超大断面越江质构隧道结构设计与力学分析改重版本

1、超大断面越江盾构隧道结构设计与力学分析作者11，作者21,2，作者32*，作者42(1.上标为1的作者的工作单位,所在城市 邮编；2.上标为2的作者的工作单位,所在城市 邮编)摘 要 ： 通过案例介绍了超大断面越江盾构隧道的工程特点；结构的一般设计过程 ；衬砌结构的力学计算分析特性；通过已知技术条件进行了隧道结构的力学特性分析；结果表明此设计各结构构件的强度以及变形满足设计规范及安全性验算，能作为参建者在类似工程项目建设中提供一定层面的借鉴。关键词 ：超大断面；越江盾构；结构设计；力学分析；中图分类号：(请自行查找) 文献标志码：AMechanics Analysis and Structur

2、e Design of River-crossing shield tunnel of super-large Section (1. Communication address of author1 and author2；2. Communication address of author2、author3 and author4) Abstract: This paper introduced the engineering characteristics of super-large section cross-river shield tunnel; calculation anal

3、ysis of mechanical properties about the lining structure; analyzed mechanical characteristics of tunnel structure on the known technical conditions;the result shows that the strength and deformation of varies components in this design can meet the design specification and safety check and as a refer

4、ence for some similar project constructions.Keywords: super-large section; river-crossing shield; structure design; mechanics analysis;0 引言在建设各地隧道工程项目时，如果遇到各种复杂地质状况的影响，考虑到项目的投资成本、建设工期、环保、效益等多方面因素，现阶段常用的最佳施工方式是盾构掘进。在建设盾构隧道工程时，最核心的问题是盾构隧道衬砌结构的设计。国内外的专家学者重点研究衬砌结构中的关键因素，如外荷载、结构及地层相互作用模型及试验方法等，并取得了丰硕的研究成

5、果。然而对于复杂地质情况下，超大断面越江隧道结构的研究相对较少。基于此，本案例中主要从大断面越江盾构隧道的工程特点；结构的一般设计过程（内净空设置、结构形式、衬砌厚度、管片分块、管片幅宽、拼装方法等） ；衬砌结构的力学计算分析特性；通过已知技术条件进行了隧道结构的力学特性分析；四个方面进行总结分析，最后根据对衬砌管片结构力学的重要参数分析结论，得出此设计案例所设计的各结构构件的强度以及变形满足设计规范及安全性验算，能作为参建者在类似工程项目建设中提供借鉴；1. 工程背景1.1工程概况长江隧桥是典型的过江工程，南北分别与上海市的A30、崇明岛北延高速相接，整体采用南隧北桥的设计方案。长江隧道为盾

6、构隧道，起于浦东五好沟向北向穿过长江南港到长兴岛南岸西约400米处登陆，包括浦东岸边段、江中段和长兴岛岸段，各段长度分别为657m、826m、7471m和7469m，全长共约8955米，投资总额约为63亿人民币。其中东线和西线水平方向投影轴线总距离约为30m，中间共有8条联络通道。两隧道施工采用盾构掘进，此盾构机属于大型泥水平衡盾构机，直径为15.43m，由德国海瑞克公司制造。见图1为上海长江隧桥区域位置平面图：图1 该工程项目隧道位置平面图Figure 1: The project tunnel location plan1.2工程特点上海长江盾构隧道具有下述特征：施工断面大、隧道距离长、地

7、层层次多、地质状况十分复杂,且位于长江入海口处,受到了水流冲刷及上覆土层潮位变化的影响，所以在进行衬砌结构设计时要重视下述几方面特征：（1）、隧道的地层地质相对复杂，具体表现以下几方面：第一，衬砌结构被触变性、流变性粘性土层附着，因此造成地层土压力相对比较复杂，在具体施工过程中，必须考虑长期流变荷载的作用；第二，衬砌结构有透水性强的粉性土层附着，因此在确定水压力时要考虑工程项目具体地层与江水水力两方面的影响因素； （2）、此项工程建设场地处于长江入海口处：水流长期冲刷上覆土层；冲刷土层局部淤积作用于上覆土层；潮水位的涨落影响；这些影响因素造成对衬砌结构的荷载多种多样，处于不断变化之中，也就是这

8、种综合荷载情况具有时效性。固此我们在进行受力分析时要从最不利组合的角度来进行计算设计；（3）、该项目盾构隧道断面直径约为15m，隧道的土层层次多，多个层次的土层具有不同的力学性质，若采用均一化处理手段,设计计算的精度得不到应有的保证。应考虑在相关土层力学性质差异性较大时，从复杂地层的角度来进行设计计算；（4）、此盾构隧道每环衬砌分块多达10块,随着接头数量的增多,结构柔性增大,这样接头(缝)处负弯矩也增大了。为解决此问题，进行如下处理：沿着管片厚度方向，在其中部设置环向斜螺栓，并设置具有一定厚度的凸面来提高局部承压能力，有效地解决了接头的受力和防水问题；（5）、该盾构隧道断面大，造成整个衬砌结

9、构荷载复杂，无法准确判断，尤其是注浆荷载。为了充分保证施工过程的安全性，该隧道在每环衬砌结构设置了6个注浆孔，同时根据地质条件、注浆方式确定注浆压力，分析注浆压力的影响,避免开裂、压碎等破坏形式。2盾构隧道衬砌管片结构设计2.1隧道断面设计根据公路隧道设计规范，采用通行限界宽为14米，路缘带宽度为0.5米，余宽为0.5米，检修道宽为0.75米，行车道净高为5米，检修道高为2.5米，应当考虑附属设施所需要空间；建筑装修所需要的空间；调整误差所需要的空间。具体调整：在盾构机掘进界限外留出大约10cm的机动空间，据此可知隧道内净径是14.74m。盾构隧道横断面见图2所示：图2 盾构隧道设计横断面图F

10、igure 2: Layout of cross-section with shield tunnel design2.2盾构隧道衬砌方案与管片厚度确定盾构隧道工程的衬砌结构通常有两种设计方案：方案一：单层衬砌设计；方案二：“再模筑砼”的双层设计方案；【2】在大断面盾构遂道结构设计中，采用以上两种方案的案例都有例如：德国易北河第4座公路隧道，它在施工时采用的就是单层衬砌的方案，选用的设计参数：管片内径和厚度分别为12.35m、70cm；而日本东京隧道，施工时采用的是双层衬砌，选用的设计参数：管片内经、厚度、内侧现浇分别为：12.6m、65cm和35cm。而不设二次衬砌是目前国际上的趋势，参考各

11、国类似工程的设计，确定采用厚度为70厘米的C60钢筋混混土平板型管片，外径数值是16.14m，属于超大型断面盾构隧道。2.3衬砌管片的分块设计因本设计案例的隧道外径是16.14米的超大断面结构，所以将衬砌结构管片分块设计K块为封顶块，设计B块为相邻块，设计A块为标准块，这3类管片其组成为：1个K块+2个B块+9个A块=12块。在同一圆环内按照相等的圆心角布置8.8级M50型螺栓45个；在另一环内向共布设8.8级M36型螺栓共72个；具体布置设计方案为：凡接缝处按照厚度、幅宽的方向分别布置两排；靠中心线位置处布置 一个；靠近内侧位置处布置两个；接头设计成插销式直螺栓；每个接缝处共6个螺栓 ，这样

12、12个接缝，共布置72个环向螺栓。2.4衬砌管片幅宽目前衬砌管片的幅宽，随着生产工艺的不断进步越来越大，常见的幅宽是1.0米、1.2米、1.5米、2.0米等 。盾构机管片拼装能力也在不断提高 ，本案例从造价 、进度、防水密封等方面进行综合考虑，最终确定衬砌管片的幅宽为：2.0米。【3】2.5衬砌管片拼装程序盾构隧道管片拼装有二种方式：方案一：通缝拼装；方案二：错缝拼装；通缝拼装结构内力相对较小、结构刚度相对较小、从而变形相对较大。而错缝管片结构的各项参数和通缝管片相反，内力和刚度较大，从而使得错缝管片结构不易变形。错缝拼装管片的分块设计要求更高，因纵向螺栓分布需有一定角度的错位，施工难度比通缝

13、拼装大。本案例设计的衬砌结构管片具有较强的通用性，两种拼装方案都能采用：K块在拱顶正上方是进行通缝拼装；采取每两环为一组进行错缝拼装，首环的封顶K块位于拱顶正上方，第二环向左或向右偏80，具体如下图3所示。图3 错缝拼装Figure 3: Staggered Assembling3超大断面越江盾构隧道衬砌结构的计算特点3.1衬砌管片结构方面：应从衬砌结构力学特性和施工运输设备、安装设备的能力等方面进行综合优化分析，从而确定合理的衬砌管片分块数量。 由于断面很大，因此施工时使用的管片分块数量比较多；考虑到施工机械的能力有限定，管片接头的数量也必须随着增加；在这种情况下，管片必须具有较高的安装精度

14、，同时衬砌的柔性也会增加，因此必须从综合的角度确定合理的衬砌管片分块数量；3.2受力与变形特点:在分析衬砌结构的特征时，关键要考虑地层抗力与变形的非线性关系。根据土压力基本理论可知，在衬砌结构和地层两个因素都起作用时，被动土压力的线性变化具有一定的范围，如果超出此范围，并不能成线性增长。因此地层抗力也并非能够抑制增加，同时如果衬砌结构和附近地层的相对位置超过了特定值，在进行衬砌结构分析时，不能忽略地层抗力和变形的非线性问题。随着衬砌环管片、接头数量的增长，衬砌结构的柔性也不断增加，其结构在外界因素作用下的受力和变形与普通隧道工程存在较大差别。结构变形控制方面：衬砌结构的水土压力等会造成衬砌结构

15、产生变形；决定衬砌结构形变程度和防水效果的关键因素是管片接头张开度；目前通用的变形控制标准，对于大断面隧道能否适用必须经过研究；目前通用的设计模拟方法和参数的确定能否适用必须进行探讨；在衬砌结构计算模型方面，需跟模型试验结果对比分析,衬砌结构受力计算的模拟方法也有待改进；3.3岩土压力方面：对于不同的的地层，应该分别采取与之相适用的水土压力计算模式。一般隧道判别浅埋还是深埋的方法通常包括以下几种：第一，假如覆盖的土层深度没有超过此隧道外径，土体结构不能有效成拱，此类情况应选择总覆土压力；第二，若覆土深度超过隧道外径，松弛土压力不能忽视，在这种情况下选择TerZaghi公式。但是对于超大断面隧道

16、，在施工过程中对附近土层具有很大的扰动，因而导致衬砌结构和周围土层的相对刚度发生较大变化，因此采用浅埋还是深埋必须进行探讨。同时由于隧道断面的增加，隧道附近的地层性质并非完全相同，性质不同的地层各项参数会存在较大区别，产生的岩土压力也存在差异，另外土体的砂性或粘性其渗透系数不同，这些情况使得水土压力情况更为复杂，而在以往的设计计算时，一般采用均一化处理。而实际上不同地层应采用相应的水土压力计算模式。3.4地下水压力方面：在进行计算设计时，要根据具体的工程状况，综合分析水土压力分算、合算和孔隙水压力的取值，防止造成无谓的浪费。跨江隧道最明显的特征是孔隙水压力，本项目中的水压力为0.53MPa。孔

17、隙水压力越大，对隧道衬砌结构管片接头的防水和工程造价的影响会越大，因此整个设计难度也会越大。基于此，对于不同的工程状况，在进行具体计算时必须重点考虑下述两个问题：第一，水土压力合算与分算的选择；第二，若水土压力选择分算，其孔隙水压力折减系数的选择。3.5施工荷载方面：盾构机大容量化导致自重的增大,在施工精细化数值模拟时，对开挖面稳定性、沉降变形的影响不能忽略；高压化对开挖面的稳定性的影响、对地表变形造成的影响不能忽略。因为属于大断面，盾构机的千斤顶不能使用通常的种类，必须选择多个高压千斤顶。除此之外，隧道内部所有的电动机、液压器等其他施工设备也必须满足大断面的要求，即盾构机要高压化，其他设备大

18、容量化。【4-6】4.管片结构力学分析4.1衬砌结构计算分析已知数参数选定在进行衬砌结构计算时，必须考虑各种外界因素，例如：深埋条件、土质、结构特性等。应当选择在施工时工况条件最为不利的情形，设计上最大埋深断面，来进行分析研究。同时还要参考地质勘察报告，在设计计算时地层特性及力学参数如下表1所示：表1 地层结构特性和相关力学参数Table1:Stratigraphic structural characteristics andMechanical Parameters由于管片间采用直螺栓连接，根据有关的研究成果11-12有关参数取值如下：管片的环向接头正弯曲抗弯刚度取： 负弯曲抗弯刚度取：轴

19、向抗压刚度取：抗剪刚度取：环间接头螺栓径向抗剪刚度取：切向抗剪刚度取： 42计算结果按照上述在不同参数、不同拼装方式下得出的分析结果，对于隧道管片衬砌环的最大截面内力和变形的详细计算结果，见如下表2和下图4所示：表2：管片截面内力与变形分析结果Table 2: Calculation results of internal forces and deformations of segment section图4：组合内力和变形分析结果Figure 4: Analysis results of the internal force and deformation of combination43

20、计算分析由表2和图4 的结果可以看出：（1）采用不同的拼装方式，在变形和弯矩方面具有完全相反的结果：通缝拼接方式的管片结构变形大、弯矩最小，而错缝拼接结果和此完全相反。同样是采用的错缝拼装，由于K块位置的不同，力学特性也存在一定差异，如最大正、负弯矩分别位于第2环及第1环标准块上。（2）采用不同拼装方式轴力几乎没有什么变化；（3）错缝拼装的最大变形量为24.12mm，满足变形要求，施工时不宜用通缝拼装；（4）最大的正弯矩、负弯矩对应的管片砼的应力分别为23.54MPa、19.48MPa，拉应力分别为-10.57MPa、-2.96MPa，管片砼采用 C6O 砼，由规范可知抗压强度、抗拉强度超过了

21、设计值能满足要求；【7-8】（5）纵向、环向螺栓的最大剪应力分别为315.69kN、159.0kN；M50、M36型螺栓的抗剪能力分别为322.47kN、163.36kN，都能满足强度的要求。从分析结果可看出，12块分割管片结构的受力是合理的，各结构构件的强度以及变形满足安全性验算。5 结 语（1）超大断面越江盾构隧道在衬砌结构设计及计算分析上有其自身的特点：衬砌管片结构方面：应从衬砌结构力学特性和施工运输设备、安装设备的能力等方面进行综合优化分析，从而确定合理的衬砌管片分块数量；受力与变形特点:在分析衬砌结构的特征时，关键要考虑地层抗力与变形的非线性关系；岩土压力方面：对于不同的的地层，应该

22、分别采取与之相适用的水土压力计算模式；地下水压力方面：在进行计算设计时，要根据具体的工程状况，综合分析水土压力分算、合算和孔隙水压力的取值；施工荷载方面：盾构机大容量化导致自重的增大,在施工精细化数值模拟时，对开挖面稳定性、沉降变形的影响不能忽略；盾构机高压化对开挖面的稳定性的影响、对地表变形造成的影响不能忽略；（2）采用不同的拼装方式，管片衬砌结构的力学性质存在一定差异；(3) 此设计案例所设计的各结构构件的强度以及变形满足设计规范及安全性验算，能作为参建者在类似工程项目建设中提供一定层面的技术支撑；参考文献 ：1 姚超凡 晏启祥.一种改进的盾构隧道双层衬砌分析模型及其应用研究.学术期刊李昀

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