关于地铁盾构结构设计的几点思考

引言

管片是盾构结构设计中非常重要的一种衬砌手段，这种手段在盾构结构设计中所占的比重是比较大的，特别是在设计和经费方面，所以说管片设计的合理性，能够影响到整个盾构结构设计工程的合理性和工程的经济效益。本文提出了集中应用与管片盾构结构设计中的方法，提出了地铁盾构隧道的设计建议以及管片裂缝控制的合理性建议。

一、管片结构设计力学理论基础

现在的进行盾构结构设计的时候应用的设计方法是很多的，但是最常用的还是几种比较典型的设计方法，包括惯用法、修正惯用法、多铰圆环法、梁·弹簧法。下面对这几种设计方法进行了介绍。

（一）惯用法

惯用法是将管片的环看作是一个刚度均匀的环来进行相应的计算的，这种方法不需要考虑管片在接头的部分弯曲度下降的因素，管片环应该具有和管片主截面相同的刚度。

（二）修正惯用法

修正惯用法也是需要将管片环看做是一个刚度均匀的环，修正惯用法与惯用法的主要不同点就是修正惯用法在考虑管片接头部分的时候，认为弯曲刚度是下降的以及花香螺旋处的弯矩上升，将衬砌圆环考虑成一个弹性匀质的圆环，在计算的时候用刚度折减系数η来表示环向接头的影响，在设计计算的时候不考虑接头的具体位置，也就是说只是仅仅的降低了衬砌圆环的整体上的抗弯刚度。刚度折减后的衬砌圆需要用曲梁单元来进行模拟，在设计计算的过程中应用了小于1.0的系数ξ来表示错缝拼装时引起的附加的内力值。在设计计算中初步确定管片的参数的时候，ξ的取值范围应该是百分之二十到百分之三十。

（三）多铰圆环法

多铰圆环法需要将管片的接头位置看作是一个铰结构来进行设计考虑，多铰圆环本身的结构就是一个非常稳定的结构，应用到隧道中之后，在隧道周围岩石等的挤压作用之后能够成为更加稳定的结构，所以说这种设计方法主要适合与那

些隧道围岩状况良好并且能够具有普遍抗力的情况之中，所以说适用的范围比较小。

（四）梁·弹簧法

在梁·弹簧法的设计过程中，需要将管片的主截面进行模拟，模拟成为一个梁结构，将管片环向接头进行模拟，模拟成旋转弹簧结构，将管片径向接头进行模拟，模拟成为剪切弹簧，将地层与管片环之间的相互作用进行模拟，模拟成为地层弹簧来进行表示。这种计算方法的优点就是能够比较接近管片在地层中的实际受力情况。

上面说到的这四中设计计算模型理论，在有些方面的设定基本上都是一样的，比如说在自重、垂直土压力、水平土压力、上覆荷载以及上部崔志荷载抗力等，这些设定基本上都是相同的。不同点主要体现在水平地层抗力的设定方法上。比如说惯用法和修正管用法就是将水平地层的抗力来看做是一个三角形的分布载荷来进行考虑的，而其他的两种方法确实通过设定为地层弹簧来进行考虑的。

多铰圆环法可以进行最经济的设计，主要是因为这种方法设计计算的弯矩是最小的。但是多铰圆环法的缺点也是非常明显的，为了实现弯矩小的目的，我们就必须将接头设计成铰，为了接头能够在实际的工作中发挥出铰的作用，需要对接头进行特殊的设置，或者是在施工结束之后直接将接头处的螺栓卸除掉。但是这些方法都会受到地质条件的影响，如果施工的地质条件不是很好的话很有可能会直接造成管片的变形过大甚至直接造成漏水的情况。所以说这种方法受到了地质条件的限制，但是我国的很多地方地层都是不稳定的，也就是说一般情况下是不适合采用这种方法进行设计施工的。

梁·弹簧法却是最为符合实际情况的一种设计计算方法，这是梁·弹簧法比较突出的一个优点。但是这种方法的缺点也是非常明显的，那就是这种方法的具体设计计算是非常繁琐的，需要编制及其复杂的程序。并且在应用梁·弹簧法进行计算模型的时候，会受到管片之间螺栓的旋转弹簧模量、管片之间的剪切弹簧模量等的影响。

修正惯用法则是计算方法比较简单实用的一种，也是比较符合施工实际的一种设计方法。

二、管片裂缝合理性建议

管片的裂缝设计是管片设计中比较重要的一个环节，在这个环节中不仅仅需要对受力安全以及管片的耐久性等方面进行合理的考虑，还需要考虑在施工过程中经济效益的影响。在进行配筋设计的时候需要在保证受力安全的同时，来考虑裂缝的情况。从综合的角度来进行思考的话，单纯的提高配筋率不是一个好的方法，在实际中需要结合多种合理的配置方法来实现设计目的。下面介绍了几种管片配置的合理性建议。

第一，在盾构隧道推进的施工过程当中，应该适量的注入泡沫剂，这样做的好处就是能够很好的减少隧道掘进过程中的扭矩和推力，并且能够合理的控制掘进的速度。按照推力公式进行计算，设计推力应该等于盾构外壳与周围地层摩擦力、盾构机推进时的正面推进阻力、盾构机切口环贯入地层时的阻力、变相阻力、管片与盾尾之间的摩擦阻力以及后接台车的牵引阻力之和。

第二，就是需要根据施工的地质类型，通过合理的计算模型进行选择，最后得出配筋和管片尺寸的合理配置。

第三，尽量能够平衡经济效益和衬砌安全，不能一味的增加管片钢筋的使用数量，合理话资金的使用。

结语

盾构机构设计在现在的地铁隧道掘进中的应用时非常广泛的，现在各大城市的地铁建设都在快速展开，更加合理的应用盾构机构设计能够很好的提高地体隧道掘进工程的施工效率。

参考文献

[1]彭钧. 地铁盾构结构设计方法探讨[J]. 华东交通大学学报，2011，04：38-41.