盾构隧道设计模块介绍

1自由变形匀质圆环法。埋设于松软、饱和土层(N2~4，N为标准贯入试验锤击数)中的衬砌，当结构变形时，土层一般无法(较少)提供被动抗力，为简单起见，略去接头刚度对初砌圆环内力的影响，按自由变形的匀质圆环来计算，可求得偏安全的内力。而接缝处刚度不足时往往采用衬砌环的错缝拼装予以弥补，这对分块较少(尤其对分成四块、接缝处于垂直、水平轴成45度位置)的衬砌结构尤为合适。2弹性铰圆环计算方法。在实际工程中，地下装配式圆形初砌结构螺栓接头能够承担一定的弯矩、轴力和剪力，且接头的变形和内力呈线性关系，因此可将这样的接头当作理想的弹性铰。对埋设于N2~4土层中的隧道衬砌结构，可以考虑衬砌与地层共同作用，在结构防水确有保证的情况下，用此法计算可大大减小断面弯矩，给工程带来较大的经济效益。此时，必须对圆环的变形作一定限制，并对施工提出必要的技术措施。若有条件采用有限元法进行结构分析，就可将较多的构造因素考虑进去，如接头螺栓及螺栓所施加的预应力、块与块间的传力弹性衬垫的作用等，有利于优化设计。3衬砌环间采用错缝拼装时，可按惯用法考虑由于纵向接头存在引起的匀质圆环刚度降低及环间接通过剪力传递所引起的断面与接头内力的重分配；或以二环为一个计算单元、块与块间设接头的回转弹簧、两环之间设径向剪切弹簧及切向弹簧的计算模式进行计算。盾构隧道衬砌内力分析方法分类三维有限元方法两维惯用法修正惯用法解析算法（荷载结构法）梁—接头模型梁—弹簧模型1有限元方法将一定计算范围的土与隧道看作一个整体，形成土—盾构隧道有限元模型，分为三维，二维有限元计算方法。三维有限元采用的计算软件有ANSYS，MARC等大型商用软件。但是，由于这些软件的学习需要太多的时间和精力，计算成本太高而在实际工程中很少采用。下图是用ANSYS建立的三维模型。二维有限元分析方法:这是一个平面应变问题，可以取出一个截面进行分析。下图是二维有限元分析模型。接触面单元衬砌离散化为直梁单元0原始状态1隧道开挖2结构的施作和3注浆压力施加4外围土体材料性质的改变土土体结构和土体之间施加注浆压力释放荷载系数(参考)施工步骤释放系数挖土阶段0.1衬砌施工0.7注浆0.1周围土体完成材料性质的转变0.12荷载结构法惯用计算法修正惯用计算法梁—弹簧模型梁—接头模型2.1荷载结构法的计算模型假设管片环是弯曲刚度均匀环的方法，不考虑管片接头部分的弯曲刚度降低。管片环是具有和管片主截面同样刚度EI、且弯曲刚度均匀的环（完全均匀刚性环）的方法。惯用计算法将接头部分弯曲刚度的降低评价为环整体的弯曲刚度的降低；管片是具有hEI弯曲刚度均匀的环（弯曲刚度有效率h）。考虑到错接头的接头部分弯矩的分配，在从根据hEI均匀弯曲刚度环计算出来的截面内力中，对弯矩考虑一个增减x（弯矩的提高率x≤1），设(1+x)M为主截面的设计弯矩，(1-x)M为接头的设计用弯矩。修正惯用计算法在梁－弹簧模型中，梁用于模拟衬砌管片，可为直梁或曲梁，弹簧用于综合模拟管片接头的形式、螺栓和防水充填材料的性态。kksknkknks(a)直梁－接头模型(b)曲梁－接头模型弹簧的轴向、剪切和转动效应分别用轴向刚度kn、剪切刚度ks和转动刚度kq来描述。梁-弹簧模型对计算结果最敏感的参数是接头刚度kq，等于接头处弯矩的增量与接头处接缝的相对转角的增量之比。它的大小直接影响到管片的总体刚度，从而影响管片的内力响应。获得接头刚度可以通过接头试验，理论计算，工程类比得到，根据现有资料kq的取值通常为104～105kN·m/rad.接头的轴向刚度和剪切刚度可以按照接头螺栓的轴向刚度和剪切刚度设定。影响接头刚度的因素有很多，如螺栓的预紧力、管片本身的压缩变形以及接头防水材料等的影响，dMkdqq接头模式线性模式正负不对称正负对称正负不对称正负不对称正负对称正负不对称双线性模式正负不对称正负对称正负不对称非线性模式对错缝拼装的模拟在设计过程中，对于管片拼装下环间接头的纵向加强作用可采用剪切模型模拟，剪切模型包括沿管片体的径向位移和环间位移。管片接头sn环间螺栓环间接头梁—接头模型该模型从结构的非线性出发，引进非线性介质力学数值分析的古德曼（Goodman）单元德思想，这是点与点接触的接触单元。2112ns21sn21(a)直梁－接头元(b)曲梁－接头元主荷载1、垂直和水平土压力2、水压力3、自重4、上覆荷载5、地基抗力附加荷载6、内部荷载7、施工荷载8、地震的影响特殊荷载9、平行配置隧道的影响10、邻近施工的影响11、其他2.2盾构隧道所受荷载惯用计算法的荷载分布梁—弹簧模型荷载假设与上图的区别，主要是在地基抗力的计算上。修正惯用法中假设垂直方向上的地基抗力与地基位移无关；水平方向上的地基抗力，则是伴随衬砌向围岩方向的变形而产生，假设为三角形分布，在衬砌水平直径上下各45。中心角的范围内。作用在水平直径点上地基抗力的大小与衬砌向围岩方向的水平变形成正比关系。分为水土合算和水土分算两种方式，一般来说，从水与土的关系出发，对砂性土易采用水土分算，而对粘性土采用水土合算。关于松弛土压力的计算方法采用太沙基(Terzaghi)土压力计算公式。式中：c为土体粘聚力；为土体内摩擦角；γ为土体容重；R0为衬砌圆环外半径；K0为侧向土压力与竖向土压力的比值，取K0＝1。计算图示如下图所示：土压力的计算松弛土压力计算简图侧向土压力系数和地基抗力系数参看下表计算实例（1）土层参数表和隧道位置信息土层编号厚度(m)容重(kN/m3)内聚力(kPa)内摩擦角(度)标准试验锤击数土层12.018.05.015.00.0土层24.018.618.517.34.4土层39.018.66.819.19.6土层410.517.911.010.21.5地表至隧道顶的距离H(m):11.0地下水面至隧道顶的距离Hw(m):3.0盾构所在土层为：砂性土（如果位于两个地层可以以占主导地位的地层来确定）（2）道基本几何参数管片总数:8衬砌外直径D1(mm):11000衬砌内直径D2(mm):10000关键块K的螺栓数:1右相临块B1的螺栓数:2左相临块B2的螺栓数:2标准块A的螺栓数:3右侧第一个螺栓与管片右侧的夹角θ1(度分秒):10.0度0.0分0.0秒关键块右侧与y轴的夹角θs(度分秒):10.0度0.0分0.0秒（3）荷载计算地面超载(kN/m2):20.0土压力计算方式:水土分算（4）材料参数管片：C50,厚度60cm接头参数：轴向刚度kn=105kN/m2，剪切刚度ks=105kN/m2，转动刚度kq=18000kN/m2，kq2=8000kN/m2纵向螺栓：剪切刚度k=105kN/m2。地层弹簧：压缩刚度k=10000kN/m2。盾构隧道设计模块