盾构隧道3D拼装模拟与管片选型软件

21世纪将迎来地下空间开发利用的高潮，盾构法已在城市隧道（如地铁隧道，污水排放隧道，引水、供水隧道，江河湖海底隧道，电力、电讯、供气及共同沟工程等隧道）建造中确立了绝对的统治地位，将成为城市地下暗挖施工法主流之一。

盾构隧道施工，通过衬砌管片组合拼装来满足线路要求。衬砌管片拼装形式多样，计算复杂，特别是对于结构和防水均有优势的错缝拼装，即需要满足错缝拼装的几何结构约束，又要最大限度地减小拼装后与线路的误差，计算难度大。盾构排版程序，可根据线路资料，选择各种拼装形式，自动计算衬砌管片的拼装排列，并最大限度地拟合线路。

1.1 两种管片类型的排版计算

按直线段隧道和曲线段隧道的需要，管片可分为直线段管片和曲线段管片，曲线段管片又分为左曲管片和右曲管片。另外，还有既能用于直线段又能用于曲线段的通用管片，通过对通用管片的有序旋转，可完成直线段和不同半径的曲线段以及空间曲线段的拼装。盾构隧道工法在城市隧道施工中普遍使用,而通用管片以其较低的工程造价、方便施工等诸多优点,逐渐成为盾构施工中使用的主流管片形式。

本程序支持两种管片类型的排版计算：

（1）通用楔形环排版计算

12. 一种管片模板
13. 通过旋转楔形环来拟合缓和曲线、圆曲线段、竖曲线
14. 通常采用错缝拼装，也可以在特殊区段（如联络横通道处）采用通缝拼装

（2）直线环+左右转弯环排版计算

12. 三种管片模板：即直线环（直线环）、左转弯环、右转弯环
13. 三种管片分块形式可以相同，也可以不同
14. 直线环+旋转后的标准块用于直线段排版
15. 直线环+楔形环用于缓和曲线、曲线段的排版
16. 通常采用错缝拼装，即隧道整体结构缝不贯通

1.2 两种拼装形式：通缝拼装和错缝拼装

管片的拼装形式可分为通缝拼装和错缝拼装（图1- 1）。

图1- 1 管片的拼装形式

从管片的通缝和错缝两种拼装形式来看，各有各的优缺点。通缝拼装的优点是：盾构掘进时，管片拼装机的操作较简单，每环管片的拼装角度都相同，不需变换角度；盾构中推进千斤顶位置的布置较方便，而且长行程千斤顶只需按封顶块的大小来布置，数量较少。从通缝拼装的受力情况分析，当盾构千斤顶的顶力作用于管片上时，如果管片的宽度差异较大，对于管片的受力也不会产生大的影响，在正常的顶力下，管片不会被顶坏。缺点是：从整个隧道的受力情况分析，通缝拼装的管片成环后的整体受力情况不是最好。

错缝拼装的管片优点是整体受力情况好。但是，盾构中管片拼装机的操作较复杂；长行程千斤顶的数量增多。当盾构千斤顶的顶力作用于管片上时，如果管片的宽度误差较大，会使管片因受力不均引起应力集中而导致被顶坏。因此要避免管片被顶坏，必须提高管片的精度要求，特别是管片的宽度精度要求大大提高。