盾構(gòu)隧道管片檢算說(shuō)明——最終稿

1、盾構(gòu)隧道管片檢算說(shuō)明一、工程概況珠江三角洲城際快速軌道交通廣州至佛山段工程龍溪站菊樹(shù)站盾構(gòu)區(qū)間隧道左線設(shè)計(jì)起點(diǎn)里程ZDK16+397.865，終點(diǎn)里程YDK18+300.868，左線長(zhǎng)1906.373m。左線隧道采用1.2m管片拼裝，共拼裝1.2m管片1585環(huán)，襯砌外徑6.0m，內(nèi)徑5.4m，厚度0.3m，襯砌中線半徑R0=2.85m。管片混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，每環(huán)襯砌設(shè)6片管片，楔形量41mm。管片之間采用2根6.8級(jí)M24螺栓連接。左線10791091環(huán)管片在施工過(guò)程中形成管片連續(xù)錯(cuò)臺(tái)，其中錯(cuò)臺(tái)最大達(dá)到6cm，在1079環(huán)、1081環(huán)等7環(huán)管片的12點(diǎn)位出現(xiàn)管片縱縫張開(kāi)現(xiàn)象。后期變形監(jiān)

2、測(cè)結(jié)果表明，隧道已趨于穩(wěn)定。二、地質(zhì)情況該段隧道上方地層如圖1所示，地質(zhì)鉆孔MGF3-HF-21位于管片受損區(qū)域，因而以該地質(zhì)鉆孔揭示的地層性質(zhì)為依據(jù)檢算管片受力。各地層物理力學(xué)指標(biāo)如表1。圖1 盾構(gòu)隧道圍巖地層表1 各地層的巖土力學(xué)參數(shù)三、計(jì)算分析1、荷載計(jì)算(1) 結(jié)構(gòu)自重混凝土容重取g=25kN/m3。(2) 圍巖壓力由于該處地層基本為透水性較差地層，所以采用水土合算方式來(lái)考慮圍巖壓力，這里采用鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范方法確定圍巖壓力?？紤]隧道上方覆土重量及地面超載。隧道埋深H=12m，平均容重g =19.3kN/m3，粘聚力C=22.6kPa，內(nèi)摩擦角j=15.5°，地面超載取P0=

3、20kPa，不考慮地面硬殼層的承載作用。q=251.8kPa，e1=113.3kPa，e2=167.4kPa(3) 地震力按地震烈度度考慮，地震角b=1.5°，取地震綜合影響系數(shù)hc=0.25，水平方向地震系數(shù)Kh=0.1。F1=hKhG/D=0.6kPa由地震引起的主動(dòng)土壓力增量：De1=1.7kPa，De2=2.6kPa由于隧道埋深較大，地面沖擊波傳至地下隧道位置（12m）時(shí)可以忽略。2、計(jì)算模型采用荷載結(jié)構(gòu)模式對(duì)管片襯砌內(nèi)力性計(jì)算，抗力系數(shù)取160MPa/m，并考慮接頭對(duì)的襯砌剛度的影響。襯砌的計(jì)算剛度采用管片剛度乘以一個(gè)彎曲剛度有效率（折減系數(shù)h，取0.8），即：(EJ)計(jì)=

4、h(EJ)0圍巖對(duì)襯砌變形的約束作用采用彈性鏈桿模擬，盾構(gòu)隧道襯砌的計(jì)算模型如圖2。圖2 盾構(gòu)襯砌的計(jì)算圖式qD3、內(nèi)力計(jì)算結(jié)果考慮隧道襯砌管片的接頭對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)剛度的影響，剛度折減系數(shù)取h=0.8。結(jié)構(gòu)計(jì)算彈模E計(jì)=h(E0I)，采用ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算。(1) 彎矩在荷載作用下的襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩、軸力和剪力分布分別如圖3、圖4和圖5。圖3 襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩圖圖4 襯砌結(jié)構(gòu)的軸力圖圖5 襯砌結(jié)構(gòu)的剪力圖由于地震荷載和圍巖壓力相比非常小，所以襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力大小仍是近似對(duì)稱。最大截面彎矩Mmax =60.34 kN.m/m，出現(xiàn)在拱頂，N=651.34kN/m。其次在拱腰位置(50°)，

5、彎矩M=52.77 kN.m/m，N=738.61kN/m。校核管片時(shí)采用(1+x)Mmax，校核管片接頭時(shí)采用(1-x)Mmax，彎矩彎矩增大系數(shù)取x=0.2。最大剪力Q=62.8kN4、管片強(qiáng)度、裂縫寬度及接頭螺栓強(qiáng)度校核(1) 管片強(qiáng)度校核每環(huán)管片長(zhǎng)度1.2m，標(biāo)準(zhǔn)管片配筋為內(nèi)側(cè)受拉鋼筋面積Ag=2036mm2，外側(cè)受壓鋼筋面積Ag=1634mm2。每環(huán)管片內(nèi)力的彎矩和軸力分別為：Mj=(1+x)Mmax=86.89 kN.m/環(huán)，Nj=781.61 kN/環(huán)偏心距e0=Mj/Nj=111mm相對(duì)偏心距e0/h=0.411>0.3，屬于大偏心受壓。圖5 鋼筋混凝土大偏心受壓構(gòu)件截面

6、強(qiáng)度計(jì)算圖圖中，Rw、Rg分別為混凝土彎曲抗壓極限強(qiáng)度和鋼筋的抗拉或抗壓計(jì)算強(qiáng)度。對(duì)于C50混凝土，Rw=45.6MPa；對(duì)于HRB335鋼筋，Rg=360MPa。K為安全系數(shù)，對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承受主要荷載，K=2.0。迎水側(cè)a=40mm，背水側(cè)a= 30mm，h0=h-a=270mm。截面中性軸的位置由下式確定：式中，Ag和Ag分別是受拉區(qū)和受壓鋼筋面積；e和e分別是軸向力距離受拉鋼筋和受壓鋼筋合力作用點(diǎn)的距離；x為受壓去高度。受壓區(qū)高度x=127mm， x/h0=0.47<0.55且x/h0<2a =60mm。所以，隧道管片襯砌是安全的。(2) 裂縫寬度根據(jù)國(guó)家規(guī)范混凝土結(jié)構(gòu)

7、設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2002）節(jié)中“對(duì)e0/h00.55的偏心受壓構(gòu)件可不驗(yàn)算裂縫寬度”，在這里e0/h0=0.470.55，所以可以不進(jìn)行裂縫寬度檢算。(2) 管片接頭校核螺栓抗剪檢算：管片之間連接采用2根6.8級(jí)M24的螺栓，其總有效面積為AL=2×454=908mm2。螺栓承受的可能的最大剪力為Q=75.36kN/環(huán)，則螺栓承受的剪應(yīng)力，遠(yuǎn)小于其抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值190MPa。螺栓抗拉檢算：圖6 鋼筋混凝土單筋矩形截面強(qiáng)度計(jì)算圖圖中AL為螺栓的面積，RL為螺栓的抗拉屈服強(qiáng)度，取RL=480MPa。接頭強(qiáng)度校核采用彎矩：Mj=(1-x)Mmax=57.93kN.m，Nj=738.61kN。e0=78mm，受壓區(qū)高度由下式確定：受壓區(qū)高度：x=163mm安全系數(shù)：實(shí)際上，x/h0=0.6>0.55，所以應(yīng)按小偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算。螺栓的應(yīng)力聯(lián)立上式及，得到，x=160mm，x/h0=0.59>0.55?？梢?jiàn)，管片接頭也是安全的。從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，隧道襯砌管片和管片接頭都是安全的。