双圆盾构隧道纵向等效抗弯刚度及变形的确定方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种双圆盾构隧道纵向等效抗弯刚度及变形的确定方法及系统，双圆盾构隧道是在盾构机掘进过程中由高强度螺栓连接预制管片拼装而成，为地下装配式复合细长筒状结构体，其截面是由两个大圆弧接合而成，根据双圆盾构隧道截面的设计参数，可以确定相应的双圆盾构隧道的螺栓平均线刚度、中性轴位置及中性轴位置角，再基于中性轴的位置使用相应的公式即可计算得到双圆盾构隧道纵向等效抗弯刚度。本发明专利技术的有益效果是：提高了双圆盾构隧道纵向等效抗弯刚度的可靠性及精确度，为双圆盾构隧道的纵向结构设计提供了帮助，对评估邻近施工对双圆盾构隧道的影响有重要意义，进一步得到了变形受力指标，为双圆盾构隧道的变形受力安全监测提供了参考。力安全监测提供了参考。力安全监测提供了参考。

【技术实现步骤摘要】
双圆盾构隧道纵向等效抗弯刚度及变形的确定方法及系统


[0001]本专利技术涉及地下建筑工程
，尤其涉及一种双圆盾构隧道纵向等效抗弯刚度及变形的确定方法及系统。

技术介绍

[0002]随着城市地下轨道交通的发展，地下空间资源日益紧缺，为适应密集城市建筑物下方穿越和提高地下空间有效利用率，以双圆盾构隧道为代表的异形断面盾构隧道应运而生。双圆盾构隧道的截面是由两个单圆叠合而成，一次掘进施工完成后，可同时满足列车往返行驶。这有效避免了前后两次施工的相互影响，减少了对地表建(构)筑物的双重扰动，节省了施工时间成本及经济成本。与两个传统圆形隧道相比，双圆盾构隧道的开挖面积减少了24％，其总宽度减少了14％，节省宝贵的地下空间资源，并提高地下空间资源的有效使用率。鉴于双圆盾构技术具有的上述优点，我国上海M8线黄兴绿地站～开鲁路站区间亦成功把双圆盾构隧道施工技术应用到了地铁隧道中。随着双圆盾构施工工法的进一步优化，其在城市密集区有着广阔的应用前景，将会成为城市地铁隧道建设的主要施工方法之一。
[0003]与单圆盾构隧道一样，双圆盾构隧道是在盾构机掘进过程中由高强度螺栓连接预制管片拼装而成，为地下装配式复合细长筒状结构体。在外部紧邻施工(如地表突发堆载、新建管线穿越、旁侧基坑卸载)及列车长期振动作用下，此类复合细长筒状结构体极易发生不均匀纵向位移，进而引发衬砌接头处张开漏水、管片受损开裂、螺栓错断等病害，威胁列车运营安全。随着后期城市建设发展，类似盾构下穿的邻近施工无疑会越来越多，评估运营隧道的变形受力情况则愈发重要。而纵向抗弯刚度是预测盾构隧道纵向受力与变形的重要力学参数，是评估双圆盾构隧道结构在外部荷载下的安全性的重要理论依据，在得到双圆盾构隧道的纵向等效抗弯刚度后，则可以从理论上计算外部弯矩作用下双圆盾构隧道发生的变形和受力情况，具体指标包括曲率半径、混凝土管片拉应力和压应力、环缝张开量和纵向螺栓拉应力等，并可根据相关安全规范所给出的变形受力界限值计算对应的界限曲率半径值，对双圆盾构隧道的安全监测提供了帮助。
[0004]现有技术中发展了单圆形盾构隧道纵向等效抗弯刚度计算理论，对其纵向抗弯性能开展了深入研究，基本完善了单圆盾构隧道纵向抗弯刚度理论，但是双圆盾构隧道是由两个大圆弧拼接而成的特殊异形截面盾构隧道，导致其与两个独立的单圆盾构隧道的纵向抗弯性能存在有较大差异，绝不能简单地从单圆或者类矩形盾构隧道类比和照搬得到其抗弯刚度取值，应充分考虑其结构特点，构建其符合截面特点的纵向等效抗弯刚度模型，否则得到的抗弯刚度精度较低。
[0005]现有技术中关于双圆盾构隧道的砌衬设计及参数选择，其纵向抗弯性能研究严重滞后于工程实际需求，导致难以从理论上评估与预测在外部近接施工下其纵向变形特性，就无法为双圆盾构隧道的纵向结构设计提供可靠的依据。

技术实现思路

[0006]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种双圆盾构隧道纵向等效抗弯刚度及变形的确定方法及方法，双圆盾构隧道是在盾构机掘进过程中由高强度螺栓连接预制管片拼装而成，为地下装配式复合细长筒状结构体，截取所述双圆盾构隧道的管片截面，其管片截面包括两个大圆弧和立柱管片，由上至下分为三部分：上部双拱、腰部和下部双拱，左右两侧由两个相同半径的圆弧组成；该方法包括以下步骤：
[0007]S101：截取该双圆盾构隧道的截面，获取双圆盾构隧道的截面参数和构件设计参数，所述截面参数包括：圆弧半径R、圆心到螺栓的距离r、立柱高度、1/2拱部圆弧圆心角β、管片厚度t；所述构件设计参数包括：管片弹性模量E
s
、截面纵向螺栓总数n、单个螺栓横截面面积A
b
、单个螺栓长度l
b
和螺栓弹性模量E
b
；
[0008]S102：通过如下公式计算得到所述双圆盾构隧道螺栓平均线刚度k
r
：
[0009][0010]其中，k
b
为单个纵向螺栓的弹性刚度系数，l为螺栓分布的总长度；
[0011]S103：结合双圆盾构隧道螺栓平均线刚度，根据力矩平衡方程，得到所述双圆盾构隧道的中性轴位置x及对应的中性轴位置角所述中性轴位置x为竖直方向上中性轴相对于双圆盾构隧道形心轴的位置，其在数值上等于圆心到中性轴的垂直距离，当中性轴位于形心轴下方时，所定义的中性轴位置x为正值，当中性轴位于形心轴上方时，所定义的中性轴位置x为负值；
[0012]中性轴位置x与中性轴位置角的关系为
[0013]当中性轴位于截面腰部时，根据方程解得所述双圆盾构隧道的中性轴位置角
[0014]当中性轴位于截面下部双拱时，根据方程解得所述双圆盾构隧道的中性轴位置角；
[0015]其中，l
s
是两个管片环壁与各自中心线间的距离；
[0016]S104：根据双圆盾构隧道的中性轴位置角，计算得到双圆盾构隧道纵向等效抗弯刚度；
[0017]当中性轴位于截面腰部时，中性轴位置角满足此时双圆盾构隧道纵向等效抗弯刚度(EI)
eq
为：
[0018](EI)
eq
＝E
s
t(A3‑
A4+ψ(A5‑
A6))
[0019]其中，
[0020][0021][0022][0023][0024][0025]当中性轴位于截面下部双拱时，中性轴位置角满足此时双圆盾构隧道纵向等效抗弯刚度(EI)
eq
为：
[0026](EI)
eq
＝E
s
t(B3+ψ(
‑
B4+B5+B6))
[0027]其中，
[0028][0029][0030][0031][0032]S105：根据求得的双圆盾构隧道纵向等效抗弯刚度，得到隧道变形受力指标，进而确定双圆盾隧道变形情况；所述隧道变形受力指标包括曲率半径ρ、混凝土最大拉应力σ
t
、混凝土最大压应力σ
c
、距离中性轴最远处的环缝张开量δ和螺栓拉应力σ
b
；
[0033][0034][0035][0036][0037][0038]其中，J1′
＝tB3，J2′
＝t(
‑
B4+B5+B6)，M表示管片受到的弯矩，ε
c
表示管片接头的最大压应变，ε
t
表示管片接头的最大拉应变。
[0039]进一步地，中性轴位置的分布情况有两种：中性轴位于截面腰部和中性轴位于截面下部双拱；
[0040]当中性轴位置位于截面腰部时，中性轴位置角满足
[0041]当中性轴位于截面下部双拱时，中性轴位置角满足
[0042]一种双圆盾构隧道纵向等效抗弯刚度及变形的确定系统，包括：
[0043]获取参数模块，截取该双圆盾构隧道的截面，获取双圆盾构隧道的截面参数和构件设计参数，所述截面参数包括：圆弧半径R、圆心到螺栓的距离r、立柱高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双圆盾构隧道纵向等效抗弯刚度及变形的确定方法，该双圆盾构隧道纵向等效抗弯刚度及变形的确定方法包括以下步骤：S101：截取该双圆盾构隧道的截面，获取双圆盾构隧道的截面参数和构件设计参数，所述截面参数包括：圆弧半径R、圆心到螺栓的距离r、1/2拱部圆弧圆心角β、管片厚度t；所述构件设计参数包括：管片弹性模量E
s
、截面纵向螺栓总数n、单个螺栓横截面面积A
b
、单个螺栓长度l
b
和螺栓弹性模量E
b
；S102：通过如下公式计算得到所述双圆盾构隧道螺栓平均线刚度k
r
：其中，k
b
为单个纵向螺栓的弹性刚度系数，l为螺栓分布的总长度；S103：结合双圆盾构隧道螺栓平均线刚度，根据力矩平衡方程，得到所述双圆盾构隧道的中性轴位置x及对应的中性轴位置角S104：根据双圆盾构隧道的中性轴位置角，计算得到双圆盾构隧道纵向等效抗弯刚度；S105：根据求得的双圆盾构隧道纵向等效抗弯刚度，得到隧道变形受力指标，进而确定双圆盾隧道变形情况；所述隧道变形受力指标包括曲率半径ρ、混凝土最大拉应力σ
t
、混凝土最大压应力σ
c
、距离中性轴最远处的环缝张开量δ和螺栓拉应力σ
b
；；；；；其中，J1'＝tB3，J2'＝t(
‑
B4+B5+B6)，M表示管片受到的弯矩，ε
c
表示管片接头的最大压应变，ε
t
表示管片接头的最大拉应变。2.如权利要求1所述的一种双圆盾构隧道及变形纵向等效抗弯刚度的确定方法，其特征在于：当中性轴位于截面腰部时，中性轴位置角满足当中性轴位于截面下部双拱时，中性轴位置角满足3.如权利要求1所述的一种双圆盾构隧道及变形纵向等效抗弯刚度的确定方法，其特征在于：所述中性轴位置x为竖直方向上中性轴相对于双圆盾构隧道形心轴的位置，其在数值上等于圆心到中性轴的垂直距离，当中性轴位于形心轴下方时，所定义的中性轴位置x为正值，当中性轴位于形心轴上方时，所定义的中性轴位置x为负值；中性轴位置x与中性轴位置角的关系为
当中性轴位于截面腰部时，根据方程解得所述双圆盾构隧道的中性轴位置角当中性轴位于截面下部双拱时，根据方程解得所述双圆盾构隧道的中性轴位置角；其中，l
s
是两个管片环壁与各自中心线间的距离。4.如权利要求1所述的一种双圆盾构隧道及变形纵向等效抗弯刚度的确定方法，其特征在于：当中性轴位于截面腰部时，中性轴位置角满足此时双圆盾构隧道纵向等效抗弯刚度(EI)
eq
为：(EI)
eq
＝E
s
t(A3‑
A4+ψ(A5‑
A6))其中，其中，其中，其中，其中，当中性轴位于截面下部双拱时，中性轴位置角满足此时双圆盾构隧道纵向等效抗弯刚度(EI)
eq
为：(EI)
eq
＝E
s
t(B3+ψ(
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁荣柱，章源，康成，曹世安，吴文兵，王舒敏，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：