淺談管片設(shè)計的優(yōu)化

淺談管片設(shè)計的優(yōu)化

1盾構(gòu)管片設(shè)計優(yōu)化管道是結(jié)構(gòu)法隧道的永久襯砌結(jié)構(gòu)。管道的成功直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)隧道的質(zhì)量和長度。同時，管道的設(shè)計應(yīng)在保證安全的前提下盡可能考慮其經(jīng)濟(jì)。因此，研究管道設(shè)計優(yōu)化問題具有現(xiàn)實意義。管片的設(shè)計定型是盾構(gòu)法隧道設(shè)計的第一個重要環(huán)節(jié),管片的形式、尺寸等有關(guān)參數(shù)的確定,對盾構(gòu)機(jī)的外徑、總長、裝備能力、機(jī)型選擇、推進(jìn)方式直至工期等的確定都有直接影響。盾構(gòu)隧道的斷面形狀一般多為圓形,且其襯砌目前使用最多的,是單層鋼筋混凝土管片,因此本文只針對此類管片進(jìn)行研究。2隧道結(jié)構(gòu)使用功能經(jīng)過長期的積累,普遍認(rèn)為影響管片設(shè)計的條件主要包括:隧道的使用功能,如作為公路隧道、排水管、地鐵隧道等;結(jié)構(gòu)運營壽命;運營空間要求,如凈空、線路、施工精度等;預(yù)埋件結(jié)構(gòu),如起吊件、連接預(yù)埋件等;防水要求;規(guī)范規(guī)定的其它要求等。2.1管的形狀(1)管環(huán)的外徑管片環(huán)的外徑尺寸,取決于隧道凈空和管片厚度。(2)管的厚度管片的厚度主要取決于荷載條件,但有時隧道的使用目的和管片施工條件也起支配作用,如為了防腐而加大管片厚度。(3)管片寬度管片的寬度從便于搬運、組裝以及在隧道曲線段上的施工,考慮盾尾長度等條件,管片寬度小一些為好。但是,從降低隧道總長的管片制造成本,減少易出現(xiàn)漏水等缺陷的接頭部數(shù)量、提高施工速度等方面考慮,則此寬度大一些好。所以,應(yīng)根據(jù)隧道斷面,結(jié)合實際施工經(jīng)驗,選擇在經(jīng)濟(jì)性、施工性方面較合理的尺寸。(4)管片和k型管片相結(jié)合的管片段管片環(huán)一般由數(shù)塊A型管片、兩塊B型管片和一塊可在最后封閉成環(huán)的K型管片組成。管片的分塊直接影響到螺栓的個數(shù),所以應(yīng)同時考慮,以方便施工。2.2計算方法和管架的負(fù)荷(1)襯砌結(jié)構(gòu)的特性根據(jù)管片的種類、接頭的形式、接頭的位置組合所產(chǎn)生的接頭效應(yīng)、襯砌結(jié)構(gòu)與地層之間的作用、襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型等,對襯砌的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行確切的評價是非常重要的。在計算管片環(huán)的斷面應(yīng)力時,常用的有三種方法:①把管片環(huán)作為具有均質(zhì)剛度的環(huán)來考慮的方法,②作為多鉸環(huán)來考慮的方法,③作為具有回轉(zhuǎn)彈簧和剪切彈簧的環(huán)來考慮的方法。(2)隧道荷載的三大影響計算管片結(jié)構(gòu)時的荷載一般包括垂直和水平土壓力、水壓力、自重、上覆荷載的影響、地基抗力、內(nèi)部荷載、施工荷載、地震的影響、平行配置隧道的影響、近接施工的影響、地基沉降的影響及其它。2.3管道設(shè)計細(xì)節(jié)管片設(shè)計的細(xì)節(jié)包括管片環(huán)的楔形量、接頭結(jié)構(gòu)型式、螺栓配置數(shù)量、結(jié)構(gòu)防水設(shè)計、注漿孔、起吊環(huán)、管片配筋、防腐蝕等。3基于項目背景和優(yōu)化設(shè)計理念的概念3.1計算參數(shù)選取為使管片研究更接近工程實際,我們結(jié)合國內(nèi)南京地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道工程進(jìn)行管片設(shè)計的優(yōu)化和分析研究。該工程原管片設(shè)計參數(shù)為:外半徑3.1m,內(nèi)半徑2.75m,中心半徑2.925m,寬度1.0m,厚度350mm,分塊數(shù)目為6塊且最大的底塊為84°,拼裝方式為通縫拼裝。選擇盾構(gòu)直接穿越三類有代表性的土體作為計算對象,即淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂。計算所需參數(shù)根據(jù)地質(zhì)情況綜合取定。計算中,首先分別對三種有代表性的土質(zhì)進(jìn)行對比計算,經(jīng)比選后取最不利的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土作為最終的計算對象,計算參數(shù)見表1。3.2管片襯砌結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案影響管片設(shè)計的因素很多,并且這些因素大部分都是客觀存在的,很難或不可能改變,如隧道直徑、地應(yīng)力大小和方向、圍巖的結(jié)構(gòu)和巖性等?？梢酝ㄟ^人為改變的因素只有管片的設(shè)計厚度與寬度、管片的分塊、拼裝方式等,所以本文主要從這個角度來研究管片設(shè)計的優(yōu)化。進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)的具體思路為:(1)在管片襯砌結(jié)構(gòu)施工期間的安全性和使用階段的安全儲備不低于原設(shè)計的前提下,通過采用更加合理的分塊、整體偏轉(zhuǎn)等手段,保持配筋總量不變,但將原來設(shè)計的管片厚度由350mm降低為300mm,可以節(jié)約材料、減少開挖量,并減小盾構(gòu)機(jī)外徑與裝備能力,從而降低工程造價;(2)將原設(shè)計管片的寬度由1.0m擴(kuò)幅到1.2m,使同等里程內(nèi)的隧道環(huán)向接縫數(shù)減少,漏水概率變小,防滲效果就會比原來好,這樣又可使縱向接頭數(shù)減少約20%左右,可減少管片制作費用和安裝費用,并可提高功效,加快施工進(jìn)度;(3)通過調(diào)整管片襯砌圓環(huán)分塊及環(huán)向、縱向接頭位置,將原設(shè)計管片的全區(qū)間通縫拼裝方式,根據(jù)所在區(qū)間具體位置,改變?yōu)橥p拼裝與錯縫拼裝兼用的方法,以改善襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀況和抗變形的能力,發(fā)揮各拼裝方式的優(yōu)勢。4對管結(jié)構(gòu)值的模擬分析4.1管片結(jié)構(gòu)的總體計算方法對盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)截面內(nèi)力及變形方面的計算,目前國內(nèi)外尚無完全成熟的、公認(rèn)的計算方法,多以經(jīng)驗性的簡化計算為主。本次計算中,首先將較精確的計算法(考慮接頭位置與剛度,及通縫與錯縫的實際差異,并考慮隧道與周圍土體的實際相互作用關(guān)系)與簡化的計算法(勻質(zhì)圓環(huán))進(jìn)行比較,見圖1。結(jié)果表明,簡化計算法因不能明示接頭位置,較難反映實際的受力狀況(如勻質(zhì)圓環(huán)隧道整體偏轉(zhuǎn)某一角度后截面內(nèi)力及變形的結(jié)果不變、不能反映縱向及環(huán)向接頭的受力情況等),且計算結(jié)果偏于不安全的方向,故統(tǒng)一采用能考慮接頭位置與剛度的計算法。管片結(jié)構(gòu)的總體計算力學(xué)模式采用荷載-結(jié)構(gòu)模式,見圖2。計算荷載按水土壓不分離作用方式考慮。其中,豎向荷載W1為隧道上方土體的自重γH(用濕容重γ)和地面超載P0之和,側(cè)向荷載q1和q2為相應(yīng)處豎向荷載乘以水平土體靜止側(cè)向壓力系數(shù)λ,隧道底部的豎向反力W2為豎向荷載W1與隧道自重Wg之和。襯砌圓環(huán)與周圍土體的相互作用通過設(shè)置在襯砌圓環(huán)只能受壓的徑向彈簧單元和切向彈簧單元來體現(xiàn),這些單元受拉時將自動脫離,計算中用反復(fù)迭代的計算方法來實現(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)(其值按表1取定)決定。襯砌圓環(huán)的結(jié)構(gòu)按以下兩種力學(xué)模式進(jìn)行模擬:襯砌國際圓的剛度將襯砌圓環(huán)考慮為彈性勻質(zhì)圓環(huán),用小于1的剛度折減系數(shù)η來體現(xiàn)環(huán)向接頭的影響,不具體考慮接頭的位置,即僅降低襯砌圓環(huán)的整體抗彎剛度。用曲梁單元模擬剛度折減后的襯砌圓環(huán)。在本計算中,此種模式僅用于通縫式接頭的計算,并根據(jù)經(jīng)驗將η取0.55,0.65,0.75三種參數(shù)作對比計算分析。環(huán)間傳力接觸參數(shù)的確定在一襯砌圓環(huán)內(nèi),具體考慮環(huán)向接頭的位置和接頭的剛度,用曲梁單元模擬管片的實際狀況,用接頭抗彎剛度Kθ來體現(xiàn)環(huán)向接頭的實際抗彎剛度。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)也作為對象,采用空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算,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。在本計算中,根據(jù)計算管片接頭的情況,參照國內(nèi)外有關(guān)試驗研究結(jié)果,全部環(huán)向接頭的抗彎剛度Kθ在隧道內(nèi)側(cè)受拉時取定為5×104kN·m·rad-1,隧道外側(cè)受拉時取定為3×104kN·m·rad-1。另外,在本計算中,當(dāng)為錯縫拼裝時,出于偏于安全地考慮,縱向接頭的徑向抗剪剛度Kr和切向抗剪剛度Kt均取為無窮大,即認(rèn)為各環(huán)管片在縱向接頭處不產(chǎn)生錯動。4.2最小土壓力作用荷載方面,國內(nèi)外主要采用太沙基公式或其修正式為主體進(jìn)行土壓力計算,并有將土壓與水壓作分離或聯(lián)合的多種方法,但均帶有較大主觀性和近似性。故從安全方面考慮國外也有取最小土壓力不能小于2D或1.5D(當(dāng)計算土壓力小于此值時)的經(jīng)驗法。考慮到本次計算的最小、最大埋深分別為11m和15.17m,故偏于安全地將上覆土體自重(多層平均后之近似值)完全作用在隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析。4.3計算方案和結(jié)果4.3.1計算管道類型(1)計算方案與原設(shè)計的對比,可將原設(shè)計作為參照對原設(shè)計盾構(gòu)隧道管片進(jìn)行計算的目的,一是為了使我們明白原設(shè)計其各項指標(biāo)的大小,二是將原設(shè)計作為參照,以后的計算方案可與原設(shè)計進(jìn)行對比。原設(shè)計計算管片在縱向為通縫式拼裝,管片的分割角度、管片的尺寸、材料、接頭、配筋及其它各部分均完全按設(shè)計圖(選擇對直線部位的襯砌圓環(huán)進(jìn)行計算)。(2)管片的tp合成隧道內(nèi)徑不變,但將“原設(shè)計”管片的厚度由350mm減薄為300mm。同時,管片的分割角度、管片的材料、接頭、配筋總量及其它部分均與“原設(shè)計”一致,可理解為從原管片中心部位處抽出了50mm厚的混凝土。不調(diào)整縱向接頭位置,管片在縱向仍為通縫式拼裝,主要尺寸為:外半徑3.05m;內(nèi)半徑2.75m;中心半徑2.9m;寬度1.0m;厚度300mm。(3)縱向接口系統(tǒng)管片的布置除管片的分割角度外,與“減薄型”一致?！皽p薄調(diào)整型”的管片分塊仍為6塊,封頂塊22.5°,其余5塊均為67.5°,縱向接頭為16處,按22.5°等角度布置。管片的布置詳見圖3,管片在縱向可實現(xiàn)通縫式和錯縫式兩種方式拼裝,主要尺寸為:外半徑3.05m;內(nèi)半徑2.75m;中心半徑2.9m;寬度1.0m;厚度300mm;分塊數(shù)目為6塊。4.3.2荷載管片結(jié)構(gòu)方案通過對荷載類別管片類型、土體性質(zhì)、埋深、拼裝方式、襯砌圓環(huán)計算的力學(xué)模式等進(jìn)行組合,共對有代表性的21組荷載管片結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了計算。5結(jié)論分析5.1超荷載作用下的計算“原設(shè)計”在11m埋深條件下,拱頂變形4.35mm,具有較大安全儲備;但當(dāng)埋深為15.17m時,拱頂變形達(dá)5.91mm,接近0.1D的允許變形量(本次計算中的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn))。同時因拱底塊出現(xiàn)的彎矩過大,而導(dǎo)致內(nèi)側(cè)混凝土受拉裂縫達(dá)0.264mm,超過了0.2mm設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。但這是在15.17m土柱重量這一超荷載作用下的結(jié)果,不能輕言原設(shè)計不能成立,本次計算僅將其作為參照進(jìn)行對比。在與“原設(shè)計”的各種條件完全相同,僅將原設(shè)計管片厚度減薄為300mm的“減薄型”的計算結(jié)果為:在11m埋深下能滿足設(shè)計要求,在15.17m時拱底塊內(nèi)側(cè)混凝土裂縫為0.224mm,超過了0.2mm的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn),而小于“原設(shè)計”的0.264mm,但拱頂最大變形達(dá)6.117mm,稍微超過了0.1D(此時D=6.1m)的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。對“原設(shè)計”作簡單減薄后的“減薄型”管片結(jié)構(gòu)在安全性上與“原設(shè)計”較為接近并各有長短,如作為設(shè)計還尚缺乏充分的理由。但計算結(jié)果表明,在某一土壓力范圍及一定的管片分塊情況下,簡單地加大管片厚度,會導(dǎo)致彎矩增大,同時引起混凝土的裂縫增大。這一現(xiàn)象從側(cè)面為我們提供了一個有力的佐證,即:當(dāng)管片直徑為6m左右時,應(yīng)采用300mm厚的管片。目前,廣州、深圳地鐵全部采用的管片厚度為300mm,但如果有其他考慮(如防腐要求),可以適當(dāng)加厚,單從結(jié)構(gòu)受力來說,管片厚度為300mm足以滿足各個階段的各種荷載。5.2“計”拱頂變形情況在其它條件不變的情況下,將“原設(shè)計”和“減薄型”隧道圓環(huán)結(jié)構(gòu)整體向左或向右偏轉(zhuǎn)15°(非錯縫拼裝),如圖4所示,再進(jìn)行計算,結(jié)果為:“原設(shè)計”拱頂變形由5.91mm減為5.18mm;混凝土最大裂縫寬度由0.264mm減為0.234mm,仍大于0.2mm標(biāo)準(zhǔn)值,但整體受力情況有改善。而“減薄型”的拱頂變形由6.117mm減為5.774mm,最大裂縫寬度由0.224mm減為0.170mm,滿足設(shè)定的各項設(shè)計要求,以上結(jié)果表明,將管片由350mm減薄至300mm后,只要合理地布置接頭位置,減薄后的隧道結(jié)構(gòu)能完全滿足各種設(shè)計要求,并優(yōu)于原設(shè)計的各項標(biāo)準(zhǔn)。5.3減薄調(diào)整型管片設(shè)計方案的改進(jìn)從多種方案的計算看出,“原設(shè)計”及“減薄型”的最大彎矩均在拱底出現(xiàn),且量值極大,主要原因系拱底塊過長所致,“原設(shè)計”分塊角度達(dá)84°,不盡合理?！皽p薄調(diào)整型”則重新調(diào)整管片的分塊,最大夾角為67.5°,此結(jié)構(gòu)在15.17m埋深下,最大彎矩值大幅下降,最大拱頂變形值并無太大變化,說明“減薄調(diào)整型”較為合理地利用了接頭,能防止彎矩的過大產(chǎn)生,并能將最大變形控制在許可范圍。由此可知,類似于“減薄調(diào)整型”的管片結(jié)構(gòu)盡管其厚度被減至300mm,要明顯優(yōu)于“原設(shè)計”及“減薄型”的管片。因而說明,可以通過減小拱底塊、改動接頭位置,以獲得更加合理的內(nèi)力分布,使襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計更加經(jīng)濟(jì)合理。5.4錯縫及通縫拼裝通縫與錯縫的差異主要是由管片間接頭螺栓剛度和地層軟硬決定的。但螺栓剛度很大,地層較為堅硬時,兩種接頭形式的區(qū)別很小。當(dāng)?shù)貙榆浫醵夜芷g接頭螺栓的剛度較小時,通縫和錯縫的差異較大。在能提供一定抗力的土體中,特別是在密實度較高的土體中,采用通縫式拼裝時如隧道最大變形能滿足允許值,管片結(jié)構(gòu)體的截面內(nèi)力(主要是彎矩)會得到有效控制,可充分地發(fā)揮管片結(jié)構(gòu)的能力。但在變形量大的軟弱土體中,尤其是在特淺埋、近地施工等特殊場合,盡管管片結(jié)構(gòu)體抗彎矩的能力有很大富余,但有可能產(chǎn)生較大變形而喪失利用功能,此時宜采用錯縫式拼裝。錯縫式拼裝時,雖然要產(chǎn)生較通縫式拼裝大的彎矩,但能有效地減少結(jié)構(gòu)的變形。通縫和錯縫之間的區(qū)別從本質(zhì)上講是一個管片環(huán)整體剛度上的差異。錯縫的存在,使得管片環(huán)之間的螺栓可以發(fā)揮縱向加強(qiáng)作用,使得管片間接頭處的薄弱部位得到加強(qiáng)從而增加了管片環(huán)整體的剛度。本次計算,通過對“減薄調(diào)整型”管片的試算,用22.5°,45°,33.75°等多種偏轉(zhuǎn)角,用二環(huán)一組及三環(huán)一組進(jìn)行拼裝組合,盡管“減薄調(diào)整型”以通縫方式拼裝時,在15.17m埋深下承載能力有較大富余。但以各種錯縫式拼裝時均因產(chǎn)生過大的彎矩而導(dǎo)致混凝土裂縫寬度過大而達(dá)不到設(shè)計要求。另一方面,在11m埋深時,“減薄