浅谈管片设计的优化

浅谈管片设计的优化

1盾构管片设计优化管道是结构法隧道的永久衬砌结构。管道的成功直接关系到结构隧道的质量和长度。同时，管道的设计应在保证安全的前提下尽可能考虑其经济。因此，研究管道设计优化问题具有现实意义。管片的设计定型是盾构法隧道设计的第一个重要环节,管片的形式、尺寸等有关参数的确定,对盾构机的外径、总长、装备能力、机型选择、推进方式直至工期等的确定都有直接影响。盾构隧道的断面形状一般多为圆形,且其衬砌目前使用最多的,是单层钢筋混凝土管片,因此本文只针对此类管片进行研究。2隧道结构使用功能经过长期的积累,普遍认为影响管片设计的条件主要包括:隧道的使用功能,如作为公路隧道、排水管、地铁隧道等;结构运营寿命;运营空间要求,如净空、线路、施工精度等;预埋件结构,如起吊件、连接预埋件等;防水要求;规范规定的其它要求等。2.1管的形状(1)管环的外径管片环的外径尺寸,取决于隧道净空和管片厚度。(2)管的厚度管片的厚度主要取决于荷载条件,但有时隧道的使用目的和管片施工条件也起支配作用,如为了防腐而加大管片厚度。(3)管片宽度管片的宽度从便于搬运、组装以及在隧道曲线段上的施工,考虑盾尾长度等条件,管片宽度小一些为好。但是,从降低隧道总长的管片制造成本,减少易出现漏水等缺陷的接头部数量、提高施工速度等方面考虑,则此宽度大一些好。所以,应根据隧道断面,结合实际施工经验,选择在经济性、施工性方面较合理的尺寸。(4)管片和k型管片相结合的管片段管片环一般由数块A型管片、两块B型管片和一块可在最后封闭成环的K型管片组成。管片的分块直接影响到螺栓的个数,所以应同时考虑,以方便施工。2.2计算方法和管架的负荷(1)衬砌结构的特性根据管片的种类、接头的形式、接头的位置组合所产生的接头效应、衬砌结构与地层之间的作用、衬砌结构的力学模型等,对衬砌的结构特性进行确切的评价是非常重要的。在计算管片环的断面应力时,常用的有三种方法:①把管片环作为具有均质刚度的环来考虑的方法,②作为多铰环来考虑的方法,③作为具有回转弹簧和剪切弹簧的环来考虑的方法。(2)隧道荷载的三大影响计算管片结构时的荷载一般包括垂直和水平土压力、水压力、自重、上覆荷载的影响、地基抗力、内部荷载、施工荷载、地震的影响、平行配置隧道的影响、近接施工的影响、地基沉降的影响及其它。2.3管道设计细节管片设计的细节包括管片环的楔形量、接头结构型式、螺栓配置数量、结构防水设计、注浆孔、起吊环、管片配筋、防腐蚀等。3基于项目背景和优化设计理念的概念3.1计算参数选取为使管片研究更接近工程实际,我们结合国内南京地铁区间盾构隧道工程进行管片设计的优化和分析研究。该工程原管片设计参数为:外半径3.1m,内半径2.75m,中心半径2.925m,宽度1.0m,厚度350mm,分块数目为6块且最大的底块为84°,拼装方式为通缝拼装。选择盾构直接穿越三类有代表性的土体作为计算对象,即淤泥质粉质粘土、粉土、粉砂。计算所需参数根据地质情况综合取定。计算中,首先分别对三种有代表性的土质进行对比计算,经比选后取最不利的淤泥质粉质粘土作为最终的计算对象,计算参数见表1。3.2管片衬砌结构的改进方案影响管片设计的因素很多,并且这些因素大部分都是客观存在的,很难或不可能改变,如隧道直径、地应力大小和方向、围岩的结构和岩性等。可以通过人为改变的因素只有管片的设计厚度与宽度、管片的分块、拼装方式等,所以本文主要从这个角度来研究管片设计的优化。进行优化改进的具体思路为:(1)在管片衬砌结构施工期间的安全性和使用阶段的安全储备不低于原设计的前提下,通过采用更加合理的分块、整体偏转等手段,保持配筋总量不变,但将原来设计的管片厚度由350mm降低为300mm,可以节约材料、减少开挖量,并减小盾构机外径与装备能力,从而降低工程造价;(2)将原设计管片的宽度由1.0m扩幅到1.2m,使同等里程内的隧道环向接缝数减少,漏水概率变小,防渗效果就会比原来好,这样又可使纵向接头数减少约20%左右,可减少管片制作费用和安装费用,并可提高功效,加快施工进度;(3)通过调整管片衬砌圆环分块及环向、纵向接头位置,将原设计管片的全区间通缝拼装方式,根据所在区间具体位置,改变为通缝拼装与错缝拼装兼用的方法,以改善衬砌结构的受力状况和抗变形的能力,发挥各拼装方式的优势。4对管结构值的模拟分析4.1管片结构的总体计算方法对盾构隧道管片结构截面内力及变形方面的计算,目前国内外尚无完全成熟的、公认的计算方法,多以经验性的简化计算为主。本次计算中,首先将较精确的计算法(考虑接头位置与刚度,及通缝与错缝的实际差异,并考虑隧道与周围土体的实际相互作用关系)与简化的计算法(匀质圆环)进行比较,见图1。结果表明,简化计算法因不能明示接头位置,较难反映实际的受力状况(如匀质圆环隧道整体偏转某一角度后截面内力及变形的结果不变、不能反映纵向及环向接头的受力情况等),且计算结果偏于不安全的方向,故统一采用能考虑接头位置与刚度的计算法。管片结构的总体计算力学模式采用荷载-结构模式,见图2。计算荷载按水土压不分离作用方式考虑。其中,竖向荷载W1为隧道上方土体的自重γH(用湿容重γ)和地面超载P0之和,侧向荷载q1和q2为相应处竖向荷载乘以水平土体静止侧向压力系数λ,隧道底部的竖向反力W2为竖向荷载W1与隧道自重Wg之和。衬砌圆环与周围土体的相互作用通过设置在衬砌圆环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,计算中用反复迭代的计算方法来实现这一情况,弹簧单元的刚度由衬砌周围土体的地基抗力系数(其值按表1取定)决定。衬砌圆环的结构按以下两种力学模式进行模拟:衬砌国际圆的刚度将衬砌圆环考虑为弹性匀质圆环,用小于1的刚度折减系数η来体现环向接头的影响,不具体考虑接头的位置,即仅降低衬砌圆环的整体抗弯刚度。用曲梁单元模拟刚度折减后的衬砌圆环。在本计算中,此种模式仅用于通缝式接头的计算,并根据经验将η取0.55,0.65,0.75三种参数作对比计算分析。环间传力接触参数的确定在一衬砌圆环内,具体考虑环向接头的位置和接头的刚度,用曲梁单元模拟管片的实际状况,用接头抗弯刚度Kθ来体现环向接头的实际抗弯刚度。为错缝式拼装时,因纵向接头将引起衬砌圆环间的相互咬合作用,此时根据错缝拼装方式,除考虑计算对象的衬砌圆环外,将对其有影响的前后的衬砌圆环也作为对象,采用空间结构进行计算,并用圆环径向抗剪刚度Kr和切向抗剪刚度Kt来体现纵向接头的环间传力效果。在本计算中,根据计算管片接头的情况,参照国内外有关试验研究结果,全部环向接头的抗弯刚度Kθ在隧道内侧受拉时取定为5×104kN·m·rad-1,隧道外侧受拉时取定为3×104kN·m·rad-1。另外,在本计算中,当为错缝拼装时,出于偏于安全地考虑,纵向接头的径向抗剪刚度Kr和切向抗剪刚度Kt均取为无穷大,即认为各环管片在纵向接头处不产生错动。4.2最小土压力作用荷载方面,国内外主要采用太沙基公式或其修正式为主体进行土压力计算,并有将土压与水压作分离或联合的多种方法,但均带有较大主观性和近似性。故从安全方面考虑国外也有取最小土压力不能小于2D或1.5D(当计算土压力小于此值时)的经验法。考虑到本次计算的最小、最大埋深分别为11m和15.17m,故偏于安全地将上覆土体自重(多层平均后之近似值)完全作用在隧道结构进行计算分析。4.3计算方案和结果4.3.1计算管道类型(1)计算方案与原设计的对比,可将原设计作为参照对原设计盾构隧道管片进行计算的目的,一是为了使我们明白原设计其各项指标的大小,二是将原设计作为参照,以后的计算方案可与原设计进行对比。原设计计算管片在纵向为通缝式拼装,管片的分割角度、管片的尺寸、材料、接头、配筋及其它各部分均完全按设计图(选择对直线部位的衬砌圆环进行计算)。(2)管片的tp合成隧道内径不变,但将“原设计”管片的厚度由350mm减薄为300mm。同时,管片的分割角度、管片的材料、接头、配筋总量及其它部分均与“原设计”一致,可理解为从原管片中心部位处抽出了50mm厚的混凝土。不调整纵向接头位置,管片在纵向仍为通缝式拼装,主要尺寸为:外半径3.05m;内半径2.75m;中心半径2.9m;宽度1.0m;厚度300mm。(3)纵向接口系统管片的布置除管片的分割角度外,与“减薄型”一致。“减薄调整型”的管片分块仍为6块,封顶块22.5°,其余5块均为67.5°,纵向接头为16处,按22.5°等角度布置。管片的布置详见图3,管片在纵向可实现通缝式和错缝式两种方式拼装,主要尺寸为:外半径3.05m;内半径2.75m;中心半径2.9m;宽度1.0m;厚度300mm;分块数目为6块。4.3.2荷载管片结构方案通过对荷载类别管片类型、土体性质、埋深、拼装方式、衬砌圆环计算的力学模式等进行组合,共对有代表性的21组荷载管片结构方案进行了计算。5结论分析5.1超荷载作用下的计算“原设计”在11m埋深条件下,拱顶变形4.35mm,具有较大安全储备;但当埋深为15.17m时,拱顶变形达5.91mm,接近0.1D的允许变形量(本次计算中的设定标准)。同时因拱底块出现的弯矩过大,而导致内侧混凝土受拉裂缝达0.264mm,超过了0.2mm设定标准。但这是在15.17m土柱重量这一超荷载作用下的结果,不能轻言原设计不能成立,本次计算仅将其作为参照进行对比。在与“原设计”的各种条件完全相同,仅将原设计管片厚度减薄为300mm的“减薄型”的计算结果为:在11m埋深下能满足设计要求,在15.17m时拱底块内侧混凝土裂缝为0.224mm,超过了0.2mm的设定标准,而小于“原设计”的0.264mm,但拱顶最大变形达6.117mm,稍微超过了0.1D(此时D=6.1m)的设定标准。对“原设计”作简单减薄后的“减薄型”管片结构在安全性上与“原设计”较为接近并各有长短,如作为设计还尚缺乏充分的理由。但计算结果表明,在某一土压力范围及一定的管片分块情况下,简单地加大管片厚度,会导致弯矩增大,同时引起混凝土的裂缝增大。这一现象从侧面为我们提供了一个有力的佐证,即:当管片直径为6m左右时,应采用300mm厚的管片。目前,广州、深圳地铁全部采用的管片厚度为300mm,但如果有其他考虑(如防腐要求),可以适当加厚,单从结构受力来说,管片厚度为300mm足以满足各个阶段的各种荷载。5.2“计”拱顶变形情况在其它条件不变的情况下,将“原设计”和“减薄型”隧道圆环结构整体向左或向右偏转15°(非错缝拼装),如图4所示,再进行计算,结果为:“原设计”拱顶变形由5.91mm减为5.18mm;混凝土最大裂缝宽度由0.264mm减为0.234mm,仍大于0.2mm标准值,但整体受力情况有改善。而“减薄型”的拱顶变形由6.117mm减为5.774mm,最大裂缝宽度由0.224mm减为0.170mm,满足设定的各项设计要求,以上结果表明,将管片由350mm减薄至300mm后,只要合理地布置接头位置,减薄后的隧道结构能完全满足各种设计要求,并优于原设计的各项标准。5.3减薄调整型管片设计方案的改进从多种方案的计算看出,“原设计”及“减薄型”的最大弯矩均在拱底出现,且量值极大,主要原因系拱底块过长所致,“原设计”分块角度达84°,不尽合理。“减薄调整型”则重新调整管片的分块,最大夹角为67.5°,此结构在15.17m埋深下,最大弯矩值大幅下降,最大拱顶变形值并无太大变化,说明“减薄调整型”较为合理地利用了接头,能防止弯矩的过大产生,并能将最大变形控制在许可范围。由此可知,类似于“减薄调整型”的管片结构尽管其厚度被减至300mm,要明显优于“原设计”及“减薄型”的管片。因而说明,可以通过减小拱底块、改动接头位置,以获得更加合理的内力分布,使衬砌结构设计更加经济合理。5.4错缝及通缝拼装通缝与错缝的差异主要是由管片间接头螺栓刚度和地层软硬决定的。但螺栓刚度很大,地层较为坚硬时,两种接头形式的区别很小。当地层软弱而且管片间接头螺栓的刚度较小时,通缝和错缝的差异较大。在能提供一定抗力的土体中,特别是在密实度较高的土体中,采用通缝式拼装时如隧道最大变形能满足允许值,管片结构体的截面内力(主要是弯矩)会得到有效控制,可充分地发挥管片结构的能力。但在变形量大的软弱土体中,尤其是在特浅埋、近地施工等特殊场合,尽管管片结构体抗弯矩的能力有很大富余,但有可能产生较大变形而丧失利用功能,此时宜采用错缝式拼装。错缝式拼装时,虽然要产生较通缝式拼装大的弯矩,但能有效地减少结构的变形。通缝和错缝之间的区别从本质上讲是一个管片环整体刚度上的差异。错缝的存在,使得管片环之间的螺栓可以发挥纵向加强作用,使得管片间接头处的薄弱部位得到加强从而增加了管片环整体的刚度。本次计算,通过对“减薄调整型”管片的试算,用22.5°,45°,33.75°等多种偏转角,用二环一组及三环一组进行拼装组合,尽管“减薄调整型”以通缝方式拼装时,在15.17m埋深下承载能力有较大富余。但以各种错缝式拼装时均因产生过大的弯矩而导致混凝土裂缝宽度过大而达不到设计要求。另一方面,在11m埋深时,“减薄