双圆盾构隧道结构计算模型研究

双圆盾构隧道结构计算模型研究

0双圆盾构隧道在上海轨道交通的应用随着城市经济的发展，中国需要建设公共交通的城市越来越多。上海已将铁路发展作为解决城市交通问题的重要战略举措。但是，随着城市建设的高速发展，密集的城市人口、拥挤的交通和有限的地下空间资源的矛盾越来越突出，地下空间资源越来越紧张，地面建筑物及地下管线越来越密集，对城市地铁施工的场地限制越来越多，对盾构的选型及其隧道施工技术提出了更高的要求。由于双圆盾构隧道具有节省地下空间、减小环境影响，有利于城市的地面规划和建设以及降低地铁区间隧道和车站的建设投资等诸多优点。因此，上海轨道交通杨浦（M8）线首次采用了双圆盾构法施工，并取得了成功。本文结合上海轨道交通杨浦（M8）线工程，对双圆盾构隧道衬砌结构及其参数进行分析研究。1衬砌接头模型的选择隧道结构设计模型主要分为4种，即地层结构模型、荷载结构模型、经验类比模型和收敛约束模型，文献对不同模型进行了比较详细的对比评述。在隧道设计中，多采用荷载结构模型进行结构设计，而采用其它模型进行校核。近20年来，各国所用隧道设计模型变化不大，使用最多的仍是弹性地基圆环法和修正惯用法，国际隧协也推荐使用修正惯用法、弹性地基圆环法及有限元法。自由变形圆环法可以看作是日本修正惯用法的一个特例。1968年久保（Kubo）提出了模拟圆形装配式衬砌接头效应的梁-弹簧模型，随后经村上博智（Murakami）和小泉（Koizumi）等人的进一步发展，近年来梁-弹簧模型在日本得到了较为广泛的应用。衬砌结构力学模型包括衬砌本体模型和接头（接缝）模型。衬砌本体有的用壳表示，但使用最多的还是梁模型。对接头模型的研究比本体模型的研究更多，其共同特点是使用弹簧来模拟各种接头性能，目前的模型能同时模拟纵向接头、环向接头、双层衬砌层间接缝等的性能，这类模型代表当前装配式隧道衬砌模型的发展趋势。但存在的问题一是如何更合理地确定弹簧的刚度，二是如何简化计算，提高解题效率。圆形盾构隧道的各种计算模型也适用于双圆盾构隧道，其中修正惯用法是目前使用较多的模型，它将整个圆环视为弯曲刚度均匀的环，将接头部分弯曲刚度的降低评价为圆环整体弯曲刚度的降低，因此在计算时将衬砌的刚度适当折减。另一方面，由于衬砌接头存在一些铰的功能，可以认为弯矩并不是全部都经由衬砌接头传递，其中一部分通过环接头的剪切阻力传递给由错缝拼装连接的相邻衬砌环，故在计算出的截面内力中，对弯矩考虑一个增减ξ（ξ<1），衬砌主截面上设计弯矩为（1+ξ）M，接头的设计弯矩为（1-ξ）M。由此可见，该模型引入了两个经验系数，如果计算时两个系数均不考虑，就是惯用计算法。该模型虽然计算简单，但两个系数的选取依赖于经验，对上海软土隧道，由于多年来积累了丰富的设计经验，因此其计算结果是合理可行的。梁-弹簧模型由于考虑了各种接头的效应，将衬砌主截面简化为梁，将衬砌接头考虑为旋转弹簧，将衬砌环间接头考虑为剪切弹簧，该模型由于考虑了由接头引起的衬砌环的刚度降低和错缝拼装接头的拼装效应，理论上更具合理性，关键是各种弹簧刚度系数的确定，目前，弹簧刚度系数都是通过衬砌试验确定的，在没有试验结果的情况下，该模型的弹簧参数只能依赖于地区经验，从而影响了计算结果的精确性，而且，该模型计算相对复杂。以下通过上海M8线双圆盾构衬砌结构实例，对上述两种模型进行对比分析，计算模式如图1。对于上海浅埋软土地层，根据多年的设计经验和现场实测结果验证，暂不考虑侧向地层抗力，其计算结果是合理的，故图1中未表示侧向地层抗力。衬砌接头旋转弹簧常数和衬砌环接头剪切弹簧常数根据试验确定，分别采用修正惯用法和梁—弹簧模型进行计算，计算结果如表1和图2所示。对比以上结果不难发现，两种计算模型的关键在于计算参数选择的合理性和匹配性。只要参数选取合适，其计算结果相似，两种计算模型都能满足工程设计的要求。2设计参数对管片力学和变形的影响盾构隧道结构设计中，主要考虑结构内力、变形和防水问题，具体问题涉及配筋、管片厚度、宽度、接头形式、拼装方式等，本研究主要探讨拱背土压力、拼装方式、地层抗力等设计参数对管片内力和变形的影响。计算模型采用梁-弹簧模型，计算采用三环算法，中间环为整环，两侧为半环，地层抗力为全周弹簧模式。管片外径为6.3m，中心距4.6m，埋深12m,地下水位为-0.5m；管片设计厚度0.30m，环宽1.2m，左右对称，共11块管片组成，包括两个海鸥块（一大一小）、中间立柱和8个标准块。以下没有特别指明的均为中间环的结果。2.1抗压强度对内力结果的影响拱背土压力型式如图3所示。盾构隧道各种计算模型中，荷载形式基本相似，如图1，但大多没有考虑拱背土压力的影响，少数模型中考虑了拱背土压力，也将其作了简化处理。在双圆盾构管片设计中，拱背土压力对内力的影响是不容忽略的。以上海M8线双圆盾构衬砌结构计算为例，有无拱背土压力时内力结果对比如表2所示。计算结果表明，有拱背土压力时，最大位移、最大弯矩、最大轴力以及纵向螺栓最大剪力增加，当隧道埋深为12m时，位移增加了40%，弯矩增加了17%，纵向螺栓最大剪力增加了24%。相反，最大剪力减小了34%。可见，对于浅埋隧道，拱背土压力对弯矩的影响较大，在结构计算中不能忽略，否则计算结果将偏不安全。拱背土压力在垂直地层压力中所占比例随着埋深增大而减小，随隧道直径的增大而增大，在浅埋隧道或大直径隧道中，拱背土压力将占较大的荷载比例，因此，拱背土压力对计算结果有较大的影响。2.2回果表1错缝采用A—B—A型方式，即上下海鸥块转180°进行错缝拼装，计算结果如表3。错缝相对通缝，位移减少，弯矩、剪力增加，纵向弹簧明显发挥作用，正是由于环间纵向弹簧的抗剪作用使得错缝拼装的整体刚度增加，从而使得位移减少、弯矩、剪力增加，也使得环缝张开量减少，对隧道的防水比较有利。2.3螺栓的转动刚度分别采用不同的纵向和环向螺栓刚度以分析螺栓刚度在错缝拼装下对结构内力的影响。在改变纵向螺栓刚度时，环向螺栓刚度不变，纵向螺栓刚度为100000kN/m，设为基准刚度，刚度与基准刚度的比值为刚度比。结果如图4所示。从图4可知，随纵向螺栓刚度的增加，最大位移减小，最大弯矩、最大剪力逐渐增大，但都趋于某一极限值，纵向弹簧的最大剪力逐渐增大，也就是说，随纵向弹簧刚度的增加，错缝效果越明显，整体刚度的提高越明显，但是，并不是随纵向弹簧刚度的增加而无限提高，而是趋于极限值；随纵向弹簧刚度的减小，最大位移、最大弯矩、最大剪力以及最大轴力会趋向于通缝拼装的计算结果，纵向螺栓的最大剪力也会趋向于0，错缝拼装的效果也越差。最大轴力变化不大，变化幅度在1%以内。当环向螺栓正转动刚度为150000kN/rad，负转动刚度为56000kN/rad时，设为基准刚度值，刚度与其的比值为刚度比，分析环向螺栓时，纵向螺栓刚度保持不变，改变刚度比以分析环向螺栓刚度对错缝效果的影响，结果如图5所示。环向螺栓的转动刚度对结构内力以及纵向弹簧的剪力都有很大影响，主要表现在：随环向螺栓刚度的增加，最大位移、最大弯矩、最大剪力以及纵向螺栓的最大剪力都逐渐减小，并趋于最小值，错缝效果逐渐减弱，反之，错缝效果增强；但是，最大轴力逐渐增大，也逐渐趋向最大值。2.4纵向螺栓错缝效果地层抗力对结构内力有重要影响，如图6所示，地层抗力的增加，使得最大位移、最大弯矩、最大轴力以及纵向螺栓的最大剪力逐渐减小，也使得错缝效果减弱，但最大剪力逐渐增加；而且影响很明显，因此，盾构隧道修在合适的地层对结构的受力也会有利。抗剪强度足够的情况，抗力较大的硬土层对管片受力有利。3结构模型分析的结论意义上海轨道交通杨浦（M8）线首次采用双圆盾构法施工获得了成功，填补了国内多圆盾构隧道的技术空白，大大促进我国盾构隧道的设计与施工技术水平，对我国的地铁建设及地下工程将具有重大的示范意义。目前，上海已有多条地铁隧道采用双圆盾构法施工。隧道设计是一门基于经验的艺术，即使用了严密的计算理论，也必须根据经验类比对计算结果加以判断和调整。隧道结构设计中，荷载结构模型是目前使用最多的模型，各种计算模型都有其适用条件和优缺点，在设计中应避免过分依赖某一种计算模型。经过上述分析研究，得出以下主要结论：(1)计算模型的精确并不一定表明结果也更精确，目前常用的几种计算模型（修正惯用法、梁-弹簧模型等）都能满足工程设计的具体要求，关键在于计算参数选择的合理性和匹配性。(2)双圆盾构隧道中，拱背土压力的影响不可忽略，否则计算结果将偏不安全。(3)相对于通缝，错缝拼装使得管片整体刚度增加，位移减小，但弯矩、剪力增加，纵向螺栓剪力明显增加，