盾构隧道管片衬砌受力分析力学模式探讨

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1、万方数据第25卷增刊2∞5年6月麓迁建设Tl加ndCongtmc60n25(．．)：17—20June．2005盾构隧道管片衬砌受力分析力学模式探讨李围1孙继东1李成2(1西南交通大学地下工程系四川成都61003l2贵州交通职业技术学院路桥工程系贵州贵阳550008)摘要以铰接圆环、匀质圆环和梁一弹簧模型三种力学模式对盾构隧道管片衬砌的内力进行了计算分析，得出用梁一弹簧模型计算的弯矩值介于铰接圆环和匀质圆环的内力值之间。梁一弹簧模型直接考虑接头的抗弯刚度，能够真实地模拟管片衬砌的力学行为，因此在盾构隧道管片衬砌设计中，具有推广意义。关键词盾构隧道管片结构设计方法

2、l引言在国外，根据对管片接头力学上的处理方法不同，盾构隧道管片衬砌受力分析的力学模式主要有：铰接圆环、匀质圆环和梁一弹簧模型，见图1所示。铰接圆环，即将管片接头简化成理想的铰，不考虑其承受弯矩的能力；适用于通缝拼装的管片衬砌和围岩条件比较良好的的情况，在英国和前苏联用的较多。匀质圆环法，即将管片接头截面视为与管片截面具有同样的抗弯刚度，整体圆环刚度不折减，为EI；或者将整体圆环刚度折减，为11Ⅱ，刚度折减系数11<1；此法在世界各国都有使用。梁一弹簧模型法，即直接考虑接头的抗&铰接圆环弯刚度，将管片截面简化为曲梁或直梁、将管片块间接头考虑为旋转弹簧、管片环间接头

3、考虑为剪切弹簧(切向和法向)，此法能够真实地反映管片衬砌的力学行为，在日本等国用得较多⋯。我国在进行盾构隧道管片衬砌设计计算分析时，主要采用的是铰接圆环和匀质圆环拉J，用这两种模式分析计算的结果直接用于管片的配钢筋计算，是否安全可靠，在此以某地铁工程为工程对象，在不同的拼装方式下，采用三种不同的力学模式进行了管片衬砌的分析计算和比较，得出了用于管片衬砌设计计算的合理力学模式。b．匀质圆环c．梁一弹簧模型图1管片衬砌计算的力学模式2地质条件和管片几何参数2．1地层物理力学参数计算点选择在某地铁工程中盾构隧道穿过的淤泥质粉质粘土土层，埋深为lOm，上覆土体自重采用各

4、土层按层厚加权的平均值。计算所需参数根据地质报告确定，见表1示。2．2管片衬砌几何参数管片衬砌分成6块，封顶块(K)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。管片在纵向可实现通缝和错缝两种方式拼装(偏转角为22．50的倍数)。主要尺寸为：外半径R，表l淤泥质粉质粘土地层参数隧麓深／器，絮嚣Po纛蕊H／m／(kN／m’)／(kN／m2)系数入，，，：：：j‘、=3．00m、内半径R，=2．70m、轴线半径R：=2．85m、每环幅宽B=1．0m、厚度h=0．3m。万方数据蠢迁建幔2005年6月第25卷3有限元计算3．1结构一荷载模

5、式采用荷载一结构模式对管片衬砌进行力学计算分析【2】，见图2示。根据地层为淤泥质粉质粘土，故计算荷载按水土压合算的方式考虑。其中，竖向荷载w。为隧道匕方土体的自重1H(1为湿容重)和地面超载Po之和，侧向荷载q。和吧为相应处竖向荷载乘以侧压力系数入，隧道底部的竖向反力w：为竖向荷载w，与隧道自重Wl之和。偏于安全将上覆土体自重完全作用在管片衬砌结构E进行计算分析。WI=vH+P。w2。wI+wg图2结构一荷载模式衬砌圆环与周围土体的相互作用通过设置在衬砌全环的径向弹簧单元和切向弹簧单元来体现。径向弹簧单元只能受压，受拉时将自动脱离，计算中用反复迭代的计算方法来实

6、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(见表1)决定。在一衬砌圆环内，用曲梁单元模拟管片的实际状况，用接头抗弯刚度K。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计算对象，采用空间结构进行计算，并用圆环径向抗剪刚度h和切向抗剪刚度Kt来体现纵向接头的环间传力效果。输入参数如下：管片块间接头正弯曲转动刚度为3．5×104kN·n∥rad，负弯曲转动刚度为8．5×103kN·IIl／rad，轴向拉压刚度为1．1×104kN／

7、m，剪切刚度为2．2×104kN／m；环间接头螺栓的法向和径向剪切刚度为4．O×104kN／m；地层弹簧系数，法向刚度为2．O×104kN／m，切向刚度为1．0×104kN／mⅢ；管片衬砌容重为25kN／m3。3．2计算分组及计算结果管片衬砌结构按三种力学模式进行模拟计算，共分成11组，见表2所示。其最大弯矩及其相应轴力、最大剪力和最大变形也见表2；管片衬砌不同力学计算模式下的弯矩图见图3所示。表2计算组合及主要计算结果表●q万方数据增刊李围等盾构隧道管片衬砌受力分析力学模式探讨19a铰接圆环c梁一弹簧模型(通缝拼装)b匀质圆环d梁一弹簧模型(错缝拼装)图3管片

8、衬砌不同力学计算模式下的