专利名称：基于双圆盾构隧道侧向滚动纠偏的衬砌结构确定方法
技术领域：
本发明涉及的是一种隧道工程技术领域的施工方法，具体是一种基于双圆盾构隧道侧向滚动纠偏的衬砌结构确定方法。
背景技术：
双圆盾构(DOT)法隧道由于能节约地下空间资源、减小对地面构筑物的影响、降低工程造价，成为地铁建设和市政工程隧道建设中的施工方法之一。但是，盾构机在施工中不可避免地会产生侧向滚动偏转(以下简称侧滚)现象，即盾构机的断面向一侧偏转角度α。双圆盾构隧道有两条轴线、横向尺寸显著增大，衬砌管片发生滚动偏转现象将直接影响管片拼装，使中间立柱产生附加应力从而影响正常使用功能，同时也会影响地表沉降的控制和盾构设备的使用。因此，滚动偏转控制也就成为双圆盾构施工过程中的技术重点和难点。一般地，双圆盾构机的驱动由左右大刀盘相互间逆向旋转，扭矩反力相互抵消，故不易产生侧滚；但是正因为如此，侧滚一旦产生，更难于纠正。为了保证隧道的施工质量，在双圆盾构的推进中，不停地使用盾构机上的纠偏千斤顶、双圆盾构的单侧压重及反对称的隧道衬砌管片的壁后注浆等纠偏动作来对盾构机施加一个与偏转方向相反的力矩进行纠偏。这样的纠偏动作会对已经施工好的隧道的衬砌结构产生一个附加扭矩，从而在隧道的衬砌结构构件内产生附加内力，使结构处于不安全状态。对于这种情况在设计阶段应加以考虑，提出更为合理的设计方案与技术措施。
经对现有技术的文献检索发现，袁金荣在《城市交通隧道工程最新技术》，上海市土木工程学会主编，2003年发表的“双圆盾构(DOT)隧道衬砌结构设计模型研究”，该文提出的双圆盾构隧道衬砌结构的设计模型将双圆隧道简化为对称结构，结构上作用的土压力、地基反力也对称地作用在双圆结构上。以此模型计算机结构内力并没有考虑上述纠偏产生地扭矩对隧道衬砌结构的附加作用；使设计的隧道衬砌结构偏于不安全。
发明内容
本发明的目的在于修正现有的双圆盾构隧道衬砌结构设计方法中的缺陷及不足，提供一种基于双圆盾构隧道侧向滚动纠偏的衬砌结构确定方法，使其给出更为合理有效安全的衬砌结构设计方案。
本发明是通过以下技术方案实现的，包括如下步骤(1)双圆盾构隧道滚动纠偏过程的地层结构分析采用平面应变方式的有限元数值分析，再采用不排水条件的弹塑性有限元法进行地层与结构计算。
(2)针对盾构机的构造、土性条件、隧道埋深及滚动偏转角的大小应用有限元法计算得到盾构机纠偏时作用于隧道衬砌结构上扭矩的大小。
有限元法的计算，步骤如下1)有限元的建模范围水平方向应大于(2DDOT+2HDOT+WDOT)米，垂直方向应大于(DDOT+2HDOT)米，其中，DDOT为隧道的顶部埋深，HDOT为隧道的高度，WDOT为隧道的宽度；双圆盾构隧道置于模型的中间，底面距隧道底为2HDOT。
2)计算中边界条件设定如下隧道内侧采用自由边界，模型两侧约束水平位移，模型底部同时约束竖向与水平位移。
3)软土地层的本构关系采用考虑弹塑性应变的修正剑桥模型，隧道结构取为弹性体。
4)模型中设定双圆盾构隧道衬砌处于偏转状态，设定初始偏转角θ度，然后施加一力矩使偏转角逐渐减小，计算回转角与力矩的关系。从而得到从偏转θ度回复到0度所需的扭矩。
(3)按水平方向单圆直径范围内三角形分布的原理，将上述扭矩转换为作用于衬砌上的地基的弹性抗力。
(4)将上述地基的弹性抗力、竖向地层压力、水平地层压力、衬砌自重、地基反力联合作用于隧道衬砌结构。
(5)在上述荷载作用下用修正惯用法或梁-弹簧模型计算隧道衬砌结构上的弯矩、剪力及轴力，以此内力值设计管片配筋与接头螺栓的大小。
本发明方法由于考虑双圆盾构施工时的滚动纠偏操作引起的纠偏力矩作用于隧道的衬砌结构，使衬砌结构上的内力(主要为弯矩与剪力)较现行的不考虑纠偏力矩作用时的内力有较大的变化；如弯矩与剪力的最大值的位置及作用方向会相反。因此，按本发明确定的衬砌结构比现有方法更为安全。本发明适用于所有采用双圆盾构工艺施工的隧道工程的设计。
图1为本发明方法偏转角为零度时计算弯矩2为本发明方法偏转角为0.6度时计算弯矩图具体实施方式
结合本发明的技术方案提供以下实施例实施例以上海地铁6号线十标段的双圆盾构隧道施工为例。该工程中的双圆盾构隧道的参数如下管片外部尺寸6300mm×10900mm(外径×外宽度)、两圆圆心距离4600mm，管片厚度300mm，宽度1200mm，隧道的埋深为9米；则DDOT＝9m，HDOT＝12.6m，WDOT＝10.9m。有限元的建模范围为水平方向80m，垂直方向35m。计算中边界条件设定如下隧道内侧采用自由边界，模型两侧约束水平位移，模型底部同时约束竖向与水平位移。软土地层的本构关系采用考虑弹塑性应变的修正剑桥模型，隧道结构取为弹性体。模型中设定双圆盾构隧道衬砌处于偏转状态，设定初始偏转角θ度，然后施加一力矩使偏转角逐渐减小，计算回转角与力矩的关系。从而得到从偏转θ度回复到零度所需的扭矩。限元法计算得到双圆盾构机在给定偏转角回复到零度时所产生的扭矩，对应的偏转角与扭矩(kN-m)的相互关系如下0.1度偏转角需699kN-m的扭矩；0.2度偏转角需1277kN-m的扭矩；0.3度偏转角需1748kN-m的扭矩；0.4度偏转角需2204kN-m的扭矩；0.5度偏转角需2622kN-m的扭矩；0.6度偏转角需3002kN-m的扭矩。
按水平方向单圆直径范围内三角形分布的原理，将上述扭矩转换为作用于衬砌上的地基的弹性抗力。对应的偏转角与最大抗力(kN/m2)的相互关系如下0.1度偏转角产生33.8kN/m2的最大抗力；0.2度偏转角产生61.7kN/m2的最大抗力；0.3度偏转角产生84.4kN/m2的最大抗力；0.4度偏转角产生106.4kN/m2的最大抗力；0.5度偏转角产生126.6kN/m2的最大抗力；0.6度偏转角产生145.0kN/m2的最大抗力。
将上述地基的弹性抗力、竖向地层压力、水平地层压力、衬砌自重、地基反力联合作用于隧道衬砌结构，利用修正惯用法计算隧道衬砌结构上的内力如下偏转角为零度时(无纠偏动作)的衬砌结构的弯矩分布如图1所示，八个控制节点的弯矩(1号与5号节点；-60.04kN-m)，(2号与8号节点；29.1kN-m)，(3号与7号节点；-28kN-m)，(4号与6号节点；23.5kN-m)。滚动纠偏过程中衬砌的弯矩、轴力、剪力随纠偏角度的变化而变化。图2为衬砌结构在上海地铁规定的最大允许偏转角0.6°的纠偏力矩与原有荷载作用下的弯矩图。如图所示，4号、6号和8号节点的弯矩变化最大，分别增加41.8kN-m、58.1kN-m和27.8kN-m，其增长率分别为178％、247％和95.5％。1号、3号和7号节点的弯矩减小。可见，纠偏对衬砌内力的影响非常大。特别是纠偏后最大弯矩控制节点发生了变化，而且个别节点(如节点2与节点6)的弯矩方向发生了变化，这些对实际衬砌结构相当不利。
各控制点处的轴力随纠偏角的变化都不尽相同。在允许偏转角0.6°时，各节点的轴力变化基本上都小于10％，由于衬砌轴力不是衬砌结构设计的控制因素，因此，衬砌轴力的变化对隧道衬砌结构的设计影响不大。
各控制点处的剪力随纠偏角的变化与弯矩变化趋势类似。在上海地铁规定的最大允许偏转角0.6°时，1号、3号和5号节点的剪力变化最大，分别约减小19.5kN、增加20kN和16.5kN，其增长率分别为50％、400％和55％。其中3号节点处剪力发生了变化，这对实际衬砌结构设计是相当不利的。
由本实施例的结果可知，利用本发明可以减小隧道衬砌结构的危险性。
权利要求
1.一种基于双圆盾构隧道侧向滚动纠偏的衬砌结构确定方法，其特征在于，包括如下步骤(1)双圆盾构隧道滚动纠偏过程的地层结构分析采用平面应变方式的有限元数值分析，再采用不排水条件的弹塑性有限元法进行地层与结构计算；(2)针对盾构机的构造、土性条件、隧道埋深及滚动偏转角的大小应用有限元法计算得到盾构机纠偏时作用于隧道衬砌结构上扭矩的大小；(3)按水平方向单圆直径范围内三角形分布的原理，将上述扭矩转换为作用于衬砌上的地基的弹性抗力；(4)将上述地基的弹性抗力、竖向地层压力、水平地层压力、衬砌自重、地基反力联合作用于隧道衬砌结构；(5)在上述荷载作用下计算隧道衬砌结构上的弯矩、剪力及轴力，以此内力值设计管片配筋与街头螺栓的大小。
2.根据权利要求1所述的基于双圆盾构隧道侧向滚动纠偏的衬砌结构确定方法，其特征是，所述的步骤(2)，有限元法的计算，步骤如下1)有限元的建模范围水平方向大于2DDOT+2HDOT+WDOT米，垂直方向大于DDOT+2HDOT米，其中，DDOT为隧道的顶部埋深，HDOT为隧道的高度，WDOT为隧道的宽度；双圆盾构隧道置于模型的中间，底面距隧道底为2HDOT；2)计算中边界条件设定如下隧道内侧采用自由边界，模型两侧约束水平位移，模型底部同时约束竖向与水平位移；3)软土地层的本构关系采用考虑弹塑性应变的修正剑桥模型，隧道结构取为弹性体；4)模型中设定双圆盾构隧道衬砌处于偏转状态，设定初始偏转角θ度，然后施加一力矩使偏转角逐渐减小，计算回转角与力矩的关系，从而得到从偏转θ度回复到0度所需的扭矩。
3.根据权利要求1所述的基于双圆盾构隧道侧向滚动纠偏的衬砌结构确定方法，其特征是，所述的步骤(5)中，采用修正惯用法或梁-弹簧模型计算隧道衬砌结构上的弯矩、剪力及轴力。
全文摘要
一种隧道工程技术领域的基于双圆盾构隧道侧向滚动纠偏的衬砌结构确定方法，步骤如下(1)双圆盾构隧道滚动纠偏过程的地层结构分析；(2)针对盾构机的构造、土性条件、隧道埋深及滚动偏转角的大小计算得到盾构机纠偏时作用于隧道衬砌结构上扭矩的大小；(3)按水平方向单圆直径范围内三角形分布的原理，将扭矩转换为作用于衬砌上的地基的弹性抗力；(4)将地基的弹性抗力、竖向地层压力、水平地层压力、衬砌自重、地基反力联合作用于隧道衬砌结构；(5)在上述荷载作用下计算隧道衬砌结构上的弯矩、剪力及轴力，以此内力值设计管片配筋与街头螺栓的大小。本发明考虑施工引起的结构内力，比现有方法更为合理，适用于所有采用双圆盾构工艺施工的隧道工程。
文档编号E21D11/00GK1814988SQ20061002407
公开日2006年8月9日 申请日期2006年2月23日 优先权日2006年2月23日
发明者沈水龙, 蔡丰锡, 郑坚, 朱建明, 叶松明 申请人:上海交通大学