bm输水隧洞衬砌管片管片结构受力分析

bm输水隧洞衬砌管片管片结构受力分析

隧道充水口在我国水利工程中的应用越来越广泛。由于错缝拼装方式对于管片制作工艺及拼装工艺要求较高对于错缝拼装而言，管片环间存在的摩擦、剪切作用和管片环的空间效应是不容忽视的1接触模型的建立接触问题是典型的非线性问题之一，在管片环段间接头、管片间接缝位置、管片与豆砾石间均存在典型的接触摩擦问题。接触问题一般可以分为3类：点-点接触、点-面接触和面-面接触。当豆砾石层假定回填密实度和灌浆充分时，以上3种接触均为面-面接触问题。对于面-面接触，本文采用库伦摩擦模型，此模型可以作为判断发生接触的2个面间发生相对滑动的依据，也用于计算相对滑动对管片衬砌应力场分布的影响。发生滑移的依据为其中：式中：τ2计算值的示例2.1管片衬砌结构本文基于某市供水工程输水隧洞建立了三维数值计算模型。该工程输水隧洞主洞全长31.46km，采用TBM施工，围岩类别为Ⅲ类花岗岩。取标准洞段的某一段建立模型，其铅垂向埋深696.6m，侧压力系数为0.9。隧洞开挖完成后，回填豆砾石并安装衬砌，预制混凝土管片衬砌强度等级为C50，螺栓采用10.9级M24，相关材料参数见表1、2。衬砌和豆砾石均为线弹性材料，采用八节点等参单元模拟；螺栓为理想弹塑性材料，采用杆单元模拟；围岩取为弹塑性材料，屈服准则为摩尔库伦准则根据相关参数建立数值计算模型，如图2所示。开挖洞径5.49m，衬砌内径4.6m，外径5.2m，隧洞四周围岩范围约为5倍洞径。模型顶部为自由边界，承受上覆岩体压力，其他边界施加法向位移约束。模型沿洞轴线方向4.5m，为三环管片长度，管片衬砌结构详见图3，沿Y轴正向将三环管片依次编号为CQ-1、CQ-2和CQ-3。每环衬砌由6片平行四边形管片拼装而成，管片之间用环向螺栓进行连接；衬砌环间采用纵向螺栓进行定位。衬砌平面展开图见图4，每环管片编号为A、B、C、D、E和F，管片之间接缝编号依次为J2.2千斤顶荷载施加方案施工期荷载具有不确定性和三维特性根据工程实际资料，在单护盾脱困模式下，千斤顶总推力为29.76MN，油缸布置见图5，共计30个，正向推进时总推力均匀作用在每根油缸上，每根油缸上力约为0.99MN，荷载施加方式称为方案1。当隧洞需要转向或上扬/下行时，千斤顶需要施加偏心推力，本文选取左转弯（施加右偏心力）和上扬（施加下偏心力）两种方案进行分析，分别称为方案2和3。方案2中，衬砌左端管片B和C上推力为0，底部和顶部管片上分别施加4.96MN的力，右端管片E和F上分别施加9.92MN的力，各管片上假定推力为均匀施加；方案3中，衬砌顶部管片D上推力为0，两侧腰部管片C和E上推力为3.5MN，管片B和F上推力为6.5MN，底部管片A上推力为9.76MN，各管片上推力假定为均匀施加。所有方案均保证衬砌管片的千斤顶推力合力为29.76MN，相关信息见表3。2.3分析模型结果分析当同样的力作用在不同管片上时，由于每个管片的形状和所处位置不同，每个管片的受力与变形应有一定差别。如图6所示，当每个管片均承受千斤顶推力时，不考虑管片与豆砾石的接触，将每个管片上的面假定为4类：千斤顶推力直接作用的面为T面；与T面相对的面为N面；同一环中管片间的接缝面分为2种，与T面夹角为锐角的面为P面，与T面夹角为钝角的面为A面。对于同一接缝，连接2个管片，若一侧管片上的接缝面为A面，则另一侧管片上的接缝面为P面。T面直接承受千斤顶的推力F，会挤压后方衬砌，引起后方衬砌产生反力，即N面上的压力F根据数值结果，方案1中CQ-3环上每个管片均有千斤顶推力作用在上面，因此，将以上分析结果与方案1的数值结果进行对比，以判断对接缝受力情况的分析是否正确。图7为数值结果中CQ-3环上每个管片所承受的摩擦力及方向，对比两者，发现接缝面上的摩擦力与假设的摩擦力方向一致。2.4管片受力分析以衬砌中心为原点，建立局部柱坐标系，分析衬砌的应力位移。根据图8可知，衬砌环向应力中拉压应力均存在，方案1中压应力较大区域出现在B、F管片的T面附近，其压应力最大值为3.98MPa，方案2中压应力较大区域集中在E、F管片的T面附近，压应力最大值为6.04MPa；方案3中压应力较大区域出现在A管片T面附近，最大值约为5.85MPa。由此可知，环向压应力较大区域均出现在承受较大千斤顶推力管片的T面上。拉应力较大区域集中在管片接缝附近以及CQ-3环的顶部管片上，且方案2和3中拉应力最大值均超过了混凝土的设计强度，接缝附近可能发生开裂。根据图9可知，除没有承受千斤顶推力的方案2左侧管片B、C和方案3顶部管片D外，衬砌管片主要为压应力，压应力较大区域均集中在管片的接缝附近，且接缝越靠近千斤顶推力大的一侧，其压应力越大，方案1中最大值为11.7MPa，方案2中为21.6MPa，方案3中为17.9MPa。根据图10可知，3个方案中衬砌沿隧洞轴线的位移呈逐渐增大趋势，靠近千斤顶一端的CQ-3环位移值最大。方案1中最大值约为1.0mm，出现在衬砌顶部管片上，底部管片位移相对较小；方案2中位移最大值为1.94mm，出现在衬砌右侧管片处，衬砌左侧管片位移相对较小；方案3中最大位移约为1.36mm，出现在底部管片处。3个方案中，同一管片上压力相同时，A面附近的位移整体小于P面附近区域。由此可知，位移大小与千斤顶推力大小和管片形状均有关。2.5cq-3环的接头特征对于管片接缝，其受力特征一般采用接缝开度和接触面压力共同分析。从管片的位移与应力可以看出，管片间应力与位移不连续，且不连续状况有所差别，因此在单护盾推进模式时，不同位置的接缝特征是不同的，应区别对待每个接缝。由图11可知，对于不承受千斤顶推力的管片而言，若其邻接管片均承受千斤顶推力，由于左邻接管片的推力，A面近T段承受压力较大，接缝不会张开，近N端可能会张开；P面近T端由于右邻接管片的推力，可能会张开，近N端会被挤压。对于承受千斤顶推力的管片而言，接缝的张开形态与其本身和邻接管片的推力相对大小有关，在同样压力下，A面近T端和P面近T端的位移不一样，较难判断接缝特征，初步分析同一接缝两侧的管片，当两管片压力相差不大时，接缝面为P面的管片近T端变形较大，接缝面为A面的管片近T端变形较小，所以接缝近T端可能会张开，而近N端可能会受压。根据以上分析，取千斤顶直接作用的CQ-3环衬砌接缝进行详细分析，由于千斤顶推力传递到CQ-2和CQ-1环后分布更为复杂，影响因素较CQ-3环多，因此此节不对两环的接缝特征具体分析。由图12可知，整体而言，各接缝靠近千斤顶一端没有张开，远离千斤顶一端张开，且接缝1和6开度大于接缝2和5，即底部管片A两侧接缝开度较大，腰部管片接缝开度较小，顶部管片D两侧接缝开度最小。由图13可知，整体而言，接缝1和6的压力最大，接缝3和4次之，接缝2和5最小，即管片A两侧接缝压力最大，两侧腰部接缝压力最小，且受压区域主要集中在靠近千斤顶一端。方案1中各管片均承受推力，压力从大到小依次是：管片B和F、管片A、管片D、管片C和E。管片B和F的压力大于管片A，管片A的接缝1和6均为A面，其近T端受压，近N端张开；管片D的压力大于管片C和E，管片D的接缝3和4均为P面，其近T端受压，近N端张开；管片B和F压力大于管片C和E，管片C的接缝2和管片E的接缝5均为P面，其近T端受压，近N端张开。由图14可知，接缝4没有张开，接缝1和2靠近千斤顶一端张开，接缝3、5和6远离千斤顶一端张开，且接缝6的开度最大，接缝1和5次之。由图15可知，方案2中接缝5和6的压力较大，且集中在靠近千斤顶一端；其他接缝压力较小，且除接缝3外，基本集中在远离千斤顶一端；即管片F两侧接缝压力最大。方案2中，管片B和C上压力为0，管片A和D压力较小，管片E和F压力较大。管片B上与管片A邻接的接缝1为P面，其近T端张开，近N端受压，管片C上与管片D邻接的接缝3为A面，其近T端受压，近N端张开；管片A上与管片F邻接的接缝6为A面，其近T端受压，近N端张开；管片D上与管片E邻接的接缝4为P面，其近T端与近N端均受压；管片C上与管片B邻接的接缝2近T端张开，近N端受压，管片E上与F邻接的接缝5近T端受压，近N端张开。由图16可知，所有接缝均存在张开区域，接缝3和4开度最大，集中在靠近千斤顶一端；接缝2和5次之，集中在远离千斤顶一端；接缝1和6开度最小，集中在靠近千斤顶一端，即顶部管片D两侧接缝开度最大，底部管片A两侧开度最小。由图17可知，接缝1和6压力最大，主要集中在靠近千斤顶一端；其他接缝压力较小，接缝2和5受压区域主要集中在靠近千斤顶一端，接缝3和4受压区域主要集中在远离千斤顶一侧。方案3中，管片D上没有压力，管片C和E上压力较小，管片B和F上压力较大，管片A上压力最大。管片D两侧接缝3和4均为P面，近T端张开，近N端受压；管片C上与管片B邻接的接缝2、管片E上与管片F邻接的接缝5均为P面，近T端受压，近N端张开；管片B上与管片A邻接的接缝1、管片F上与管片A邻接的接缝6均为P面，近T端受压，近N端张开。统计3个方案中CQ-3环接缝情况，见图18对于同一接缝而言，当接缝面为A面的管片千斤顶压力与另一侧接缝面为P面的管片千斤顶压力之比不大时（P面管片承受千斤顶推力，不考虑P面管片推力为0的情况），接缝近T端基本为闭合状态，近N端主要为张开状态。若接缝面为P面的管片没有承受千斤顶推力，另一侧A面所在管片承受千斤顶推力，则接缝近T端张开，近N端受压。3管片约束拉应力1）当千斤顶推力均匀施加在衬砌上时，衬砌受力与变形均较小，应力集中主要发生在接缝附近，且应力值较大，但整体上衬砌处于安全状态。当千斤顶推力为偏心力时，管片