盾构隧道管片设计 从容许应力设计法到极限状态设计法 (日)土木学会.pdf

在都市中已成为隧道建设主流方法的盾构隧道施工方法于1920年在奥羽主线折渡隧道工程中第-次被引人我国，在这 90年中取得了显著的发展。在盾构隧道施工方法引人时，无法想象的大断面隧道非圆形隧道、深覆土或浅覆土隧道、长距离施工及超近施工、高速施工等隧道工程现在都可以平常地进行施工了。在盾构施工方法引人我国初期，以铸铁管片与钢筋混凝土中子型管片等作为主流衬砌，但近年钢筋混凝土平板型管片、钢管片、铸铁管片等成为了主流。同时从这些管片的接头结构及螺栓接头出发，为了实现管片拼装的自动化、高速施工、制造成本的降低、二次衬砌省略等，提出并开发了多种接头结构，管片也真正地迎来了一个多样化的时代。
到目前为止管片设计是按照容许应力设计法进行的，在我国现行的设计规范中也大多采用了容许应力设计法。但是，近年因在隧道以外的结构物设计中一直在引人极限状态设计法与性能验算设计法，土木学会于2006年对《隧道设计规范(盾构施工法)及解说》进行了修订。在此次修订中对过去有使用实例的容许应力设计法进行记述的同时，新增了依据极限状态设计法进行管片设计的基本理念。对那些长期使用容许应力设计法的盾构隧道技术者来说，对极限状态设计法还不是很习惯，说到底这可归因于很难建立周围受到地层支持的盾构隧道极限状态的基本概念。此外，在依据容许应力设计法进行管片设计中，对施工荷载的评价、接头刚度的评价、隧道纵断方向上力学行为的评价、地震时其力学行为的评价等，需因事而论。特别从年轻的技术者那儿也听到了不易应用于管片设计的意见。在1994年作为隧道丛书出版了《管片设计》，但在2006年制定的《隧道设计规范(构施工法)及解说》出版之际，考虑到对管片的设计部分进行更加详细具体解说的参考图书的必要性，于2007年在土木学会“隧道工学委员会技术小委员会”的指导下，成立了“管片设计方法研究部门”，对《管片设计》进行了修订。在这个研究部门中，有大学教师，来自建设单位、建设咨询公司、管片制造商等活跃在第一线的众多的盾构技术者及参与隧道设计规范改定的技术者作为委员参与了编写。在这2年中举行了超过50次的研究部门会议及工作小组会议，经多次审议而成文。本书由容许应力设计法，极限状态设计法，设计细则，设计计算实例，参考资料共5编构成。虽然可以独立地阅读各篇与各章，但为了达到系统理解管片设计的目的，特别推荐年轻的技术者要通读一遍全文。本书的特点是对那些在隧道设计规范中不好表述的实际工作，进行了更加详细的解说，采用了更多的图表与照片并记述了具体的计算方法与实例。对目前技术中不明确的事项，至少从为了能够得到管片衬砌偏于安全的设计结果的观点出发，记述了其考虑方法的基本理念。将本书内容应用于实际的设计中时需要注意3点。首先，在本书中记述了很多的计算方法与实例，但并没有评价哪种方法好，哪种方法不好，也没有推荐特定的方法，始终只是记述了实际工作中所用的计算方法及其考虑方法的基本理念。换言之，采用哪种方法这依赖于从事实际工作的技术者的判断;第2点，设计计算算例是出于明示设计流程，有助于更好地理解容许应力设计法及极限状同设计法，但并不表示是最佳的构件设计结果。因此，特别在依据极限状态设计法进行实际设计工作时，要根据极限状态设定几个荷载工况来进行结构计算，选择合理的衬砌结构显得尤为重要;第3点，考虑到读者阅读的方便性，参考资料只是现行设计规范中验算方法的一例。这里所述的事例并不是唯一的方法，有必要注意除此以外还有很多的验算方法与事例。
本书所记述的设计考虑方法并不是“遵此设计就没有问题”的所谓规范规定，而是接近于“帮助技术设计者扩展判断范围”的性能规定。管片所使用的材料及设计中所使用的容许应力、安全系数等，也只表示了其标准值，要根据地层条件及环境条件、隧道用途，具体情况具体对待，有必要对这些数值进行合理的判断。在设计中建立结构与荷载的模型是不可欠缺的，但对盾构隧道这样的结构物，这些不都是确定好的模型，因为有必要按照所要求的性能来进行管片设计。如果本书能对今后的管片设计起到一点帮助，我倍感荣幸。
最后对积极参与部门审议会议和本书写作，并为本书提供计算算例与参考资料的各位委员，以及长期支持委员参加部门活动的所属公司，表示由衷的感谢。
土木学会隧道工学委员会技术小委员会
管片设计方法研究部门
部门会长 小泉淳
2009年9月

1.1 前言
盾构施工法主要是通过盾构机内部的土压力或者泥水压力与作用在开挖面上的土压力和水压力保持平衡的方式取得开挖面的稳定，同时使用坚固的盾构外壳支撑着隧道周边的地层，在盾构内部进行开挖和衬砌的施工，通过重复这样的过程建造隧道的一种施工方法。如图11.1所示，盾构隧道的衬砌是由一次衬砌及其内侧的二次衬砌组成。一次衬砌大多是由在工厂制作的圆弧状管片所组成，平常所说的村砌施工就是把这些管片拼装成环的作业过程。二次衬砌大多为在一次衬砌内部直接浇筑的混凝士结构。
盾构隧道衬砌的主要作用可以分为以下三类:①承受著作用在隧道上的荷载，确保内部空间:②)具有与隧道用途相对应的使用性能与耐久性能，③满足隧道施工条件和施工方法的要求。

关于①，大多将一次衬砌作为主要结构，只靠一次衬砌来承受荷载，但也有把一次衬砌和二次衬砌一起作为主体结构，二次村砌承受部分荷载的考虑方法。关于②，主要是隧道投人使用后必须具有的功能，过去主要是靠二次村砌来承担这些功能，但近年来，不设二次衬砌仅靠一次衬砌来承担隧道这些功能的工程也在增加。关于③，在盾构机内部拼装完成后的管片环为盾构机的掘进提供反力的同时，在盾尾通过后立即承受着壁后注浆压力的作用。这也是后构隧道施工过程中一次村砌所具有的特殊功能。
为了实现衬砌的这些功能，在设计过程中就需要合理地评价管片拼装完成后和隧道施工完成后长期作用在管片上的荷载，并将这些荷载进行组合，同时还要考虑衬砌的耐久性能。
衬砌设计一般是通过容许应力设计法来进行的，这已经有了很多设计实例。但是，要考虑的荷载不仅有地层荷载，还要包括隧道的断面形状，结构及施工方法对荷载的影响，要正确评价这些荷载还存在着很多难题。同时，盾构隧道的一次衬砌是通过接头将管片连接起来的一种环状结构，所以在其结构计算中还必须合理地评价接头的位置与刚度。但在目前还无法合理地评价材料的劣化程度和衬砌安全性的关系。
本书对过去有很多设计成果的容许应力设计法进行详细具体解说的同时，还对2006年日本土木学会修订的《隧道设计规范(盾构施工法)及解说》中的极限状态设计法进行了解说。本篇的主要目的是明确一次衬砌与二次衬砌的功能，详细论述隧道横断面的结构计算的两种方法，即惯用计算法和梁-弹簧模型。惯用计算法具有较多的设计实例，而梁-弹簧模型可以合理地评价接头的位置和刚度。同时对主要用来评价地震影响及小半径曲线施工时的隧道纵向结构计算方法、管片的耐久性、防水性能等进行了更加详细的说明。
另外，关于地震的影响以及施工荷载的详细论述，可参考日本土木学会主编的隧道系列丛书第19号《盾构隧道的抗震研究》及第17号《盾构隧道的施工荷载》。

1.2 设计的基本原则与适用范围
(1)设计的基本原则
衬砌设计的基本原则是满足隧道使用功能的同时，保证隧道结构性能的安全。在设计中，以采用预定的材料，依据预定的方法可以进行施工为前提。必须依据经验和理论选用尽可能正确说明现象的荷载与结构解析模型。但是，隧道的力学特性是很复杂的，在理论不明确的情况下，要以确认结构的安全性能为基本。
近年，以混凝土结构物为中心，其设计方法在向极限状态设计法和性能验算设计法改变，考虑到这种情况，在2006年日本土木学会主编的《隧道设计规范(盾构施工法)及解说》的订中，对过去主要采用的有丰富使用实例的容许应力设计法作为基础的同时，新加人极限状态设计法一篇，并承认了其适用性。在本书第Ⅱ篇中也对依据极限状态设计法进行衬砌的设计方法进行了解说。这两种设计方法的概要如表1.1.1所示。在极限状态设计法中对结构物的承载力、耐久性等的使用性能分别设定安全系数进行验算，从此观点出发，可以明确结构物对某种状态是否具有富余。从这种意义上说，它是一种合理的设计方法。但是，在衬砌设计中，要在正确把握荷载和隧道破坏机理的基础上，对隧道的极限状态进行明确的定义是很困难的。所以，就目前的状况而言，用极限状态来进行设计的例子还很少，今后还要依据设计实践进行提炼总结，这也留给我们一个课题。在《隧道设计规范·(盾构施工法)及解说》中，无论采用哪种设计法，都必须理解该设计法的特点以及现阶段的问题，在此基础上进行正确的判断，不可混用两种设计法。但是，在2级地震动的验算中，从设计合理性的角度出发采用了极限状态设计法。
容许应力设计法与极限状态设计法的概要

另外，为了能够安全经济地设计衬砌，必须正确把握隧道的力学特性，还需继续深入研究，并将研究成果反映在设计中。图1.1.2表示了依据容许应力设计法进行衬砌设计的流程。(2)适用范围
本书主要是以圆形盾构隧道为对象，依据过去的理论和实际设计实例进行判断，记述了可以合理地用于衬砌设计的相关事项。此外，对于圆形断面以外的隧道，在讨论本书适用性的基础上，也可以应用其中的很多部分。但是，根据地层情况、隧道的断面形状、施工方法的不同，盾构隧道衬砌的力学性能也是不同的。如果将本书的设计方法应用于圆形以外的隧道设计中，原则上要进行充分的论证。

1.3相关规范与标准
对本书没有论述到的事项可以参考以下相关规范[~[2]。在使用这些规范的最新版本同时，还要充分注意规范的更新和变更。
(1)规范类等
隧道设计规范盾构法及说明(2006)，日本土木学会;1[2]盾构工程用标准管片(2001)，日本土木学会，日本下水道协会;
[3]混凝土设计规范(设计编，2007)，日本土木学会;[4]混凝土设计规范(施工编，2007)，日本土木学会;[5]混凝土设计规范(维持管理编，2007)，日本土木学会;
[6]混凝土设计规范(标准编，2007)，日本土木学会;[7]混凝土设计规范(耐震性能验算编，2002)，日本土木学会;[8]道路桥梁规范(1~V)及说明(2002)，日本道路协会;[9]日本工业规格(JIS)，日本工业标准调查会。
(2)按照用途分类的设计规范
[10]铁路结构物等设计标准及说明，S单位版(盾构隧道)(2002)铁路综合技术研究所;[11]盾构隧道设计与施工指南(2009)日本道路协会;
[12]下水道设备的耐震设计指南及说明(2006)，日本下水道协会;[13]下水道设备耐震计算实例--管路设备编(2001)，日本下水道协会;[14]地下河川(盾构隧道)内水压作用下隧道衬砌结构设计指南(1999)，先端建设技术中心;[15]隧道结构物设计要领(盾构法编)(2008)，首都高速道路有限公司;[16]下水道盾构隧道工程用二次衬砌一体型管片的设计与施工指南(2009)，东京下水道服务有限公司;
[17]下水道临时设计手册(2002)，东京下水道服务有限公司。
在[10]中不但记述了铁路盾构隧道的相关内容，还详细记载了接头刚度的评价方法。在[11中，不但记述了道路盾构隧道及共同沟的相关内容，还论述了防火工程及附属构造物的设计。在[12]，[13]中，以下水道沟渠为对象，详细论述了抗震设计指南及其设计实例。在[14]中总结了地下河川等在内水压作用下盾构隧道管片的设计法及能够应用的管片和管片的相关特性。在[15]中，不但记述了道路盾构隧道的相关内容，还详细论述了大断面隧道特有的自重、上浮及邻近隧道的影响等。[16是由东京下水道局制定的在管片内表面设置防腐蚀层、二次衬砌一体化管片的设计指南，总结了在不设二次衬砌的情况下，这种管片的适用范围及防水，防腐蚀方面等应该考虑的事项，并论述了小半径曲线施工验算中的相关事项。在17中，详细论述了盾构隧道进行开口施工时加固结构的设计方法。
(3)与盾构隧道相关的书籍
[18]极限状态设计法在隧道中的应用(2001)，日本土木学会;[19]都市 NATM与盾构隧道施工方法的边缘课题-荷载确定方法的现状和课题(2003)，日本土木学会;

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