盾構(gòu)隧道拼裝襯砌受力分析

盾構(gòu)隧道拼裝襯砌受力分析

1大厚度和層壓板受力性能結(jié)構(gòu)是由多條連接管、連接螺釘和填充材料組成的連接結(jié)構(gòu)。由于焊接形狀（通縫和破縫）、接頭重量、接頭數(shù)量等因素的影響，由于其抗彎性非常復(fù)雜，管道的設(shè)計(jì)仍很困難。襯砌結(jié)構(gòu)在正常使用階段的受力特性可以簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變情況來(lái)研究，使用階段的受力性能研究已經(jīng)比較成熟。而在施工階段，由于隧道縱向荷載及約束條件的不均勻，導(dǎo)致施工階段隧道襯砌受力是一個(gè)完全的三維問(wèn)題，這方面的研究則相對(duì)較少。由于通縫具有拼裝施工容易、施工效率高的優(yōu)點(diǎn)為很多施工單位所青睞。很多文獻(xiàn)也表明由于錯(cuò)縫拼裝襯砌個(gè)環(huán)的管片接頭位置不同，受力時(shí)可以將較弱部分（接頭）的負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)移到較強(qiáng)部分（管片體）上，從而減小接頭的變形，提高結(jié)構(gòu)的整體剛度。究竟哪一種拼裝方式更合理仍然存在爭(zhēng)議，分析比較兩種拼裝形式下隧道襯砌的受力性能，為隧道襯砌設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)具有十分重要的意義。本文通過(guò)對(duì)施工階段襯砌受力性能的三維有限元模擬，分析通、錯(cuò)縫兩種拼裝形式下襯砌的受力性能，并與連續(xù)型襯砌進(jìn)行比較，為今后的設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考。2襯砌上的荷載施工階段隨襯砌與盾構(gòu)尾部距離的不同，作用在隧道襯砌上的荷載以及周圍土體對(duì)隧道的約束作用都發(fā)生變化，與使用階段作用在襯砌上的荷載有較大差異。盾構(gòu)隧道襯砌在施工階段承受的荷載主要有以下幾部分：2.1千斤頂壓力合力千斤頂推力是盾構(gòu)隧道掘進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力，它反過(guò)來(lái)作用在管片上，是施工過(guò)程中隧道襯砌在軸線方向最大的外力。千斤頂壓力對(duì)管片的影響很大，如果襯砌環(huán)面有不平整，管片極易產(chǎn)生應(yīng)力集中而出現(xiàn)剝落、邊角破碎等現(xiàn)象，當(dāng)千斤頂壓力合力不與襯砌的中心重合時(shí)會(huì)使隧道縱向產(chǎn)生彎矩，引起環(huán)間接頭張開(kāi)，不利于防水。同時(shí)，千斤頂壓力對(duì)施工過(guò)程中襯砌的縱向變形剛度也有很大影響。2.2土體注漿壓力施工階段襯砌所受的注漿壓力比較復(fù)雜，因?yàn)闈{液要經(jīng)過(guò)液態(tài)到固態(tài)的過(guò)程，不斷滲入土體受到地下水稀釋的同時(shí)伴隨應(yīng)力釋放，直至與土體壓力平衡，并與土體一起對(duì)襯砌產(chǎn)生作用，由于漿液本身的物理力學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性，需要通過(guò)一些假定來(lái)確定注漿壓力的變化規(guī)律。注漿壓力通常大于上覆土壓力，橫斷面上注漿壓力可近似認(rèn)為隨深度線性變化，如圖1所示，圖中Ps1為拱頂處的注漿壓力，Ps2為拱底處的注漿壓力。注漿壓力、注漿量等因素對(duì)隧道軸線的影響較大，過(guò)大的注漿壓力會(huì)引起隧道上浮。2.3局部地彈響模式由于盾構(gòu)隧道襯砌在接縫處有良好的密封防水措施，因而隧道同時(shí)承受土壓力和水壓力，襯砌土壓力作用模式多種多樣，本文認(rèn)為比較合理的是如圖2所示的局部地彈簧模式，圖中P1為拱頂處的上覆土水壓力；P2為襯砌底部垂直荷載的抗力；P3為拱頂水平面上的側(cè)向土水壓力；P4為襯砌底部由深度引起的附加側(cè)向土水壓力；P5為襯砌的重度；P6為由變形引起的側(cè)向土體抗力，其作用范圍在-45°～+45°之間；P6=Ks?，其中Ks為周圍土體沿徑向的抗力系數(shù)，?為襯砌沿徑向的變形。3采用有限計(jì)算模型和負(fù)荷系統(tǒng)3.1管片制作與安裝計(jì)算中采用的通縫和錯(cuò)縫拼裝襯砌結(jié)構(gòu)形式如圖3。管片外徑6.2m，內(nèi)徑5.5m，管片寬1m，管片分塊數(shù)為6塊，拱底塊對(duì)應(yīng)圓心角為84°，拱頂塊對(duì)應(yīng)圓心角為16°，其余4塊對(duì)應(yīng)圓心角均為65°，錯(cuò)縫拼裝襯砌管片環(huán)間錯(cuò)角22.5°，使用C50平板型鋼筋混凝土管片，彈性模量為3.45×104MPa，泊松比為0.17，管片密度為2.6g/cm3。管片環(huán)向連接螺栓12個(gè)，縱向連接螺栓16個(gè)，均為M32鋼弧形螺栓，E為2.1×105MPa，泊松比為0.30，連接螺栓設(shè)置在距離管片內(nèi)壁1/3厚度處，螺栓預(yù)緊力為50MPa。管片間接縫厚度為2mm。地層抗力系數(shù)Ks=20000kN/m3。3.2襯砌外圍單元的模擬土體抗力由于結(jié)點(diǎn)數(shù)量的限制，對(duì)10環(huán)長(zhǎng)的一段襯砌進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分，用空間8結(jié)點(diǎn)6面體單元離散整個(gè)結(jié)構(gòu)，有限元網(wǎng)格及環(huán)向、縱向接縫處局部網(wǎng)格放大圖如圖4所示，在管片厚度方向劃分5層，每環(huán)管片寬度方向劃分5層，共劃分13764個(gè)單元，21600個(gè)結(jié)點(diǎn)。在隧道左右的襯砌外圍單元設(shè)置法向面彈簧單元模擬土體抗力，范圍如圖2所示。水平方向?yàn)閤軸，y軸豎直向上，z軸正向與隧道推進(jìn)方向相反。程序通過(guò)自動(dòng)施加多點(diǎn)接觸約束來(lái)模擬接縫兩側(cè)管片的非穿透接觸。將總荷載分成許多很小的增量步，通過(guò)每個(gè)增量步結(jié)束后相鄰接觸體表面的幾何位置來(lái)判斷是否發(fā)生接觸。如果發(fā)生接觸，則對(duì)接觸節(jié)點(diǎn)施加式（1）所示的接觸約束，接觸約束關(guān)系如圖5所示：3.3襯砌受力特性隧道襯砌所受注漿壓力和土壓力在橫斷面上的分布如圖1、2所示，其縱向分布并不均勻，而是逐漸變化的，由于施工階段上述注漿壓力、土壓力及土體抗力在縱向分布的差異，使得襯砌呈現(xiàn)出明顯的三維受力特征。本文假設(shè)施工階段襯砌所受的壓力荷載在縱向的分布如圖6所示，盾尾第1環(huán)襯砌處在盾構(gòu)殼圍護(hù)下，只受到千斤頂?shù)膲毫?，而外壁面上的壓力及約束都為0；第2～6環(huán)襯砌受到注漿壓力的作用，隨著與盾尾距離的增大，注漿壓力逐漸釋放最后和周圍土壓力平衡，第2～6環(huán)注漿壓力在橫斷面上的分布形式仍如圖1所示。第7～10環(huán)襯砌認(rèn)為注漿材料已經(jīng)凝固，和周圍土體一起對(duì)襯砌施加壓力，土壓力在橫斷面上的分布如圖2所示。土體側(cè)向抗力系數(shù)Ks在第2～6環(huán)襯砌上隨漿液的凝固而逐漸增大，到第7環(huán)以后達(dá)到最大值并保持常數(shù)，分布規(guī)律見(jiàn)圖6。圖中符號(hào)的意義見(jiàn)圖1、2。3.4地基土體飽和度計(jì)算中選取的地層基本計(jì)算條件如圖7所示，圖中H為隧道拱頂埋深；Hw為地下水位，此處為簡(jiǎn)單起見(jiàn)取Hw=0m；γ為土體飽和重度；D為襯砌外徑；K0為地基靜止側(cè)向土壓力系數(shù)；Ks為土體抗力系數(shù)。漿液密度為2.5g/cm3，拱頂處注漿壓力取上覆土體壓力的1.25倍。盾構(gòu)機(jī)通過(guò)7只千斤頂推動(dòng)，總推力T=14000kN。根據(jù)上述地層條件，計(jì)算得到各壓力荷載值如表1所示。4有限概率分析4.1分布規(guī)律，僅有一個(gè)單次分布如前所述，施工階段隧道襯砌所受荷載在縱向分布并不均勻，使得襯砌的變形也產(chǎn)生變化。3種型式襯砌變形大小不同，但分布規(guī)律基本一致。以連續(xù)襯砌為例，后部的襯砌（第7～10環(huán)）其豎向土壓力明顯大于水平土壓力，使得襯砌發(fā)生較大的豎向壓縮，而前部襯砌（第2～6環(huán)）受到如圖1所示的注漿壓力荷載，水平向壓力大于頂部壓力而小于底部壓力，并且受到第1環(huán)襯砌的約束，連續(xù)型襯砌水平位移在隧道縱向上的分布及前、后斷面變形如圖8所示。4.2襯砌應(yīng)力分布由于上述襯砌前后變形存在差異，又由于襯砌前部受到注漿壓力在豎向不平衡引起隧道上浮，從而導(dǎo)致豎向位移沿縱向的不均勻，使得襯砌管片的應(yīng)力在縱向也發(fā)生變化，3種型式襯砌應(yīng)力分布規(guī)律基本一致。連續(xù)型襯砌管片x,y向正應(yīng)力和xy平面上的剪應(yīng)力分布如圖9所示，從圖中可以看出，由于變形差異導(dǎo)致前部襯砌的剪應(yīng)力有較大的增加，達(dá)到3MPa。4.3模型的連續(xù)模型和連接結(jié)果的比較4.3.1襯砌變形特點(diǎn)計(jì)算得到3種型式襯砌后部管片直徑變化量見(jiàn)表2。從表中可以看出，通縫拼裝襯砌管片變形最大，錯(cuò)縫拼裝襯砌次之，連續(xù)型襯砌變形最小。主要是由于拼裝襯砌管片之間存在接頭，與連續(xù)型襯砌相比，其變形剛度降低許多。而同為拼裝襯砌，錯(cuò)縫拼裝襯砌由于接縫處的變形受到相鄰襯砌環(huán)管片的約束，其變形剛度比通縫拼裝襯砌大，因而變形量較小。可見(jiàn)，對(duì)于本文采取的通縫和錯(cuò)縫拼裝襯砌，其橫斷面變形剛度約分別相當(dāng)于連續(xù)型襯砌的0.55和0.65倍。4.3.2襯砌管片應(yīng)力3種型式襯砌管片z向的正應(yīng)力分量基本相同，此處不予列出。通縫、錯(cuò)縫拼裝襯砌管片應(yīng)力沿隧道縱向的分布如圖10、11所示，其應(yīng)力分布規(guī)律與圖9所示的連續(xù)型襯砌管片應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，但應(yīng)力大小卻相差很大。計(jì)算得到3種型式襯砌管片施工階段的應(yīng)力分量最大值見(jiàn)表2。從圖11中可以看出，由于錯(cuò)縫拼裝襯砌管片體約束了相鄰襯砌環(huán)管片接縫處的變形，使得管片體的應(yīng)力比通縫拼裝襯砌大，混凝土管片的受力性能得到更大程度的發(fā)揮。5混凝土管片受力性能(1）由于施工階段襯砌管片受到的外荷載在隧道縱向的差異，導(dǎo)致襯砌管片應(yīng)力的變化，特別是襯砌橫斷面上的剪應(yīng)力變化較大，當(dāng)注漿壓力較大時(shí)應(yīng)引起重視。(2）錯(cuò)縫拼裝襯砌由于受到相鄰襯砌環(huán)的約束