盾构隧道拼装衬砌受力分析

盾构隧道拼装衬砌受力分析

1大厚度和层压板受力性能结构是由多条连接管、连接螺钉和填充材料组成的连接结构。由于焊接形状（通缝和破缝）、接头重量、接头数量等因素的影响，由于其抗弯性非常复杂，管道的设计仍很困难。衬砌结构在正常使用阶段的受力特性可以简化为平面应变情况来研究，使用阶段的受力性能研究已经比较成熟。而在施工阶段，由于隧道纵向荷载及约束条件的不均匀，导致施工阶段隧道衬砌受力是一个完全的三维问题，这方面的研究则相对较少。由于通缝具有拼装施工容易、施工效率高的优点为很多施工单位所青睐。很多文献也表明由于错缝拼装衬砌个环的管片接头位置不同，受力时可以将较弱部分（接头）的负担转移到较强部分（管片体）上，从而减小接头的变形，提高结构的整体刚度。究竟哪一种拼装方式更合理仍然存在争议，分析比较两种拼装形式下隧道衬砌的受力性能，为隧道衬砌设计提供理论依据具有十分重要的意义。本文通过对施工阶段衬砌受力性能的三维有限元模拟，分析通、错缝两种拼装形式下衬砌的受力性能，并与连续型衬砌进行比较，为今后的设计计算提供参考。2衬砌上的荷载施工阶段随衬砌与盾构尾部距离的不同，作用在隧道衬砌上的荷载以及周围土体对隧道的约束作用都发生变化，与使用阶段作用在衬砌上的荷载有较大差异。盾构隧道衬砌在施工阶段承受的荷载主要有以下几部分：2.1千斤顶压力合力千斤顶推力是盾构隧道掘进的驱动力，它反过来作用在管片上，是施工过程中隧道衬砌在轴线方向最大的外力。千斤顶压力对管片的影响很大，如果衬砌环面有不平整，管片极易产生应力集中而出现剥落、边角破碎等现象，当千斤顶压力合力不与衬砌的中心重合时会使隧道纵向产生弯矩，引起环间接头张开，不利于防水。同时，千斤顶压力对施工过程中衬砌的纵向变形刚度也有很大影响。2.2土体注浆压力施工阶段衬砌所受的注浆压力比较复杂，因为浆液要经过液态到固态的过程，不断渗入土体受到地下水稀释的同时伴随应力释放，直至与土体压力平衡，并与土体一起对衬砌产生作用，由于浆液本身的物理力学性质的复杂性，需要通过一些假定来确定注浆压力的变化规律。注浆压力通常大于上覆土压力，横断面上注浆压力可近似认为随深度线性变化，如图1所示，图中Ps1为拱顶处的注浆压力，Ps2为拱底处的注浆压力。注浆压力、注浆量等因素对隧道轴线的影响较大，过大的注浆压力会引起隧道上浮。2.3局部地弹响模式由于盾构隧道衬砌在接缝处有良好的密封防水措施，因而隧道同时承受土压力和水压力，衬砌土压力作用模式多种多样，本文认为比较合理的是如图2所示的局部地弹簧模式，图中P1为拱顶处的上覆土水压力；P2为衬砌底部垂直荷载的抗力；P3为拱顶水平面上的侧向土水压力；P4为衬砌底部由深度引起的附加侧向土水压力；P5为衬砌的重度；P6为由变形引起的侧向土体抗力，其作用范围在-45°～+45°之间；P6=Ks∆，其中Ks为周围土体沿径向的抗力系数，∆为衬砌沿径向的变形。3采用有限计算模型和负荷系统3.1管片制作与安装计算中采用的通缝和错缝拼装衬砌结构形式如图3。管片外径6.2m，内径5.5m，管片宽1m，管片分块数为6块，拱底块对应圆心角为84°，拱顶块对应圆心角为16°，其余4块对应圆心角均为65°，错缝拼装衬砌管片环间错角22.5°，使用C50平板型钢筋混凝土管片，弹性模量为3.45×104MPa，泊松比为0.17，管片密度为2.6g/cm3。管片环向连接螺栓12个，纵向连接螺栓16个，均为M32钢弧形螺栓，E为2.1×105MPa，泊松比为0.30，连接螺栓设置在距离管片内壁1/3厚度处，螺栓预紧力为50MPa。管片间接缝厚度为2mm。地层抗力系数Ks=20000kN/m3。3.2衬砌外围单元的模拟土体抗力由于结点数量的限制，对10环长的一段衬砌进行有限元网格剖分，用空间8结点6面体单元离散整个结构，有限元网格及环向、纵向接缝处局部网格放大图如图4所示，在管片厚度方向划分5层，每环管片宽度方向划分5层，共划分13764个单元，21600个结点。在隧道左右的衬砌外围单元设置法向面弹簧单元模拟土体抗力，范围如图2所示。水平方向为x轴，y轴竖直向上，z轴正向与隧道推进方向相反。程序通过自动施加多点接触约束来模拟接缝两侧管片的非穿透接触。将总荷载分成许多很小的增量步，通过每个增量步结束后相邻接触体表面的几何位置来判断是否发生接触。如果发生接触，则对接触节点施加式（1）所示的接触约束，接触约束关系如图5所示：3.3衬砌受力特性隧道衬砌所受注浆压力和土压力在横断面上的分布如图1、2所示，其纵向分布并不均匀，而是逐渐变化的，由于施工阶段上述注浆压力、土压力及土体抗力在纵向分布的差异，使得衬砌呈现出明显的三维受力特征。本文假设施工阶段衬砌所受的压力荷载在纵向的分布如图6所示，盾尾第1环衬砌处在盾构壳围护下，只受到千斤顶的压力，而外壁面上的压力及约束都为0；第2～6环衬砌受到注浆压力的作用，随着与盾尾距离的增大，注浆压力逐渐释放最后和周围土压力平衡，第2～6环注浆压力在横断面上的分布形式仍如图1所示。第7～10环衬砌认为注浆材料已经凝固，和周围土体一起对衬砌施加压力，土压力在横断面上的分布如图2所示。土体侧向抗力系数Ks在第2～6环衬砌上随浆液的凝固而逐渐增大，到第7环以后达到最大值并保持常数，分布规律见图6。图中符号的意义见图1、2。3.4地基土体饱和度计算中选取的地层基本计算条件如图7所示，图中H为隧道拱顶埋深；Hw为地下水位，此处为简单起见取Hw=0m；γ为土体饱和重度；D为衬砌外径；K0为地基静止侧向土压力系数；Ks为土体抗力系数。浆液密度为2.5g/cm3，拱顶处注浆压力取上覆土体压力的1.25倍。盾构机通过7只千斤顶推动，总推力T=14000kN。根据上述地层条件，计算得到各压力荷载值如表1所示。4有限概率分析4.1分布规律，仅有一个单次分布如前所述，施工阶段隧道衬砌所受荷载在纵向分布并不均匀，使得衬砌的变形也产生变化。3种型式衬砌变形大小不同，但分布规律基本一致。以连续衬砌为例，后部的衬砌（第7～10环）其竖向土压力明显大于水平土压力，使得衬砌发生较大的竖向压缩，而前部衬砌（第2～6环）受到如图1所示的注浆压力荷载，水平向压力大于顶部压力而小于底部压力，并且受到第1环衬砌的约束，连续型衬砌水平位移在隧道纵向上的分布及前、后断面变形如图8所示。4.2衬砌应力分布由于上述衬砌前后变形存在差异，又由于衬砌前部受到注浆压力在竖向不平衡引起隧道上浮，从而导致竖向位移沿纵向的不均匀，使得衬砌管片的应力在纵向也发生变化，3种型式衬砌应力分布规律基本一致。连续型衬砌管片x,y向正应力和xy平面上的剪应力分布如图9所示，从图中可以看出，由于变形差异导致前部衬砌的剪应力有较大的增加，达到3MPa。4.3模型的连续模型和连接结果的比较4.3.1衬砌变形特点计算得到3种型式衬砌后部管片直径变化量见表2。从表中可以看出，通缝拼装衬砌管片变形最大，错缝拼装衬砌次之，连续型衬砌变形最小。主要是由于拼装衬砌管片之间存在接头，与连续型衬砌相比，其变形刚度降低许多。而同为拼装衬砌，错缝拼装衬砌由于接缝处的变形受到相邻衬砌环管片的约束，其变形刚度比通缝拼装衬砌大，因而变形量较小。可见，对于本文采取的通缝和错缝拼装衬砌，其横断面变形刚度约分别相当于连续型衬砌的0.55和0.65倍。4.3.2衬砌管片应力3种型式衬砌管片z向的正应力分量基本相同，此处不予列出。通缝、错缝拼装衬砌管片应力沿隧道纵向的分布如图10、11所示，其应力分布规律与图9所示的连续型衬砌管片应力分布规律基本一致，但应力大小却相差很大。计算得到3种型式衬砌管片施工阶段的应力分量最大值见表2。从图11中可以看出，由于错缝拼装衬砌管片体约束了相邻衬砌环管片接缝处的变形，使得管片体的应力比通缝拼装衬砌大，混凝土管片的受力性能得到更大程度的发挥。5混凝土管片受力性能(1）由于施工阶段衬砌管片受到的外荷载在隧道纵向的差异，导致衬砌管片应力的变化，特别是衬砌横断面上的剪应力变化较大，当注浆压力较大时应引起重视。(2）错缝拼装衬砌由于受到相邻衬砌环的约束