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盾构隧道衬砌接头刚度有限元分析吴兰婷;兰宇;曾东洋【摘要】接头刚度是装配式衬砌结构设计的一个重要参数,通过有限元分析软件ANSYS建立了管片接头的平面和空间有限元模型,应用所建立的模型对影响接头刚度的主要因素即管片与管片之间垫层材料的性能和厚度、连接螺栓预紧力的大小及管片接头不同的受力状态进行了系统的分析,为盾构隧道管片设计提供了参考.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2013(000)010【总页数】3页(P181-183)【关键词】接头刚度;盾构隧道;有限元分析【作者】吴兰婷;兰宇;曾东洋【作者单位】中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安710054【正文语种】中文【中图分类】U455.431 概述盾构隧道技术是现代地下工程中广为采用的一种技术，由于其衬砌结构的特殊性和结构受力的复杂性，使得管片设计有很大难度。
隧道衬砌是一种预制的管片构件拼装结构，环向与纵向管片仅用螺栓连接，其结构形态具有典型非线性特征。
接头是装配式管片衬砌的薄弱环节，它很大程度上控制着衬砌结构整体的变形和承载力，因此接头的强度计算是整个结构计算中的重点内容。
表示管片接头处变形和受力的特征参数是接头刚度，它定义为接头产生单位转角所需的弯矩。
这一特征参数的特性对于衬砌隧道的受力状态和变形具有非常大的影响，因此管片的接头刚度是设计中一个十分重要的参数。
影响接头刚度的因素很多，主要有:接头的构造、连接螺栓的布置、管片与管片之间垫层材料的性能和厚度、连接螺栓的预紧力的大小与接头不同的受力状态等。
本文作者通过大型有限元计算软件，对影响接头刚度的因素进行了分析研究，并对这些影响因素提出了见解。
2 有限元分析模型的建立2.1 接头力学模型接头刚度主要包括接头轴向刚度系数Kn、接头剪切刚度系数Kv和接头弯曲刚度系数Kθ。
轴向刚度Kn基本上与整体式衬砌没有太大的区别，切向刚度Kv主要是由螺栓的抗剪模量以及接缝处的摩擦来提供，对装配式结构的内力影响不是很大，故在此不予考虑。
文章编号:1009-6582(2005)02-0001-06拼装方式对盾构隧道衬砌结构变形和内力的影响分析曾东洋 何 川(西南交通大学地下工程系,成都610031)摘 要 文章结合广州地铁区间盾构隧道管片衬砌结构设计,采用梁-弹簧模型计算法对不同拼装方式下的盾构隧道衬砌环变形和弯矩、轴力、剪力等内力分布以及衬砌环变形量和内力随隧道埋深的变化规律进行了探讨和分析。
通过对盾构隧道装配式衬砌结构变形和内力分布规律及影响因素的系统研究,深入探讨了拼装方式对盾构隧道管片衬砌结构设计的影响。
关键词 盾构隧道 管片拼装方式 衬砌变形 结构内力 梁-弹簧模型中图分类号:U 451+.4 文献标识码:A盾构隧道装配式衬砌结构存在通缝和错缝两种不同的拼装方式,如图1所示。
目前在国内,上海盾构隧道普遍采用通缝拼装方式,而广州、深圳、北京、南京等地的地铁盾构隧道衬砌结构设计中普遍采用错缝拼装方式。
在国外,无论是欧美还是日本,一般皆采用错缝拼装方式[1,2]。
从拼装方式对管片结构的刚度和受力影响角度出发,错缝式拼装可提高管片环结构的整体刚度,增强结构整体性,有利于结构的正常使用,但错缝拼装将引起结构内力和管片接头数量的增大,对结构的整体防水会造成影响。
通缝式拼装具有拼装迅速、施工效率高、便于结构防水等优点,但衬砌环结构整体刚度较低,变形量大,易对隧道的安全运营造成影响。
本文以广州地铁3号线大-沥区间盾构隧道衬砌结构为研究对象,在对盾构隧道装配式衬砌管片接头进行研究的基础上,采用梁-弹簧模型[3,4]对不同拼装方式下衬砌结构的变形和内力分布进行了研究,以期为管片环拼装方式和结构内力设计提供借鉴和参考。
1 结构内力计算模式根据衬砌结构与地层相互作用方式的不同,隧道结构内力计算方法可主要分为荷载-结构法和地层-结构法两种类型[5]。
目前,国内外盾构隧道衬砌结构设计和内力计算普遍采用荷载-结构法计算图1 管片拼装方式比较F i g .1 Compar i son of d ifferent segment asse m bli ng m ethods模式(图2),地层抗力通过在衬砌环全周设置径向和切向地基弹簧单元来体现。
第五章程序的界面处理ｆ３）提供了易学易用的应用程序集成开发环境；（４）结构化的程序设计语言；（５）支持多种数据库系统的访问；（６）支持动态数据交换、动态链接库和对象的链接与嵌入技术（７）完备的Ｈｅｌｐ联机帮助功能。
５．２程序的界面处理隧道管片衬砌内力计算程序界面处理的思路是：通过界面将数据输入，并写入到ＦＯＲＴＲＡＮ程序中的数据文件，以便运行执行文件时调入；之后激活ＭＳ．ＤＯＳ窗口，进入到编译连接得到的执行文件所在的子目录下，运行执行文件；在计算程序中将盾构隧道衬砌各截面的内力及位移写入到输出文件：在后处理时将输出文件的数据读入并绘成内力图形。
卜ＩＡｌ介绍盾构隧道管片衬砌内力计算程序的界衄。
首先，点击由ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ形成的执行文件，弹出图５－１所示的窗口。
图５－１欢迎窗口点击“继续”按纽，弹出图５－２所示的窗口。
如选择均质圆环计算方法，将出现５—３所示窗口，提示均质圆环计算方法的数据文件路径及数据文件名。
第五章程序的界面处理图５－２选择计算方法窗口图５－３均质圆环数据文件路径及文件名窗口在“数据文件路径”下输入计算程序的数据文件所处的路径。
在“数据文件名”下输入数据文件名。
这一步是确保程序执行过程中的输入输出正常进行。
然后，点击“确定”按纽，弹出图５—４所示的“均质圆环数据输入窗口”。
图５－４均质圆环数据输入窗口在图５—４中，可以输入程序执行过程中所需要的数据。
前三个按钮分别为“管片尺寸及地层参数”、“配筋参数”、“千斤顶参数”的数据输入按钮。
第四个按钮为“数据文件写入”按钮。
单击“管片尺寸及地层参数”按钮，弹出“管片尺寸及地层参数卡”，如图５．５所示。
其上有“覆土厚度”、“地下水位”、“管片外径“、管片宽度”、管片厚度“、土容重”、“混凝土容重”、“土的粘接力”、“土的内摩擦角”、“地面附加压力”、“地基反力系数”、“侧向土压系数”、“刚度调整系数”、“弯矩增一３９—第五章程序的界面处理图５－５管片尺寸及地层参数窗口大系数”、“混凝土的弹模”、“钢筋的弹模”、“内力计算角度增量”、“钢筋允许拉应力”、“钢筋允许压应力”、“混凝土允许压应力”。
盾构隧道管片衬砌内力计算方法比较
盾构隧道是现代城市化进程中最常见的地下隧道形式，随着城市的不断发展，越来越多的城市需要建设地下交通隧道。
盾构隧道的管片衬砌内力计算是盾构隧道建设过程中的重要环节。
本文将从几个方面来比较目前常用的盾构隧道管片衬砌内力计算方法。
第一、有限元法
有限元法是目前使用最广泛、应用最为成熟的计算方法之一，它通过离散化相应区域，建立微分方程，利用有限元分析软件来计算应力和应变分布，从而得到管片衬砌的内力。
这种方法的优点是计算结果精确可靠，具有较高的可重复性和可调节性，适合计算各种复杂条件下管片衬砌的内力。
第二、解析法
解析法是一种经典的数学分析方法，通过对管片衬砌的简化模型建立数学解析模型，从而得到内力的解析解。
这种方法的优点是计算速度快，计算结果精度高，适用于简单条件下的管片衬砌内力计算。
缺点是只适用于简单的几何形状，无法应用于复杂的情况。
第三、实验法
实验法是通过对管片衬砌进行特定实验，测量相应的数据，利用数学模型来计算管片衬砌的内力。
这种方法的优点是可以考虑到复杂条件下的多种因素，得到较为真实的内力值，缺点是实验成本较高、操作复杂，而且实验过程有一定的风险。
综上所述，以上三种计算方法各自有其优缺点，应针对不同情况进行选用，最终得到的结果需要结合实际情况进行分析和比较。
在实践中，工程师们应采用不同的计算方法来计算管片衬砌内力，最终得到最为精确、可靠的结果，从而保障盾构隧道建设的安全与可靠。
计算盾构施工过程中衬砌内力的两种方法比较【摘要】盾构隧道的建造是一个多步骤施工的过程，为了更好地分析衬砌的受力状况，采用地层―结构法和荷鞍―结构法从不同角度对施工过程加以模拟，并各有侧重。
地层―结构法引进应力释放系数概念，依据结构与土相互作用的观点，对施工过程中影响隧道内力的因素进行分析，奉文还针对施工过程中注浆压力、注浆影响范围对衬砌内力产生的影响进行了讨论；同时，采用荷载―结构法，考虑施工过程中荷载的变化，特别是注浆压力的变化米计算衬砌结构内力。
最后，结合工程实例，比较了两种计算方法给出计算结果的差别，这为设计方法的改进提供了依据。
【关键词】盾构隧道施工过程地层―结构法荷载—结构法1 前言盾构机械施工时，首先依靠盾构机本身的刚性支护和开挖面土压力的平衡装置而开挖前方土体，随着盾构的推进，不断拼装管片，同时在盾尾向衬砌环外围进行注浆。
由于注浆材料的逐渐凝固以及土体的固结，整个隧道的隧道受力状态趋于稳定，投入运营使用。
在运营阶段，又会受到列车的振动荷载和人群荷载。
从以上过程可以看出：盾构隧道的建造是一个复杂的多步骤施工过程。
在进行衬砌内力分析中为了模拟施工过程，地层―结构法与荷载―结构法分别采用了不同的假设条件和设计理论，以期全面的反映盾构衬砌的受力状况。
荷载―结构法首先把一切影响因素转化为荷载作用在结构上，这样需要引进诸多假设，如假设水土压力分布形式，地基抗力等。
然后利用按最不利工况荷载组合的原则来进行内力分析，寻求盾构隧道内力包络图。
地层一结构法分析中引进应力系数释放的概念，将土与隧道作为一个整体宋分析计算，建立模拟盾构隧道衬砌施工全过程的有限元分析模型，这就回避了荷载结构法中引进的假设，从最大限度上模拟了各个施工因素对衬砌受力的影响。
本文依据自行研制的同济曙光软件，采用地层―结构法和荷载―结构法对盾构隧道的施工过程做出模拟，并比较分析结果。
2 盾构衬砌的结构分析模型2.1管片的离散化盾构隧道衬砌结构通常属管片―接缝构造体系，其在隧道横断面上为若干管片通过螺栓连接成管片环，在隧道纵向上为管片环通过纵向螺栓连接，呈通缝或错缝拼装而成。
推导盾构隧道衬砌结构断面内力系数表隧道工程是一项复杂而重要的工程，而盾构隧道作为一种常见的隧道建造方法，其衬砌结构的设计和施工是至关重要的。
衬砌结构的设计需要考虑到各个方向上的内力分布情况，以保证隧道的安全和稳定性。
为了更好地理解和应用盾构隧道衬砌结构的内力分布特点，我们可以通过推导盾构隧道衬砌结构断面内力系数表来进行分析和设计。
在推导盾构隧道衬砌结构断面内力系数表时，首先需要了解盾构隧道衬砌结构的基本构造和工作原理。
盾构隧道衬砌结构一般由环片、撑拱和地基组成。
环片是盾构隧道衬砌结构的主要承重构件，它承受着来自地层和隧道内部压力的作用力。
撑拱作为辅助构件，可以增加隧道的稳定性和抗压能力。
地基则是盾构隧道衬砌结构的基础，承受着来自上部结构和地层的荷载。
在推导盾构隧道衬砌结构断面内力系数表时，需要考虑到衬砌结构在不同方向上的受力情况。
一般来说，盾构隧道衬砌结构的受力主要分为径向和切向两个方向。
在径向方向上，衬砌结构受到地层和隧道内部压力的作用，主要承受着挤压力和弯矩。
在切向方向上，衬砌结构受到地层和隧道内部荷载的作用，主要承受着剪力和轴力。
通过对盾构隧道衬砌结构断面内力分析的研究，可以推导出不同方向上的内力系数。
内力系数是衬砌结构在不同方向上受力的比例系数，可以用来评估结构的受力情况和设计衬砌结构的尺寸。
在推导盾构隧道衬砌结构断面内力系数表时，需要考虑到不同地层条件和隧道施工参数的影响。
不同地层条件会对衬砌结构的受力产生不同的影响，而隧道施工参数如盾构机的直径、推进速度等也会对衬砌结构的内力分布产生影响。
通过推导盾构隧道衬砌结构断面内力系数表，我们可以更好地理解和应用盾构隧道衬砌结构的内力分布特点。
这有助于我们设计和施工更安全、更稳定的盾构隧道。
同时，推导盾构隧道衬砌结构断面内力系数表也有助于提高工程师对盾构隧道衬砌结构的认识和理解，为隧道工程的设计和施工提供参考和指导。
在实际的工程应用中，推导盾构隧道衬砌结构断面内力系数表可以帮助我们更好地评估和优化衬砌结构的设计方案。
文章编号:1673-0836(2005)05-0707-06盾构隧道衬砌结构内力计算方法的对比分析研究曾东洋,何 川(西南交通大学地下工程系,成都 610031)摘 要:在对目前国内外盾构隧道衬砌结构设计中普遍采用的惯用法、修正惯用法、多铰圆环法和梁-弹簧模型计算法进行详细介绍的基础上,以南京地铁南北线为研究对象,运用不同设计方法对盾构隧道在不同埋深下的管片环最大变形量、轴力、弯矩、剪力、螺栓剪力等的大小、分布规律及影响因素进行了系统研究,深入探讨了设计方法对盾构隧道衬砌结构设计所造成的影响。
关键词:盾构隧道衬砌;惯用法;修正惯用法;多铰圆环法;梁-弹簧模型中图分类号:U451 文献标识码:AComparison and Analysis Research of Different ShieldTunnel Lining Internal Forces Design MethodsZE NG Dong-yang,HE Chuan(Dept.of Tunnel&Underground Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu610031,China)Abstract:On the basis of detailed description of different methods widely used in the shield tunnel lining design wowa-days,such as the routine method,the modified routine method,the multi-hinge ring method and the beam-sprin g meth-od,a s ystematic investigation on the distribution and influential factors of the shield tunnel segment ring deformation,axis force,moment,segment shear force and bolt shear force with different design method and cover depth of the Nanjing Metro South-North Line are carried out,in fluences of different design methods on the shield tunnel linin g design are also dis-cussed.Keywords:shield tunnel linin g;routine method;modified routine method;multi-hinge ring method;beam-spring method1 引言根据工程设计中对管片接头的不同力学处理方式,国内外盾构隧道管片衬砌结构设计方法主要可分为(修正)惯用法、多铰圆环法和梁-弹簧模型计算法等四种。
我国主要采用(修正)惯用法或在依据已有工程经验的基础上采用工程类比法进行设计[1],而国外主要采用多铰圆环法[2]和梁-弹簧模型计算法[3]对盾构隧道管片衬砌结构进行内力计算和结构设计。
不同设计方法对盾构隧道管片接头力学性能的假设不尽相同,从而使得工程设计过程中因设计者采用不同设计方法计算所得控制衬砌结构设计的力学参数,如结构变形、内力大小及分布等产生较大差异,导致设计过于保守或偏于不安全。
鉴于此,本文以南京地铁南北线一期工程为背景,在对盾构隧道管片接头刚度研究[4]的基础上,分别运用(修正)惯用法、多铰圆环法和梁-弹簧模型计算法对在不同埋深下的盾构隧道衬砌结构变形和内力分布等设计因素进行系统研究和比较,以探明不同第1卷 第5期2005年10月 地下空间与工程学报Chinese Journal of Underground Space and Engineering Vol.1Oct.2005收稿日期:2005-03-09(修改稿)作者简介:曾东洋(1977-),男,重庆铜梁人,西南交通大学地下工程系博士研究生,主要从事盾构隧道设计理论与方法研究。
设计方法下的盾构隧道管片环内力分布,为工程设计提供参考。
2 盾构隧道结构计算方法特征分析目前,国内外盾构隧道衬砌结构设计主要以荷载-结构计算模式为主[5]。
根据计算过程中对管片接头刚度、接头螺栓内力传递和外荷载分布形式的不同力学假定,荷载-结构计算模式又主要分为(修正)惯用法、多铰圆环法和梁-弹簧模型计算法等四种设计方法。
不同设计方法中对管片接头的处理、外荷载作用形式和工程适用范围均存在较大差异,现分别叙述如下。
2.1 (修正)惯用法惯用法最早提出于1960年,并在日本得到了广泛应用。
惯用法在计算过程中假设管片环是弯曲刚度均匀的圆环,不考虑接头所引起的管片环局部刚度降低。
惯用法计算过程中假设垂直方向地层抗力为均布荷载,水平方向地层抗力为自衬砌环顶部向左右45°～135°分布的均变三角形荷载。
修正惯用法是在惯用法的基础上引入弯曲刚度有效率η和弯矩提高率ζ,以接头刚度的降低代表衬砌环的整环刚度下降,管片环是具有ηEI 刚度的均质圆环。
考虑到管片接头存在铰的部分功能,将向相邻管片传递部分弯矩,使得错缝拼装管片间内力进行重分配,修正惯用法在计算过程中引入了弯矩提高率ζ,主截面设计弯矩(1+ζ)M ,接头设计弯矩(1-ζ)M 。
修正惯用法计算所选用参数η和ζ主要根据实验或经验取定[6],其计算荷载系统与惯用法相同。
2.2 多铰圆环法计算中将管片接头假设为铰结构,由于多铰圆环结构自身的不稳定性,只有在隧道周围围岩的围压作用下才能稳定承载,故主要适用于隧道围岩状况良好且普遍具有抗力的情况下,结构变形所引起的地基抗力一般根据Winkler 假设进行计算。
因此,结构外荷载以及围岩土抗压力的确定对多铰圆环法内力计算尤为重要。
2.3 梁-弹簧模型计算法由于将管片模拟成曲线梁或直线梁,接头用旋转弹簧和剪切弹簧替代,梁-弹簧模型计算法可以对任意一种管片环组装方式和接头位置下的衬砌环、接头螺栓变形和内力进行计算。
通过在计算过程中引入抗弯刚度、抗剪刚度等接头力学参数,梁-弹簧模型计算法较好地评价了管片接头所引起的刚度下降以及衬砌环的错缝拼装效应。
目前,该设计方法所用各类刚度系数主要通过接头试验[7]或数值计算[4]确定。
衬砌结构设计方法的选用主要受隧道用途、围岩状况、目标荷载、管片结构及所要求计算精度等的影响。
荷载的确定对结构内力计算尤为重要,上述四种方法所选用的目标荷载系统分别如图1所示。
图1 计算方法与相应荷载系统Fig .1 Design methods and the corresponding load system3 工程实例概况南京地铁南北线一期工程TA15标段区间盾构隧道主要穿越古河道漫滩地层,区间盾构隧道在淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉细砂中通过,地质条件复杂,覆土层次多,分布不均匀,土质差异大。
上部土体为填土层及中、晚全新世冲淤积形成的松散-稍密粉砂、粉土、淤泥质软弱土、粉质黏土。
中、下部土体为晚更新世-早全新世冲积成因粉质黏土、中-密实粉细砂。
底部基岩为上侏罗纪龙王山组安山岩、强风化层风化强烈呈砂土状;局部燕山期侵入岩体闪长玢岩、辉长岩,强度较高,基岩埋藏较深,均大于25m 。
区间盾构隧道穿越地层地质参数如表1所示。
708地下空间与工程学报 第1卷表1 盾构隧道围岩物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters ofthe shield tunnel surrounding soil厚度/m凝聚力C /kPa内摩擦力/φ°容重γ/kN m 3弹性模量E /MPa 地表浅层10.5717.6021.6919.258.09隧道所在地层12.0041.206.9019.354.78隧道底部地层4.6749.207.3119.756.39深层岩体13.3387.6023.5019.627.24南京地铁一号线区间盾构隧道埋深主要在(8.0～14.8)m 之间,局部最大埋深约25.6m 。
衬砌环采用单层装配式预制钢筋混凝土管片,混凝土标号为C50。
隧道开挖直径6.4m ,管片外径6.2m ,内径5.5m ,幅宽1.2m 。
整环管片拼装采用3个标准块、2个邻接块和1个封顶块,其中标准块圆心角为67.5°,邻接块圆心角为68.0°,封顶块圆心角为21.5°。
区间盾构隧道采用45°错缝拼装,共设纵向接头16处,按22.5°等角度布置。
如图2所示。
图2 衬砌结构横、纵断面图Fig .2 Transverse and longitudinal sketch of lin ing structure4 计算结果及分析结合南京地铁南北线一期工程区间盾构隧道中心埋深和所处地质条件,分别采用(修正)惯用法、多铰圆环法和梁-弹簧模型计算法对管片环结构变形、弯矩、轴力、剪力、螺栓剪力等的大小和分布进行计算,计算结果比较分析如下所述。
其中,C50钢筋混凝土弹性模量E =3.45×104MPa ,管片弯曲刚度有效率η=0.7,弯矩提高率ξ=0.3[2],接头抗弯刚度k θ+=6.27×104kN ·m rad ,k θ-=5.19×104kN ·m rad[4];受铰结构传力特性影响,取多铰圆环计算法中管片接头抗弯刚度k θ+=k θ-=0。
不同计算模型中均取管片环间剪切弹簧系数无穷大,即假设管片环间不产生相对滑移和错动。
4.1 结构变形及最大位移量比较四种设计方法计算得衬砌环结构变形分别如图3所示。
由图3可以看出:惯用法和修正惯用法计算所得衬砌环变形规律相同,最大位移量均发生在隧道顶部;受铰结构的传力特性影响,多铰圆环法计算所得最大变形量发生在靠近隧道顶部的铰接头处;受接头抗弯刚度和邻近管片影响,梁-弹簧模型计算法计算所得衬砌环整环最大变形量发生在较多铰圆环法更靠近隧道顶部位置。
不同设计方法计算所得衬砌环最大位移量随隧道中心埋深变化如表2所示。
从中可以看出:四种设计方法下,管片环最大位移量随隧道埋深的增大而增加,但不同设计方法所得管片环最大位移量存在较大差异:多铰圆环法管片环位移量最大,而惯用法计算所得位移量最小。
例如,在隧道中心埋深为24.6m 时,两种计算所得衬砌环最大位移量分别为7.652mm 和5.692mm。
