深圳污水通道盾構管片設計計算

施工技術(shù)2004年10月40CONSTRUCTION TECHNOLOGY第33卷第10期深圳污水通道盾構管片設計計算林志',姜勇2(1.鐵道第二勘察設計院,四川成都610031;2. 同濟大學(xué),上海 200092)[摘要]對比分析了修正的慣用設計法、梁接頭元連續和不連續模型等3種設計法的原理。通過(guò)對深圳水庫流城污水通道盾構管片進(jìn)行受力及配筋計算,得出曲梁~接頭元不連續模型設計法更為經(jīng)濟、合理。[關(guān)鍵詞]盾構管片;錯縫拼裝;設計[中圖分類(lèi)號] U455;TU942[文獻標識碼] A[文章編號] 102-8498<200)10-003The Design Method of Shield Tunnel Segments in ShenzhenSewage Tunnel ProjectLIN Zhi'，JIANG Yong(1. The Second Railuays Suney & Design Institute，Chengdu, Sichuan 610031, China;2. Tongji Unierity, Shanghai 200092, China)Abstract: It analyses modifed conventional method, beam-joint continuous model and discontinwous model. By calculaing theintermal force and the reinforcing steel bar of shield tunnel lining in Shenzhen Drainage Pipeline Project, it can be seen that thebeam-joint discontinuous model is more economical and reasonable than the modified conventional method and bearm-joint continu-ous model.Key words: shield tunnel segments; interlaced fixing;design深圳水庫流域污水通道從深圳水庫下面通過(guò)，管算兩種方式?jīng)Q定。為彌補慣用設計法的不足,引人修道襯砌內徑為4.0m,采用盾構法施工。根據提供的有正的慣用設計法。關(guān)工程地質(zhì)資料,地層從上至下為:素填土層,淤泥質(zhì)引入由于管片間接縫存在使得整體剛度降低的折粘土層,粉質(zhì)粘土層,細砂層,粗砂層,卵石層,強風(fēng)化減參數η.則:長(cháng)石石英巖層和弱風(fēng)化長(cháng)石石英巖層。EI* = nEI(0< η< 1)(1)該污水管道通過(guò)深圳和香港兩地居民飲用水庫的且不考慮地層彈簧直接作用，取而代之的是在水下方,因此,在該工程的施工期間及工程竣工后,均不平兩側按Winkler地基反力變形的線(xiàn)性假定,在水平向允許污染水庫,更不允許管道內的污水外泄。因而對量45°范圍內地層反作用力分布是以等腰三角形狀作設計計算提出了較高的要求。用在管片上,腰頂點(diǎn)大小為δ(見(jiàn)圖1),即1盾構襯砌有限元理論與分析δ=(2Pw- Qown- Qm)R'(2)24( nEl/h+ 0.045K,RF)在盾構隧道襯砌結構中管片接頭和管片環(huán)間接頭對襯砌結構的內力和變形,尤其是接頭部分的內力和H = 2Rsin45° =v2R .(3)變形起著(zhù)極其主要的影響作用。本文采用曲梁接頭式中:R--管 片中心線(xiàn)處半徑;h--管片厚;元不連續模型,并與修正的慣用設計法對比。1.1修正的慣用設計法Ko一地層反力 系數;慣用設計法不考慮管片接頭柔性特征,將拼裝襯分別為卜、下垂直荷重;砌作為均勻剛度來(lái)設計;作用在襯砌結構上的初始靜中國煤化工平荷重。止荷載則按如下方式確定:對于砂土、硬質(zhì)粘土和固結MHCNMHG粘土,當上覆土層厚度大于1.5倍隧道直徑時(shí)采用泰[收稿日期] 2004-06-24;[修訂日期] 200408-31沙基公式,否則按覆土層厚度直接給出土壓荷載;此[作者簡(jiǎn)介]林志(1957--),男 ,四川南江人,鐵道第二勘察設計院橋隧處工程師，四川成都市通錦路3號610031, 電話(huà):外,地層中的水壓力視地層條件由水土合算和水土分(028)812398852004 No.10林志等:深圳污水通 道盾構管片設計計算4對于錯縫拼裝方式,為考慮相鄰管片環(huán)間的彎矩2.1施工階段厚覆土處設計分析傳遞作用,引入彎矩增加系數ξ,故實(shí)際彎矩為2.1.1水 土壓力計算M=(1+ξ)M°(4)土體φ平均值23.72*,c平均值為37.03kPao頂部式中,M*為計算彎矩。對于接頭部分的彎矩,在設計壓力為188.6kPa,頂部側壓為32.04kPa,底部側壓為時(shí)可考慮為(1- &)M*。71. 1kPa,底部對管片壓力為208.2kPa,乘以荷載分項系Pon數后,其值分別為:226.3、38.4.85.3kPa(未包括底部對管片壓力,該部分由程序自動(dòng)計算,下同)。| >82.1.2地層反力系數根據地質(zhì)資料提供的標準貫人擊數得法向反力系J Qan數為15000kPa/m,切向反力系數為3000kPa/m。圖1修正的慣用設計法的荷載分布模式2.1.3計算結果1.2 直(曲)梁~接頭元連續模型計算得到的管片彎矩、軸力、剪力分別如圖2.3.4直(曲)梁-接頭元連續模型是建立在線(xiàn)彈性理論所示?；A上,即接頭元和管片本身均為彈性體,將管片視為448453603-24梁,接頭視為變形連續的彈簧。采用卡氏第二定理(δ-s7=aU/aF),先求得柔度陣,再對之求逆，即得到剛度4-76陣。梁_接頭連續模型法為日本現行設計法。地層彈-787-64簧作用與否按平衡迭代方式進(jìn)行。對錯縫式拼裝,縱向連接螺栓作用模擬成接頭元。但是,梁接頭連續模型是建立在適用于線(xiàn)彈性介質(zhì)的卡氏第二定理的基礎圖2施工階段厚覆土處襯砌彎 矩(單位:kN. m)上,它不能全面、準確地模擬管片接頭的非線(xiàn)性性狀。298301288而試驗表明接頭內力變形關(guān)系在整個(gè)加載過(guò)程表現382397出明顯的非線(xiàn)性特征。44041.3直(曲)梁-接頭元不連續模型5-487478該模型從結構的非線(xiàn)性出發(fā),引進(jìn)了非線(xiàn)性介質(zhì)457<393力學(xué)數值分析的古德曼單元的思想,并認為接頭單元318286具有抗拉伸作用。盾構隧道是由若干管片組成的,因此它本身存在圄3施工階段厚土處襯砌軸力(單位:kN)固有不連續接縫或接頭。所以,可以將管片離散為梁?jiǎn)卧?，而將兩管片間的接頭離散成雙節點(diǎn)構成的接頭單元。對于管片錯縫拼裝下環(huán)間接頭的縱向加強作用24可采用剪切模型來(lái)模擬,剪切模型包括沿管片體徑向和環(huán)向剪切,其基本原理同上。2盾構襯砌有限元計算 與配筋設計本工程管片采用錯縫拼裝,形式為A-B-C,管片圖4施工階段厚土處襯砌剪力(單位:kN)材料為C50混凝土,環(huán)寬1m,厚度0.25m,E=3.5x10'kPa,1=0.0013mt ,A = 0.25m2。計算模型采用曲梁-2.1.4驗算及配筋接頭元不連續模型,水土壓力計算時(shí),因為覆土不足(1)最不利截面確定經(jīng)過(guò)對 多個(gè)截面試算配筋,2D(D為管片直徑),故采用全部土柱重量作為豎直土發(fā)現彎矩較大、軸力較小的截面相對配筋較多,因而將壓,側壓力計算采用朗金土壓力理論。它作為是不利裁而進(jìn)行重占哈笪。計算時(shí)對施工階段和使用階段分別計算。施工階中國煤化工M= 11k9.m,Nv=段管片不受內水壓作用,只受到外部水土壓力和超載225kHCNMH C采用I級鋼,內層作用,而使用階段受到內水壓作用。在計算中取岸邊622,外層6p22。覆土最厚處和水庫覆土最薄處2個(gè)截面進(jìn)行分析。厚(3)接縫張開(kāi)量計算環(huán)向螺栓 達到允許應力覆土處水土合算,淺覆土處水土分算。340000/1 .55= 219400kPa時(shí),內側螺栓伸長(cháng)量OL =.42施工技術(shù)第33卷0.209mm,襯砌外側張開(kāi)量B = 0.9mm < 3mm,滿(mǎn)足密封變化的同時(shí),彎矩增大了23.5% ,軸力減小了13.3%，條防水能力。偏心距增大了42.5% ,按此計算進(jìn)行設計將大大增加(4)裂縫寬度驗算M= 119kN.m, N= 225kN,按襯砌結構的造價(jià)。有效受拉混凝土截面面積計算的縱向受拉鋼筋配筋率13214141968.為1.82%,縱向受拉鋼筋合力點(diǎn)至受壓區合力點(diǎn)距離Y3>8為0.1798m,按荷載標準組合計算的鋼筋混凝土構件縱493645429-13779619329向受拉鋼筋的應力σ = 238210kPa,裂縫間縱向受拉鋼2gs筋應變不均勻系數ψ= 0.6877,最大裂縫寬度w. =4850.3mm> 0.2mm,不滿(mǎn)足抗裂要求。283520-28372. 0515135在管片厚度不變的情況下,外層鋼筋采用9$20,則圉6軸力圉(單位:kN) 圉7 剪力圈(單位:kN)縱向受拉鋼筋截面面積A,=28.27cn?,按有效受拉混3結論凝土截面面積計算的縱向受拉鋼筋配筋率為0.0226,(1)施工階段厚覆土處盾構襯砌受軸力最大,為縱向受拉鋼筋合力點(diǎn)至受壓區合力點(diǎn)距離為0. 1798m,490kN,發(fā)生在左右腰部;彎矩最大值為120kN.m,發(fā)生o。= 12200kPa, ψ = 0.6885, Ww.. = 0.204mm,滿(mǎn)足抗裂在底部;最不利截面位于管片底部。要求。(2)采用曲梁接頭元不連續模型可在一定程度上(5)環(huán)向螺栓驗算環(huán)向接頭最大彎 矩發(fā)生在封節約隧道造價(jià),關(guān)鍵問(wèn)題是要正確確定管片接頭的抗頂塊，大小81kN.m,相應軸力301kN, 偏心距eo =壓抗剪抗彎剛度,必要時(shí)可進(jìn)行接頭試驗。0.269m,受壓區高度x =0.0238m,計算得安全系數k=(3)在地層可以提供抗力的情況下,應考慮地層抗1.03。力的作用,可以充分利用地層本身的承載力。環(huán)向接頭最大負彎矩發(fā)生在側面，大小為57kN..參考文獻:m,軸力為412kN, eo = 0. 138m,襯砌外側位于受拉區,[1] 楊勁松.盾構隧道村砌計算機輔助設計[D].上海:同濟大學(xué)，2000因接頭處防水條不能承受拉力,故按假定斷面進(jìn)行驗2] 劉建航，侯學(xué)淵.盾構法隧道[M] .北京:中國鐵道出版社, 191.算:h = 0.115m,eo = 0.0705m,x = 0.036m,計算得h[3]張慶賀,朱合華。 土木工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生設計指南一-隧逍 及地= 1.53 > 1。故該截面螺栓滿(mǎn)足要求。下工程分冊[M] .北京:中國水利水電出版社, 199其他工況的計算不再贅述,只簡(jiǎn)述2個(gè)結論:①使4] 朱合華,陶履彬.盾構隧道襯砌結構受力分析的梁:彈簧系統模用階段由于內水壓的作用抵消了部分水土壓力,計算型[J].巖土力學(xué), 198,6.結果偏于安全;②淺覆土處由于土壓力較小,水壓力雖s]朱 合華.盾構襯砌管片的設計模型與荷載分布的研究[J].巖土工程學(xué)報200222).,然較大,但因為水壓力只產(chǎn)生很小的彎矩(接近于均布壓力),所以得到的彎矩值較小,軸力值相對較大,且較青藏鐵路建設攻克3大世界性難題均勻。但要注意采取抗浮措施?！案吆毖?、多年凍土、生態(tài)脆弱'是青藏鐵路建設中2.2與修 正的慣用設計法計算結果的比較采用修正慣用法時(shí),剛度折減系數η=0.8,彎矩的3大世界性難題，自2001年6月29日開(kāi)工建設以來(lái),廣分配系數ξ= 0,即不考慮非接頭處彎矩的增大，以便大建設者取得了攻克3大世界性難題的突破性進(jìn)展。全長(cháng)100km的青藏鐵路橫跨可可西里和唐古拉山無(wú)于進(jìn)行比較,其他參數與上述相同,得到的彎矩、軸力、人區,大部分地區氧氣含量?jì)H占海平面的50%左右,極端剪力如圖5.6.7所示。氣溫可達- 40C。_ -54> >-11青藏鐵路穿越550km的多年凍土地區,這里的多年凍-119土復雜而獨特?？萍既藛T相繼攻克了20多項世界性高原-138凍土施工難題，隧道順利貫通。青藏鐵路重點(diǎn)控制性工程138=/-127已相繼完工,鋪軌里程達580km,已完成工程合格率達-129-4支1009中國煤化工,大約21億元,占整個(gè)圉5彎矩圖(單位:kN.m)項目;YHC N M H G年部門(mén)最近的調查表明,青藏鐵路開(kāi)工建設以來(lái),青藏高原水環(huán)境一直處于良由圖5~7可見(jiàn)，按勻質(zhì)圓環(huán)計算,在最危險截面好的保持狀態(tài),生態(tài)環(huán)境未受明顯影響。(方法1為隧道底部,方法2為隧道頂部)的位置發(fā)生(摘自《中國建筑報>2004-09-09)