盾构隧道管片计算软件的选择应用

盾构隧道管片计算软件的选择应用

1问题的管片设计随着城市轨道交通的可持续发展，构建法制建筑技术得到了广泛应用。因其机械化程度高、对周边建构筑物影响较小、地层适应力强、施工安全等优点,在各类隧道施工中具有显著优势。目前国内地铁隧道普遍采用钢筋混凝土管片,常用的外径尺寸有6000mm、6200mm、6400mm,壁厚尺寸300mm、350mm等。管片强度等级、管片尺寸、含钢量等设计参数对整个隧道工程的造价有着直接的影响,因此合理地选择计算模型与结构计算软件非常关键。在管片的设计中,需要将管片接头与环接头作模型化处理,在隧道整体结构模型中如何应用这种模型。本来最准确的管片计算应将管片及荷载一同模型化,用确切评价隧道周边土体的“隧道整体系统”来进行整体设计。但是其作用机理目前尚不清楚,且建模及分析过程均较为复杂。因此现在大部分的管片设计仍将隧道横断面方向及纵断面方向分开进行设计。本文主要探讨盾构隧道横断面设计的计算方法以及计算软件的比较。通过对管片设计总结发现,目前地铁隧道设计人员使用较多的计算软件有“同济曙光盾构隧道分析软件”、“火炬软件”、“sap2000”、“sap84”等。其中sap系列软件主要使用“直梁弹簧模型法”,即将隧道管片分成长度不等的直梁单元进行模型化处理,将地基反力按照温克勒假定,等效为节点弹簧进行模型化处理。当单元划分得足够小时,就可以有效地模拟圆环形管片。此种方法在建模分析时,需要将盾构管片圆环先作划分单元等效,且需要对每个梁单元上的荷载单独计算,较为繁琐,在梁单元划分较粗时精度不够。“同济曙光”及“火炬软件”主要使用“修正管用计算法”,这是目前最简便最常用的一种管片横截面分析方法,即将管片当做刚度均匀的圆环考虑,利用抗弯刚度有效率η及弯矩增减率ζ来考虑管片接头的影响。这两种软件仅须通过输入地质钻孔参数来模拟荷载,且含有专门的隧道建模模块,建模方便快捷,并且模型未做等效处理,更加接近实际情况,因此主要分析比较后两种计算软件在管片断面设计计算中的应用。2乡土压力计算方法火炬软件为一款盾构管片截面内力计算程序,操作简单实用。主要输入界面分为土压力计算与管片计算两个模块,其中土压力计算模块中可以输入土层信息、地面超载信息、管片信息,手动选择水土分算、合算以及土压力计算方法(分层叠加法、太沙基法、普氏理论法)。管片计算模块可选择管片常用的计算方法,包括惯用修正法、多铰接环法等,常用的是惯用修正法,通过输入网格分割的数量以及抗弯刚度有效率η及弯矩增减率ζ,来模拟实际的管片受力情况。3通缝及错缝管片拼装同济曙光软件是一款专门用于盾构隧道管片设计的计算分析软件。该软件综合考虑了通缝及错缝管片拼装,考虑了水土压力、地层弹簧、地层反力、地面荷载、施工荷载等影响(如图1),还可进行管片和螺栓验算,且能自动生成分析报告,含两种计算模型:修正惯用法和直梁弹簧元法,其中修正惯用法应用较为广泛。4典型断面分析济南轨道交通R3线一期工程西周家庄站~工业北路站区间采用盾构法施工,管片外径6.4m,内径5.8m,管片厚300mm,采用“3标准块+2邻接块+1封顶块”分块模式.衬砌环接缝采用弯螺栓连接,环缝采用16根M27螺栓,纵缝采用12根M27螺栓连接。隧道主要穿越粉质黏土层、黏土层;本区间沿线20m深度范围内不存在可液化土层,无饱和砂土、粉土液化现象;特殊性岩土主要有填土层、风化岩。主要选取3个典型断面进行计算分析,对应埋深分别为浅埋、中埋、深埋,土层参数信息见表1。根据两种软件各自的荷载及模型输入方式,计算上述3个典型断面的内力,其中抗弯刚度有效率η取0.8,弯矩增减率ζ取0.3,计算结果见表2。5计算结果的比较分析从两款软件的建模方式、采用的荷载模式以及计算结果进行比较分析,总结出以下异同点:(1)算例结果及分析(1)两款软件均采用地层结构模式,即外部荷载、地基抗力均通过输入地层参数由软件自动计算得到。(2)计算模型相同。两款软件均使用修正惯用模型,即通过设置抗弯刚度有效率η及弯矩增减率ζ,来模拟管片之间接头对整体刚度的削弱,能较好地反应管片的实际受力情况。(3)内力分布及位移变形趋势相同。两款软件计算得到的管片内力图(弯矩图、轴力图)基本相同,最大负弯矩均在拱腰处,最大正弯矩大部分情况下位于拱顶,少数情况位于拱底。(4)系数η及ζ对计算结果影响较大。其中η主要影响管片变形量,ζ主要影响管片内力值。目前η及ζ的取值主要依据经验或者地面试验,在土木学会及日本下水道协会的《盾构工程用标准管片》中,对平板形管片以η=1.0,ζ=0为主进行计算,以η=0.8,ζ=0.3结果作为参考。(2)土压力和土体强度(1)荷载工况。火炬软件仅能考虑主要的水土压力及基地抗力,且不能选择荷载组合系数而同济曙光软件除了能考虑隧道自重、水土压力、地基抗力之外,还能考虑注浆荷载、地震荷载及其他偶然荷载,考虑更为全面,与实际情况更加接近。(2)水土压力计算。火炬软件提供了两种土压力计算模式,即分层叠加法和太沙基理论法,须手动选择;同济曙光软件同样提供了这两种土压力计算模式,但是额外提供了默认选项,即在覆土小于1倍隧道外径时,自动选用分层叠加法,在覆土大于1倍隧道外径时,自动选用太沙基理论法。对于水土计算方式的选择,火炬软件须手动确定是水土分算或者合算,而同济曙光软件提供了自动选择,软件会根据隧道底部上方何种性质的土体占优,自动选择分/合算方式。另外同济曙光软件还能规定最小覆土厚度或者最小覆土压力值,防止在覆土较小时计算结果不安全,结合《地铁设计规范》,一般可以将此项选为一倍隧道外径。(3)内力计算结果。两款软件内力分布基本一致,正弯矩极值出现在拱顶或者拱底处,负弯矩及轴力极值出现在拱腰处。相同地质条件下,同济曙光软件计算的最大正弯矩值比火炬软件计算得到的小16%~25%,相应的轴力则偏大,约28%~4%。造成这种情况的主要原因是在使用同济曙光软件计算地层反力时勾选了“考虑衬砌自重引起的地基抗力”。当系数η取0.8,ζ取0.3时,勾选此项较为合理;当系数η取1.0,ζ取0时,不建议勾选此项,因为此时已经过高估计了隧道的刚度,使得隧道变形偏小,再勾选此项会加剧变形减小的趋势,与实际状态不相符。6修正刚度模型及计算从两种常用的隧道截面计算软件出发,结合实际工程,对不同埋深、不同地质条件的隧道断面进行计算对比分析,得出以下结论:(1)火炬软件及同济曙光软件均使用修正刚度模型,荷载作用系统清晰,受力明确,且η及ζ的取值已有大量的地面荷载试验数据及