盾构管片衬砌结构设计计算.pptx

1、 盾构管片盾构管片衬衬砌砌结结构构设计计设计计算算1.1.设计设计原原则则盾构法隧道宜采用盾构法隧道宜采用荷荷载结载结构模型和地构模型和地层结层结构模型构模型进进行行结结构构计计算，前算，前者者 用于常用于常规设计规设计，后者用于特殊，后者用于特殊设计设计。管片管片设计时设计时可将其可将其视为单视为单独承受弯矩、独承受弯矩、轴轴力及剪力的力及剪力的线线性梁来性梁来处处理理。按相按相对对于横断面方向的于横断面方向的设计设计来决定管片的断面，根据地震及地基来决定管片的断面，根据地震及地基沉沉 降的影响等来研究隧道降的影响等来研究隧道纵纵断面断面结结构的合理性构的合理性。盾构管片盾构管片衬衬砌砌结结

2、构构设计设计盾构管片盾构管片衬衬砌砌结结构构计计算算盾构管片盾构管片衬衬砌砌结结构构设计设计盾构管片盾构管片衬衬砌砌结结构构计计算算1.1.设计设计原原则则荷荷载载模式：模式：浅埋与深埋、水土合算和分算浅埋与深埋、水土合算和分算。结结构模型构模型：(1)(1)均均质质(等等刚刚度度)圆环圆环模模型型在在饱饱和含水和含水软软土地土地层层中，主要由于工程上的防水要求，中，主要由于工程上的防水要求，对对由装配式由装配式衬衬 砌砌组组成的成的衬衬砌砌圆环圆环，其接，其接缝缝必必须须具有一定的具有一定的刚刚度，以减小接度，以减小接缝变缝变形量形量。由于相由于相邻环间邻环间接接错缝错缝拼装，并拼装，并设设

3、置一定数量的置一定数量的纵纵向螺栓或在向螺栓或在环缝环缝上上设设有凹凸榫槽，使有凹凸榫槽，使纵缝刚纵缝刚度有了一定的提高。因此，度有了一定的提高。因此，圆环圆环可近似地可近似地认为认为是是一一 均均质质等等刚刚度度圆环圆环。1.1.设计设计原原则则结结构模型构模型：(2)(2)多多铰圆环结铰圆环结构模构模型型该该原理在于原理在于圆环圆环多多铰衬铰衬砌砌环环在主和被在主和被动动土土压压作用下作用下产产生生变变形，形，圆环圆环由一不由一不稳稳定定结结构逐构逐渐渐 转变转变成成稳稳定定结结构，构，圆环变圆环变形形过过程中，程中，铰铰不不发发生突生突变变。计计算假定：算假定：1)1)适用于适用于圆圆形

4、形结结构。构。2)2)衬衬砌砌环环在在转动时转动时，管片或砌，管片或砌块视块视作作刚刚体体处处理。理。3)3)衬衬砌砌环环外外围围土抗力按均匀分布，土抗力的土抗力按均匀分布，土抗力的计计算算满满足足对对砌砌环稳环稳定性的要求，定性的要求，土抗力作用土抗力作用 方向全部朝向方向全部朝向圆圆心。心。4)4)计计算中不算中不计计及及圆环圆环与土壤介与土壤介质间质间的摩擦力。的摩擦力。5)5)土抗力和土抗力和变变形形间间关系按温克关系按温克尔尔公式公式计计算。算。盾构管片盾构管片衬衬砌砌结结构构设计设计盾构管片盾构管片衬衬砌砌结结构构计计算算1.1.设计设计原原则则结结构模型构模型：在不在不稳稳定地定

5、地层层中中，多多铰圆环结铰圆环结构构(铰铰的数量大于的数量大于3 3个个)处处于于结结构不构不稳稳定定状状 态态，当，当圆环圆环外外围围土土层给圆环结层给圆环结构提供了附加构提供了附加约约束，使得随着多束，使得随着多铰圆环铰圆环的的变变形形 而提供了相而提供了相应应的地的地层层抗力，于是多抗力，于是多铰圆环铰圆环就就处处于于稳稳定状定状态态。在在稳稳定地定地层层中中，衬衬砌砌环环按多按多铰圆环铰圆环计计算是十分算是十分经济经济合理的。合理的。对圆环变对圆环变形形 量要有一定的限制，并量要有一定的限制，并对对施工要求提出必要的技施工要求提出必要的技术术措施措施。盾构管片盾构管片衬衬砌砌结结构构设

6、计设计盾构管片盾构管片衬衬砌砌结结构构计计算算盾构管片盾构管片衬衬砌砌结结构构设计设计盾构管片盾构管片衬衬砌砌结结构构计计算算2.2.管片内力管片内力计计算算 (1)(1)均均质圆环质圆环模模型型按普通按普通圆圆形形结结构构计计算，算，不同的是因不同的是因为衬为衬砌砌圆环圆环是由数是由数块块管片拼装而成的，它管片拼装而成的，它的的 刚刚度度不如整体不如整体浇浇筑的筑的圆环圆环，应应予以折减予以折减。钢钢筋混凝土管片筋混凝土管片为为0.70.7，复合管片复合管片为为0.80.8，铸铁铸铁管片的管片的刚刚度折减率可取度折减率可取为为0.90.9。盾构管片盾构管片衬衬砌砌结结构构设计设计盾构管片盾构

7、管片衬衬砌砌结结构构计计算算2.2.管片内力管片内力计计算算 (1)(1)多多铰圆环铰圆环模模型型将接将接头视为铰连头视为铰连接，其抗弯接，其抗弯刚刚度度为为0 0。这类这类模模 型比型比较较适合于无螺栓适合于无螺栓连连接的由砌接的由砌块组块组成的成的衬衬砌砌环环。在使用曲梁或直梁在使用曲梁或直梁单单元模元模拟拟管片的同管片的同时时，也，也具具 体考体考虑虑接接头头位置和接位置和接头刚头刚度的一种度的一种计计算模算模型型 。盾构管片盾构管片衬衬砌砌结结构构设计设计盾构管片盾构管片衬衬砌砌结结构构计计算算3.3.管片配筋管片配筋计计算算由由圆环计圆环计算出的内力，判断出最不利截面算出的内力，判断

8、出最不利截面(偏心最大偏心最大处处一般一般为为最不利最不利)，然后用然后用这这一截面上的内力按极限状一截面上的内力按极限状态态法法进进行行矩形截面矩形截面对对称双筋称双筋结结构配筋构配筋。由于管片基本上都是由于管片基本上都是错缝错缝拼装，各种管片的位置是不固定的，因而拼装，各种管片的位置是不固定的，因而所所 有管片的配筋都有管片的配筋都应该应该按最不利截面的内力按最不利截面的内力进进行，行，即各管片的配筋相同即各管片的配筋相同。3.3.管片配筋管片配筋计计算算1 2 00侧 向 配 筋 图3001 6*150横 向 钢 筋 图300标 准 块 钢 筋1:25平 面 钢 筋 图2 1 2 8盾构

9、管片盾构管片衬衬砌砌结结构构设计设计盾构管片盾构管片衬衬砌砌结结构构计计算算4.4.螺栓接螺栓接头头的的计计算算视视螺栓螺栓为钢为钢筋，筋，按矩形截面按矩形截面单单筋筋 偏偏心受心受压压构件构件设计设计螺栓的直径和个数螺栓的直径和个数，仍然仍然应应取最不利截面的内力取最不利截面的内力计计算算。T允 Ag R拉TN螺栓螺栓强强度条度条件件设设T允允为为螺栓的螺栓的设计设计允允许许拉力，拉力，T为为螺栓螺栓实际实际承受的拉力承受的拉力，Ag为为螺螺栓栓 钢钢筋的筋的设计设计抗拉抗拉强强度度，R拉拉为为螺栓螺栓钢钢筋截面筋截面积积，则则有有：oheb盾构管片盾构管片衬衬砌砌结结构构设计设计盾构管片盾

10、构管片衬衬砌砌结结构构计计算算4.4.螺栓接螺栓接头头的的计计算算螺栓螺栓强强度条度条件件取管片内取管片内缘缘合力矩合力矩为为0 0的静力平衡条件的静力平衡条件，(7-6(7-6)式中：式中：e 轴轴力偏心距力偏心距；b 螺栓至管片螺栓至管片轴线轴线的距离的距离。0即即 0有有：T N(h 2 e)h 2 b由由T允 T，得得gA T 2N(h 2 e)R(h 2 b)R拉拉盾构管片盾构管片衬衬砌砌结结构构设计设计盾构管片盾构管片衬衬砌砌结结构构计计算算TNoheb3.3.螺栓接螺栓接头头的的计计算算接接缝张缝张开量条开量条件件钢钢筋的配置筋的配置应满应满足接足接缝张缝张开开量条件，否量条件，

11、否则则张张开量开量过过大，会大，会导导致致 橡胶止水橡胶止水带带松弛、不密松弛、不密实实而失效而失效。设设为为接接缝张缝张开量，由相似比，有开量，由相似比，有：(7-7(7-7)L h T L hh1Ag E h1在在实际实际管片管片组组合合结结构中，构中，应应有有3mm3mm，如不如不满满足，足，则应则应加大螺栓截面加大螺栓截面积积，重新重新检验检验。盾构管片盾构管片衬衬砌砌结结构构设计设计盾构管片盾构管片衬衬砌砌结结构构计计算算hh3L图7-25 管片接缝张开量计算图式5.5.千斤千斤顶顶顶顶力作用的安全度力作用的安全度验验算算这这属于施工荷属于施工荷载载的范畴，当使用的范畴，当使用平板形

12、管片平板形管片时时，管片能，管片能满满足千足千斤斤 顶顶顶顶力的要求，力的要求，一般不必一般不必验验算算。但但箱形管片需箱形管片需验验算管片的局部算管片的局部应应力力。可假定箱形管片的每一根。可假定箱形管片的每一根肋肋(两空腔之两空腔之间为间为肋肋)作用一只千斤作用一只千斤顶顶，检检算管片在千斤算管片在千斤顶压顶压力作用下是力作用下是否否 满满足足强强度要求度要求。顶顶推力按千斤推力按千斤顶实际标顶实际标定推力取定推力取值值(如无如无资资料料时时，单单只千斤只千斤顶顶的的推推 力可取力可取1000kN1000kN2000kN)2000kN)盾构管片盾构管片衬衬砌砌结结构构设计设计盾构管片盾构管

13、片衬衬砌砌结结构构计计算算6.6.抗浮抗浮验验算算在地下水的作用下，盾构需考在地下水的作用下，盾构需考虑虑抗浮，否抗浮，否则则在推在推进时进时由于浮力由于浮力的的 作用，作用，盾构会盾构会发发生生“上上飘飘”。验验算能否抗浮的方法是：取算能否抗浮的方法是：取1m1m环环段隧道段隧道衬衬砌砌结结构，构，视视其其为为封封闭闭体体，则则浮力浮力：即：浮力即：浮力F等于物体体等于物体体积积排开的水的重量排开的水的重量。抗浮力抗浮力：W=1m=1m环环段段衬衬砌砌结结构自重构自重+上覆地上覆地层压层压土重土重。抗浮安全系数，一般抗浮安全系数，一般取取K=W/F1.51.5F V 盾构管片盾构管片衬衬砌砌结结构构设计设计盾构管片盾构管片衬衬砌砌结结构构计计算算