盾構(gòu)隧道管片計(jì)算軟件的選擇應(yīng)用

盾構(gòu)隧道管片計(jì)算軟件的選擇應(yīng)用

1問題的管片設(shè)計(jì)隨著城市軌道交通的可持續(xù)發(fā)展，構(gòu)建法制建筑技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。因其機(jī)械化程度高、對周邊建構(gòu)筑物影響較小、地層適應(yīng)力強(qiáng)、施工安全等優(yōu)點(diǎn),在各類隧道施工中具有顯著優(yōu)勢。目前國內(nèi)地鐵隧道普遍采用鋼筋混凝土管片,常用的外徑尺寸有6000mm、6200mm、6400mm,壁厚尺寸300mm、350mm等。管片強(qiáng)度等級、管片尺寸、含鋼量等設(shè)計(jì)參數(shù)對整個(gè)隧道工程的造價(jià)有著直接的影響,因此合理地選擇計(jì)算模型與結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件非常關(guān)鍵。在管片的設(shè)計(jì)中,需要將管片接頭與環(huán)接頭作模型化處理,在隧道整體結(jié)構(gòu)模型中如何應(yīng)用這種模型。本來最準(zhǔn)確的管片計(jì)算應(yīng)將管片及荷載一同模型化,用確切評價(jià)隧道周邊土體的“隧道整體系統(tǒng)”來進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。但是其作用機(jī)理目前尚不清楚,且建模及分析過程均較為復(fù)雜。因此現(xiàn)在大部分的管片設(shè)計(jì)仍將隧道橫斷面方向及縱斷面方向分開進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文主要探討盾構(gòu)隧道橫斷面設(shè)計(jì)的計(jì)算方法以及計(jì)算軟件的比較。通過對管片設(shè)計(jì)總結(jié)發(fā)現(xiàn),目前地鐵隧道設(shè)計(jì)人員使用較多的計(jì)算軟件有“同濟(jì)曙光盾構(gòu)隧道分析軟件”、“火炬軟件”、“sap2000”、“sap84”等。其中sap系列軟件主要使用“直梁彈簧模型法”,即將隧道管片分成長度不等的直梁單元進(jìn)行模型化處理,將地基反力按照溫克勒假定,等效為節(jié)點(diǎn)彈簧進(jìn)行模型化處理。當(dāng)單元?jiǎng)澐值米銐蛐r(shí),就可以有效地模擬圓環(huán)形管片。此種方法在建模分析時(shí),需要將盾構(gòu)管片圓環(huán)先作劃分單元等效,且需要對每個(gè)梁單元上的荷載單獨(dú)計(jì)算,較為繁瑣,在梁單元?jiǎng)澐州^粗時(shí)精度不夠?！巴瑵?jì)曙光”及“火炬軟件”主要使用“修正管用計(jì)算法”,這是目前最簡便最常用的一種管片橫截面分析方法,即將管片當(dāng)做剛度均勻的圓環(huán)考慮,利用抗彎剛度有效率η及彎矩增減率ζ來考慮管片接頭的影響。這兩種軟件僅須通過輸入地質(zhì)鉆孔參數(shù)來模擬荷載,且含有專門的隧道建模模塊,建模方便快捷,并且模型未做等效處理,更加接近實(shí)際情況,因此主要分析比較后兩種計(jì)算軟件在管片斷面設(shè)計(jì)計(jì)算中的應(yīng)用。2鄉(xiāng)土壓力計(jì)算方法火炬軟件為一款盾構(gòu)管片截面內(nèi)力計(jì)算程序,操作簡單實(shí)用。主要輸入界面分為土壓力計(jì)算與管片計(jì)算兩個(gè)模塊,其中土壓力計(jì)算模塊中可以輸入土層信息、地面超載信息、管片信息,手動(dòng)選擇水土分算、合算以及土壓力計(jì)算方法(分層疊加法、太沙基法、普氏理論法)。管片計(jì)算模塊可選擇管片常用的計(jì)算方法,包括慣用修正法、多鉸接環(huán)法等,常用的是慣用修正法,通過輸入網(wǎng)格分割的數(shù)量以及抗彎剛度有效率η及彎矩增減率ζ,來模擬實(shí)際的管片受力情況。3通縫及錯(cuò)縫管片拼裝同濟(jì)曙光軟件是一款專門用于盾構(gòu)隧道管片設(shè)計(jì)的計(jì)算分析軟件。該軟件綜合考慮了通縫及錯(cuò)縫管片拼裝,考慮了水土壓力、地層彈簧、地層反力、地面荷載、施工荷載等影響(如圖1),還可進(jìn)行管片和螺栓驗(yàn)算,且能自動(dòng)生成分析報(bào)告,含兩種計(jì)算模型:修正慣用法和直梁彈簧元法,其中修正慣用法應(yīng)用較為廣泛。4典型斷面分析濟(jì)南軌道交通R3線一期工程西周家莊站~工業(yè)北路站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工,管片外徑6.4m,內(nèi)徑5.8m,管片厚300mm,采用“3標(biāo)準(zhǔn)塊+2鄰接塊+1封頂塊”分塊模式.襯砌環(huán)接縫采用彎螺栓連接,環(huán)縫采用16根M27螺栓,縱縫采用12根M27螺栓連接。隧道主要穿越粉質(zhì)黏土層、黏土層;本區(qū)間沿線20m深度范圍內(nèi)不存在可液化土層,無飽和砂土、粉土液化現(xiàn)象;特殊性巖土主要有填土層、風(fēng)化巖。主要選取3個(gè)典型斷面進(jìn)行計(jì)算分析,對應(yīng)埋深分別為淺埋、中埋、深埋,土層參數(shù)信息見表1。根據(jù)兩種軟件各自的荷載及模型輸入方式,計(jì)算上述3個(gè)典型斷面的內(nèi)力,其中抗彎剛度有效率η取0.8,彎矩增減率ζ取0.3,計(jì)算結(jié)果見表2。5計(jì)算結(jié)果的比較分析從兩款軟件的建模方式、采用的荷載模式以及計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析,總結(jié)出以下異同點(diǎn):(1)算例結(jié)果及分析(1)兩款軟件均采用地層結(jié)構(gòu)模式,即外部荷載、地基抗力均通過輸入地層參數(shù)由軟件自動(dòng)計(jì)算得到。(2)計(jì)算模型相同。兩款軟件均使用修正慣用模型,即通過設(shè)置抗彎剛度有效率η及彎矩增減率ζ,來模擬管片之間接頭對整體剛度的削弱,能較好地反應(yīng)管片的實(shí)際受力情況。(3)內(nèi)力分布及位移變形趨勢相同。兩款軟件計(jì)算得到的管片內(nèi)力圖(彎矩圖、軸力圖)基本相同,最大負(fù)彎矩均在拱腰處,最大正彎矩大部分情況下位于拱頂,少數(shù)情況位于拱底。(4)系數(shù)η及ζ對計(jì)算結(jié)果影響較大。其中η主要影響管片變形量,ζ主要影響管片內(nèi)力值。目前η及ζ的取值主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)或者地面試驗(yàn),在土木學(xué)會及日本下水道協(xié)會的《盾構(gòu)工程用標(biāo)準(zhǔn)管片》中,對平板形管片以η=1.0,ζ=0為主進(jìn)行計(jì)算,以η=0.8,ζ=0.3結(jié)果作為參考。(2)土壓力和土體強(qiáng)度(1)荷載工況?；鹁孳浖H能考慮主要的水土壓力及基地抗力,且不能選擇荷載組合系數(shù)而同濟(jì)曙光軟件除了能考慮隧道自重、水土壓力、地基抗力之外,還能考慮注漿荷載、地震荷載及其他偶然荷載,考慮更為全面,與實(shí)際情況更加接近。(2)水土壓力計(jì)算?；鹁孳浖峁┝藘煞N土壓力計(jì)算模式,即分層疊加法和太沙基理論法,須手動(dòng)選擇;同濟(jì)曙光軟件同樣提供了這兩種土壓力計(jì)算模式,但是額外提供了默認(rèn)選項(xiàng),即在覆土小于1倍隧道外徑時(shí),自動(dòng)選用分層疊加法,在覆土大于1倍隧道外徑時(shí),自動(dòng)選用太沙基理論法。對于水土計(jì)算方式的選擇,火炬軟件須手動(dòng)確定是水土分算或者合算,而同濟(jì)曙光軟件提供了自動(dòng)選擇,軟件會根據(jù)隧道底部上方何種性質(zhì)的土體占優(yōu),自動(dòng)選擇分/合算方式。另外同濟(jì)曙光軟件還能規(guī)定最小覆土厚度或者最小覆土壓力值,防止在覆土較小時(shí)計(jì)算結(jié)果不安全,結(jié)合《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》,一般可以將此項(xiàng)選為一倍隧道外徑。(3)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果。兩款軟件內(nèi)力分布基本一致,正彎矩極值出現(xiàn)在拱頂或者拱底處,負(fù)彎矩及軸力極值出現(xiàn)在拱腰處。相同地質(zhì)條件下,同濟(jì)曙光軟件計(jì)算的最大正彎矩值比火炬軟件計(jì)算得到的小16%~25%,相應(yīng)的軸力則偏大,約28%~4%。造成這種情況的主要原因是在使用同濟(jì)曙光軟件計(jì)算地層反力時(shí)勾選了“考慮襯砌自重引起的地基抗力”。當(dāng)系數(shù)η取0.8,ζ取0.3時(shí),勾選此項(xiàng)較為合理;當(dāng)系數(shù)η取1.0,ζ取0時(shí),不建議勾選此項(xiàng),因?yàn)榇藭r(shí)已經(jīng)過高估計(jì)了隧道的剛度,使得隧道變形偏小,再勾選此項(xiàng)會加劇變形減小的趨勢,與實(shí)際狀態(tài)不相符。6修正剛度模型及計(jì)算從兩種常用的隧道截面計(jì)算軟件出發(fā),結(jié)合實(shí)際工程,對不同埋深、不同地質(zhì)條件的隧道斷面進(jìn)行計(jì)算對比分析,得出以下結(jié)論:(1)火炬軟件及同濟(jì)曙光軟件均使用修正剛度模型,荷載作用系統(tǒng)清晰,受力明確,且η及ζ的取值已有大量的地面荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)及