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盾构隧道衬砌内力计算模型比较 1 1 2 姜增国 ，李永明 ，江胜林 1. 武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉（430070 ） 2. 铁道第四勘察设计院，武汉（430063 ） E-mail ：stone9975@ 摘 要：结合目前正在施工的南京长江隧道工程实例，详细论述了盾构衬砌结构设计中常用 的两种内力计算模型：匀质圆环模型和梁－弹簧模型，比较了这两种模型的计算结果，并从 中得出了一些有价值的结论。 关键词：盾构隧道；衬砌；内力；匀质圆环模型；梁－弹簧模型 1. 引言 在城市中，为了缓解日益拥挤的交通问题，需要修建地铁、公路隧道、水底隧道甚至海 底隧道等。盾构是修建城市隧道最常用的施工机械。盾构法隧道优势明显：对环境影响小、 不影响地面交通和航道通行，无空气、噪声、振动等污染问题、机械化程度高、适用地层范 围宽等。盾构法隧道衬砌是由若干弧形管片通过环向接头拼装成环，然后每环之间通过纵向 接头逐一连接而成的地下结构。盾构法隧道设计的一个重要环节是采用合适的模型计算衬砌 结构的内力。由于环、纵向接头的存在和拼装方式的差别，使得这一问题较为复杂。 在文中详细论述了盾构衬砌结构设计中常用的两种计算模型：匀质圆环模型和梁－弹簧 模型；结合目前正在施工的南京长江隧道工程实例，应用非线性有限元程序ANSYS 分析了 上部和周围土体荷载和水压力作用下钢筋混凝土衬砌的内力，比较了这两种模型的计算结 果，并从中得出了一些有价值的结论。 2. 计算模型 2.1 匀质圆环模型 匀质圆环模型不考虑管片接头的弯曲刚度降低，认为管片环是具有和管片主截面相同刚 度EI ，且弯曲刚度均匀的环，并基于Winker 理论，假设地层反作用仅在水平方向的正负45° 范围内按三角形规律分布，荷载作用模式如图1 所示。 图 1 匀质圆环模型荷载模式图 - 1 - 图2 错缝拼装弯矩分配示意图 对于十分密室的土层，由于土壤的水平抗力起到了有效的作用，衬砌环承受的弯矩不大， 采用这种模型没有实际障碍。随着密闭式盾构的快速发展，目前已能够在十分软弱的含水地 层中进行开挖。在这种地层中，由于土壤的水平抗力小，管片接头刚度与管片刚度难以等同 考虑，此时通过引入一个由于管片接头而降低衬砌刚度的有效参数η （η≤1）和一个由于被 [1]，这 相邻衬砌环通过环间接缝来支持而增加的刚度增量ξ （ξ1 ）来改善上述模型的普遍性 就是修正惯用法的思路。它采用局部地层弹簧抗力来取代惯用设计法中三角形分布的地层反 作用荷载。由于管片接头的影响，将管片整体抗弯刚度刚度由EI 将为均匀抗弯刚度ηEI ， 并且弯矩并不是全部都经由管片接头传递，可以认为其中的一部分通过环间接头的剪切阻力 传递给错缝拼装的相邻管片，错缝拼装弯矩重分配如图2 所示。其中接头处内力为： Mj =(1-ξ)M…………………… （1） Nj =N ………………………… （2 ） 管片内力为： Ms=(1+ξ)M…………………… （3 ） Ns=N ………………………… （4 ） 公式中，ξ为弯矩调整系数；M ，N 分别为匀质圆环计算弯矩和轴力；M ，M 分别为调