盾構(gòu)隧道管片計算軟件的選擇應(yīng)用

盾構(gòu)隧道管片計算軟件的選擇應(yīng)用

1問題的管片設(shè)計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。因其機械化程度高、對周邊建構(gòu)筑物影響較小、地層適應(yīng)力強、施工安全等優(yōu)點,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。管片強度等級、管片尺寸、含鋼量等設(shè)計參數(shù)對整個隧道工程的造價有著直接的影響,因此合理地選擇計算模型與結(jié)構(gòu)計算軟件非常關(guān)鍵。在管片的設(shè)計中,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。本來最準確的管片計算應(yīng)將管片及荷載一同模型化,用確切評價隧道周邊土體的“隧道整體系統(tǒng)”來進行整體設(shè)計。但是其作用機理目前尚不清楚,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)計仍將隧道橫斷面方向及縱斷面方向分開進行設(shè)計。本文主要探討盾構(gòu)隧道橫斷面設(shè)計的計算方法以及計算軟件的比較。通過對管片設(shè)計總結(jié)發(fā)現(xiàn),目前地鐵隧道設(shè)計人員使用較多的計算軟件有“同濟曙光盾構(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行模型化處理,將地基反力按照溫克勒假定,等效為節(jié)點彈簧進行模型化處理。當單元劃分得足夠小時,就可以有效地模擬圓環(huán)形管片。此種方法在建模分析時,需要將盾構(gòu)管片圓環(huán)先作劃分單元等效,且需要對每個梁單元上的荷載單獨計算,較為繁瑣,在梁單元劃分較粗時精度不夠?！巴瑵锕狻奔啊盎鹁孳浖敝饕褂谩靶拚苡糜嬎惴ā?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,更加接近實際情況,因此主要分析比較后兩種計算軟件在管片斷面設(shè)計計算中的應(yīng)用。2鄉(xiāng)土壓力計算方法火炬軟件為一款盾構(gòu)管片截面內(nèi)力計算程序,操作簡單實用。主要輸入界面分為土壓力計算與管片計算兩個模塊,其中土壓力計算模塊中可以輸入土層信息、地面超載信息、管片信息,手動選擇水土分算、合算以及土壓力計算方法(分層疊加法、太沙基法、普氏理論法)。管片計算模塊可選擇管片常用的計算方法,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,來模擬實際的管片受力情況。3通縫及錯縫管片拼裝同濟曙光軟件是一款專門用于盾構(gòu)隧道管片設(shè)計的計算分析軟件。該軟件綜合考慮了通縫及錯縫管片拼裝,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),還可進行管片和螺栓驗算,且能自動生成分析報告,含兩種計算模型: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標準塊+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、風化巖。主要選取3個典型斷面進行計算分析,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,計算上述3個典型斷面的內(nèi)力,其中抗彎剛度有效率η取0.8,彎矩增減率ζ取0.3,計算結(jié)果見表2。5計算結(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算結(jié)果進行比較分析,總結(jié)出以下異同點:(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)由軟件自動計算得到。(2)計算模型相同。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。兩款軟件計算得到的管片內(nèi)力圖(彎矩圖、軸力圖)基本相同,最大負彎矩均在拱腰處,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)驗或者地面試驗,在土木學會及日本下水道協(xié)會的《盾構(gòu)工程用標準管片》中,對平板形管片以η=1.0,ζ=0為主進行計算,以η=0.8,ζ=0.3結(jié)果作為參考。(2)土壓力和土體強度(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,與實際情況更加接近。(2)水土壓力計算?；鹁孳浖峁┝藘煞N土壓力計算模式,即分層疊加法和太沙基理論法,須手動選擇;同濟曙光軟件同樣提供了這兩種土壓力計算模式,但是額外提供了默認選項,即在覆土小于1倍隧道外徑時,自動選用分層疊加法,在覆土大于1倍隧道外徑時,自動選用太沙基理論法。對于水土計算方式的選擇,火炬軟件須手動確定是水土分算或者合算,而同濟曙光軟件提供了自動選擇,軟件會根據(jù)隧道底部上方何種性質(zhì)的土體占優(yōu),自動選擇分/合算方式。另外同濟曙光軟件還能規(guī)定最小覆土厚度或者最小覆土壓力值,防止在覆土較小時計算結(jié)果不安全,結(jié)合《地鐵設(shè)計規(guī)范》,一般可以將此項選為一倍隧道外徑。(3)內(nèi)力計算結(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,負彎矩及軸力極值出現(xiàn)在拱腰處。相同地質(zhì)條件下,同濟曙光軟件計算的最大正彎矩值比火炬軟件計算得到的小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曙光軟件計算地層反力時勾選了“考慮襯砌自重引起的地基抗力”。當系數(shù)η取0.8,ζ取0.3時,勾選此項較為合理;當系數(shù)η取1.0,ζ取0時,不建議勾選此項,因為此時已經(jīng)過高估計了隧道的剛度,使得隧道變形偏小,再勾選此項會加劇變形減小的趨勢,與實際狀態(tài)不相符。6修正剛度模型及計算從兩種常用的隧道截面計算軟件出發(fā),結(jié)合實際工程,對不同埋深、不同地質(zhì)條件的隧道斷面進行計算對比分析,得出以下結(jié)論:(1)火炬軟件及同濟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數(shù)據(jù)及