盾構(gòu)隧道管片襯砌受力分析力學(xué)模式探討_圖文

1、盾構(gòu)隧道管片襯砌受力分析力學(xué)模式探討李圍1孫繼東1李成2(1西南交通大學(xué)地下工程系四川成都6100312貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院路橋工程系貴州貴陽550008摘要以鉸接圓環(huán)、勻質(zhì)圓環(huán)和梁彈簧模型三種力學(xué)模式對盾構(gòu)隧道管片襯砌的內(nèi)力進(jìn)行了計(jì)算分析,得出用梁彈簧模型計(jì)算的彎矩值介于鉸接圓環(huán)和勻質(zhì)圓環(huán)的內(nèi)力值之間。梁彈簧模型直接考慮接頭的抗彎剛度,能夠真實(shí)地模擬管片襯砌的力學(xué)行為,因此在盾構(gòu)隧道管片襯砌設(shè)計(jì)中,具有推廣意義。關(guān)鍵詞盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法1引言在國外,根據(jù)對管片接頭力學(xué)上的處理方法不同,盾構(gòu)隧道管片襯砌受力分析的力學(xué)模式主要有:鉸接圓環(huán)、勻質(zhì)圓環(huán)和梁彈簧模型,見圖1所示。鉸接圓環(huán),即將管

2、片接頭簡化成理想的鉸,不考慮其承受彎矩的能力;適用于通縫拼裝的管片襯砌和圍巖條件比較良好的的情況,在英國和前蘇聯(lián)用的較多。勻質(zhì)圓環(huán)法,即將管片接頭截面視為與管片截面具有同樣的抗彎剛度,整體圓環(huán)剛度不折減,為EI ;或者將整體圓環(huán)剛度折減,為EI ,剛度折減系數(shù)<1;此法在世界各國都有使用。梁彈簧模型法,即直接考慮接頭的抗彎剛度,將管片截面簡化為曲梁或直梁、將管片塊間接頭考慮為旋轉(zhuǎn)彈簧、管片環(huán)間接頭考慮為剪切彈簧(切向和法向,此法能夠真實(shí)地反映管片襯砌的力學(xué)行為,在日本等國用得較多1。我國在進(jìn)行盾構(gòu)隧道管片襯砌設(shè)計(jì)計(jì)算分析時,主要采用的是鉸接圓環(huán)和勻質(zhì)圓環(huán)2,用這兩種模式分析計(jì)算的結(jié)果直接

3、用于管片的配鋼筋計(jì)算,是否安全可靠,在此以某地鐵工程為工程對象,在不同的拼裝方式下,采用三種不同的力學(xué)模式進(jìn)行了管片襯砌的分析計(jì)算和比較,得出了用于管片襯砌設(shè)計(jì)計(jì)算的合理力學(xué)模式 。a 1鉸接圓環(huán)b 1勻質(zhì)圓環(huán)c 1梁彈簧模型圖1管片襯砌計(jì)算的力學(xué)模式2地質(zhì)條件和管片幾何參數(shù)211地層物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算點(diǎn)選擇在某地鐵工程中盾構(gòu)隧道穿過的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土土層,埋深為10m ,上覆土體自重采用各土層按層厚加權(quán)的平均值。計(jì)算所需參數(shù)根據(jù)地質(zhì)報(bào)告確定,見表1示。212管片襯砌幾何參數(shù)管片襯砌分成6塊,封頂塊(K 2215°,其余5塊均為6715°,縱向接頭為16處,按2215°

4、;等角度布置。管片在縱向可實(shí)現(xiàn)通縫和錯縫兩種方式拼裝(偏轉(zhuǎn)角為2215°的倍數(shù)。主要尺寸為:外半徑R 1表1淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土地層參數(shù)隧道埋深H /m 容重/(kN /m 3地面超載P 0/(kN /m 2側(cè)壓系數(shù)地基抗力系數(shù)K/(MPa /m 10182001520=3100m 、內(nèi)半徑R 3=2170m 、軸線半徑R 2=2185m 、每環(huán)幅寬B =110m 、厚度h =013m 。第25卷增刊2005年6月隧道建設(shè)Tunnel Constructi on 25(增:1720June,20053有限元計(jì)算311結(jié)構(gòu)荷載模式采用荷載-結(jié)構(gòu)模式對管片襯砌進(jìn)行力學(xué)計(jì)算分析2,見圖2示。根據(jù)

5、地層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,故計(jì)算荷載按水土壓合算的方式考慮。其中,豎向荷載W 1為隧道上方土體的自重H (為濕容重和地面超載P 0之和,側(cè)向荷載q 1和q 2為相應(yīng)處豎向荷載乘以側(cè)壓力系數(shù),隧道底部的豎向反力W 2為豎向荷載W 1與隧道自重W g 之和。偏于安全將上覆土體自重完全作用 在管片襯砌結(jié)構(gòu)上進(jìn)行計(jì)算分析。圖2結(jié)構(gòu)荷載模式襯砌圓環(huán)與周圍土體的相互作用通過設(shè)置在襯砌全環(huán)的徑向彈簧單元和切向彈簧單元來體現(xiàn)。徑向彈簧單元只能受壓,受拉時將自動脫離,計(jì)算中用反復(fù)迭代的計(jì)算方法來實(shí)現(xiàn)這一情況,彈簧單元的剛度由襯砌周圍土體的地基抗力系數(shù)(見表1決定。在一襯砌圓環(huán)內(nèi),用曲梁單元模擬管片的實(shí)際狀況,用接頭

6、抗彎剛度K 來體現(xiàn)環(huán)向接頭的實(shí)際抗彎剛度。為錯縫式拼裝時,因縱向接頭將引起襯砌圓環(huán)間的相互咬合作用,此時根據(jù)錯縫拼裝方式,除考慮計(jì)算對象的襯砌圓環(huán)外,將對其有影響的前后的襯砌圓環(huán)也作為計(jì)算對象,采用空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算,并用圓環(huán)徑向抗剪剛度Kr 和切向抗剪剛度Kt 來體現(xiàn)縱向接頭的環(huán)間傳力效果。輸入?yún)?shù)如下:管片塊間接頭正彎曲轉(zhuǎn)動剛度為315×104kN m /rad,負(fù)彎曲轉(zhuǎn)動剛度為815×103k N m /rad,軸向拉壓剛度為111×104k N /m ,剪切剛度為212×104kN /m;環(huán)間接頭螺栓的法向和徑向剪切剛度為410×104k

7、 N /m;地層彈簧系數(shù),法向剛度為210×104kN /m ,切向剛度為110×104k N /m1;管片襯砌容重為25k N /m 3。312計(jì)算分組及計(jì)算結(jié)果管片襯砌結(jié)構(gòu)按三種力學(xué)模式進(jìn)行模擬計(jì)算,共分成11組,見表2所示。其最大彎矩及其相應(yīng)軸力、最大剪力和最大變形也見表2;管片襯砌不同力學(xué)計(jì)算模式下的彎矩圖見圖3所示。表2計(jì)算組合及主要計(jì)算結(jié)果表計(jì)算組號拼裝方式力學(xué)模式最大彎矩/(kN 1m 相應(yīng)軸力/kN最大剪力/kN最大變形/mmN1通縫梁彈簧模型73100355613148132851937N2錯縫,每三環(huán)為一組;第1環(huán)向左、第三環(huán)向右偏轉(zhuǎn)45°第二

8、環(huán)的結(jié)果梁彈簧模型95159453914066181141984N3錯縫,每三環(huán)為一組;第1環(huán)向左、第三環(huán)向右偏轉(zhuǎn)45°第一、三環(huán)的結(jié)果梁彈簧模型10814147415459154141521N4錯縫,每兩環(huán)為一組。第1環(huán)向左第二環(huán)向右偏轉(zhuǎn)2215°第一、二環(huán)的結(jié)果梁彈簧模型91169748116371156641732N5通縫鉸接圓環(huán)34118758411835124681117N6通縫勻質(zhì)圓環(huán)=11010718845514976195531622N7通縫勻質(zhì)圓環(huán)=01910315846012474123631845N8通縫勻質(zhì)圓環(huán)=0189817724651487112

9、9541102N9通縫勻質(zhì)圓環(huán)=01793145747114267199741402N10通縫勻質(zhì)圓環(huán)=01687121147719264142041760N11通縫勻質(zhì)圓環(huán)=0158014574851396012015120781隧道建設(shè)2005年6月第25卷 a 鉸接圓環(huán)b 勻質(zhì)圓環(huán)梁彈簧模型(通縫拼裝d 梁彈簧模型(錯縫拼裝圖3管片襯砌不同力學(xué)計(jì)算模式下的彎矩圖4計(jì)算結(jié)果分析由表2可知:管片襯砌同是通縫拼裝時,彎矩和剪力值,鉸接圓環(huán)最小、勻質(zhì)圓環(huán)最大、而采用梁彈簧模型計(jì)算的介于鉸接圓環(huán)和勻質(zhì)圓環(huán)之間;相反相應(yīng)軸力和變形量是鉸接圓環(huán)最大、勻質(zhì)圓環(huán)最小、而采用梁彈簧模型計(jì)算的介于鉸接圓環(huán)和勻

10、質(zhì)圓環(huán)之間。由圖3可看出:采用鉸接圓環(huán)進(jìn)行計(jì)算的彎矩圖上,環(huán)向接頭處的彎矩為0;而采用勻質(zhì)圓環(huán)計(jì)算的彎矩圖上,環(huán)向接頭處的彎矩卻很大;采用梁彈簧模型計(jì)算的彎矩圖上,環(huán)向接頭處的彎矩有所減小。說明內(nèi)力和變形的差異主要是由于環(huán)向接頭的抗彎剛度選取的大小決定的。不計(jì)鉸接圓環(huán)環(huán)向接頭的抗彎剛度,因此其變形最大。而勻質(zhì)圓環(huán)環(huán)向接頭的抗彎剛度取值最大,因此變形最小。梁彈簧模型環(huán)環(huán)向接頭的抗彎剛度適中,因此變形也介于鉸接圓環(huán)和勻質(zhì)圓環(huán)之間。由表2也可知道,同是采用梁彈簧模型進(jìn)行的計(jì)算,但拼裝方式不同,其內(nèi)力值也有很大差異。通縫拼裝時的彎矩和剪力值最小,而相應(yīng)軸力和變形量最大。同是三環(huán)一組錯縫拼裝,一、三環(huán)的

11、彎矩值就比二環(huán)的要大,相應(yīng)軸力、剪力和變形量要小。這是因?yàn)镵 塊的位置偏離了出現(xiàn)最大彎矩的拱頂處,而讓鄰接塊轉(zhuǎn)到了拱頂處,環(huán)向接頭離拱頂處遠(yuǎn)了,對它的彎矩減小的影響就小了。由表2還可看出,同是采用勻質(zhì)圓環(huán)進(jìn)行的通縫計(jì)算,隨著整體剛度折減系數(shù)的減小,彎矩和剪力值最小,而相應(yīng)軸力和變形量最大。當(dāng)為錯縫拼裝時,其設(shè)計(jì)彎矩值要放大,即用計(jì)算值乘以(1+k ,k 為附加彎矩系數(shù)。從表2可知道:整體剛度折減系數(shù)為015左右;附加彎矩系數(shù)為0145左右。根據(jù)日本對采用不同力學(xué)模式進(jìn)行管片襯砌設(shè)計(jì)計(jì)算的件數(shù)和設(shè)計(jì)單位數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析3,共統(tǒng)計(jì)了13家設(shè)計(jì)單位所設(shè)計(jì)的管片襯砌177件。其中將管片襯砌視為梁彈簧模型法

12、有84件,占4715%,設(shè)計(jì)單位有7家;視為勻質(zhì)圓環(huán)并考慮整體剛度折減系數(shù)的有51件,占2818%,設(shè)計(jì)單位5家;視為鉸接圓環(huán)有42件,占2317%,設(shè)計(jì)單位1家。尤其是隨著盾構(gòu)隧道的不斷修建,新的管片襯砌設(shè)計(jì)計(jì)算越來越多地采用梁彈簧模型法。梁彈簧模型直接考慮接頭的抗彎剛度,能夠真實(shí)地模91增刊李圍等盾構(gòu)隧道管片襯砌受力分析力學(xué)模式探討擬管片襯砌的力學(xué)行為,因此在我國盾構(gòu)隧道管片襯砌設(shè)計(jì)中,值得推廣應(yīng)用。5結(jié)論本文通過不同拼裝方式下的管片襯砌結(jié)構(gòu)采用不同力學(xué)模式進(jìn)行的數(shù)值模擬分析計(jì)算,得出如下結(jié)論:管片襯砌為通縫拼裝時,彎矩和剪力值,鉸接圓環(huán)最小、勻質(zhì)圓環(huán)最大、而采用梁彈簧模型計(jì)算的介于鉸接圓

13、環(huán)和勻質(zhì)圓環(huán)之間;相反相應(yīng)軸力和變形量是鉸接圓環(huán)最大、勻質(zhì)圓環(huán)最小、而采用梁彈簧模型計(jì)算的介于鉸接圓環(huán)和勻質(zhì)圓環(huán)之間;采用梁彈簧模型進(jìn)行的計(jì)算,但拼裝方式不同,其內(nèi)力值也有很大差異;通縫拼裝時的彎矩和剪力值最小,而相應(yīng)軸力和變形量最大;采用勻質(zhì)圓環(huán)進(jìn)行的通縫拼裝下的計(jì)算,隨著整體剛度折減系數(shù)的減小,彎矩和剪力值最小,;整體剛度折減系數(shù)為015左右;附加彎矩系數(shù)為0145左右;其計(jì)算值用于管片襯砌設(shè)計(jì)時,勻質(zhì)圓環(huán)模式將造成浪費(fèi),而鉸接圓環(huán)模式是不安全的,采用梁彈簧模型模式是最合理的;梁彈簧模型法考慮環(huán)向接頭和環(huán)與環(huán)間的縱向接頭剛度,反應(yīng)了管片結(jié)構(gòu)在荷載作用下實(shí)際的力學(xué)行為,用于管片襯砌設(shè)計(jì)分析,

14、既安全可靠,又經(jīng)濟(jì)實(shí)用,值得在我國推廣應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1小山幸則,西村高明, 梁 覆工設(shè)計(jì)法J1日本土木學(xué)會論文報(bào)告集,報(bào)告(33,19992 - 新技術(shù)M1(日土木工學(xué)社出版社,19953李圍,何川1日本地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道管片襯砌的統(tǒng)計(jì)分析J1第十二屆隧道及地下工程年會論文集,2002作者簡介:李圍,男,1979年生,西南交通大學(xué)橋梁與隧道工程專業(yè)在讀博士研究生,現(xiàn)主要從事盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)理論的研究工作。收稿日期:2004-10-09(上接16頁412結(jié)果分析工字鋼架立即支撐強(qiáng)度、剛度大,可承受較大初期圍巖壓力,宜用于坍方處理或、級破碎不能形成塌落拱需要立即支撐大段圍巖隧道施工;工字鋼架與噴混凝土結(jié)

15、合不好,易與噴混凝土殼體分離,噴混凝土回彈大,易造成空洞和殼體縱向不連續(xù),整體性差,不能形成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),并且工字鋼架水平、縱向不對稱,易橫向失穩(wěn),不宜用于后期圍巖壓力增長較大及圍巖變形較大段初期支護(hù);格柵鋼架有一定的立即支撐作用,與噴混凝土結(jié)合較好,形成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),并且噴混凝土回彈少,宜用于自穩(wěn)時間短的軟弱圍巖或有一定變形、后期圍巖壓力有較大增長的圍巖段隧道工程施工;格柵鋼架開始作為初期支護(hù)后又能轉(zhuǎn)化為永久支護(hù),而工字鋼架則不行,由于與噴混凝土結(jié)合不好,不具備耐久性;格柵鋼架經(jīng)濟(jì)性較好,與工字鋼架相比,節(jié)省約13%鋼材,結(jié)構(gòu)性能提高約36%,國外有資料表明,采用格柵鋼架比工字鋼架節(jié)約大約60%的勞動強(qiáng)度和支護(hù)費(fèi)用,是很值得推廣的一種支護(hù)形式。參考文獻(xiàn)1魏