[發明專利]一種縱向沉降變形引起盾構隧道附加內力的確定方法

有效

• 申請號: 201410784574.2
• 申請日: 2014-12-16
• 公開（公告）號: CN104612700A
• 公開（公告）日: 2015-05-13
• 發明（設計）人: 吳懷娜;沈水龍;陳牧;張寧
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: E21D9/06
• 分類號: E21D9/06
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 徐紅銀;郭國中

技術領域

本發明涉及的是一種建筑工程技術領域的方法，具體是一種縱向沉降變形引起盾構隧道附加內力的確定方法。

背景技術

隨著我國城市軌道交通建設的高速發展，采用盾構法進行地鐵隧道建設已成為一種常用手段。盾構法是指使用盾構機一邊控制開挖面及圍巖不發生坍塌失穩，一邊進行隧道掘進、出渣，并在機內逐環拼裝管片形成隧道襯砌的施工方法。盾構隧道的襯砌是一種“縱柔環剛”的結構，在隧道施工及使用過程中，一經擾動極易產生縱向變形及沉降。隧道縱向變形會使隧道產生一定的附加內力，嚴重時將引起管片開裂、螺栓拉裂、隧道漏水、漏泥等，影響隧道的安全及使用壽命。然而，當前的盾構隧道結構設計往往是將隧道簡化為二維模型，僅在隧道縱向上選取一些特殊橫斷面分析其內力，隧道縱向變形引起的附加內力并未給予考慮。國際隧道協會(ITA)于2000在《Tunnelling?and?Underground?Space?Technology》(隧道和地下空間技術)發表的《盾構法隧道設計指導》中強調，為了保障隧道的長期使用安全，有必要在設計之初對隧道縱向變形引起的附加內力加以考慮。

經對現有技術文獻檢索發現，隧道縱向內力分析常采用縱向等效化連續模型。該模型是由日本的志波由紀夫等于1988年在《土木學會論文集》(日本土木工程學會學報)發表的《シールドトンネルの耐震解析にる長手方向覆工剛性の評價法》中提出。模型中隧道被簡化為均質的歐拉-伯努利梁，隧道的變形為梁在彎曲作用下的撓曲變形，即管片環一側混凝土受壓，另一側螺栓受拉，管片環繞中性軸剛度旋轉，這種變形模式稱為彎曲變形模式。2009年王如路在《地下工程與隧道》發表的《上海地鐵盾構隧道縱向變形分析》中根據隧道變形引起的滲漏及實際監測情況進行反分析，提出隧道變形并非表現為管片環的剛度旋轉，而主要是管片環間的錯臺變形累積而成。雖然環與環之間的錯臺量往往很小，但逐環累積成的隧道變形量仍不容忽視，這種錯臺變形的模式稱為剪切變形模式。實際上，隧道變形作為細長形的圓管，其撓曲變形是存在的，而環與環之間連接螺栓的剪切剛度較小，使得隧道的剪切變形同樣不可忽視，隧道變形應兼具彎曲變形和剪切變形兩種模式。傳統的以歐拉伯努利梁理論為基礎的隧道內力分析模型無法考慮隧道的剪切變形，其得出來的隧道內力也與實際存在較大差異，無法為隧道縱向設計提供依據。

發明內容

本發明針對現有技術方法的不足，提供一種縱向沉降變形引起盾構隧道附加內力的確定方法，準確地確定縱向沉降變形引起盾構隧道附加內力，為隧道縱向設計提供依據。

本發明是通過以下技術方案實現的：本發明在確定隧道結構的設計信息后，建立能夠考慮剪切變形的隧道縱向鐵木辛柯梁模型，通過現場監測測出隧道變形段的沉降值，然后采用高斯曲線對其進行擬合，確定基于鐵木辛柯梁模型的隧道沿線沉降函數及截面轉角函數，進而根據隧道變形及內力的關系確定隧道的附加內力值。

所述方法包括以下步驟：

第一步、確定隧道及其構件的設計參數。

所述的隧道及其構件的設計參數是指：隧道管片的內、外直徑，管片環寬，管片混凝土彈性模量、剪切模量，管片環間連接螺栓型號及個數，螺栓長度，螺栓直徑，螺栓剪切模量。

所述的混凝土彈性模量和剪切模量可參考《混凝土結構設計規范(GB50010-2010)》確定。

所述的螺栓剪切模量可參考《鋼結構設計規范(GB50017-2003)》確定。

第二步、建立隧道縱向的鐵木辛柯梁模型，確定隧道的縱向等效彎曲剛度和等效剪切剛度。

所述的隧道縱向的鐵木辛柯梁模型是指：在縱向上以剛度等效的方法把由接頭和管片環組成的隧道等效為具有相同剛度、均勻連續的鐵木辛柯梁，并賦予其等效彎曲剛度和等效剪切剛度。

優選地，所述的等效彎曲剛度滿足以下公式：(EI)_eq＝ηE_sI_s

其中，(EI)_eq是等效彎曲剛度，η是縱向抗彎剛度有效率，一般取1/7；E_s是混凝土的彈性模量；I_s是管片環截面慣性矩，滿足以下公式：I_s＝πr³t，式中，r為管片環的平均半徑，滿足公式：r＝0.25(D₁+D₂)，式中D₁為管片環外直徑，D₂為管片環內直徑，t為管片環厚度，滿足公式:t＝0.5(D₁-D₂)。