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1、设计与研究输水盾构隧洞复合衬砌结构设计计算研究1、212孙钧,杨钊,王勇(1.同济大学岩土工程教育部重点实验室;2.杭州丰强土建研究院)摘要:软土有压输水盾构隧洞采用管片外衬和整筑预应力内衬作复合式衬砌的设计计算中,为能较好考虑内衬与外衬管片的相互作用,以及内衬预应力荷载在隧洞施工和运营各阶段对复合衬砌结构受力的影响,本文提出了一种新的实体叠合计算模型。由于确定管片纵缝接头抗弯刚度的复杂性,文中建议对用数值模拟管片纵缝接头刚度采用了一种非线性耦合弹簧接触对的模拟系统。在采用实体单元建模的条件下,由于计入管片接头刚度的力学处理困难,文中研究了一
2、种能以模拟管片接头刚度的简化计算方法。根据内、外衬砌接触界面处理方式的不同,文中提出了5种适合不同界面条件内、外层衬砌的相互作用模型。此外,本文还研制了内衬预应力荷载的一种转化程序,以解决采用等效荷载法施加预应力时的前处理问题。上述各点创意构思已在南水北调中线一期穿黄隧洞的结构设计研究中得到了具体反映和成功应用。关键词:输水隧洞;复合衬砌;管片;预应力内衬;实体叠合模型;管片接头刚度模拟;内、外衬接触界面条件;预应力荷载转化程序件良好、盾构隧道直径<6.0m的压力隧洞。0引言近年来,国内采用盾构法修建的大型有压输水将盾构工法用于输水隧洞工程在国内外较
3、为少隧洞和城市大型下水管道中,其二次内衬结构在输见。目前,有压输水隧洞多采用双层衬砌结构(如水隧洞中将作为主要构件参与受力。因此,研究盾我国尚在施工的南水北调中线一期穿越黄河的输水构输水有压隧洞复合衬砌结构的计算模型已成为一隧洞、埃及穿越苏伊士运河输水隧洞和拟建的旧金项重要课题。目前,盾构隧道复合衬砌平面应变计山湾输水隧洞等);还有部分输水隧洞是从地下深算模型一般都沿用双层框架模型。本文提出了一种部岩层中穿越,其洞内水压对所产生的结构受力影基于地层-结构法的复合衬砌平面应变计算模响不大(如我国辽宁大伙房水库输水工程、引红济型实体叠合模型。相比于
4、双层框架模型,该模石调水工程等);而采用大型盾构机在软弱土层中型不仅能较好地考虑土体与管片、内衬与外衬的相进行高水压、大直径输水隧洞设计施工,如上述正建互作用以及内衬预应力荷载的力学属性,还能有效的南水北调中线穿黄输水隧洞(复合预应力衬砌)计入隧洞施工和运营各阶段工况条件下对其衬砌结则是比较典型的示例。构受力的不同影响。盾构隧道复合衬砌设计计算目前还缺乏统一的1复合衬砌结构计算的实体叠合模型力学模型,我国地下铁道设计规范(1999)中,也仅给出了一些参考性的设计原则。国际隧道协会1.1模型基本假定(ITA)制订的盾构隧道衬砌设计指南中,将复合
5、沿隧道纵向,上述内、外层复合衬砌结构可认为衬砌按照内、外层衬砌接触界面的光滑程度分为双是一个在无限长地基内的地下结构体。当管片采用壳结构和组合结构两类。张厚美提出并改进了双层通缝拼装的条件下,管片环的内力不沿纵向发生变框架模型中内、外层衬砌接触界面的3种模型,即:化,计算中可将每环管片简化为平面应变问题考虑;抗压缩模型、局部抗弯模型和剪压模型。采用解析而改用管片错缝拼装后,其沿纵向的空间约束效应解求解复合衬砌结构受力是一种传统的现成方法对管片横截面受力和变位均会产生一定的附加影(如厚壁圆筒理论),较适合采用于围岩工程地质条响。为使本文所讨论的几个问题集中
6、起见,相邻环地下工程与隧道2011年第1期1管片错缝拼装对横截面受力和变形的附加影响在文中暂未纳入考虑。1.2围岩结构系统的有限元法模拟在实体叠合模型中,本文采用了按地层-结构法计算管片和内衬的受力与变位;对围岩结构系统采用实体单元有限元法建模。1.3实体简化接头模型目前,对管片纵缝接头力学效应的数值模拟主要有两种方法:采用接头弹簧单元,以近似模拟管片纵缝接头的力学属性;采用接触单元,以相对真实地模拟管片纵缝接头的力学性能。当管片采用实体单元模拟时,其接头的力学性能采用接触图2管片实体简化接头的接触对模型示意图
7、单元模拟也较为妥善。但接触单元模型在计算在两刚性体参考点之间分别设置剪切弹簧、压缩弹过程中存在以下几方面的问题:簧和旋转弹簧,以模拟接头承受剪、压、弯3种不同1)以接触单元模拟管片接头的理论和试验研的力学性能。在缺乏相对应试验的情况下,这3根究较少,且缺乏实践数据。弹簧的刚度值暂可直接取用梁弹簧模型或2)对接头螺栓约束条件的处理较感困难(如:壳弹簧模型中所对应的弹簧刚度。螺栓端部与管片的接触以及整个螺栓面与螺栓孔的1.4管片土体接触模型接触条件等)。地层与管片之间的接触界面可采用一种无厚度3)管片环端面衬垫材料的力学参数不易确定。
8、的接触对进行模拟。接触对的法向力学行为4)为细致地模拟接头的力学属性,接
