地铁隧道衬砌结构设计计算.doc

地铁隧道衬砌结构设计计算1.1 计算原则1）结构计算采用的力学模型应符合衬砌结构的实际受力状态；2）结构计算时，分别就施工阶段、正常运营阶段可能出现的最不利荷载组合进行结构强度、刚度和裂缝宽度验算；3）应根据地质、水文条件的不同，分段进行计算；4）结构安全等级为一级，重要性系数取1.1。1.2 计算模式在进行盾构隧道管片结构设计计算分析时，采用荷载结构模式，见图1.2 -1所示。在确定作用在隧道上方的土层压力方面，国内外视地层情况，主要采用卸拱理论（太沙基公式为主体）和按全部地层压力计算土层压力的方法，但均带有较大近似性。国外也有取最小土压力不小于1D2D（D为隧道直径）高度的上覆土体自重（当计算土压力小于此值时）的经验法。衬砌圆环与周围土体的相互作用通过设置在衬砌全环只能受压的径向弹簧单元和切向弹簧单元来体现，这些单元受拉时将自动脱离，弹簧单元的刚度由衬砌周围土体的地基抗力系数决定。除土水压力外，实际的计算荷载按施工和使用阶段可能出现的其它最不利荷载组合进行结构强度、变形计算，同时对混凝土裂缝宽度进行验算。图1.2-1 荷载-结构模式图1）计算荷载荷载分类表1.2-1 荷载分类表荷载分类荷载名称永久荷载结构自重地层压力隧道上部地层破坏棱体范围的设施及建筑物压力水压及浮力设备重量地层抗力可变荷载基本可变荷载地面车辆荷载地面车辆荷载引起的侧向土压力隧道内部车辆行人等引起的荷载其它可变荷载施工荷载（设备运输、施工机具及人员、盾构推进、压注浆等引起的荷载）偶然荷载地震荷载、人防荷载荷载取值及组合竖向地层压力按载拱理论（太沙基公式为主体）和按全部地层压力计算土层压力。而侧压力当隧道处于粘性土中时按水土合算考虑，在砂性土地层时按水土分算考虑。当在砂性土地层时水土分算时，水压按静水压力考虑。地层抗力通过设置在衬砌全环只能受压的径向弹簧单元和切向弹簧单元来体现，这些单元受拉时将自动脱离，弹簧单元的刚度由衬砌周围土体的地基抗力系数决定。同时，偏于安全方向的考虑，未计管片周围注浆引起的抗力增加效果。钢筋混凝土管片重度取25kN/m3。地面超载取20kPa。列车荷载为列车轴重通过道床传递到管片上引起的荷载，按道床宽度内的匀布荷载考虑。该荷载仅用于进行衬砌环间剪切作用分析。荷载作用组合详见下表1.2-2。表1.2-2 荷载组合表序号荷载组合验算工况永久荷载可变荷载偶然荷载地震荷载人防荷载1基本组合构件强度计算1.351.4（1.3）2构件裂缝宽度验算1.00.50.83构件变形计算1.00.50.84抗震荷载作用下构件强度验算1.2（1.0）1.35人防荷载作用下构件强度验算1.2（1.0）1.02）管片特征管片的参数如下表1.2-3：表1.2-3 计算管片几何参数表项目0.35m厚管片隧道外半径R13.10隧道中心半径R2（m）2.925隧道内半径r（m）2.75管片宽度B（m）1.2管片厚度h（m）0.35分块数目（块）6封顶块管片（F）圆心角为20，标准块管片3块（分别为B1、B2、B3）圆心角为67.5。邻接块管片左右各1块（分别为L1、L2）圆心角为68.75，纵向接头为16处，按22.5等角度布置。采用错缝式拼装方案，具体为按每两环为一组，第一环的封顶块管片（F）从正上方左偏22.5，第二环的封顶块管片（F）从正上方右偏22.5。材料计算取值管片钢筋HRB335级钢强度设计值fy300MPa；管片砼C50，轴心抗压强度设计值fc23.1MPa，抗拉强度设计值ft1.89MPa。1.3 管片衬砌环接头力学模型盾构隧道管片衬砌环的力学模型有铰接圆环模型、匀质圆环模型和梁弹簧模型。铰接圆环模型、匀质圆环模型属于经验性为主的简化计算法，此种方法因不能明示接头位置，难于反映管片衬砌结构的实际受力状况（如考虑为匀质圆环时，不能反映圆环偏转某一角度后的截面内力及变形变化、不能计算错缝时的纵向接头的剪力等），计算结果受人为影响的因素较大。梁弹簧模型属于精确计算法，能考虑各类接头位置与刚度、错缝时的环间相互咬合效应，及隧道与周围土体的实际相互作用关系。根据精确计算法还能明确计算出衬砌管片的环向及纵向接头的各种内力值，可准确地进行各类衬砌管片接头的设计。我国以前多采用匀质圆环模型进行受力分析，随着盾构隧道设计理论的发展，目前也出现了采用梁弹簧模型进行力学分析，两种力学模型（见图1.3-1）的具体情况如下:1）匀质圆环模型将衬砌圆环考虑为弹性匀质圆环，用小于1的刚度折减系数来体现环向接头的影响，不具体考虑接头的位置，即仅降低衬砌圆环的整体抗弯刚度，如日本的修正惯用计算法。用曲梁单元模拟刚度折减后的衬砌圆，同时用弯矩增大系数来表达错缝拼装引起的附加内力值。根据国内外经验，通常取为0.75，为0.3。2）梁弹簧模型在一衬砌圆环内，具体考虑环向接头的位置和接头的刚度，用曲梁单元模拟管片的实际状况，用接头抗弯刚度来体现环向接头的实际抗弯刚度。为错缝式拼装时，因纵向接头将引起衬砌圆环间的相互咬合作用，此时根据错缝拼装方式，除考虑计算对象的衬砌圆环外，将对其有影响的前后的衬砌圆环也作为对象，采用空间结构进行计算，并用圆环径向抗剪刚度Kr和切向抗剪刚度Kt来体现纵向接头的环间传力效果。同时假定环间接头不会产生错动，故取接头抗剪刚度为无穷大。在采用梁弹簧模型进行结构计算时，管片接头抗弯刚度k，的取值很重要，它是评价评价盾构隧道管片衬砌结构设计合理与否的关键。根据研究成果，结合杭州地铁工程建设实际情况和所选用的管片结构尺寸、内力分布、接缝衬垫厚度等影响因素，管片结构设计中取接头正抗弯刚度k+5104kN.m/rad，负抗弯刚度k-3104kN.m/rad。（a）匀质圆环模型 （b）梁弹簧模型图1.3-1 管片衬砌圆环计算的两种力学模型根据以上所述，采用有限元分析软件Ansys，取三环管片进行空间计算，有限元计算模型如下图1.3-2所示：图1.3-2 有限元力学模型1.4 截面内力及变形计算结果根据本投标区间埋深情况，盾构隧道管片分为三类，分别如下表1.4-1所示。表1.4-1 管片类型表衬砌管片分类浅埋管片中埋管片深埋管片区间隧道埋深H10m10mH15m15mH20m盾构隧道按覆土深度分别计算归类设计管片，部分计算结果如下表1.4-2：表1.4-2 两断面单环管片各项指标汇总表工况最大正弯矩Mmax（kN.m）最大正弯矩对应轴力N（kN）最大负弯矩Mmin（kN.m）最大负弯矩对应轴力N（kN）单点最大变形量max（mm）备注工况一121.32624.3593.97970.073.58H10m工况二143.12413.24107.32642.061.3410mH15m工况三151.71432.11113.76671.386.2115mH20m注1：截面内力为衬砌环每环（1.2m）的实际值。注2：正弯矩代表隧道内侧受拉，负弯矩代表隧道外侧受拉。970073 931659 893244 854839 816424 777999 739595 701180 662765 624350 (a) 轴力图/N125321 97995 74874 -49770 25473 2338 -21428 -45650 -69786 -93974 (b) 弯矩图/Nm-103240 -82826 -62412 -41998 -21584 -1168 19246 39660 60074 80488 0 3.59E-037.16E-031.08E-020.014338 0.017915 0.021502 0.025089 0.028676 0.032253 (c) 剪力图/N(d) 位移图/m图1.4-1 工况一管片内力位移结果642073 616647 591220 565801 540375 514942 489523 464097 438671 413245 (a) 轴力图/N143128 111919 85512 -56842 29092 2670 -24472 -52137 -79702 -107327 (b) 弯矩图/Nm-108975 -87427 -65879 -44331 -22782 -1233 20315 41863 63411 84959 (c) 剪力图/N0 1.34E-031.07E-021.60E-020.021345 0.026670 0.032010 0.037350 0.042690 0.048015 (d) 位移图/m图1.4-2 工况二管片内力位移结果671396 644809 618222 591642 565054 538460 511880 485293 458705 432118 (a) 轴力图/N151712 118631 90641 -60251 30837 2830 -25940 -55264 -84482 -113764 (b) 弯矩图/Nm-132783 -106527 -80271 -54016 -27760 -1503 24753 51009 77265 103520 (c) 剪力图/N0 6.21E-031.24E-021.86E-020.024823 0.031015 0.037225 0.043435 0.049645 0.055838 (d) 位移图/m图1.4-3 工况三管片内力位移结果经验算，隧道结构设计满足要求。