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1、10申请公布号CN103334453A43申请公布日20131002CN103334453ACN103334453A21申请号201310314256522申请日20130724E02D29/07200601G06F17/5020060171申请人中交公路规划设计院有限公司地址100088北京市西城区德胜门外大街85号中交大厦72发明人徐国平付佰勇李毅柴瑞刘洪洲张志刚74专利代理机构中科专利商标代理有限责任公司11021代理人周长兴54发明名称一种沉管隧道纵向差异沉降容许值的设计方法57摘要一种沉管隧道纵向差异沉降容许值的设计方法，包括如下步骤1构建纵向计算模型；2计算某一接头处的容许剪力Q；。
2、3计算任意弹簧的沉降及地基刚度K；4计算对接头剪力有影响的纵向区间长度L0；5求得L0范围内全部弹簧的平均地基刚度刚度变化幅值及变化模式因子，绘制刚度变化分布图；6绘制接头剪力影响线，利用刚度变化分布图与剪力影响线图相乘，得到接头容许剪力与刚度变化幅值、模式的关系式；7推导L0两端的容许差异沉降与刚度变化幅值的关系式；8将步骤6的公式代入步骤7，求得纵向差异沉降容许值计算公式9分析所考察接头两侧实际发生差异沉降，满足时，说明计算纵向差异沉降满足接头剪力键受力要求。51INTCL权利要求书2页说明书7页附图4页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书7页附图4页10申。
3、请公布号CN103334453ACN103334453A1/2页21一种沉管隧道纵向差异沉降容许值的设计方法，包括如下步骤1构建沉管隧道纵向计算简化模型，该模型包括模拟隧道结构的梁单元、模拟隧道接头剪力键的接头单元、纵向每隔单位长度设置的模拟地基支撑作用的弹簧以及作用在隧道上的荷载；2计算沉管隧道任意接头处的容许剪力Q；3计算沉管隧道任意弹簧在基底平均荷载P作用下的基底平均沉降，并求得每个弹簧的地基刚度K；4计算对接头剪力有影响的纵向地基刚度变化区间长度L0；5求得L长度范围内全部N个弹簧的平均地基刚度，得到地基刚度变化比例I，根据地基刚度变化比例I的分布求得地基刚度变化的幅值与变化模式因子，。
4、绘制地基刚度变化模式图；6利用刚度影响线法绘制接头的剪力影响线，利用地基刚度变化模式图与剪力影响线图相乘，得到接头容许剪力Q与地基刚度变化幅值与模式的关系；7采用平均地基刚度K、平均沉降、地基刚度变化幅值推导得到纵向长度L两端的差异沉降值与地基刚度变化幅值间的关系；8结合步骤6和步骤7得到纵向差异沉降容许值的计算公式；9根据所考察接头两侧任意两点的沉降I1、I1以及两点的水平距离L计算，求得考察接头两侧实际发生的差异沉降，当满足时，设计的纵向差异沉降满足接头剪力键受力要求。2根据权利要求1所述的设计方法，其中，步骤3中每个弹簧的地基刚度K的计算公式为KPB，式中B为隧道结构的梁单元的横向宽度。。
5、3根据权利要求1所述的设计方法，其中，步骤4中纵向地基刚度变化区间长度L0的计算公式为式中EI为隧道结构的梁单元的横断面抗弯刚度。4根据权利要求1所述的设计方法，其中，步骤5中L长度范围内全部N个弹簧的平均地基刚度K的计算公式为5根据权利要求1所述的设计方法，其中，步骤5中地基刚度变化比例6根据权利要求1所述的设计方法，其中，步骤6中接头容许剪力Q与地基刚度变化幅值的关系式为式中为面积形心因子，用于修正纵向地基刚度变化区间长度L0范围内实际刚度影响线与斜直线刚度影响线的差异；对直线形地基刚度变化0，21E/2118，权利要求书CN103334453A2/2页3对突变形地基刚度变化1，21E/2。
6、10。7根据权利要求1所述的设计方法，其中，步骤7中纵向长度2L0两端的差异沉降值的计算公式为8根据权利要求1所述的设计方法，其中，步骤8中结合步骤6和步骤7得到纵向差异沉降容许值的公式为9根据权利要求1所述的设计方法，其中，求得考察接头两侧实际发生的差异沉降的公式为权利要求书CN103334453A1/7页4一种沉管隧道纵向差异沉降容许值的设计方法技术领域0001本发明属于隧道技术领域，具体涉及一种沉管隧道纵向差异沉降控制技术，特别是一种沉管隧道纵向差异沉降容许值的设计方法。背景技术0002沉管隧道是在干坞中或在大型船台上将隧道管节预制好，再浮拖至设计位置沉放对接而后连接成隧道的一种施工工法。
7、。自1910年沉管隧道在美国首次兴建以来，在世界各国逐步发展起来。尤其是美国、荷兰和日本等几个国家，在沉管隧道技术领域积累了大量工程的实践。我国自80年代末开始，逐步修建了广州珠江隧道、宁波甬江隧道、宁波常洪隧道、上海外环线隧道和天津海河隧道等沉管隧道工程，沉管隧道技术逐步发展。目前正在建设的港珠澳大桥沉管隧道总长6KM，建成后将成为最长的海底沉管隧道。0003沉管隧道纵向差异沉降的控制，是沉管隧道的关键技术之一，直接决定着沉管隧道的使用性能及结构安全。国内外已建成的一些沉管隧道工程中由于纵向差异沉降过大而出现了隧道漏水和结构开裂的情况。因此多大的纵向差异沉降，接头会发生破坏，如何确定纵向差异。
8、沉降的容许值就成为一个重要的研究课题。0004沉管隧道纵向差异沉降容许值的确定是一个非常复杂的问题，是沉管隧道和周围土体共同作用的高次超静定问题，涉及到隧道结构、基础层、地基之间的相互作用。同时，隧道结构还应该满足使用功能以及入们心理感觉等方面的要求。就目前的情况而言，用一般的材料力学、结构力学以及土力学的分析方法，来分析探讨一定地层条件下沉管隧道的确切的差异沉降容许值，非常困难。0005因此以往对纵向容许差异沉降的研究多通过经验统计方法。GRANTZ2001年、邵俊江2003年通过对所收集的大量沉管隧道沉降记录与损坏实况资料的分析，开展了纵向容许差异沉降的统计分析。但从现有文献、专利和资料中。
9、，尚未见到关于从建立沉管隧道接头受力与纵向地基刚度变化之间关系的角度，来推导沉管隧道纵向差异沉降容许值设计方法的报道。发明内容0006本发明的目的是提供一种沉管隧道纵向差异沉降容许值的设计方法，以解决在设计沉管隧道时的纵向差异沉降容许值的计算问题。0007为实现上述目的，本发明提供的沉管隧道纵向差异沉降容许值的设计方法，包括如下步骤00081构建沉管隧道纵向计算简化模型，该模型包括模拟隧道结构的梁单元、模拟隧道接头剪力键的接头单元、纵向每隔单位长度设置的模拟地基支撑作用的弹簧以及作用在隧道上的荷载；00092计算沉管隧道任意接头处的容许剪力Q；00103计算沉管隧道任意弹簧在基底平均荷载P作用。
10、下的基底平均沉降，并求得每说明书CN103334453A2/7页5个弹簧的地基刚度K；00114计算对接头剪力有影响的纵向地基刚度变化区间长度L0；00125求得L长度范围内全部N个弹簧的平均地基刚度，得到地基刚度变化比例I，根据地基刚度变化比例I的分布求得地基刚度变化的幅值与变化模式因子，绘制地基刚度变化模式图；00136利用刚度影响线法绘制接头的剪力影响线，利用地基刚度变化模式图与剪力影响线图相乘，得到接头容许剪力Q与地基刚度变化幅值与模式的关系；00147采用平均地基刚度K、平均沉降、地基刚度变化幅值推导得到纵向长度L两端的差异沉降值；00158结合步骤6和步骤7得到纵向差异沉降容许值的。
11、计算公式；00169根据所考察接头两侧任意两点的沉降I1、I1以及两点的水平距离L计算，求得考察接头两侧实际发生的差异沉降，当满足时，设计的纵向差异沉降满足接头剪力键受力要求。0017所述的设计方法，其中，步骤3中每个弹簧的地基刚度K的计算公式为KPB/，式中B为隧道结构的梁单元的横向宽度。0018所述的设计方法，其中，步骤4）中纵向地基刚度变化区间长度L0的计算公式为0019式中EI为隧道结构的梁单元的横断面抗弯刚度。0020所述的设计方法，其中，步骤5）中L长度范围内全部N个弹簧的平均地基刚度K的计算公式为00210022所述的设计方法，其中，步骤5）中地基刚度变化比例0023所述的设计方。
12、法，其中，步骤6）中接头容许剪力Q与地基刚度变化幅值的关系式为00240025式中为面积形心因子，用于修正纵向地基刚度变化区间长度L0范围内实际刚度影响线与斜直线刚度影响线的差异；0026对直线形地基刚度变化0，21E/2118，0027对突变形地基刚度变化1，21E/210。0028所述的设计方法，其中，步骤7）中纵向长度2L0两端的差异沉降值的计算公式为00290030所述的设计方法，其中，步骤8）中结合步骤6）和步骤7）得到纵向差异沉降容许值的公式为说明书CN103334453A3/7页600310032所述的设计方法，其中，求得考察接头两侧实际发生的差异沉降的公式为00330034本发。
13、明的设计方法具有以下优点00351建立了接头剪力容许值与纵向差异沉降容许值之间的关系，所推导的计算公式，物理概念清晰，应用简便；00362该方法可适用于不同的地基刚度变化模式，直线型变化、突变性变化以及正弦型变化等。00373该设计方法可用于基础方案是否可行的快速判别，节省工程计算时间，便于基础方案和结构构造的优化。附图说明0038图1是本发明的分析过程示意图，显示了接头容许剪力Q与接头力影响线地基刚度变化率为100以及地基刚度变化比例的关系。0039图2是本发明实施例的隧道实例纵向断面示意图。0040图3是本发明实施例的沉管隧道纵向模型。0041图4是本发明实施例的基底均布荷载。0042图5。
14、是本发明实施例的纵向各弹簧位置基底平均沉降。0043图6是本发明实施例的纵向各弹簧位置基底刚度。0044图7是本发明实施例的地基刚度变化比例图。0045图8是本发明实施例的接头剪力影响线图。具体实施方式0046本发明通过提供一种沉管隧道纵向差异沉降容许值的设计方法，建立起接头剪力键剪力与纵向地基刚度变化差异沉降的关系，推导相应的计算公式，用于快速判断基础方案的可行性，具有良好的推广应用价值。0047为实现上述目的，本发明的技术解决方案包括如下步骤00481构建沉管隧道纵向计算简化模型，该模型包括模拟隧道结构的梁单元、模拟隧道接头剪力键的接头单元、纵向每隔单位长度设置的模拟地基支撑作用的弹簧以及。
15、作用在隧道上的荷载；00492计算沉管隧道任意接头处的容许剪力Q；00503计算沉管隧道任意弹簧在基底平均荷载P作用下的基底平均沉降，并由公式KPB求得每个弹簧的地基刚度KB为梁单元横向宽度；00514利用公式说明书CN103334453A4/7页700520053计算对接头剪力有影响的纵向地基刚度变化区间长度L其中EI为梁单元的横断面抗弯刚度；00545利用公式00550056求得L长度范围内全部N个弹簧的平均地基刚度，利用公式得到弹簧的地基刚度变化比例I，根据I的分布求得地基刚度变化的幅值与变化模式因子，绘制地基刚度变化模式图。当0时，地基刚度变化模式图为斜直线型变化模式，1时，地基刚度变。
16、化模式图为突变型变化模式，126时，地基刚度变化模式图为正弦变化模式；00576利用刚度影响线法绘制接头的剪力影响线，利用地基刚度变化模式图与剪力影响线图相乘，得到接头容许剪力Q与地基刚度变化幅值与模式的关系式00580059式中为面积形心因子，用于修正L0范围内实际刚度影响线与斜直线刚度影响线的差异。0060对直线形地基刚度变化0，21E/2118，0061对突变形地基刚度变化1，21E/210；00627采用平均地基刚度K、平均沉降、地基刚度变化幅值推导纵向长度L两端的差异沉降公式006300648将步骤6中的公式代入步骤7中的公式，求得纵向差异沉降容许值的计算公式006500669根据所。
17、考察接头两侧任意两点的沉降I1、I1以及两点的水平距离L计算，求得考察接头两侧实际发生的差异沉降00670068当满足时，说明计算的纵向差异沉降满足接头剪力键受力要求。0069以下结合附图对本发明作进一步的说明。0070请参见图1，为本发明的设计方法分析示意图。说明书CN103334453A5/7页800711首先构建沉管隧道纵向计算模型1，该模型包括模拟隧道结构的梁单元2、模拟隧道接头剪力键的接头模型3、纵向每隔单位长度设置的模拟地基支撑作用的弹簧4以及作用在隧道上的荷载5；00722根据沉管隧道剪力键的尺寸及材料特性，计算任意接头3处的容许剪力Q；00733计算沉管隧道任意弹簧4在基底平均。
18、荷载5P作用下的基底平均沉降，并由公式KPB求得每个弹簧4的地基刚度K；00744利用公式00750076计算对接头3的剪力有影响的纵向地基刚度变化区间长度L0其中EI为梁单元2的横断面抗弯刚度，B为梁单元2的横向宽度；00775利用公式00780079求得L0长度范围内全部N个弹簧4的平均地基刚度，利用公式得到弹簧3处的地基刚度变化比例I，根据I的分布求得地基刚度变化的幅值与变化模式因子，并绘制地基刚度变化模式图。当0时，地基刚度变化模式为斜直线型变化模式，1时，地基刚度变化模式为突变型变化模式，126时，地基刚度变化模式为正弦变化模式；00806利用刚度影响线法绘制接头3的剪力影响线，利用。
19、地基刚度变化模式与剪力影响线相乘，得到接头容许剪力Q与地基刚度变化幅值与模式的关系式600810082式中为面积形心因子，用于修正L0范围内实际刚度影响线与斜直线刚度影响线的差异。对直线形地基刚度变化0，008321E/2118，对突变形地基刚度变化1，21E/210；00847采用平均地基刚度K、平均沉降、地基刚度变化幅值推导纵向长度L两端的差异沉降公式7008500868将公式6代入公式7求得纵向差异沉降容许值的计算公式8求得沉管隧道接头2处纵向差异沉降容许值008700889根据所考察接头两侧任意两点的沉降I1、I1以及两点的水平距离L计算，求得考察接头两侧实际发生的差异沉降说明书CN1。
20、03334453A6/7页900890090当满足时，说明计算的纵向差异沉降满足接头剪力键受力要求。0091以下结合实施例和附图，对本发明作详细描述。0092某沉管隧道横断面宽3795M，高114M，每个管节长180M，每个管节由8个225M长的节段连接而成，管节采用C50混凝土材料，横断面抗弯刚度EI973107MNM2。以该隧道管节E18节段S3与节段S4交界处的接头所在断面为考察断面，以E15E20六个管节为纵向分析范围，如图2所示。00931首先构建沉管隧道纵向计算模型1，如图3所示，该模型包括模拟隧道结构的梁单元2、模拟隧道接头剪力键的接头模型3、纵向每隔单位长度设置的模拟地基支撑作。
21、用的弹簧4以及作用在隧道上的荷载5；00942根据沉管隧道剪力键的尺寸及材料特性，计算任意接头3处的容许剪力Q16000KN；00953计算沉管隧道任意弹簧4在基底平均荷载5P作用下的基底平均沉降，并由公式KPB求得每个弹簧4的地基刚度K，分别如图4、5和6所示。00964利用公式0097计算对接头3的剪力有影响的纵向地基刚度变化区间长度L0其中EI为梁单元2的横断面抗弯刚度，B为梁单元2的横向宽度；00985利用公式00990100求得L0长度范围内全部N个弹簧4的平均地基刚度，利用公式得到弹簧3处的地基刚度变化比例I，绘制地基刚度变化模式如图7所示，I近似为直线分布，变化模式因子0，根据的。
22、分布求得地基刚度变化的幅值1417/20155。01016利用刚度影响线法绘制接头3的剪力影响线如图8所示。0102利用地基刚度变化模式与剪力影响线相乘，得到接头容许剪力Q与地基刚度变化幅值与模式的关系式601030104式中为面积形心因子，用于修正L0范围内实际刚度影响线与斜直线刚度影响线的差异。对直线形地基刚度变化0，065201057采用平均地基刚度K、平均沉降、地基刚度变化幅值推导纵向长度2L0之间的单位长度的差异沉降公式70106说明书CN103334453A7/7页1001078将公式6代入公式7求得纵向差异沉降容许值的计算公式8求得沉管隧道接头2处纵向差异沉降容许值01080109也就是纵向每米容许的差异沉降为0359MM，纵向每225M容许的差异沉降为8MM。01109根据所考察接头两侧任意两点的沉降I1、I1以及两点的水平距离L计算，求得考察接头两侧实际发生的差异沉降01110112满足时，说明计算的纵向差异沉降满足接头剪力键受力要求。说明书CN103334453A101/4页11图1说明书附图CN103334453A112/4页12图2图3图4说明书附图CN103334453A123/4页13图5图6说明书附图CN103334453A134/4页14图7图8说明书附图CN103334453A14。