盾构隧道管片设计模型的改进★

(黑龙江科技学院建筑工程学院，黑龙江哈尔滨 150027)

0 引言

地铁管片采用装配式衬砌时，衬砌结构是由圆弧形管片拼装成环，每环之间逐一连接而成的。管片与管片之间，环与环之间通过螺栓连接，对于如何估计管片接头的力学性态是一大难题［1-3］。

随着地铁建设的快速发展，如何准确计算装配式衬砌管片的内力，是管片设计的当务之急。

目前，在地铁管片设计中，用的较多的是惯用法模型。惯用法模型是假定接头和管片的刚度相等、土层被动抗力按照假设分布。这种模型简化显然与实际工程状况不符。在不考虑整体稳定性时，惯用法模型计算的内力偏大、变形偏小。

本文对目前广泛应用的惯用法模型的接头简化进行了改进，推导了改进惯用法模型的内力和位移求解公式;并结合北京地铁十号线亮马河站—农展馆站区间段勘测与设计资料，对惯用法模型及其改进模型进行了对比分析，与数值解法等做了综合验证分析。结果表明，本文推导的公式是可靠的，对地铁管片的设计和施工具有理论和实践意义。

1 改进的惯用法模型及其内力公式推导

1.1 力学模型的建立

目前使用最多的模型是惯用修正法，见图1。本文考虑到管片接头的刚度降低，影响内力和应力，所以将接头处理方式进行了改进，改进的惯用法模型见图2。由于荷载和结构均对称，取其一半计算。内力求解模型见图3。

图1 惯用法模型

图2 改进的惯用法模型

1.2 内力公式的推导

各种荷载情况下结构任意截面上的内力公式:

其中，

图3 内力求解模型

图4 现用公式和推导公式的特殊截面处的内力值

2 本文改进惯用法模型推导的公式与现用惯用法公式计算结果的比较

2.1 工程实例

本文以北京地铁十号线一期工程亮马河站—农展馆站区间(区间里程:K16+959.0～K17+645.3)段隧道为工程背景，地质参数如表1所示。地下水位标高为10.1 m，洞的中心距离表面土层33 m，洞口直径6.0 m。

表1 工程地质参数

2.2 计算结果分析

本文改进惯用法模型推导的内力和位移公式与现用的惯用法公式在特殊截面处的内力值比较见图4。主要结论如下:

1)由图4a)可知，由本文推导公式计算的正弯矩值数值小于由现有公式计算的数值，说明在现用的惯用法模型的理论计算中不考虑接头影响，截面弯矩值偏大，设计偏于安全，不经济。2)由图4b)可知，本文公式计算的截面剪力绝对值大于现用设计公式计算的剪力绝对值。截面剪力相差不大，仍说明现用的惯用法模型设计偏于安全，但不经济。3)由图4c)可知，两种模型的公式计算的轴力值在衬砌的上半圆各截面处几乎完全相同，在控制截面即水平直径端点处截面轴力值一样。在与竖向夹角90°～180°范围内衬砌各截面轴力变化趋势出现分歧，现用设计公式计算结果呈继续上升趋势，而本文推导公式计算结果是呈下降趋势。

［1］蒋洪胜.盾构法隧道管片接头的理论研究及应用［D］.上海:同济大学博士学位论文，2000.

［2］胡志平，罗丽娟，蔡志勇.盾构隧道管片衬砌荷载模式比较分析［J］.岩土工程技术，2004，18(1):19-22，42.

［3］龚 放.浅析TBM隧道管片的结构设计［J］.山西建筑，2011，37(25):173-174.