地下水位对地铁盾构管片内力的影响分析.doc

地下水位对盾构管片内力的影响分析摘要:本文选取某典型地质断面，分最高、最低地下水位两种工况，应用泰沙基压力拱计算模型进行盾构管片的外荷载计算；应用ANSYS 软件和SAP软件建模并进行计算，得出地下水位对盾构管片内力计算的影响。该结果可为地铁盾构管片设计者提供一定的参考。关键词：盾构管片；地下水位；内力分析1 前言随着我国地铁建设的飞速发展，盾构法作为一种暗挖隧道的施工方法，以其地层适应性强、施工速度快、施工质量有保证、对周边环境干扰少等优点而得到了越来越广泛的应用。作为盾构法隧道的衬砌盾构管片，其厚度、配筋率、混凝土强度等设计参数的合理与否, 对体现盾构法的优越性、降低工程造价及提高工程经济性影响甚大，其设计的合理性与选取合理的地下水位密切相关。2 计算断面的选择选取某城市浅埋（10米）典型地质断面作为研究对象。根据钻孔柱状图，该断面处的土层分布及其主要物理力学指标如表1所示。表1：土层分布及其主要物理力学指标序号层号名称厚度（m）容重（KN/m3）内聚力（KPa）内摩擦角（度）水平向基 床系数Kh（MPa/m）静止土压力系数K012素填土2.81731040.4321-1粉质粘土1.218.52815130.432淤泥质粉质粘土217.614115.50.5443-1粉砂1.218.4124130.3953-2细砂1.718.9026.5160.3664中砂4.519.6028170.3575粗砂1.719.7028.5190.3587圆砾夹砾砂3.819.9030230.33根据本段区间的水文地质情况，分成两种工况：工况1为最低水位，根据勘察资料并结合地下水位长年变幅确定，取地面以下6m；工况2为最高水位，计算采用的最高水位由内涝控制，取地面。 为了找出地下水位对管片内力的影响程度，本文采用了2种计算分析工况，如下表所示：表2：分析工况及外荷载计算模型工况号地下水位工况1最低水位工况2最高水位4荷载计算4.1计算模型本次计算模型采用全周单向压缩弹簧的均质圆环的修正惯性用法，取0.8，取0.3，计算模型如下：图1匀质圆环法荷载系统4.2 外荷载计算一般习惯认为在砂性地层采用水土分算，在不透水的粘性地层采用水土合算。根据选取的典型地质断面的土层分布及其主要物理力学指标，本次外荷载计算采用水土分算：（1）、拱顶土压力相关研究表明，全覆土与泰沙基压力拱的计算模型与土压力实测值较为接近，对软粘土采用全覆土理论较为合适，而对其他土层，采用泰沙基压力拱计算的土压力更接近实测值，故本次计算的典型断面选用低水位下的泰沙基压力拱荷载模型。当隧道的埋置深度较大（一般大于两倍的隧道直径）时，地层中会产生拱效应，即隧道顶部土体失去稳定产生坍塌而形成不延伸到地表的局部破裂区，该坍塌范围内松弛土体的自重即为隧道衬砌上部的荷载。关于松弛土压力的计算方法一般多采用泰沙基（Terzaghi）理论进行计算。图2 压力拱模型简图对于覆土厚度为H，计算半径为R0的盾构隧道，根据泰沙基理论推导出的隧道顶部垂直压力计算公式如下：； （1）相应的松弛层（等效土柱）高度：（2）式中 （3） K0水平土压力与竖直土压力之比，一般取1； 土的摩擦角；c土的粘聚力； p0地面超载；土的重度（2）、侧向土压力侧向土压力根据拱顶土压力、隧道直径、隧道穿越范围内土的侧压力系数等计算确定。（3）、拱肩土压力对于施加于盾构管片结构的垂直土压力的方法有两种：平均等效法，连续变化施加法，本次计算采用平均等效法。平均等效法：肩部等效均布荷载：（5）式中G拱肩部土体重力，值为：（6）R衬砌圆环计算半径以上荷载计算统计如下表：表3 外荷载计算统计表 工况 荷载 （KPa，标准值）工况1工况2拱顶竖向土压力Pvs199.84 63.840 拱肩等效竖向土压力Pvs26.52 6.518 拱顶竖向水压力Pvw40.00 100.000 拱顶处侧向土压力Phs134.44 22.200 拱底处侧向土压力Phs253.24 40.999 拱顶处侧向水压力Phw11.50 101.500 拱底处侧向水压力Phw298.50 158.500 管片自重G134.30 134.303 拱底处自重反力Pf223.56 23.562 拱顶处荷载反力Pf1146.36 170.358 5 内力计算本次设计分别采用ANSYS、SAP两个软件进行计算，计算结果如下表：表4 内力计算结果表 分析软件及工况 荷载 （KPa，标准值）ANSYSSAP工况1工况2工况1工况2弯矩Mmax（KNm）53.129.75733.4轴力Nmax（KN）465.6525.7463.8524.3剪力Qmax（KN）42.226.143.526.9两种软件计算的各工况内力结果对比如下表所示：（表中绝对值为两种软件对应工况内力之差的绝对值，改变量相对值为绝对值与ANSYS内力的比值。）表5 ANAYS、SAP计算的工况1与工况2的内力比较表 工况及改变量 荷载 （KPa，标准值）工况1工况2改变量 绝对值改变量相对值（100%）改变量 绝对值改变量相对值（100%）弯矩Mmax（KNm）3.97.3 3.712.5轴力Nmax（KN）1.80.4 1.40.3剪力Qmax（KN）1.33.1 0.83.1由表4、表5可以看出：在工况1和工况2下，两种软件计算得出的内力结果较为相近，下面仅对ANSYS计算的结果进行分析比较：各工况下内力比较如下表所示：（表中绝对值为各工况下计算得出的内力之差的绝对值，相对值为绝对值与工况2应对内力的比值。）表6 各工况下的内力变化表 改变量 荷载 （KPa，标准值）改变量绝对值改变量相对值（100%）弯矩Mmax（KNm）23.478.8 轴力Nmax（KN）60.111.4 剪力Qmax（KN）1.35.0 由表6可以看出：在工况1与工况2对应的内力值相差较大，其中最大弯矩改变量相对值为78.8%，最大轴力改变量绝对值为60.1 KN。6 小结综上所述，两种软件计算的结果较为相近；两种工况下计算的内力结果相差较大，最高地下水位的轴力大于最低地下水位，