盾构隧道管片衬砌的力学模式分析

盾构隧道管片衬砌的力学模式分析

1管片衬砌力学模型国外，基于对每根导线的闭合力学处理方法，桥梁探测管的力学分析主要包括直接环、均匀环形和梁-弹簧模型，如图1所示。铰接圆环,即将管片接头简化成理想的铰,不考虑其承受弯矩的能力;适用于通缝拼装的管片衬砌和围岩条件比较良好的的情况,在英国和前苏联用的较多。匀质圆环法,即将管片接头截面视为与管片截面具有同样的抗弯刚度,整体圆环刚度不折减,为EI;或者将整体圆环刚度折减,为ηEI,刚度折减系数η<1;此法在世界各国都有使用。梁—弹簧模型法,即直接考虑接头的抗弯刚度,将管片截面简化为曲梁或直梁、将管片块间接头考虑为旋转弹簧、管片环间接头考虑为剪切弹簧(切向和法向),此法能够真实地反映管片衬砌的力学行为,在日本等国用得较多。我国在进行盾构隧道管片衬砌设计计算分析时,主要采用的是铰接圆环和匀质圆环,用这两种模式分析计算的结果直接用于管片的配钢筋计算,是否安全可靠,在此以某地铁工程为工程对象,在不同的拼装方式下,采用三种不同的力学模式进行了管片衬砌的分析计算和比较,得出了用于管片衬砌设计计算的合理力学模式。2地质条件和管架几何参数2.1粘土土层的厚度计算点选择在某地铁工程中盾构隧道穿过的淤泥质粉质粘土土层,埋深为10m,上覆土体自重采用各土层按层厚加权的平均值。计算所需参数根据地质报告确定,见表1示。2.2纵向管片拼装法管片衬砌分成6块,封顶块(K)22.5°,其余5块均为67.5°,纵向接头为16处,按22.5°等角度布置。管片在纵向可实现通缝和错缝两种方式拼装(偏转角为22.5°的倍数)。主要尺寸为:外半径R1=3.00m、内半径R3=2.70m、轴线半径R2=2.85m、每环幅宽B=1.0m、厚度h=0.3m。3计算的元算3.1管片衬砌结构重完全作用的数值计算采用荷载-结构模式对管片衬砌进行力学计算分析,见图2示。根据地层为淤泥质粉质粘土,故计算荷载按水土压合算的方式考虑。其中,竖向荷载W1为隧道上方土体的自重γH(γ为湿容重)和地面超载P0之和,侧向荷载q1和q2为相应处竖向荷载乘以侧压力系数λ,隧道底部的竖向反力W2为竖向荷载W1与隧道自重Wg之和。偏于安全将上覆土体自重完全作用在管片衬砌结构上进行计算分析。衬砌圆环与周围土体的相互作用通过设置在衬砌全环的径向弹簧单元和切向弹簧单元来体现。径向弹簧单元只能受压,受拉时将自动脱离,计算中用反复迭代的计算方法来实现这一情况,弹簧单元的刚度由衬砌周围土体的地基抗力系数(见表1)决定。在一衬砌圆环内,用曲梁单元模拟管片的实际状况,用接头抗弯刚度Kθ来体现环向接头的实际抗弯刚度。为错缝式拼装时,因纵向接头将引起衬砌圆环间的相互咬合作用,此时根据错缝拼装方式,除考虑计算对象的衬砌圆环外,将对其有影响的前后的衬砌圆环也作为计算对象,采用空间结构进行计算,并用圆环径向抗剪刚度Kr和切向抗剪刚度Kt来体现纵向接头的环间传力效果。输入参数如下:管片块间接头正弯曲转动刚度为3.5×104kN·m/rad,负弯曲转动刚度为8.5×103kN·m/rad,轴向拉压刚度为1.1×104kN/m,剪切刚度为2.2×104kN/m;环间接头螺栓的法向和径向剪切刚度为4.0×104kN/m;地层弹簧系数,法向刚度为2.0×104kN/m,切向刚度为1.0×104kN/m;管片衬砌容重为25kN/m3。3.2最大弯矩及变形管片衬砌结构按三种力学模式进行模拟计算,共分成11组,见表2所示。其最大弯矩及其相应轴力、最大剪力和最大变形也见表2;管片衬砌不同力学计算模式下的弯矩图见图3所示。4梁—计算结果分析由表2可知:管片衬砌同是通缝拼装时,弯矩和剪力值,铰接圆环最小、匀质圆环最大、而采用梁—弹簧模型计算的介于铰接圆环和匀质圆环之间;相反相应轴力和变形量是铰接圆环最大、匀质圆环最小、而采用梁—弹簧模型计算的介于铰接圆环和匀质圆环之间。由图3可看出:采用铰接圆环进行计算的弯矩图上,环向接头处的弯矩为0;而采用匀质圆环计算的弯矩图上,环向接头处的弯矩却很大;采用梁—弹簧模型计算的弯矩图上,环向接头处的弯矩有所减小。说明内力和变形的差异主要是由于环向接头的抗弯刚度选取的大小决定的。不计铰接圆环环向接头的抗弯刚度,因此其变形最大。而匀质圆环环向接头的抗弯刚度取值最大,因此变形最小。梁—弹簧模型环环向接头的抗弯刚度适中,因此变形也介于铰接圆环和匀质圆环之间。由表2也可知道,同是采用梁—弹簧模型进行的计算,但拼装方式不同,其内力值也有很大差异。通缝拼装时的弯矩和剪力值最小,而相应轴力和变形量最大。同是三环一组错缝拼装,一、三环的弯矩值就比二环的要大,相应轴力、剪力和变形量要小。这是因为K块的位置偏离了出现最大弯矩的拱顶处,而让邻接块转到了拱顶处,环向接头离拱顶处远了,对它的弯矩减小的影响就小了。由表2还可看出,同是采用匀质圆环进行的通缝计算,随着整体刚度折减系数η的减小,弯矩和剪力值最小,而相应轴力和变形量最大。当为错缝拼装时,其设计弯矩值要放大,即用计算值乘以(1+k),k为附加弯矩系数。从表2可知道:整体刚度折减系数η为0.5左右;附加弯矩系数为0.45左右。根据日本对采用不同力学模式进行管片衬砌设计计算的件数和设计单位数的统计分析,共统计了13家设计单位所设计的管片衬砌177件。其中将管片衬砌视为梁—弹簧模型法有84件,占47.5%,设计单位有7家;视为匀质圆环并考虑整体刚度折减系数η的有51件,占28.8%,设计单位5家;视为铰接圆环有42件,占23.7%,设计单位1家。尤其是随着盾构隧道的不断修建,新的管片衬砌设计计算越来越多地采用梁—弹簧模型法。梁—弹簧模型直接考虑接头的抗弯刚度,能够真实地模拟管片衬砌的力学行为,因此在我国盾构隧道管片衬砌设计中,值得推广应用。5铰接小孔结构的设计和梁—结论本文通过不同拼装方式下的管片衬砌结构采用不同力学模式进行的数值模拟分析计算,得出如下结论:①管片衬砌为通缝拼装时,弯矩和剪力值,铰接圆环最小、匀质圆环最大、而采用梁—弹簧模型计算的介于铰接圆环和匀质圆环之间;相反相应轴力和变形量是铰接圆环最大、匀质圆环最小、而采用梁—弹簧模型计算的介于铰接圆环和匀质圆环之间;②采用梁—弹簧模型进行的计算,但拼装方式不同,其内力值也有很大差异;通缝拼装时的弯矩和剪力值最小,而相应轴力和变形量最大;③采用匀质圆环进行的通缝拼装下的计算,随着整体刚度折减系数η的减小,弯矩和剪力值最小,而相应轴力和变形量最大;整体刚度折减系数η为0.5左右;附加弯矩系数为0.4