一种朝上盾构法施工中特殊段管片结构的内力计算方法技术

本发明专利技术公开了一种朝上盾构法施工中特殊段管片结构的内力计算方法，所述方法确定特殊段管片结构的竖向荷载和侧向荷载；基于特殊段管片环结构为二次超静定结构，建立弹性中心处的位移协调方程，采用弹性中心法对特殊段管片环的内力进行分析；将特殊段管片环结构的开口处管片近似为曲形薄板，分析特殊段管片结构的受力情况，对侧向荷载的内力计算进行修正；计算特殊段管片结构在竖向荷载作用下的内力；将侧向荷载和竖向荷载作用下的管片环内力进行叠加，即可得到最终特殊段管片的内力。本发明专利技术提出的计算方法简单，适用性较强，考虑了朝上盾构法施工引起的特殊荷载及施工开口影响。盾构法施工引起的特殊荷载及施工开口影响。盾构法施工引起的特殊荷载及施工开口影响。

A calculation method of internal force of special segment structure in upward shield construction

【技术实现步骤摘要】
一种朝上盾构法施工中特殊段管片结构的内力计算方法


[0001]本专利技术属于地下隧道工程
，涉及一种朝上盾构法施工中特殊段管片结构的内力计算方法。

技术介绍

[0002]随着城市现代化，当今地下空间构筑技术呈现多样化的发展。大中城市地下均埋设各类管线设施，在这样复杂的条件下，若采用传统的方法在地表开挖竖井等工程势必会对交通出行和周边居民生活带来不便。在这一需求下，朝上盾构法应运而生。朝上盾构法主要利用盾构机从已建好的地下水平盾构隧道始发，朝上掘进竖井。日本的御堂筋工程采用的便是朝上盾构法，该工程需要在交通繁忙的环境下挖掘全长约4km的主线隧道和8个竖井。该施工方法凭借其地面空间占用小、施工成本低、工期短等优点，带来了巨大的经济效益。
[0003]与普通的水平盾构隧道管片相比，水平盾构隧道特殊段管片的内力更复杂，设计也有特殊的要求。如果管片内力的分析和设计不当会造成朝上盾构法施工中水平隧道产生裂缝甚至破坏，直接影响盾构隧道的质量和寿命。因此，朝上盾构法施工区域对应的水平盾构隧道特殊段管片有特殊的设计要求，需要单独进行内力计算及分析。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种朝上盾构法施工中特殊段管片结构的内力计算方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：步骤1：确定特殊段管片结构的竖向荷载和侧向荷载；步骤2：基于特殊段管片环结构为二次超静定结构，建立弹性中心处的位移协调方程，采用弹性中心法对特殊段管片环的内力进行分析；步骤3：将特殊段管片环结构的开口处管片近似为曲形薄板，分析特殊段管片结构的受力情况，计算三角分布侧向水土压力、均布侧向水土压力和地层抗力，对侧向荷载的内力计算进行修正；步骤4：计算特殊段管片结构在竖向荷载作用下的内力；所述竖向荷载主要包括竖向开挖土体卸载及地基反力、顶升反力及地基反力；步骤5：将侧向荷载和竖向荷载作用下的管片环内力进行叠加，即可得到最终特殊段管片的内力。2.根据权利要求1所述的朝上盾构法施工中特殊段管片结构的内力计算方法，其特征在于，所述特殊段管片为水平盾构隧道掘进中，朝上盾构法施工形成的带有圆形开口的环状管片。3.根据权利要求1所述的朝上盾构法施工中特殊段管片结构的内力计算方法，其特征在于，特殊段管片结构的竖向荷载包括自重g及地基反力p
g
、竖向水土压力q1及地基反力p1、竖向开挖引起的土体卸载q2及地基反力p2、顶升反力P及地基反力p
p
。4.根据权利要求1所述的朝上盾构法施工中特殊段管片结构的内力计算方法，其特征在于，所述顶升反力由竖向盾构机重量、千斤顶重量、竖向盾构管片重量、正面推力及摩擦力组成。5.根据权利要求3所述的朝上盾构法施工中特殊段管片结构的内力计算方法，其特征在于，(1)假定地层抗力分布在环顶向左右π/4～3π/4区间内，大小按照局部变形理论，即地层抗力与地层被动位移成正比；(2)假定侧向水土压力分布在自环顶向左右0～π之间；(3)竖向荷载对沿环水平投影为均匀分布；(4)竖向开挖引起的土体卸载简化为线荷载。6.根据权利要求1所述的朝上盾构法施工中特殊段管片结构的内力计算方法，其特征在于，所述弹性中心处的位移协调方程为：式中：δ
11
，δ
21
指基本结构在单位力X1＝1单独作用下沿X1和X2方向的位移；δ
21
，δ
22
指基本结构在单位力X2＝1单独作用下沿X1和X2方向的位移；Δ
1p
、Δ
2p
为基本结构在荷载单独作用时，分别沿X1和X2方向的位移；计算特殊段截面管片环与竖轴成θ角处的M
θ
、N
θ
，公式如下：M
θ
＝M
P
+X1‑
X2R cosθ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)N
θ
＝X2cosθ+N
P
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式中：M
P
、N
P
分别为外荷载对管片环产生的弯矩和轴力；M
θ
、N
θ
分别为截面管片环与竖轴成θ角处的弯矩和轴力；θ为截面管片环与竖轴的夹角；其中，弯矩以内侧受拉为正、轴力以压力为正。7.根据权利要求1所述的朝上盾构法施工中特殊段管片结构的内力计算方法，其特征
在于，三角分布侧向水土压力q3的计算过程具体为：首先，针对三角分布侧向水土压力引起环开口点的轴力进行计算；完整圆环在三角分布侧向水土压力作用下轴力计算公式为：式中：N
q3t
为完整圆环在三角分布侧向水土压力作用下的轴力；q3为三角分布侧向水土压力；R
c
为水平盾构隧道的计算半径；引入开口管片轴力修正系数λ，其值为开口内径与曲形薄板弧长s的比值；引入开口管片轴力修正系数λ后开口引起轴力损失值N
q3c
按下式计算：式中：N
q3c
为三角分布侧向水土压力作用下引入开口管片轴力修正系数λ后因开口损失的轴力；故环开口点考虑开口影响后由三角分布侧向水土压力引起轴力按以下公式计算：N
q3
＝N
q3t
‑
N
q3c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)式中：N
q3
为考虑开口影响后由三角分布侧向水土压力引起环开口点的轴力；其余点在三角分布侧向水土压力作用下轴力计算公式为：式中：N'
q3
为考虑开口影响后由三角分布侧向水土压力引起其余点的轴力；当0≤θ≤π时，引入开口管片弯矩影响系数μ后，在三角分布侧向水土压力作用下开口管片环的弯矩计算公式为：式中：M
q3
为考虑开口影响后由三角分布侧向水土压力引起开口管片环的弯矩。8.根据权利要求1所述的朝上盾构法施工中特殊段管片结构的内力计算方法，其特征在于，均布侧向水土压力q4的计算过程具体为：首先，针对均布侧向水土压力引起环开口点的轴力进行计算；完整圆环在均布侧向水土压力作用下轴力计算公式为：N
q4t
＝q4R
c
cos2θ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)式中：N
q4t
为完整圆环在均布侧向水土压力作用下的轴力；q4为均布侧向水土压力；轴力的损失为：式中：N
q4c
为在均布侧向水土压力作用下因开口损失的轴力；故环开口点考虑开口影响后由均布侧向水土压力引起的轴力按以下公式计算：N
q4
＝N
q4t
‑
N
q4c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)式中：N
q4
为考虑开口影响后由均布侧向水土压力引起A2点的轴力；而其余点引入开口管片轴力修正系数λ后，在均布侧向水土压力作用下开口管片环的
轴力计算公式为：N'
q4
＝λq3R
c
cos2θ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)式中：N'
q4
为考虑开口...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏新江，鲁梁梁，王霄，闫自海，丁智，严佳佳，
申请(专利权)人：浙大城市学院，
类型：发明
国别省市：