理论研究及计算分析

摘要：在盾构施工法中，衬砌管片的投资一般占工程投资的30~40%，是影响施工经济性和结构安全性的重要因素。本文通过理论计算分析，从地层状况和结构尺寸两方面考虑管片设计相关参数对管片受力状况的影响规律。

关键词：盾构隧道衬砌；管片设计方法；地层参数；结构参数

Abstract: in the shield construction method, the lining of the investment of engineering general segments of the investment of the 30 to 40%, is to influence the construction of economy and structure of the security of important factor. This article through the theoretical calculation and analysis, from formation conditions and structure size two aspects segment design related parameters on the stress condition the influence law of the tunnel.

Keywords: shield tunnel lining; Segment design method; Formation parameters; Structure parameters

中图分类号：U455文献标识码：A 文章编号：

一、概述

盾构法在我国起步较晚，但发展很快。近年来，黄浦江越江隧道、合流污水工程，尤其是地铁隧道的建设，使盾构法在技术上得到飞快的发展。

盾构隧道管片设计中最大的问题在于模型本身是否能反映工程的实际情况。这就涉及到两个主要问题，即管片设计方法的选择，以及管片设计相关参数(包括地层参数和结构参数)的影响规律的研究。

针对上述两个问题，本文从盾构隧道管片设计方面进行研究，通过有限元程序对所选管片结构进行计算分析，探讨了各主要地层参数和结构参数对管片结构受力状况的影响规律。

二、管片计算理论

管片环是由预制管片用螺栓连接拼装而成，这种构造特点使管片连接处(即接头)的受力与变形特点都和管片本体的受力变形特点有很大不同。在盾构隧道衬砌结构设计中，目前普遍采用的梁－弹簧模型来模拟其力学性态，其中用梁来代替管片，组合弹簧来代替接头。

盾构隧道是由盾构机开挖后在盾尾拼装而成，每环管片由若干块管片组成，管片间的连接靠螺栓接头连接起来。对于管片间接头可采用三个虚拟的非线性弹簧来分别模拟接头的转动、剪切、轴压受力性态，这些弹簧具有两个节点，分别与接头两侧的梁单元相连；弹簧不具有长度，它的两个节点可以重合。

三、管片力学模型的建立

本文选取的衬砌结构形式如图5-1所示，即采用六分块形式：封顶块(K块)在拱顶偏右，中心角为22.5°；两侧为邻接块(B块)，中心角为67.5°；其余为标准块(A块)，中心角为67.5°。管片间即纵缝处采用螺栓连接，其主要力学性态表现为接缝处局部刚度的降低和接

头的抵抗弯矩作用。

本文运用ANSYS有限元软件对管片环建立力学模型，并进行有限元分析。在计算中采用二维梁单元模拟管片，抗弯弹簧模拟管片间接头，而将管片间接头的径向和切向自由度进行耦合，即不考虑接头的拉伸和错动。在地层抗力的模拟上，本文采用在全周范围内设置只抗压杆单元代替地层弹簧。

四、相关参数对管片受力的影响

管片设计有两个重要的问题要解决，即地层参数和管片本身的结构参数的确定，前者的不确定性因素较多，精确度较低，而后者则不确定因素相对较少，精确度较高。因此本文把影响管片设计的因素分为地层参数的影响和结构参数的影响两个方面。

以下本文将对上述两个方面的相关参数进行研究，以分析各参数对管片结构设计的影响，并通过多项式拟合确定管片环受力大小和各参数间的函数关系。采用多项式拟合的优点是其适应性广，它包含了线性拟合，对于更复杂的曲线可通过增加多项式阶数加以拟合。

1、地层参数的影响

通过有限元计算，并对计算数据进行多项式拟合如下：

图4-1 Mmax随埋深H的变化图 图4-2 Mmax随容重γ的变化图

土的粘聚力c（kPa）土的内摩擦角φ（°）

图4-3 Mmax随粘聚力c的变化图 图4-4 Mmax随内摩擦角的变化图

通过以上分析可得如下规律：

（1）改变地层参数将改变作用在管片环上的荷载大小，从而改变管片环的受力状况。而地层参数主要包括隧道埋深、土的容重、土的粘聚力以及土的内摩擦角等，这些参数与管片环的受力和位移大小之间均具有一定的规律关系。

（2）管片环的最大正弯矩随隧道埋深和土的容重的增大而增大，随土的粘聚力和土的内摩擦角的增大而减小。其中最大正弯矩都在管片环顶部，而最大负弯矩均出现在管片环顶左右70～80°处。

（3）根据多项式拟合得到，管片环的最大正弯矩与隧道埋深、土的容重和土的粘聚力大小均成线性关系，而与土的内摩擦角成二次函数关系。

2、结构参数的影响

通过有限元计算，并对计算数据进行多项式拟合如下：

图4-5 Mmax随隧道半径R的变化图 图4-6 Mmax随管片厚度h的变化图

图4-7 Mmax随管片Kθ的变化图

通过以上分析可得如下规律：

（1）改变隧道半径、管片厚度和管片接头刚度等管片结构参数可以改变管片环的刚度，从而在地层参数不变的情况下改变管片环的受力状况。这些结构参数与管片环的受力和位移大小之间均具有一定的规律关系，且通过拟合可得其函数关系。

（2）管片环的最大正弯矩和最大负弯矩均随隧道半径、管片厚度和管片接头刚度的增大而增大。其中最大正弯矩同样都在管片环顶部，而最大负弯矩同样均出现在管片环顶左右70～80°处。

（3）根据多项式拟合得到，管片环的最大正弯矩和最大负弯矩与隧道半径成线性关系，与管片厚度成二次函数关系，而与管片接头刚度成三次函数关系。

五、结束语

管片设计方法的选择，即选择一种能正确反映管片实际力学性能的设计方法，以及全面地考虑各相关参数对盾构隧道衬砌结构受力状况的影响，一直是管片设计中的重点和难点。加强这两个领域的研究，无疑将对盾构隧道施工方法产生本质上的飞跃。

本文虽将有限元分析方法引入管片设计中，且对各主要参数的影响规律进行了探讨，但也仅仅是一种初探，尚有很多内容需要在进一步的研究中得以丰富和完善。

参考文献：

[1] 刘建航，侯学渊. 盾构法隧道. 北京：中国铁道出版社，1991

[2] 侯学渊. 隧道设计模型、理论与试验.岩土工程学报，1984

[3] 朱合华，陶履彬. 盾构隧道衬砌结构受力分析的梁－弹簧模型. 岩土力学，1998

[4] 朱合华，崔茂玉，杨金松. 盾构法衬砌管片的设计模型与荷载分布的研究. 岩土工程学报，2000

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。