双车道隧道通缝拼装管片结构力学分析

双车道隧道通缝拼装管片结构力学分析

为了解决城市、河流和河流等交通问题，修建了大量桥梁。但是由于高架桥对城市环境的影响比较大,而跨江河大桥对航道也有一定的影响,同时从国防战略等方面考虑,越来越多的交通转为地下,如武汉和南京长江公路隧道、上海翔殷路越江公路隧道和崇明越江公路隧道等。文中以某高速公路越江隧道为对象,针对单洞双车道盾构隧道,开发了一种10块等分管片结构,并就相关力学问题进行有限元数值模拟分析,研究成果可为类似越江盾构隧道的设计提供参考。110等截面结构的开发1.1通行限界宽度根据公路隧道设计规范,设计行车速度为100km/h时,其路缘带宽度0.5m、余宽0.5m、两侧检修道宽度均为0.75m,则通行限界宽度为0.75m+0.5m+3.75m+3.75m+1.0m+0.75m=10.5m;检修道净高2.5m,行车道净高为5.0m。由通行限界宽度再考虑附属设施所需要的空间,以及建筑装修和调整施工误差所需要的空间,在设备通行限界的外侧预留10cm,由此得出盾构隧道的内净空直径为11.52m。1.2二次衬砌在盾构隧道中,衬砌结构有单层衬砌与双层衬砌两种结构型式。单层衬砌采用管片结构,而双层衬砌指在管片的内侧再模筑素混凝土或钢筋混凝土。在设计中,由于盾构隧道的特性,一般要求管片衬砌承担盾构隧道施工临时荷载和建成后长期作用的各种荷载。如果施作二次衬砌,二次衬砌的主要作用是修正管片衬砌的蛇形误差、作为结构安全储备、增强结构的防水性及防火性能等。在结构设计中,一般不宜考虑二次衬砌与一次衬砌的共同受力作用。在大断面公路盾构隧道中,有采用单层衬砌的、也有采用双层衬砌的。比如德国易北河第4座公路隧道,采用单层衬砌、管片外径为13.75m、内径为12.35m、厚度为70cm;日本东京湾横断公路隧道,采用双层衬砌、钢筋混凝土管片外径为13.9m、内径为12.6m、厚度为65cm,内侧现浇35cm厚的二次衬砌。但不设置二次衬砌是目前国际上的趋势,我国上海、北京、广州和南京等地隧道直径从6～11m的地铁、市政及公路隧道中,基本上采用的是单层装配式钢筋混凝土管片,在这方面积累了较丰富的经验。按照材料管片分为钢筋混凝土、铸铁和钢以及复合材料管片,就混凝土管片来说,有平板型和箱型。本次设计首先根据国内外工程类比,主要从盾构隧道的内径、地质以及埋深情况进行类比,确定采用厚度为55cm的钢筋混凝土平板型管片,管片混凝土选用C50,管片外径为12.62m。1.3盾构隧道管片管片结构对于外径为12.62m的盾构隧道,一般将管片分成8～11块,由封顶块、邻接块和标准块组成,且封顶块的圆心角为标准块的1/3左右。本次管片设计为10块等分,管片结构布置见图1所示。由1块封顶块K、2块邻接块B1、B2和7块标准块A组成,每块的圆心角均为36°;一环内纵向采用8.8级M45型螺栓40个,等圆心角布置;环向螺栓为8.8级M36型螺栓,每个接缝处在幅宽方向布置2排螺栓孔,每排布置2个螺栓,每个接缝处共4个,一环内共布置40个螺栓(10个接缝)。在盾构隧道管片结构的设计中,对于钢筋混凝土平板型管片,在我国通常采用的螺栓有弯螺栓和斜插式直螺栓两种,考虑到本次设计的隧道为大断面,埋深大、水位高以及采用的是厚管片,为了提高隧道衬砌的整体刚度和防水能力,选用插销式直螺栓。管片接头插销式直螺栓构造见图2所示。1.4管片的幅宽和设计角随着盾构机管片拼装机械手装配能力的提高,管片的幅宽是越来越大,常用到的有1m、1.2m、1.5m和2m等。考虑到本工程的实际情况,并从工程造价、工期、防水等方面进行比较分析,并参考目前盾构机的实际装备能力,最终确定管片的幅宽为2.0m。为了在进行管片拼装时,管片能够满足曲线和施工中的蛇行修正(指的是施工纠偏问题),要设置一定量的楔形管片环。楔形管片环的楔形量与楔形角应根据隧道的线形、围岩地质条件、管片的制作精度和施工质量要求以及施工水平来确定。本次越江盾构隧道位于直线段上,故仅考虑施工中的蛇行修正用到的楔形量,设置一定量的楔形环,其楔形量为20mm,采用两侧楔形的方式。1.5管片的分块设计盾构隧道管片的拼装方式有两种,通缝拼装和错缝拼装。通缝拼装时,管片衬砌结构的整体刚度较小,导致变形较大、内力较小。而采用错缝拼装时,管片衬砌结构的整体刚度较大,导致变形较小、内力较大。同时错缝拼装时,要求纵向螺栓的布置能够进行一定角度的错缝拼装,因此,对于管片的分块设计要求比通缝拼装条件下要高。对于本次设计的管片可以进行通缝和错缝拼装。通缝拼装时,K块从拱顶正上方右偏9°。错缝拼装时,按每两环为一组进行错缝拼装:第一环的封顶块从拱顶正上方右偏9°,第二环的封顶块在第一环基础上右偏18°。因越江盾构隧道地下水位较高,为了满足增大管片衬砌结构的整体刚度,并减小管片结构的环向和纵向变形以及接缝的张开量,从而提高隧道的防水能力和耐久性等,推荐采用两环一组的错缝拼装,其错缝拼装的展开情况见图3。K块的拼装方式采用轴向插入型,其轴向插入角度设计为10°。拼装时K块沿纵向先搭接2/3、径向推入,然后再纵向插入到位。2管片与围岩间的相互作用盾构隧道管片结构的有限元计算模型,包括模拟管片结构的模型、作用在管片结构上的荷载模型以及管片结构与围岩间的相互作用模型。我国在盾构隧道设计计算中,常采用匀质圆环来模拟管片结构,用抗力的形式来模拟管片与围岩间的相互作用,与日本的惯用法类似。本文采用梁—弹簧模型模拟管片结构,通过弹簧来模拟管片与围岩间的相互作用,作用在管片上的荷载采用荷载-结构模型进行计算。2.1衬砌接头的接触问题管片结构采用梁—弹簧模型模拟,该模型直接考虑环向和纵向接头的影响,用曲梁单元模拟管片,用接头抗弯刚度Kθ、抗压刚度Kn和抗剪刚度Ks来模拟环向接头的实际力学行为。因环间接头(纵向接头)将引起衬砌圆环间的相互咬合作用,此时除考虑计算对象的衬砌圆环外,将对其有影响的前后衬砌圆环的1/2环也作为对象,采用空间结构进行计算,并用螺栓的径向抗剪刚度Kr和切向抗剪刚度Kt来体现纵向接头的环间传力效果,同时将两侧1/2环管片在其纵向上的位移约束(即第一环和第三环的中线在纵向没有位移)。梁—弹簧模型在日本国用得较多,其计算简图及其曲梁单元见图4所示。2.2盾构隧道土压力和结构模型盾构隧道管片结构与地层间的相互作用模型采用荷载-结构模型,见图5所示。图中Wg为管片自重、P0为地面超载、W1为上覆水土荷载、W2为隧道底部反力、q1和q2为侧向水土压力、H为埋深、D为盾构隧道外径、Kdcn和Kdct为地层法向和切向基床系数。荷载-结构模型,假设衬砌圆环与周围土体的相互作用,通过设置在衬砌圆环全周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。3对管架结构的力学分析3.1最大埋深断面的确定地层从上至下分别为潮水浪、潮水、亚砂土、粉砂、亚粘土夹亚砂土和亚粘土,隧道位于亚粘土层。根据埋深条件,选取可能出现最不利受力情况的最大埋深断面进行计算分析。最大埋深为42m,平均容重为19.5kN/m3,侧压系数为0.55,抗力系数为28MPa/m。3.2环间接头螺栓抗弯刚度根据以上建立的计算模型,采用有限元程序的方式进行求解。本次计算中,由于管片间的连接螺栓采用的是直螺栓,参照国内外相关的试验研究成果,取管片环向接头正弯曲(管片内侧受拉),抗弯刚度Kθ+为4.84×105kN·m/rad,负弯曲(管片外侧受拉),抗弯刚度Kθ-为3.18×105kN·m/rad,轴向拉压刚度Kn为4.2×104kN/m,剪切刚度Ks为3.5×104kN/m;环间接头螺栓的径向剪切刚度Kr和切向剪切刚度Kt均为5.6×104kN/m。Kdcn取为20000kN/m3、Kdct取为12000kN/m3。3.3环衬砌内固结数值分析进行了不同拼装方式条件下的结构内力和变形分析,计算结果汇总于表1中。表中N1表示通缝拼装,N2、N3表示错缝拼装,其中N1、N2为水土合算,N3为水土分算;图中的数值均为一环衬砌内(幅宽为2m)的实际计算结果;正弯矩代表隧道内侧受拉,负弯矩代表隧道外侧受拉;轴力以受压为正。3.4错缝拼装管片受力性能分析同为水土合算的情况下,对不同的拼装方式进行比较:通缝拼装管片结构的变形较大,弯矩和剪力最小,纵向螺栓的剪力为零;而错缝拼装管片结构的变形较小,弯矩和剪力最大,纵向螺栓法向和切向剪力较大;通缝拼装和错缝拼装轴力变化不大。出现上述内力和变形特征的原因是:错缝拼装管片结构环间相互咬合(通缝拼装的弯矩图比较平滑,而错缝拼装的弯矩图在纵向螺栓处出现了波动)增加了管片结构整体刚度,从而减小了管片结构的变形,但也相应增加了弯矩和剪力;对于轴力,因轴力是管片结构平衡外部荷载的平衡力,故不同拼装条件下变化不大;通缝拼装管片环的变形一致,故纵向螺栓没有剪力,而错缝拼装管片环变形不一致、靠纵向螺栓来协调变形、故产生了较大的纵向螺栓剪力。虽然按照通缝拼装条件下的内力进行配筋设计,所需要的钢筋量最少,但因本工程为越江隧道,受高水压作用,为了提高管片的整体刚度,从而减小管片接头的张开量、提高管片结构的防水能力,推荐采用错缝拼装。同是错缝拼装条件,通常因计算目标环K块的位置不同,其力学特征也不相同,最大的正弯矩出现在错缝拼装的某一环上,而最大的负弯矩则出现在另一环上。在配钢筋过程中,考虑的是最大正弯矩和负弯矩,这样将导致所配钢筋过大,造成浪费,对工程来说是不经济的。由于本次设计管片采用的是10块等分方式,同时在错缝拼装时,进行了第一环K块从拱顶正上方右偏9°和第二环在第一环的基础上再右偏18°的处理,故出现了两环一组错缝拼装中的每一个拼装环与水平荷载和竖向荷载的相对位置是一样的。这样各环的内力和变形是相同的,故改善了管片结构的受力特征,使得所配钢筋经济、合理,安全而不浪费,这也是本次所设计的10块等分管片所做的特殊处理后出现的优点。同为错缝拼装条件下,对水土合算和水土分算进行比较,总的来说,在水土分算情况下,管片结构的内力和变形比水土合算管片结构的内力和变形要小得多,在本次地质情况下,大概减少了50%左右。由于水土合算两侧的土压力为上部荷载与侧压力系数的乘积,而水土分算为侧向土压力与静水压力之和,故水土分算的侧向压力比水土合算时要大,尤其是在越江隧道这种高水压条件下,侧向压力相差很大。侧向压力的增加,对管片结构的受力是有利的,相当于管片结构向着静水压力模型变化,但对于亚粘土层中的管片结构的设计是不安全的。所以,推荐采用水土合算的内力和变形,进行管片结构的配筋计算。4错缝拼装和复合拼装的组合(1)采用10块等分管片和特定的错缝拼装方式后,每一环管片的内力和变形是相同的,可改善管片结构的受力特征、减少配筋量。(2)通缝拼装管片结构的变形较大,弯矩和剪力最小,纵向螺栓的剪力为零;而错缝拼装的变形较小,弯矩和剪力最大,