地铁盾构隧道管片接头抗弯刚度的数值计算_曾东洋

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。

地铁管片环向接头弯曲刚度试验研究提纲：1. 环向接头弯曲刚度试验的研究背景和意义2. 环向接头弯曲刚度试验的研究方法和实验配置3. 环向接头弯曲刚度试验的结果分析和结论4. 影响地铁管片环向接头弯曲刚度的因素分析5. 提高地铁管片环向接头弯曲刚度的措施和建议一、环向接头弯曲刚度试验的研究背景和意义地铁管片是近年来建筑领域中应用十分广泛的材料之一，其运用范围不仅仅限于地铁相关工程中，也可以用于建设其他的地下结构，比如地下隧道等等。

在此过程当中，管片的接头是一个非常重要的环节，其影响着整个管片的强度、刚度等基本力学特性，进而影响地铁隧道整个系统的稳定性和安全性。

因此，研究地铁管片的环向接头弯曲刚度特性，对于提高地铁隧道的建设质量，确保地铁隧道的安全运行，具有重要的现实意义。

二、环向接头弯曲刚度试验的研究方法和实验配置在进行环向接头弯曲刚度试验时，需要选定合适的试验样品和试验方法。

试验样品一般根据实际地铁隧道中使用的管片材料进行选择，常见的材料包括混凝土、钢筋混凝土等。

试验方法可以采用传统的钢规法或者德国SRT法等，这些方法在管片评价中已经得到了广泛的应用。

在实验配置方面，需要确保试验仪器的准确性和稳定性。

比如，在使用德国SRT法的时候，需要保证仪器的标准化和规范化，确保实验数据的准确性和可靠性。

三、环向接头弯曲刚度试验结果的分析和结论在进行环向接头弯曲刚度试验时，可以得到一系列关于管片弯曲刚度特性的数据。

根据实验数据进行分析，可以得出以下结论：环向接头弯曲刚度是影响管片整体刚度的关键因素之一，其刚度特性对管片抗弯性能的影响很大；不同材料的管片环向接头弯曲刚度存在较大差异，因此在施工时应根据具体情况选择合适的材料；现有的管片连接方式和设计方案对于管片的环向接头弯曲刚度影响较大，应加强设计和研究，提高管片的接头刚度。

四、影响地铁管片环向接头弯曲刚度的因素分析地铁管片环向接头弯曲刚度的强度和稳定性，受多种因素的影响。

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。

盾构衬砌管片接头内力变形统一模型及试验分析一、内容概要随着城市地铁建设的发展，盾构施工技术已经成为地铁隧道工程的主要施工方法。

然而盾构施工过程中的管片接头是影响隧道结构安全和使用寿命的关键因素之一。

为了解决这一问题，本文对盾构衬砌管片接头内力变形进行了统一模型的研究，并通过试验分析验证了模型的有效性。

首先本文从管片接头的结构特点出发，分析了管片接头在盾构施工过程中所受到的外力作用，包括盾构机推进力、土压力、地下水压力等。

在此基础上，建立了考虑这些外力的管片接头内力变形统一模型，该模型能够全面描述管片接头在不同工况下的内力变形规律。

其次为了验证模型的有效性，本文采用实验室试验的方法，对不同类型的管片接头进行了静载荷试验。

通过对试验数据的分析，得出了管片接头在不同工况下的内力变形分布规律，以及关键参数对内力变形的影响程度。

同时根据试验结果对模型进行了修正和完善。

本文结合实际工程案例，对所建立的模型进行了验证。

通过对实际施工中的管片接头内力变形的监测数据进行分析，证实了模型的有效性和实用性。

此外本文还提出了针对不同类型管片接头的内力变形控制措施，为盾构施工提供了有针对性的技术指导。

1. 研究背景和意义随着城市化进程的加快，盾构施工技术在地下工程中的应用越来越广泛。

盾构施工过程中，管片接头是连接盾构机与隧道壁的关键部件，其性能直接影响到隧道的结构安全和使用寿命。

然而目前关于盾构衬砌管片接头内力变形的研究尚不完善，主要集中在理论分析方面，而实际应用中的效果评价和改进措施仍需进一步探讨。

因此建立一套统一的盾构衬砌管片接头内力变形模型，以指导实际工程应用，具有重要的理论和实践意义。

首先研究盾构衬砌管片接头内力变形统一模型有助于提高工程质量。

通过对管片接头内力变形规律的深入研究，可以为工程设计提供更为精确的理论依据，从而降低工程风险，确保工程质量。

此外该模型还可以为施工过程中的质量控制提供技术支持，有助于提高施工效率和降低成本。

第６期曾东洋等：地铁盾构隧道管片接头抗弯刚度的数值计算７４５片接头及抗弯刚度．｜｝进行了数值模拟计算，以期得到可供实际工程应用的研究成果．１工程概况南京地铁南北线一期工程盾构第３标段由玄武门—许府巷和许府巷一南京站２个区间组成．其中玄武门一许府巷区间隧道为Ｖ形坡，最大纵向坡度为３０‰，最小曲线半径尺＝６００ｍ，埋深在９．５一１５．５ｍ之间，主要通过淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粘土和粉土等．许府巷一南京站区间隧道为Ｖ形坡，最大纵向坡度为２０％。

，最小曲线半径Ｒ＝４００ｍ，埋深在９．Ｏ～１５．０ｍ之间（局部埋深达２５．Ｏｍ），主要通过粘性土层、砂性土层和砂粘性土层．地铁区间隧道采用单层装配式钢筋混凝土管片衬砌，管片环内径为５．５０ｍ，幅宽１．２０ｍ，厚０．３５ｍ．衬砌分为６块，封顶块圆心角为２１．５。

，２个邻接块圆心角为６８．Ｏ。

，３个标准块圆心角为６７．５。

；错缝拼装，纵向接头１６处，按２２．５。

等角度布置．２计算模型２．１计算假定及单元划分计算采用ＡＮＳＹＳ５．６程序．在弹性范围内，采用以下假定：（１）小变形假定：与构件几何尺寸相比，管片接头端面在外荷载作用下产生的转角和变形非常微小，属小变形范畴．（２）平截面假定：除接触端面由于受螺栓拉力和混凝土挤压而形成曲面外，管片其余断面变形前后均为平截面．（３）材料均匀性假定：忽略材料几何制造等形成的差异，假定计算管片为均质的各向同性材料．（４）单弹簧假定：忽略弹簧剪切刚度变化对管片的影响，只研究转动刚度的变化，即在假设管片剪切刚度为无穷大的基础上研究旋转刚度的变化．基于上述假定，采用了以下单元：（１）为了防止接缝端面漏水及端头混凝土压碎，工程中一般在管片接头端面设置了橡胶止水带和软木衬垫，计算中接缝端面采用接触面单元、橡胶止水和软木衬垫采用单自由度零长度弹簧模拟．（２）工程中管片间通过螺栓连接紧固，螺栓中心距离管片内侧７０ｍｍ，计算中不考虑螺栓孔的影响，采用弹簧单元模拟螺栓．（３）钢筋混凝土中钢筋不模型化，计算管片用三维实体单元；计算参数为：Ｃ５０钢筋混凝土弹性模量为３５ＧＰａ，泊松比为０．２７．２．２网格划分与荷载工况计算采用整体笛卡儿坐标系对平板直接头模型（管片尺寸：长×宽×高＝３４４６ｎｕｎ×ｌ２００ｍｍ×３５０ｍｍ）进行三维建模分析．单块管片建模共生成节点１１×ｌｌ×１１个，单元１０×１０×１０个．对管片内侧远离接触面底边施加竖向约束，而在水平面内允许其自由变形．网格划分及约束如图ｌ所示．在管片左右非接触面施加均布面荷载ｐ形成轴力ｊｖ，在管片中央施加均布线荷载Ｆ形成弯矩Ｍ（如图１和２所示）．由文献［６］中的试验结果，分别取Ⅳ＝Ｏ，２１０，４２０，６３０和８４０ｋＮ时（正负）弯矩为９．４８一ｌ９００ｋＮ·ｍ进行了计算．图１管片三维模型Ｆｉｇ．１３一ＤｍｏｄｅｌｏｆｓｅｇＩｎｅｎｔＦＦ１７２３一虽ｌｌ７２３一ｌ一●”’ｔ●一叫ｆ卜一ＩＩＩ■３４４６ｆ３“６一下图２加载示意Ｆｉｇ．２ＳｋｅｔｃｈｏｆａｐｐＨｅｄｌｏａ凼ｐ７４６西南交通大学学报第３９卷３计算结果与分析３．１结构变形在弯矩Ｍ和轴力Ⅳ共同作用下，混凝土管片产生类似于简支梁的变形和挠曲，接头端面产生分离：上部形成受压区，下部形成脱离区．受螺栓拉力作用，接触端面螺栓附近局部突起，位移减小，位移图中显示为局部凹下，如图３所示．取螺栓处断面代表接头端面管片变形，将变形曲线简化为２段直线，如图４所示，其中受压区高度菇根据计算结果确定．管片接头在外荷载作用下产生变形后，主要由受压区混凝土和脱离区受拉螺栓抵抗外荷载及形成变形．图３接触面节点位移Ｆｉｇ．３Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｍ０ｆｎｏｄｅｓ∞ｃｏｎｔａｃｔｆ如ｅｐ图４管片接头变形Ｆｉｇ．４Ｄ幽咖ａｔｉｏｎｏｆｓｅｇＩｎｅｎｔｊｏｉｎｔ３．２力学行为分析由图４可建立如图５所示的小变形情况下管片接头端面力学模型．管片在轴力Ⅳ和弯矩Ｍ共同作用下，中性轴以下端面受拉张开，螺栓承受拉力ｒ；中性轴以上端面承受三角形分布的压应力，合力Ｆ距上边缘石／３．图中ｄ为管片厚度，‘为螺栓中心距管片外侧距离，菇为受压区高度，ｐ为接头端面转角，６为单侧螺栓受拉图５管片接头端面力学模型伸长量．Ｆｉｇ·５Ｍ８。

第４２卷第６期２００５年１２月现代隧道技术ＭｏｄｅｍＴｕｎｎｅｌｌｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏ盯Ｖ０１．４２Ｎｏ．６Ｄｅｃ．２００５文章编号：１∞９∞８２（２（ｘ）５）【）６—０叭４一【】６大断面越江盾构隧道管片接头选型研究何川１曾东洋１唐志诚１’２吴兰婷’（１西南交通大学地下工程系，成都６１００３ｌ；２中铁二局集团有限公司，成都６１００３１）摘要文章针对越江水下盾构隧道管片接头设计，采用二维有限』二对典型接头方案中不同螺栓位置和土水压力计算控制点下的接头抗弯刚度、接缝张开度和张开高度、螺栓应力等进行了数值汁算和对比分析，研究分析了手孔和螺栓数量及布设位置、Ｒ寸等对大断面越江盾构隧道管片接头选型及设计参数的影响。

研究结果表明，工程设ｔ１中此类接头应在满足接头抗弯刚度和接缝张开度的前提下采取减少手孔数量、均布手扎位置、调整螺栓中心位置和尺寸、施加螺柃顶紧力等措施，以达到提高结构防水性和整体承载能力的目的。

关键词盾构隧道管片接头有限元分析选型中图分类号：Ｕ４５１文献标识码：Ａ１引言２工程概况由于盾构法隧道具有目标工期及工程造价可控性好、风险相对其它方法较小、施工期不影响江河通航及不易受河床变迁影响等优点而在国内外越江（河）工程中被广为采用，如已建成的日本东京湾横断公路隧道…、国内上海延安东路公路隧道、翔殷黄浦江隧道、重庆长江排水隧道等以及拟建中的武汉长江公路隧道、南京长江公路隧道、崇明岛越江公路隧道等工程均为盾构法隧道工程。

越江（河）盾构隧道承载和防水设计的重点在于对其管片接头型式的选扦，选取具有可靠防水性的管片接头型式对越江（河）盾构法隧道具有至关苇要的意义。

目前，国内外对Ｊ‘盾构法隧道管片接头性能的研究”“１还主要局限于管片接头抗弯刚度和变形规律，而对管片接头抗弯刚度、防水和衬砌环整体刚度的影响因素及其相互影响性研究甚少。

鉴于此，本文以拟建中的武汉长江公路隧道盾构区间为例，在对管片接头抗弯刚度研究的基础”１上，运用能对管片接头进行局部三维有限元模拟计算的梁－弹簧模型法，对影响工程结构设计中管片接头型式选择的重要参数，如管片接头抗弯刚度、接缝张开度和张开高度、螺栓应力、衬砌环变形和内力等进行深入研究，以期为类似条件下的越江（河）盾构隧道衬砌结构设计提供借鉴和参考。

第31卷第4期铁 道 学 报V ol.31 N o.4 2009年8月JOU R NA L OF T H E CH IN A RA ILW A Y SO CI ET Y Aug ust2009文章编号:1001-8360(2009)04-0087-05盾构隧道管片接头抗弯刚度的三维数值计算陈俊生1,2, 莫海鸿1,2( 1.华南理工大学土木与交通学院,广东广州 510640; 2.亚热带建筑科学国家重点实验室,广东广州 510640)摘 要:管片接头是装配式盾构隧道的关键部分,其抗弯刚度对管片环的内力及整体性能均有重要的影响,使得接头抗弯刚度的取值显得尤为重要。

本文以广州地铁盾构隧道使用的管片为研究对象,采用三维有限元法,利用通用有限元软件A DIN A,在建立精细有限元模型的基础上,计算得到正负两方向及不同偏心距荷载下接头变形的特点和接头的抗弯刚度。

从而可知,正弯曲刚度具有一定的非线性性质,线性回归得到的刚度量值为1236.7kN m/rad;负弯曲刚度曲线为线性,线性回归得到的刚度量值为2295.1kN m/rad。

接头刚度受接头内力组合的偏心距影响,偏心距越大,接头刚度越大。

在接头的模拟计算中,有必要建立和实际相同的数值模型,从而避免各种误差。

关键词:盾构隧道;管片接头;抗弯刚度;三维有限元分析中图分类号:U231.1;U451 文献标志码:A doi:10.3969/j.issn.1001-8360.2009.04.015Three-dimensional FEM Analysis on Flexural Rigidity ofSegment Joints in Shield TunnelCH EN Jun-sheng1,2, M O H a-i hong1,2(1.Dept.of Civil Engin eering,S outh C hina U niversity of T echnology,Guangzh ou510640,China;2.State Key Laboratory of S ubtropical Bu ilding Science,S ou th Ch ina Un iversity of T ech nology,Guangzh ou510640,China)Abstract:Segment joints are the key co mponents of the fabricated shield tunnel.T he flex ural rigidity o f the joints has im por tant effect on the inter nal fo rce and integ rated per for mance o f the seg ment ring.T hr ough the general finite element pro gram ADINA,3D FEM(Finite Element Method)w as adopted to analyze and elabo-r ate o n the3D numerical m odel of joints o f the Guangzho u Metro shield tunnel.The results cov er the flex ural rigidity of positive and negativ e bending under different eccentricities.T he positive bending behav es no nlinear, and the flexural rig idity is1236.7kN m/rad;the negative bending behaves linear,and the flex ural rigidity is 2295.1kN m/rad.The flexural rigidity is affected by the eccentr icity of the internal forces assembly.The larger the eccentricity,the stiffer the flex ural rigidity.When simulating the mechanical behavior of segm ent joints,it is necessary to build a mo del that is the same w ith actual joints so as to avo id m ultiple tolerances. Key words:shield tunnel;seg ment jo int;flex ural rigidity;3D finite elem ent analy sis盾构法以其开挖速度快、施工质量好、对周围地层扰动小、对地表沉降和环境影响小等优点,逐渐成为城市地下铁道首选的施工方法。

地铁管片环向接头弯曲刚度试验研究内容摘要：摘要:对某城市地铁管片环向接头的弯曲变形特性进行了试验研究。

加载采用两套设备,一套用来施加环向荷载,另一套用来施加弯矩。

加载方法是先施加环向荷载到750ｋＮ,然后维持环向压力不变,施加弯矩。

分别得到了在正弯矩作用下和负弯矩作用下管片接头处的弯矩-相对转角关系曲线。

每条曲线大体上分为两个部分,分别对应于环向接触面在张开前的变形过程和张开后的变形过程。

关键词:管片环向接头弯曲刚度1试验目的与工程背景盾构法是国内外较普遍采用的地铁施工方法[1,2]。

采用这种工法施工时,通常用以管片为构件组成的永久结构来实现对开挖隧道的支护[3,4]。

这类隧道在受力计算时需要知道管片的纵向压缩刚度、环向压缩刚度、环向弯曲刚度和环向接头处的弯曲刚度。

其中的环向接头处的弯曲刚度的测量最为复杂,目前国内外普遍采用偏心加载方法。

偏心加载方法的优点是使用的设备少,但它忽略了环向应力和弯矩组合在一起的变化过程对变形特性的影响。

本文的目的是针对某城市地铁工程的背景,考虑弯矩、压力组合后荷载变化过程的影响,研究工程中使用的管片环向接头的变形特性。

该地铁线路采用盾构法施工。

隧道的开挖断面是圆形的,其支护结构的断面也是圆形的,内径为5400ｍｍ,外径为6000ｍｍ,由管片组成。

直线路段的支护结构中每环使用的管片有Ａ型、Ｂ型、Ｃ型三种,下面的研究对象只限于环向接触面与管片子午线平行的Ａ型管片接头。

管片在环向接头处主要受环向压力作用,当支护结构的四周土压力不相等时也会受弯矩作用。

接头处的剪力一般很小,可以忽略。

环向视角看到的管片端部表面上有高台,当管片在隧道中安装好之后高台平面是相邻管片的接触面。

高台平面的几何形心基本上与管片整个断面的几何形心重合,因此,当安装在隧道中的整环管片受到均匀的径向压力作用时,管片中几乎没有弯矩产生。

管片在隧道内安装完之后首先受到注浆压力的作用,如果忽略管片的自重,注浆压力作用下管片以环向为法线方向的端面上只有环向压力,几乎没有弯矩。