【文章內(nèi)容簡介】 板厚度較小、腔格偏大時，在盾構千斤項作用下混凝土將會發(fā)生剝落、壓碎等情況。平板管片是目前最常用的管片型式，常用于中小直徑的隧道，在相等厚度條件下，其抗彎剛度及強度均大于箱型管片。本次隧道穿過地層主要是中粗砂和礫石，地下水豐富，施工期間以及使用階段對防水的要求比較高，鑄鐵管片、鋼管片滿足防水要求，但是價格昂貴，不宜選取；復合管片耐腐蝕性差，不適宜在地下水豐富的地層使用；鋼筋混凝土管片中，箱型管片由于背板厚度較小，在施工期間容易損壞，而相同厚度的平板管片抗彎剛度和強度均大于箱型管片。通過比較，本區(qū)間采用平板型鋼筋混凝土管片。圓環(huán)的拼裝形式有通縫、錯縫兩種。錯縫拼裝的優(yōu)點在于能加強圓環(huán)接縫剛度，約束接縫變形，圓環(huán)近似地可按均質剛度考慮。但當管片制作精度不夠好時，采用錯縫拼裝形式容易使管片在盾構推進過程中頂碎。通縫拼裝的優(yōu)點是管片拼裝簡單，施工速度快。由于此工程接縫剛度要求易滿足，為使管片安裝方便快捷，施工進度快，采用通縫拼裝的形式。根據(jù)盾構隧道覆土深度，周圍環(huán)境，工程地質條件，綜合北京地鐵工程成熟的設計、施工經(jīng)驗，本工程盾構隧道襯砌的選擇為：初步確定襯砌厚度為350mm，外徑為Φ6200mm，環(huán)寬1200mm。參考北京盾構法隧道的襯砌施工的實踐經(jīng)驗，此隧道采用單層襯砌，襯砌采用預制平板型鋼筋混凝土管片?；炷翉姸葹镃55。隧道襯砌由六塊預制鋼筋混凝土管片拼裝而成，成環(huán)形式為小封頂縱向全插入式。每環(huán)管片由一塊封頂塊，兩塊鄰接塊，兩塊標準塊，一塊封底塊組成。接縫分別設置在內(nèi)力較小的8176。、73176。、138176。處。4 隧道計算 計算原則及采用規(guī)范計算原則：（1）設計服務年限100年； （2）工程結構的安全等級按一級考慮； （3）取上覆土層厚度最大的橫斷面計算； （4）滿足施工階段，正常運營階段和特殊情況下強度計算要求；（5）接縫變形在接縫防水措施所能適應的范圍內(nèi)；（6）；（7）隧道最小埋深處需滿足抗浮要求；采用規(guī)范：（1）《混凝土結構設計規(guī)范》（GB500102002）；（2）《地下工程防水技術規(guī)范》（GB501082001）；（3）《地下鐵道工程施工及驗收規(guī)范》（GB502991999）；（4）《建筑工程施工質量驗收統(tǒng)一標準》（GB503002001）；（5）《地下鐵道、輕軌交通工程測量規(guī)范》（GB503081999）；（6）《盾構法隧道施工與驗收規(guī)范》（GB504462008）；（7）《混凝土結構工程施工質量驗收規(guī)范》（GB502042002）。 斷面的選擇及內(nèi)力計算盾構隧道襯砌的結構計算采用自由變形的彈性均質圓環(huán)法。根據(jù)蘇州街站~黃莊站區(qū)間隧道剖面圖，選取3個截面，計算隧道覆土深度及隧道拱頂豎向荷載，見表41。表41 隧道截面概況截面位置覆土深度（m）拱頂豎向荷載（kPa）K1+P=+++++=K1+P=++++=K2+P=++++=工況里程為K1+，、。結構設計時，考慮了基本使用階段+特殊荷載組合階段可能出現(xiàn)的最不利荷載組合進行結構強度、剛度和裂縫張開量等驗算。 土層情況根據(jù)工程地質剖面圖，可得工況的土層地質的分布情況，見圖41工況隧道斷面土層分布圖。圖 41隧道計算斷面土層分布圖 荷載計算及組合區(qū)間隧道外徑為Φ6200mm，內(nèi)徑為Φ5500mm。襯砌采用預制鋼筋混凝土管片。混凝土強度為C55。荷載計算取b=1m的單位寬度進行計算，同時根據(jù)管片所處地層的特征及地基土的物理力學性質，在計算水土壓力時用水土分算的方法。（一）基本使用階段的荷載計算（1）襯砌自重： （）式中 g—襯砌自重，kPa；γh—鋼筋混凝土容重，取為25kN/m —管片厚度，m。將已知數(shù)值帶入上式計算可得：g ==。（2）襯砌拱頂豎向地層壓力： （） 式中 Pv1 —襯砌拱頂豎向地層壓力，kPa；γi —襯砌頂部以上各個土層的容重，在地下水位以下的土層容重取其浮重度，kN/m； hi—襯砌頂部以上各個土層的厚度，m。=+++++=（3）拱背土壓： （）式中 Pv2—襯砌拱背豎向地層壓力，kPa；Q—拱背均布荷載，kN/m； （）γ—襯砌拱背覆土的加權平均容重，kN/m； RH—襯砌圓環(huán)計算半徑，m。： =kN/m =()=。（4）地面超載：由于本隧道埋深不是很深，故須考慮到地面超載的影響，取地面超載為20kPa，并將它疊加到豎向土壓上去。（5）側向水平均勻土壓力： =tan(45176。)2tan(45176。) （）式中 Ph1—側向水平均勻土壓力，kPa；φ—襯砌環(huán)直徑高度內(nèi)各土層內(nèi)摩擦角加權平均值，（186。）；—襯砌環(huán)直徑高度內(nèi)各土層內(nèi)聚力加權平均值，kPa；其中，== =0kPa將已知數(shù)值帶入上式計算可得： kPa。（6）側向三角形水平土壓力： （）式中 Ph2—側向三角形水平土壓力，kPa；RH—襯砌圓環(huán)計算半徑，m；γ0—襯砌環(huán)直徑高度內(nèi)各土層重度的加權平均值，kN/m； kN/m： =。（7）靜水壓力：。（8）襯砌拱底反力： （）式中 PR—襯砌拱底反力，kPa；Pv1—襯砌拱頂豎向地層壓力，kPa； Pv2—襯砌拱背部荷載，kPa；g—襯砌自重，kPa；γw—水的容重，取為10kN/m。： kPa （9）地層側向彈性抗力 襯砌結構由于外荷作用，在水平方向產(chǎn)生向外的橫向變形的同時，襯砌外圍土體也相應會對襯砌結構產(chǎn)生一抵抗壓力，以阻止襯砌結構進一步變形。目前，在設計實用計算中應用較為普遍的是溫克爾局部變形理論，土層抗力分布在水平直徑上下各45176。范圍內(nèi)，在水平直徑處： （）式中 —地層基床系數(shù)（kN/m），取=20000kN/m —襯砌在水平直徑方向最終變形值（m） 圓環(huán)水平直徑處受荷后最終半徑變形值為： （）式中 —圓環(huán)剛度有效系數(shù)，=~,取。 EJ—襯砌截面抗彎剛度， 其中 E= J= 則 =在90186。位置處Pk的值為： Pk=ky(1cos)=(1cos90186。)= 由于土體側向抗力在90186。的位置處為最值，對襯砌內(nèi)力影響很小，不考慮其對襯砌變形的影響。（二）考慮特殊荷載作用本設計內(nèi)力計算采用《地下建筑結構》和《隧道工程》中的計算工法。對基本使用階段和特殊荷載階段兩種情況下可能出現(xiàn)的最不利荷載進行組合。取左半襯砌圓環(huán)進行分析，將其均分為11個部分，各部分方位角分別為0186。、15186。、45186。、75186。、90186。、135186。、180186。，其中0186。表示襯砌圓環(huán)垂直直徑處，以此類推。計算中彎矩用M（i）表示，軸力用N（i）表示，終值由結構在各種荷載作用下得到的內(nèi)力經(jīng)過疊加得到。各斷面內(nèi)力系數(shù)表如下表41。表41 斷面內(nèi)力系數(shù)表荷載截面位置截面內(nèi)力M（kNm）N（kN）自重0～π上部荷載0～π/2π/2～π底部反力0～π/2π/2～π水壓0～π均布測壓0～π△測壓0～π根據(jù)表41中內(nèi)力計算公式，并運用Excel表格進行匯總計算，計算結果見表43：表43 管片內(nèi)力計算一覽表截面內(nèi)力自重上層荷重水壓均布側壓△側壓底部反力拱背荷重0176。M（）N(kN)15176。MN176。MN1445176。MN0176。MN75176。MN90176。MN000176。MN135176。MN0176。MN180176。MN本設計需考慮特殊荷載，包括人防、地震荷載等。在設計中豎向特殊荷載取基本荷載的10。計算結果見表44。表44 管片基本使用階段及特載引起內(nèi)力一覽表截面位置基本使用階段特殊荷載階段M（kNm）N（kN）M（kNm）N（kN）0176。15176。176。45176。176。75176。90176。176。135176。176。180176。由于本工程所采用的管片設計寬度為b=，而荷載計算是按管片寬度b=1m計算所得，所以最終荷載應在b=。將內(nèi)力組合匯總如下表45：表45 管片內(nèi)力組合一覽表截面位置內(nèi)力組合M（kNm）N（kN）M（kNm）N（kN）0176。15176。176。45176。176。75176。90176。176。135176。176。180176。根據(jù)計算所得的內(nèi)力（見表45）繪出襯砌的內(nèi)力組合圖，見圖43。圖43 襯砌內(nèi)力組合圖由內(nèi)力組合值可知，彎矩在拱底處=180176。取得正的最大值（管片內(nèi)側受拉，M=），在=90176。的時候取得負的最大值（管片外側受拉，M= ）；軸力在=90176。時取得最大值N=。 斷面設計 管片斷面管片配筋取襯砌結構承受彎矩最大值作為設計依據(jù)，在內(nèi)力組合中得出的結果，在=180176。時截面內(nèi)側受拉彎矩最大，=90176。時截面外側受拉彎矩最大。故按=180176。時的截面進行內(nèi)排鋼筋設計，按=90176。時的截面進行外排鋼筋設計。根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》（GB500102002），按偏心受壓構件進行截面配筋設計。（1） =180176。時（內(nèi)排配筋）： 彎矩M= 軸力N= 管片鋼筋選定為HRB400（20MnSiV）型熱軋鋼筋，選用混凝土等級為C55混凝土。h=350mm，h0= h – as=h50=300mme0=M/N=1247mm （）ea=20mm（ea取20和h/30=350/30=） ei=e0+ea=1247+20=1267mm=300=90mm （）所以，屬大偏心受壓情況式中 e0—截面的初始偏心距，mm； ea—軸向力在偏心方向上的附加偏心距，mm； ei—修正截面初始偏心距，mm ；αs—混凝土的保護層厚度，mm；h—管片的厚度，mm。 e=ηei +h/2 as （）將已知數(shù)值帶入上式計算可得： e =1267+17550=1392mm式中 e—軸向力到受拉鋼筋合力點的距離，mm；η—截面的偏心距增大系數(shù)；這里取η=。對受壓面配筋： （）式中 α1—矩形應力圖強度與受壓區(qū)混凝土最大應力fc的比值；fc—混凝土的抗壓強度設計值，N/mm2；b—管片寬度，mm；ζb—界限相對受壓區(qū)高度；fy‘—鋼筋屈服強度設計值，N/mm2；h0—截面的有效高度，mm。根據(jù)選定的Ⅲ級HRB400鋼筋和C55混凝土，查表可得：α1=； fc =； b =；ζb =；