本发明涉及隧道施工技术领域，特别涉及盾构管片分类方法。
背景技术：
盾构工程在地下工程中的应用越来越广泛，在城市轨道交通、下立交通道、过江隧道、人行通道以及市政管廊等等领域都有应用。虽然盾构隧道根据不同工程要求，发展出了马蹄形盾构、矩形盾构等等各种类型，但最多的还是以圆形隧道型式为主，其受力状态最优。
盾构隧道的主体结构为管片，管片根据不同的直径尺寸、不同的受力要求，为多块管片组合而成。盾构隧道往往是线性工程，一般距离较长，管片的环宽为1.2m至1.5m为主，所以一般管片的环数很多。因为盾构机尺寸是一定的，因此一条线的管片尺寸是一定的，在工厂内统一预先制作成预制构件，再送到现场掘进、拼装。而且像轨道交通领域盾构隧道长度长达数十公里，为管片生产模具的通用性，管片的分块和尺寸都是不变的。根据沿线的埋深、地质条件、周边环境等条件，一定的管片尺寸条件下来确定不同的管片配筋，根据具体区段的受力条件，来分段选取其中的管片类型。由此，可以发现，在某个工程或者某个地区，管片通常都是一定的构件尺寸，分为几种类型，以便工厂预制、提供，使用者选取特定的管片类型来使用即可。
在现有技术中，盾构隧道管片的分类，在各个地区或者各个领域，是没有统一的分类标准的。比如在下立交、穿越节点等工程中，长度较短，根据实际的受力状态进行针对性设计，包括管片选型、管片模板及配筋，不需要分类或者分类较少。比如在某地区的轨道交通领域，长达数十公里的盾构隧道，甚至多条线路长达数百公里的盾构隧道，就需要有特定的分类，将全线的管片分为几个特定的类型，在工厂内预制后储存，使用者根据受力计算，从中选取合适类型的管片来使用。
在地层均匀的软土平原地区，如上海、天津、北京等地区，轨道交通盾构隧道的管片分类是根据埋深来确定的，根据不同的埋深，分别计算管片的受力状态，以此确定管片的配筋。这样按照常规的埋深范围内，将管片按照不同的埋深深度，分为数个类型，在配筋上予以区别。
但是在非均匀地层的山地地区，地面起伏较大，岩层和土层交错，线性工程的地质条件变化很大，而且山地中隧道埋深也是随时在变化，就不能利用隧道埋深这一单一的标准进行判定和分类。
因此，如何通过对管片进行分类，通过有效而通用的管片分类方法，使盾构的应用能够更加安全、更加经济、更加高效成为本领域技术人员急需解决的技术问题。
技术实现要素：
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供盾构管片分类方法，实现的目的是通过有效而通用的管片分类方法，使盾构的应用能够更加安全、更加经济、更加高效。
为实现上述目的，本发明公开了盾构管片分类方法；步骤如下：
步骤1、根据地质条件来确定盾构所需建造的隧道处的围岩分级；
步骤2、根据满足所述隧道的功能要求所需要的线型，确定所述隧道的埋深深度；然后对所述埋深深度进行分级；
步骤3、计算所述盾构的每一管片所受竖向荷载及水平荷载的数值大小，作为受力计算的前置条件；
步骤4、针对不同的计算工况，根据所述步骤3得出的结果，对每一所述管片进行受力计算，得到弯矩、剪力和轴力的内力值；
步骤5、将所述弯矩、剪力和轴力的内力值根据数值大小进行归类形成若干类管片；将每一类管片分为若干档，得出每一档的最大内力值；
用每一档的最大内力值进行配筋计算，得到每一类管片的配筋大小；
再按这一方法，由每一档的最大内力值得到配筋，以配筋来划分每一类管片，完成管片分类设计；
步骤6、根据已完成的管片分类设计，形成用于所有管片计算工况的表格，得到根据不同埋深、围岩条件确定的管片分类表。
优选的，在所述步骤1中，所述围岩分级根据现行的国家规范来进行划分，并由勘察单位所提供的勘察报告来提出，设计中依据勘察报告即可确定。
优选的，在所述步骤1中，所述围岩分级分为ⅲ级、ⅳ级、ⅴ级和ⅵ级。
优选的，在所述步骤2中，所述埋深深度进行分级包括以下因素：
因素1、所述隧道的工程所处的最小埋深需求和最大埋深需求；
因素2、卸载所述盾构的拱形成所需要的2倍洞径要求，即要求覆土达到2倍洞径，保证所述隧道上方土体能够实现所述拱的卸载；
因素3、每一个所述埋深深度分级均对应的管片配筋，相应的每一管片均需要满足相应的所述埋深深度分级所涵盖的隧道状态的受力要求。
优选的，在所述步骤3中，每一所述管片水平荷载数值由竖向荷载根据不同围岩条件的经验数值计算得到；
每一所述管片竖向荷载根据埋深是否达到卸载拱高度、岩层厚度是否满足深埋要求来确定，具体如下：
当埋深未超过卸载拱高度时按照全覆土重计算；
当埋深超过卸载拱高度且岩层厚度大于深、浅埋分界深度时，按照深埋隧道荷载计算；
当埋深超过卸载拱高度且岩层厚度小于深、浅埋分界深度时，按照全覆土重计算。
本发明的有益效果：
本发明通过有效而通用的管片分类方法，使盾构的应用能够更加安全、更加经济、更加高效。
具体实施方式
实施例
以某市轨道交通3号线为例，全线地下线路全长约42km，地面起伏条件大，根据线路设计，隧道埋深约6m至71m，其中除了局部位置位于山体内，埋深较大，其余均在25m埋深范围以内。采用外径6.2m，内径5.5m，环宽1.5m的管片。为合理、高效地对全线管片进行分类，采用方法如下：
步骤1、对全线的地质条件进行梳理，采用ⅲ、ⅳ、ⅴ、ⅵ级这四种围岩类型，能够满足全线乃至整个地区的所有围岩条件，具有较好的包络性。后续管片计算根据上述四类围岩，分别进行计算。
步骤2、本工程地铁隧道的外径为6.2m，地铁设计中，最小覆土一般为1倍洞径，即最小覆土约为6.2m。当覆土小于2倍洞径时，无法形成卸载拱，无论何种围岩条件，均需采用全覆土荷载进行计算，因此取12.5m为第一类管片的埋深分级。
除去部分埋深较深区段作单独分析外，其余隧道均位于25m埋深以内，因此综合分析下，取5m作为一个分级，即将管片的埋深类型分为12.5m以内、12.5m至17m、17m至22m、22m至27m这四档。
步骤3、计算管片所受竖向荷载及水平荷载的数值大小，作为受力计算的前置条件。
水平荷载数值由竖向荷载根据不同围岩条件的经验数值计算得到，竖向荷载根据埋深是否达到卸载拱高度、岩层厚度是否满足深埋要求来确定，即：当埋深未超过卸载拱高度时按照全覆土重计算；当埋深超过卸载拱高度且岩层厚度大于深、浅埋分界深度时，按照深埋隧道荷载计算；当埋深超过卸载拱高度且岩层厚度小于深、浅埋分界深度时，按照全覆土重计算。
首先根据上述围岩等级，在本隧道宽度(6.2m)的条件下，计算得到各级围岩的荷载等效高度ha，其中ⅲ级围岩的荷载等效高度ha为2m、ⅳ级围岩的荷载等效高度ha为4m、ⅴ级围岩的荷载等效高度ha为8m、ⅵ级围岩的荷载等效高度ha为16m。
然后根据深、浅埋分界深度2.5ha对各个埋深分类进行判断，即分为三类：第一类当埋深未超过卸载拱高度时，竖向荷载按照全覆土γ(覆土重度)×h(埋深)计算；第二类当埋深超过卸载拱高度，且岩层厚度大于深、浅埋分界深度，即可认为开挖体上方形成卸载拱，按照深埋隧道进行计算，竖向荷载按照γ(覆土重度)×ha计算；第三类当埋深超过卸载拱高度，但岩层厚度小于深、浅埋分界深度，认为开挖体上方未能形成卸载拱，按照全覆土重进行计算，竖向荷载按照γ(覆土重度)×h(埋深)计算。
水平荷载根据不同围岩等级，按照经验系数计算，即ⅲ级围岩为0.15倍竖向荷载、ⅳ级围岩为0.25倍竖向荷载、ⅴ级围岩为0.40倍竖向荷载、ⅵ级围岩为0.75倍竖向荷载。
根据上述计算方法，将本工程的计算工况，整理出23种工况，如下表所示：
表1管片计算工况梳理表
步骤4、针对不同的计算工况，由上述荷载计算方法得到各工况的荷载值，然后按照现有成熟的计算方法，分别进行受力计算，得到弯矩、剪力、轴力等内力值。
表2管片内力计算结果梳理
步骤5、将内力根据数值大小进行归类，相应分为若干档，得到每一档的最大内力值，用该内力值进行配筋计算，得到各类管片的配筋大小。按这一方法，由各档的最大内力得到配筋，以配筋来划分管片类型，完成管片分类设计。
从上述计算结果可知，各计算条件下的剪力均满足管片厚度350mm的承载能力，因此管片配筋主要是跟弯矩有关，以管片弯矩作为主要控制因素来进行内力的分档。根据计算结果得到的工况4、工况10、工况16、工况23的弯矩，作为分界值，即管片内力第一档(p1分类)：17至128kn·m；管片内力第二档(p2分类)：128至153kn·m；管片内力第三档(p3分类)：153至182kn·m；管片内力第四档(p4分类)：182至210kn·m。
根据上述内力值，计算管片配筋，得到如下配筋值：
根据前文所述，管片制作的模板是不变的，调整的仅仅是管片内的钢筋的多少，所以管片的分类就是管片配筋的分类，根据上述配筋值就可以知道不同类型管片的差异所在。
步骤6、根据上述管片配筋的分类，已经得到了不同管片类型，回归到管片计算工况的表格，可以得到根据不同埋深、围岩条件确定的管片分类表，具体如下：
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。