盾构隧道通用装配式管片衬砌设计研究

盾构隧道通用装配式管片衬砌设计研究

0总结1.1环向接头刚度计算梁-非线性弹簧模型是根据结构隧道的设计特点设计的。在衬砌环形中，具体考虑环的连接位置和连接弹簧，用曲线单元模拟管的实际情况，用k连接的抗弯刚性来反映环的实际抗弯性。除了考虑环计算对象的环外，还考虑了影响前后鼓环的环，并用空间结构进行计算。环形抗弯环比kr和交叉抗弯圆弧t用于反映纵向连接的环向传力效应。梁-弹簧模型如图1所示。在本计算中,根据采用的弯螺栓接头的受力情况,参照国内外有关试验研究结果,全部环向接头的抗弯刚度Kθ,在隧道内侧受拉时取为5×104(kN·m/rad),隧道外侧受拉时取为3×104(kN·m/rad)。另外,在本计算中,纵向接头的径向抗剪刚度Kr和切向抗剪刚度Kt均取为无穷大,即认为各环管片在纵向接头处不产生错动。1.2工区内地层抗力在确定作用在隧道上方的土层压力方面,国内外视地层情况,主要采用松动土压力理论(太沙基公式为主体)和按全部地层压力计算土层压力的方法,但均带有较大近似性。国外也有取最小土压力不小于2D(当计算土压力小于此值时)的经验法。考虑到本工程的最大和最小埋深分别在14m和9m,地层以黏性土层为主体,无单独从隧道底部贯通至地表的砂性土地层,故偏于安全将上覆土体自重完全作用在隧道上进行计算分析:即计算中竖向地层压力按全部地层压力计算;而侧压力当隧道处于黏性土中时按水土合算考虑,在砂性土地层时按水土分算考虑,水土分算考虑时,水压按静水压力考虑;地层抗力通过设置在衬砌全环只能受压的径向弹簧单元和切向弹簧单元来体现,这些单元受拉时将自动脱离,弹簧单元的刚度由衬砌周围土体的地基抗力系数决定,同时,偏于安全考虑,未计管片周围注浆引起的抗力增加效果。钢筋混凝土管片重度取25kN/m3。根据规范地铁隧道内的车辆荷载及冲击力对隧道结构影响较小,可略去不计。地面超载取20kN/m2。如图2所示。2计算设计条件2.1管片衬砌环布置隧道外半径R1=3.00m,隧道内半径R2=2.70m,管片宽度B=1.2m,管片厚度H=0.3m,分块数目N=6块。封顶块管片(F)圆心角为15°,标准块管片3块(分别为B1、B2、B3)圆心角均为72°。邻接块管片左右各1块(分别为L1、L2)圆心角均为64.5°。管片衬砌环在纵向按错缝式拼装,纵向接头10处,按36°等角度布置。管片衬砌环布置如图3所示。设计按通用式管片衬砌环布置时,基本拼装方案为错缝拼装,可以出现通缝,但不允许超过两环。计算按照通用式管片衬砌环布置时,实际可能出现的通缝及错缝拼装进行多种方案组合计算,具体的计算过程中,均取出三环管片进行空间计算。2.2管片衬砌环立地土体的流变学模型根据本工程的埋深条件、地层的土质、地下水及管片衬砌环的特征等条件,参照地质报告,选取可能出现最不利受力情况的4个典型断面进行计算,4个计算点位置及主要土质特征条件汇总于表1。3管片衬砌环设计隧道管片衬砌环按基本拼装方案拼装时,在各典型计算点位置的隧道管片衬砌环的最大截面内力及变形计算结果汇总于表2。从表中可知,①隧道管片衬砌环的最大截面内力在计算点1出现,为设计控制点;②在计算点2～4,隧道管片衬砌环的最大截面内力较在计算点1时的值并无显著减小(指弯矩与轴力的组合性);③各计算点的隧道管片衬砌环单点最大变形量有较大差异,但各处均小于0.1%的隧道外径(全截面内小于0.2%D)。综合以上结构的截面内力及变形特点,隧道全部区间的隧道管片衬砌环均按计算点一的荷载进行设计。图4为计算点1计算结果图。考虑本次按通用管片进行设计,在实际施工中,为进行蛇形修正,在基本拼装的基础上会出现多种拼装组合,故以计算点1的荷载对典型代表性的拼装组合及可能出现最大内力的拼装组合进行了进一步的计算,计算了通缝、两环一组错缝、三环一组错缝3种拼装条件下共22种拼装组合,并获得各种拼装组合的计算结果。限于篇幅,表3只给出了通缝、两环一组错缝、三环一组错缝三种拼装条件下具有最大内力的拼装组合的计算结果。从通缝、两环一组错缝、三环一组错缝条件下共22种拼装组合的计算结果可以看出:①拼装组合6及拼装组合10分别具有最大正弯矩和最大负弯矩,为管片设计控制组合,图4(b)、图5为两点的计算结果图;②通缝拼装时,F块的位置对管片截面内力及变形结果影响不大;③错缝拼装和通缝拼装相比,管片截面内力增加,变形减小;④两环一组错缝拼装较三环一组错缝拼装截面内力增加,螺栓剪力减小,可以推测,错缝拼装时,随着每组环数增加,截面内力呈减少趋势,螺栓剪力成增大趋势,变形呈增大趋势。4接触螺栓剪力变化(1)基于梁-非线性弹簧模型充分考虑了管片接头对结构的影响,并且是基于前后相邻圆环之间的空间计算,可以较好反映传力效果,因此采用梁-非线性弹簧模型进行盾构装配式通用管片设计是切合实际的。(2)计算结果表明:①盾构隧道通用管片通缝拼装时,F块的位置对管片截面内力及变形结果影响不大;②错缝拼装和通缝拼装相比,管片截面内力增加,变形减小;③两环一组拼装较三环一组拼装截面内力增加,螺栓剪力减小;④可以推测:错缝拼装时,随着每组环数增加,截面内力呈减少趋势,螺栓剪力成增大趋势,变形呈增大趋势。(3)尽管采用梁-非线性弹簧模型进行管片设计更符合盾构装配式衬砌结构实际特征,但由于接头刚度仍旧采用经验、试验及一些假定来获得,因此对于梁-非线性弹簧模型而言,管片接头刚度参数的研究显得异常重要。目前盾构隧道管片衬砌结构设计计算通常采用均质圆环模型,研究表明:均质圆环模型是把盾构隧道装配式衬砌看成均质圆环,显然是一种粗略的近似模拟,没有考虑管片接头影响,使得由此设计结果不符合实际条件,也不经济,更不能体现传力效果。梁-非线性弹簧模型是依据装配式衬砌特点,充分考虑环向接头和纵向接头影响,按照该模型计算结果进行管片设计,更符合实际条件。深圳地铁华(华强路站)—岗(岗厦站)区间是目前国内首次采用通用装配式管片衬砌的盾构法施工隧道工程,本文采用梁-非