盾構(gòu)隧道管片設(shè)計(jì)模型的改進(jìn)★

(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(shí)，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(duì)于如何估計(jì)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(jì)算裝配式襯砌管片的內(nèi)力，是管片設(shè)計(jì)的當(dāng)務(wù)之急。

目前，在地鐵管片設(shè)計(jì)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(dòng)抗力按照假設(shè)分布。這種模型簡(jiǎn)化顯然與實(shí)際工程狀況不符。在不考慮整體穩(wěn)定性時(shí)，慣用法模型計(jì)算的內(nèi)力偏大、變形偏小。

本文對(duì)目前廣泛應(yīng)用的慣用法模型的接頭簡(jiǎn)化進(jìn)行了改進(jìn)，推導(dǎo)了改進(jìn)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(hào)線亮馬河站—農(nóng)展館站區(qū)間段勘測(cè)與設(shè)計(jì)資料，對(duì)慣用法模型及其改進(jìn)模型進(jìn)行了對(duì)比分析，與數(shù)值解法等做了綜合驗(yàn)證分析。結(jié)果表明，本文推導(dǎo)的公式是可靠的，對(duì)地鐵管片的設(shè)計(jì)和施工具有理論和實(shí)踐意義。

1 改進(jìn)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(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)的慣用法模型見圖2。由于荷載和結(jié)構(gòu)均對(duì)稱，取其一半計(jì)算。內(nèi)力求解模型見圖3。

圖1 慣用法模型

圖2 改進(jìn)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(jìn)慣用法模型推導(dǎo)的公式與現(xiàn)用慣用法公式計(jì)算結(jié)果的比較

2.1 工程實(shí)例

本文以北京地鐵十號(hào)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(jì)算結(jié)果分析

本文改進(jìn)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(jì)算的正彎矩值數(shù)值小于由現(xiàn)有公式計(jì)算的數(shù)值，說明在現(xiàn)用的慣用法模型的理論計(jì)算中不考慮接頭影響，截面彎矩值偏大，設(shè)計(jì)偏于安全，不經(jīng)濟(jì)。2)由圖4b)可知，本文公式計(jì)算的截面剪力絕對(duì)值大于現(xiàn)用設(shè)計(jì)公式計(jì)算的剪力絕對(duì)值。截面剪力相差不大，仍說明現(xiàn)用的慣用法模型設(shè)計(jì)偏于安全，但不經(jīng)濟(jì)。3)由圖4c)可知，兩種模型的公式計(jì)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(diǎn)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(shì)出現(xiàn)分歧，現(xiàn)用設(shè)計(jì)公式計(jì)算結(jié)果呈繼續(xù)上升趨勢(shì)，而本文推導(dǎo)公式計(jì)算結(jié)果是呈下降趨勢(shì)。

［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(jì)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(jì)［J］.山西建筑，2011，37(25):173-174.