盾构隧道管片环分块方式的方案比选分析方法.pdf

本发明公开了一种盾构隧道管片环分块方式的方案比选分析方法，其包括以下步骤：确定第一管片环的各个纵缝接头位置对应的管片环中心角i、编号i及第i个纵缝接头对应的纵缝接头抗弯刚度Ki；确定与第一管片环相邻的第二管片环的上述参数；以匀质圆环法计算两环管片中任一接头所对应的均质圆环位置的弯矩的绝对值Mi；计算接头承受的实际弯矩；计算各种拼装方式的分块方案的第一管片环与第二管片环的所有纵缝接头的转角之和；选取其中两环管片的所有纵缝接头转角之和最小的方案为最优分块方案。采用本发明的方法进行分析时仅需要管片纵缝接头的相关力学参数，即可对方案做出相关评价，目的明确，方法科学合理，使用方便，省时省力。

1.一种盾构隧道管片环分块方式的方案比选分析方法，其特征在于，
分块方式的方案比选时选取连续的两环管片进行分析，其包括以下步骤：
步骤1、以第一管片环正上方为管片环中心角的起点，该位置的管片环
中心角的度数为0度；管片环中心角的度数以顺时针方向增加；设第一管片
环有n个纵缝接头，纵缝接头编号从各纵缝接头所对应的管片环中心角中度
数最小的管片环中心角的纵缝接头开始，以i代表第一管片环的第i个纵缝
接头的编号，其中1≤i≤n，以代表第一管片环的第i个纵缝接头所对应
的管片环中心角，以K_i代表第i个纵缝接头所对应的纵缝接头抗弯刚度；
步骤2、与第一管片环相邻的为第二管片环，第二管片环的分块方式与
第一管片环相同，以第二管片环的正上方为管片环中心角的起点，该位置的
管片环中心角的度数为0度；管片环中心角的度数以顺时针方向增加；与第
一管片环相同，第二管片环也有n个纵缝接头，纵缝接头编号从各纵缝接头
所对应的管片环中心角中度数最小的管片环中心角的纵缝接头开始，以n+i
代表第二管片环第i个纵缝接头的编号，其中1≤i≤n，以代表第二管片
环的第i个纵缝接头所对应的管片环中心角，以K_n+i代表第二管片环的第i
个纵缝接头所对应的纵缝接头抗弯刚度；当盾构隧道采用通缝拼装时，
且K_i＝K_n+i；当盾构隧道采用错缝拼装时，且K_i≠K_n+i；
步骤3、根据盾构隧道的所承受的设计荷载，不考虑管片环的纵缝接头
影响，即将管片环当作无纵缝接头的均质圆环，计算得到该均质圆环的沿环
向分布的弯矩；设均质圆环上管片环中心角为处弯矩的绝对值M_i，均质
圆环上管片环中心角为处弯矩的绝对值M_n+i；
步骤4、设管片环的弯矩提高率为ξ，则第一管片环编号为i的纵缝接头
承受的弯矩为(1-ξ)×M_i，第二管片环编号为n+i的纵缝接头承受的弯矩为
(1-ξ)×M_n+i；
步骤5、设有f种管片环分块方案，管片环的分块方案的编号为j，其中
1≤j≤f，即：
j方案中的第一管片环中的各个纵缝接头在对应均质圆环上的弯矩作用
下的转角之和为：
${\mathrm{\θ}}_{j1}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{M_{\mathrm{ji}}(1-\mathrm{\ξ})}{K_{\mathrm{ji}}};$
j方案中的第二管片环的各个纵缝接头在对应均质圆环上的弯矩作用下
的转角之和为：
${\mathrm{\θ}}_{j2}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{M_{j(n+i)}(1-\mathrm{\ξ})}{K_{j(n+i)}};$
则j方案中的第一管片环和第二管片环在对应均质圆环上的弯矩作用下
的所有纵缝接头的转角之和为：
${\mathrm{\θ}}_j={\mathrm{\θ}}_{j1}+{\mathrm{\θ}}_{j2}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{M_{\mathrm{ji}}(1-\mathrm{\ξ})}{K_{\mathrm{ji}}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{M_{j(n+i)}(1-\mathrm{\ξ})}{K_{j(n+i)}};$
上述公式中，各符号的下标j表示方案j中的相关参数，其中，θ_j1为j
方案中第一管片环中的各个纵缝接头的转角之和；M_ji(1-ξ)为j方案中第
一管片环i号纵缝接头承受的弯矩，其数值由步骤4得出；K_ji为j方案中第
一管片环i号纵缝接头对应的纵缝接头抗弯刚度；θ_j2为j方案中第二管片环
中的各个纵缝接头的转角之和；M_j(n+i)(1-ξ)为j方案中第二管片环编号为
n+i的纵缝接头承受的弯矩，其数值由步骤4得出；K_j(n+i)为j方案中第二管
片环编号为n+i的纵缝接头对应的纵缝接头抗弯刚度；
步骤6、在f种管片环的分块方案中，根据步骤5可以依次得到各方案
的第一管片环与第二管片环的转角之和θ_j，即θ_j依次为θ₁，θ₂，…θ_f；设γ
为其中最小的角度，即γ＝Min(θ₁，θ₂，…θ_f)，则以第一管片环与第二管片
环的转角之和为γ所对应的管片环分块方案为f种管片环分块方案中的最优
的管片环分块方案。
2.如权利要求1所述的盾构隧道管片环分块方式的方案比选分析方法，
其特征在于，当盾构隧道采用错缝拼装时，步骤4中0<ξ<1。
3.如权利要求1所述的盾构隧道管片环分块方式的方案比选分析方法，
其特征在于，当盾构隧道采用通缝拼装时，步骤4中ξ＝0。
4.如权利要求1所述的盾构隧道管片环分块方式的方案比选分析方法，
其特征在于，所述步骤6中，当第一管片环与第二管片环的转角之和为γ所
对应的管片环分块方案有两种或两种以上时，则以具有相同转角之和的方案
中第一管片环与第二管片环的各纵缝接头转角的方差最小的方案作为最优
管片环分块方案。

盾构隧道管片环分块方式的方案比选分析方法

技术领域

本发明涉及盾构隧道领域，特别涉及一种盾构隧道管片环分块方式的方
案比选分析方法。

背景技术

现有研究表明，盾构隧道横向变形过程中，纵缝接头是最薄弱的部位，
而管片主截面发生破损的情况极少发生，因此，最大限度地减小管片纵缝接
头所承受的弯矩是提高管片破损的“短板”的措施之一。

现有对管片环分块方式分析中，在确定的数种分块方案后，再采用相关
计算模型，对各种方案的管片结构内力与变形进行分析计算，对计算结果进
行比较分析，最后提出最优的设计方案。采用这种方法进行分析时，工作量
大，且其本质问题不明确，即需要最大限度地减小管片环所有纵缝接头所承
受的弯矩。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有分析方法存在的工作量大、分
析方法需要解决的本质问题不明确的缺陷，提供一种盾构隧道管片环分块方
式的方案比选分析方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种盾构隧道管片环分块方式的方案比选分析方法，其特点在于，分块
方式的方案比选时选取连续的两环管片进行分析，其包括以下步骤：

步骤1、以第一管片环正上方为管片环中心角的起点，该位置的管片环
中心角的度数为0度；管片环中心角的度数以顺时针方向增加；设第一管片
环有n个纵缝接头，纵缝接头编号从各纵缝接头所对应的管片环中心角中度
数最小的管片环中心角的纵缝接头开始，以i代表第一管片环的第i个纵缝
接头的编号，其中1≤i≤n，以代表第一管片环的第i个纵缝接头所对应
的管片环中心角，以K_i代表第i个纵缝接头所对应的纵缝接头抗弯刚度；

步骤2、与第一管片环相邻的为第二管片环，第二管片环的分块方式与
第一管片环相同，以第二管片环的正上方为管片环中心角的起点，该位置的
管片环中心角的度数为0度；管片环中心角的度数以顺时针方向增加；与第
一管片环相同，第二管片环也有n个纵缝接头，纵缝接头编号从各纵缝接头
所对应的管片环中心角中度数最小的管片环中心角的纵缝接头开始，以n+i
代表第二管片环第i个纵缝接头的编号，其中1≤i≤n，以代表第二管片
环的第i个纵缝接头所对应的管片环中心角，以K_n+i代表第二管片环的第i
个纵缝接头所对应的纵缝接头抗弯刚度；当盾构隧道采用通缝拼装时，
且K_i＝K_n+i；当盾构隧道采用错缝拼装时，且K_i≠K_n+i；

步骤3、根据盾构隧道的所承受的设计荷载，不考虑管片环的纵缝接头
影响，即将管片环当作无纵缝接头的均质圆环，计算得到该均质圆环的沿环
向分布的弯矩；设均质圆环上管片环中心角为处弯矩的绝对值M_i，均质
圆环上管片环中心角为处弯矩的绝对值M_n+i；

步骤4、设管片环的弯矩提高率为ξ，则第一管片环编号为i的纵缝接头
承受的弯矩为(1-ξ)×M_i，第二管片环编号为n+i的纵缝接头承受的弯矩为
(1-ξ)×M_n+i；

步骤5、设有f种管片环分块方案，管片环的分块方案的编号为j，其中
1≤j≤f，即：

j方案中的第一管片环中的各个纵缝接头在对应均质圆环上的弯矩作用
下的转角之和为：

${\mathrm{\&theta;}}_{j1}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{M_{\mathrm{ji}}(1-\mathrm{\&xi;})}{K_{\mathrm{ji}}};$

j方案中的第二管片环的各个纵缝接头在对应均质圆环上的弯矩作用下
的转角之和为：

${\mathrm{\&theta;}}_{j2}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{M_{j(n+i)}(1-\mathrm{\&xi;})}{K_{j(n+i)}};$

则j方案中的第一管片环和第二管片环在对应均质圆环上的弯矩作用下
的所有纵缝接头的转角之和为：

${\mathrm{\&theta;}}_j={\mathrm{\&theta;}}_{j1}+{\mathrm{\&theta;}}_{j2}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{M_{\mathrm{ji}}(1-\mathrm{\&xi;})}{K_{\mathrm{ji}}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{M_{j(n+i)}(1-\mathrm{\&xi;})}{K_{j(n+i)}};$

上述公式中，各符号的下标j表示方案j中的相关参数，其中，θ_j1为j
方案中第一管片环中的各个纵缝接头的转角之和；M_ji(1-ξ)为j方案中第
一管片环i号纵缝接头承受的弯矩，其数值由步骤4得出；K_ji为j方案中第
一管片环i号纵缝接头对应的纵缝接头抗弯刚度；θ_j2为j方案中第二管片环
中的各个纵缝接头的转角之和；M_j(n+i)(1-ξ)为j方案中第二管片环编号为
n+i的纵缝接头承受的弯矩，其数值由步骤4得出；K_j(n+i)为j方案中第二管
片环编号为n+i的纵缝接头对应的纵缝接头抗弯刚度；

步骤6、在f种管片环的分块方案中，根据步骤5可以依次得到各方案
的第一管片环与第二管片环的转角之和为θ_j，即依次为θ₁，θ₂，…θ_f；设γ
为其中最小的角度，即γ＝Min(θ₁，θ₂，…θ_f)，则以第一管片环与第二管片
环的转角之和为γ所对应的管片环分块方案为f种管片环分块方案中的最优
的管片环分块方案。

较佳地，当盾构隧道采用错缝拼装时，步骤4中0<ξ<1。

较佳地，当盾构隧道采用通缝拼装时，步骤4中ξ＝0。

较佳地，所述步骤6中，当第一管片环与第二管片环的转角之和为γ所
对应的管片环分块方案有两种时，则以该两种方案中第一管片环与第二管片
环的各纵缝接头转角的方差最小的方案作为最优管片环分块方案。

本发明的积极进步效果在于：本发明方法适用于盾构隧道管片分块方式
的方案优化比选，且适用于的盾构隧道的通缝拼装管片环及错缝拼装管片环
的分块方式评价分析，分析时仅需要管片纵缝接头的相关力学参数，即可对
方案做出相关评价，目的明确，方法科学合理，使用方便，省时省力。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的盾构隧道管片环的结构示意图。

具体实施方式

下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。

实施例1

如图1所示，盾构隧道管片环包括一个封顶块管片2和多个非封顶块管
片3，封顶块管片2和多个非封顶块管片3之间连接成一环形，封顶块管片
和非封顶块管片之间、非封顶块管片之间均通过纵缝接头1连接。纵缝接头
1还包括螺栓4和螺母5，螺栓4和螺母5相互配套。

盾构隧道管片环之间可以采用通缝连接的拼装方式，即相邻的管片环结
构相同，而相邻管片环中，前一个管片环的纵缝接头的位置和后一个管片环
的纵缝接头的位置相同。

此时，无需对相邻的管片环进行区分，仅需计算一个管片环。采用通缝
连接时，纵缝接头处的弯矩提高率ξ＝0。

管片环之间采取通缝连接时，盾构隧道管片环分块方式的方案比选分析
方法，其包括以下步骤：

步骤1、如图1所示，以管片环正上方为管片环中心角的起点，该位置
的管片环中心角的度数为0度；管片环中心角的度数以顺时针方向增加；从
0°位置顺时针旋转90度，该位置的管片环中心角为90°；从0°位置顺时针
旋转管片环180度，该位置的管片环中心角为180°；从0°位置顺时针旋转
270度，该位置的管片环中心角为270°。设管片环有n个纵缝接头，纵缝接
头编号从各纵缝接头所对应的管片环中心角中度数最小的管片环中心角的
纵缝接头开始，以i代表管片环的第i个纵缝接头的编号，其中1≤i≤n，以
代表管片环的第i个纵缝接头所对应的管片环中心角，以K_i代表第i个纵
缝接头所对应的纵缝接头抗弯刚度；

步骤2、根据盾构隧道的所承受的设计荷载，不考虑管片环的纵缝接头
影响，即将管片环当作无纵缝接头的均质圆环，计算得到该均质圆环的沿环
向分布的弯矩；设均质圆环上管片环中心角为处弯矩的绝对值M_i。

步骤3、设有c种管片环分块方案，管片环的分块方案的编号为j，其中
1≤j≤c，即：

j方案中的管片环中的各个纵缝接头在对应均质圆环上的弯矩作用下的
转角之和为：

${\mathrm{\&theta;}}_j=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{\left|M_{\mathrm{ji}}\right|}{K_{\mathrm{ji}}};$

上述公式中，θ_j为j方案中管片环中的各个纵缝接头的转角之和；M_ji
为j方案中管片环i号纵缝接头承受的弯矩，其数值由步骤2得出；K_ji为j
方案中管片环i号纵缝接头对应的纵缝接头抗弯刚度；

步骤4、在c种拼装方式的分块方案中，根据步骤3可以得到的θ_j的个
数为c个，设α为其中最小的角度，即α＝Min(θ₁，θ₂，…θ_c)，则以α对应
的方案作为c种方案中的最优的管片环分块方案；当α对应的方案有两种时，
即该两种方案的转角之和为相同，则以该两种方案中的各纵缝接头转角的方
差最小的方案作为最优管片环分块方案。

本实施例的方法适用于盾构隧道的通缝拼装管片环，分析时仅需要管片
纵缝接头的相关力学参数，即可对方案做出相关评价，目的明确，方法科学
合理，使用方便，省时省力。

实施例2

盾构隧道管片环如图1所示，在此就不再赘述。

盾构隧道管片环之间的拼装方式为错缝连接，即第一管片环和第二管片
环的结构相同，而第一管片环的纵缝接头的位置和第二管片环的纵缝接头的
位置相互错开。

管片环之间采取错缝连接时，盾构隧道管片环分块方式的方案比选分析
方法，其包括以下步骤：

步骤1、以第一管片环正上方为该管片环的管片环中心角的起点，该位
置的管片环中心角的度数为0度；管片环中心角的度数以顺时针方向增加；
设第一管片环有n个纵缝接头，纵缝接头编号从各纵缝接头所对应的管片环
中心角中度数最小的管片环中心角的纵缝接头开始，以i代表第一管片环的
第i个纵缝接头的编号，其中1≤i≤n，以代表第一管片环的第i个纵缝接
头所对应的管片环中心角，以K_i代表第i个纵缝接头所对应的纵缝接头抗弯
刚度；

步骤2、与第一管片环相邻的为第二管片环，第二管片环的分块方式与
第一管片环相同，以第二管片环的正上方为该管片环的管片环中心角的起
点，该位置的管片环中心角的度数为0度；管片环中心角的度数以顺时针方
向增加；与第一管片环相同，第二管片环也有n个纵缝接头，纵缝接头编号
从各纵缝接头所对应的管片环中心角中度数最小的管片环中心角的纵缝接
头开始，以n+i代表第二管片环第i个纵缝接头的编号，其中1≤i≤n，以
代表第二管片环的第i个纵缝接头所对应的管片环中心角，以K_n+i代表第二
管片环的第i个纵缝接头所对应的纵缝接头抗弯刚度；

步骤3、根据盾构隧道的所承受的设计荷载，不考虑管片环的纵缝接头
影响，即将管片环当作无纵缝接头的均质圆环，计算得到该均质圆环的沿环
向分布的弯矩；设均质圆环上管片环中心角为处弯矩的绝对值M_i，管片
环中心角为处弯矩的绝对值M_n+i；

步骤4、设管片环的弯矩提高率为ξ，则第一管片环编号为i的纵缝接头
承受的弯矩为(1-ξ)×M_i，第二管片环编号为n+i的纵缝接头承受的弯矩为
(1-ξ)×M_n+i；

步骤5、设有d种管片环分块方案，管片环的分块方案的编号为j，其中
1≤j≤d，即：

j方案中的第一管片环中的各个纵缝接头在对应均质圆环上的弯矩作用
下的转角之和为：

${\mathrm{\&theta;}}_{j1}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{M_{\mathrm{ji}}(1-\mathrm{\&xi;})}{K_{\mathrm{ji}}};$

j方案中的第二管片环的各个纵缝接头在对应均质圆环上的弯矩作用下
的转角之和为：

${\mathrm{\&theta;}}_{j2}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{M_{j(n+i)}(1-\mathrm{\&xi;})}{K_{j(n+i)}};$

则j方案中的第一管片环和第二管片环在对应均质圆环上的弯矩作用下
的所有纵缝接头的转角之和为：

${\mathrm{\&theta;}}_j={\mathrm{\&theta;}}_{j1}+{\mathrm{\&theta;}}_{j2}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{M_{\mathrm{ji}}(1-\mathrm{\&xi;})}{K_{\mathrm{ji}}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{M_{j(n+i)}(1-\mathrm{\&xi;})}{K_{j(n+i)}};$

上述公式中，θ_j1为j方案中第一管片环中的各个纵缝接头的转角之和；
M_ji(1-ξ)为j方案中第一管片环i号纵缝接头承受的弯矩，其数值由步骤4
得出；K_ji为j方案中第一管片环i号纵缝接头对应的纵缝接头抗弯刚度；θ_j2
为j方案中第二管片环中的各个纵缝接头的转角之和；M_j(n+i)(1-ξ)为j方
案中第二管片环编号为n+i的纵缝接头承受的弯矩，其数值由步骤4得出；
K_j(n+i)为j方案中第二管片环编号为n+i的纵缝接头对应的纵缝接头抗弯刚
度；

步骤6、在d种管片环的分块方案中，根据步骤5可以依次得到各方案
的第一管片环与第二管片环的转角之和，即依次为θ₁，θ₂，…θ_d；设β为其
中最小的角度，即β＝Min(θ₁，θ₂，…θ_d)，则以第一管片环与第二管片环的
转角之和为β所对应的管片环分块方案为d种管片环分块方案中的最优的管
片环分块方案。当第一管片环与第二管片环的转角之和为β所对应的管片环
分块方案有两种时，即该两种方案的转角之和为相同，则以该两种方案中第
一管片环与第二管片环的各纵缝接头转角的方差最小的方案作为最优管片
环分块方案。

本实施例的方法适用于盾构隧道的错缝拼装管片环，分析时仅需要管片
纵缝接头的相关力学参数，即可对方案做出相关评价，目的明确，方法科学
合理，使用方便，省时省力。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、
“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或
位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简
化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定
的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理
解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领
域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式
做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。