盾构隧道衬砌内力计算模型比较

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1、盾构隧道衬砌内力计算模型比较姜增国1, 李永明1, 江胜林2( 1. 武汉理工大学土木工程与建筑学院, 武汉 430070; 2. 铁道第四勘察设计院, 武汉 430063)摘 ? 要: ?结合目前正在施工的南京长江隧道工程实例, 详细论述了盾构衬砌结构设计中常用的 2 种内力计算模型: 匀质圆环模型和梁?弹簧模型, 比较了这两种模型的计算结果, 并从中得出了一些有价值的结论。关键词: ?盾构隧道; ? 衬砌; ? 内力; ? 匀质圆环模型; ? 梁?弹簧模型Comparison of Calculating Models for the Internal Forces of Shield T

2、unnel LiningJIANG Zeng?guo1, LI Yong?ming1, JIANG Sheng?lin2( 1. School of Civil Engineering and Architecture, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China;2. The Fourth Survey and Design Institute of China Railways, Wuhan 430063, China)Abstract:? In this paper, in connection with the ongoing

3、 construction of the Nanjing Yangtze River Crossing project, it in? troduced the shield lining internal forces of the two commonly used models: Inhomogeneous ring model and beam?springmodel. The results of these two models were compared, and drew some valuable conclusions.Key words:? shield tunnel;

4、? lining; ? internal forces; ? inhomogeneous ring model; ? beam?spring model? ? 在城市中, 为了缓解日益拥挤的交通问题, 需要 修建地铁、 公路隧道、 水底隧道甚至海底隧道等。盾构是修建城市隧道最常用的施工机械。盾构法隧道优势明显: 对环境影响小、 不影响地面交通和航道通行, 无空气、 噪声、 振动等污染问题、 机械化程度高、 适用地层范围宽等。盾构法隧道衬砌是由若干弧形管片通过环向接头拼装成环, 然后每环之间通过纵向接头逐一连接而成的地下结构。盾构法隧道设计 的一个重要环节是采用合适的模型计算衬砌结构的内力。由于

5、环、 纵向接头的存在和拼装方式的差别,使得这一问题较为复杂。在文中详细论述了盾构衬砌结构设计中常用的 2种计算模型: 匀质圆环模型和梁- 弹簧模型; 结合目前正在施工的南京长江隧道工程实例, 应用非线性有限元程序 ANSYS 分析了上部和周围土体荷载 和水压力作用下钢筋混凝土衬砌的内力, 比较了这2 种模型的计算结果, 并从中得出了一些有价值的结论。1 ? 计算模型1. 1? 匀质圆环模型匀质圆环模型不考虑管片接头的弯曲刚度降 低, 认为管片环是具有和管片主截面相同刚度 EI,且弯曲刚度均匀的环, 并基于 Winker 理论, 假设地层反作用仅在水平方向的正负 45?范围内按三角形规律分布,

6、荷载作用模式如图 1 所示。 对于十分密室的土层, 由于土壤的水平抗力起到了有效的作用, 衬砌环承受的弯矩不大, 采用这种模型没有实际障碍。随着密闭式盾构的快速发展, 目前已能够在十分软弱的含水地层中进行开挖。在这种地层中, 由于土壤的水平抗力小, 管片接头刚度与管片刚度难以等同考虑, 此时通过引入一个由于 管片接头而降低衬砌刚度的有效参数 ?( ? 1)和一个由于被相邻衬砌环通过环间接缝来支持而增加的刚度增量 ? ( ? 1)来改善上述模型的普遍性 1, 这 就是修正惯用法的思路。它采用局部地层弹簧抗力来取代惯用设计法中三角形分布的地层反作用荷105国外建材科技 ? ? ? ? ? ? ?

7、? ? ? ? ? ? ? ? ?2007 年? 第 28 卷? 第 3 期图 1? 匀质圆环模型荷载模式 载。由于管片接头的影响, 将管片整体抗弯刚度刚度由 EI 将为均匀抗弯刚度?EI, 并且弯矩并不是全部都经由管片接头传递, 可以认为其中的一部分通 过环间接头的剪切阻力传递给错缝拼装的相邻管片, 错缝拼装弯矩重分配如图 2 所示。其中接头处内力为Mj= (1- ? ) M( 1)Nj= N( 2)? ?管片内力为 Ms= (1+ ? ) M( 3)Ns= N( 4)式中, ?为弯矩调整系数; M、 N 分别为匀质圆环计算弯矩和轴力; Mj, Ms分别为调整后的接头弯矩和 轴力; Ms,

8、Ns分别为调整后管片本体弯矩和轴力。参数 ?和?的值因管片种类、 管片接头的结构形式、环相互交错联结的方法和结构形式而有所不同。目 前的实际情况是, 参数 ? 和 ?值根据试验结果或经验来确定的。图 2? 错缝拼装弯矩分配示意图 1. 2? 梁?弹簧模型盾构法隧道衬砌结构主要是由管片、 管片间的 连接螺栓和放水充填材料组成, 接头的力学性能强烈的影响着隧道的横向受力及变形形态。尽管上述修正惯用设计法在平均意义上对管片接头效应作了评估, 但它还是一种等效方法, 仍需提出一种精确的描述管片接头力学性态的合理的设计方法。梁- 弹簧模型就是一种向这个方向接近的计算模型。它假 设管片环是具有旋转弹簧的环

9、, 环与环之间采用剪切弹簧评价错缝接头的拼装效应, 以梁模拟管片部分, 以弹簧模拟管片间的接头部分, 弹簧的剪切和转动效应分别用径向剪切刚度 Kr、 切向剪切刚度 Kt 和转动刚度 K 来描述, 如图 3 所示。由于梁?弹簧模型考虑了环向与纵向接头的位置和刚度, 以及错缝时的环间相互咬合效应等, 理论上这种模型更为 精确的描述衬砌结构的受力。图 3? 梁?弹簧模型示意图 影响管片接头力学行为的参数主要为管片接头 抗弯刚度系数 Ki= M/ ( 即接头产生单位转角所需弯矩), Ki综合反应了盾构隧道接头性能及其在外荷载作用下的变形大小和趋势。但是目前工程中 对 Ki的取值还没有图表或公式可以遵循

10、, 实际应用中一般采用现场实验或室内模型试验进行确定,这在一定程度上限制了该模型的实际应用。2 ? 工程实例分析2. 1? 工程概况南京长江隧道工程位于隧道距离南京长江大桥10 km 处, 是一条解决江北新区和河西新城过江交通的主干道, 北起江北浦口新市区的浦珠路, 经过梅子洲跨长江后, 向南与河西新城的纬七路相接, 按 6车道城市快速通道规模建设, 设计车速 80 km/ h, 采用! 左汊盾构隧道+ 右汊桥梁方案。通道在梅子洲上与穿洲公路设置道路立交, 穿洲公路高架穿越信道工程, 地面设置右转匝道实现两道路的连接。项目建成后将承担江北中心区与江南中心区交通, 均衡中心区交通流量, 减少车辆

11、绕行, 能更好的拓展南京城市的发展空间, 迅速提升江北城市化水平。该隧道全长 3 430 m, 其中盾构段左线长 3 022m, 右线长 3 015 m。盾构隧道内径为 13. 3 m, 结构外径为 14. 5 m, 采用钢筋混凝土单层衬砌。盾构隧道管片环采用 1/ 3 错缝管片分 10 块( 7B+ 2L +106国外建材科技 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2007 年? 第 28 卷? 第 3 期1F) , 为通用楔形环, 管片环采用双面楔形, 楔形量48 mm, 管片环宽 2 m, 厚 600 mm, 环缝共设置 42颗M30 纵向直螺栓, 14 颗 !5

12、7 的定位销; 每块管片 纵缝共设置3 颗 M36 环向斜螺栓, 一根 !59 的定位杆, 管片接缝面处设有凹凸榫槽。盾构隧道主要位于富含地下水的砂土层中, 两岸段承受较高承压水, 江中段承受高水压潜水, 穿越 地层包括中密粉细砂、 密实粉细砂、 底部为卵石层及强风化泥质粉砂岩夹砂岩、 页岩, 局部为中密中粗砂、 密实中粗砂、 可塑粉质粘土层等。2. 2? 计算分析由于盾构所穿越的地层变化比较大, 在大部分地段为软弱地层、 富含地下水的砂土层, 在结构计算 时根据隧道所处地层的变化选择不同的断面进行计算, 文中选取隧道左线梅子洲段大堤里程 LK6+189处钻孔 JZ?#05?L29 和江中段里

13、程 LK5+ 210处钻孔 JZ?#05?L18 为例, 均采用匀质圆环模型和 梁?弹簧模型进行计算。隧道在钻孔 JZ?#05?L29 处埋深 28. 5 m, 土层地质参数如表 1所示。 表 1? 钻孔 JZ ?#05?L29 土层地质参数表地层代号土名重度/ (kNm- 3)厚度/ m静止侧压力系数基床系数/( MPam- 1) 垂直水平(2)- 1杂填土17. 81. 20. 644. 03. 0(2)- 2素填土18. 00. 40. 652. 02. 0 (2)- 3粘土18. 52. 60. 6014. 012. 0( 4)淤泥质粉质粘土18. 710. 20. 595. 04.

14、0 ( 6)淤泥质粉质粘土夹粉土19. 36. 20. 615. 04. 0 ( 7)粉细砂19. 04. 70. 3618. 016. 0( 8)粉细砂19. 511. 30. 3820. 018. 0 ( 9)粉细砂19. 76. 40. 3627. 025. 0? ? 计算中主要考虑的荷载有: 结构自重, 混凝土管片按26 kN/ m3考虑; 垂直水、 土压力与水平水、 土压力, 该断面处采用水土合算;地面建筑荷载;地层反力。匀质圆环模型中, 取弯曲刚性有效率 ?= 0. 7,弯矩增长率 ? = 0. 3, 计算结果如图 4所示。采用梁?弹簧模型计算的关键在于确定管片环 向接头抗弯刚度

15、K , 文中管片环向接头抗弯刚度取值如下: K+= 1. 94 % 109kNm/ rad, K-= 1. 30 %109kNm/ rad 对于纵向接头, 其径向抗剪刚度 Kr和切向剪切刚度 Kt。按偏于安全方面考虑均取无穷大, 即认为各环管片在纵向接头处不产生错动, 其计算结果如图 5所示。 隧道在钻孔 JZ?#05?L18 处埋深 17. 65 m, 土层地质参数如表 2所示, 水压为 55 m。该断面采用水土分算计算水、 土压力, 并考虑回淤 5 m。分别用匀质圆环模型和梁?弹簧模型进行计算, 模型参数取值同前。将 2个钻孔的计算结果列于表3 中( 其中匀质圆环模型中的内力值为弯矩重分配

16、后的计算值) , 可以看到, 这 2 种模型计算的结果较 为接近。表 2? 钻孔 JZ ?#05?L18 土层地质参数表地层代号土 名重度/ (kNm- 3)厚度/ m静止侧压力系数基床系数/( MPam- 1) 垂直水平( 1)粉细砂17. 55. 00. 556. 05. 0 (7)- 1粉细砂19. 04. 70. 3618. 016. 0( 8)粉细砂19. 511. 30. 3820. 018. 0 ( 10)砾砂19. 87. 80. 3532. 030. 0( 12)粉细砂20. 24. 90. 3627. 025. 0表 3? 内力计算结果对比表钻孔号水土压力计算模型最大正弯矩/ (kNm环- 1)最大正弯矩对应轴力/( kN环- 1)最大负弯矩/( kNm环- 1)最大负弯矩对应轴力/ (kN环- 1)JZ ?#05?L18水土分算匀质圆环模型梁?弹簧模型1 356. 01 583. 89 715. 19 614. 3- 760. 4- 788. 410 395. 310 650. 4JZ ?#05?L29水土合算匀质圆环模型梁?弹簧模