盾構(gòu)隧道混凝土管片受力分析

李建平

(騰達(dá)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，浙江臺州 318050)

0 引言

盾構(gòu)隧道襯砌管片進(jìn)行數(shù)值分析的關(guān)鍵問題在于結(jié)構(gòu)模型本身是否能反映管片的實際受力狀態(tài)。目前隧道襯砌管片橫向理論解析分析方法主要有四種:慣用法、修正慣用法、多鉸環(huán)法以及梁—彈簧模型［1］。本文通過ANSYS有限元分析軟件采用梁—彈簧模型形象的反映管片受到土體力后的變形及彎曲、剪力和軸力分布情況，了解管片在地層中的受力情況，可以幫助我們提高管片的拼裝質(zhì)量以及分析隧道成環(huán)質(zhì)量問題病因。

1 建立管片有限元模型

本工程地鐵隧道內(nèi)徑為5．5 m，外徑為6．2 m，把一環(huán)成型管片按照梁來考慮，故建立模型直徑為(5．5+6．2)/2=5．85 m，在成型管片的6條接縫處設(shè)置彈簧單元來模擬襯砌與地層相互作用。襯砌混凝土的彈性模量E=34．5e9 Pa，泊松比取0．2。建立模型見圖1。

作用在襯砌圓環(huán)上的力采用等效節(jié)點力替換［2］。節(jié)點力的計算采用Excel電子表格進(jìn)行計算。計算結(jié)果見表1。

計算得出襯砌圓環(huán)的變形圖、彎矩圖、軸力圖和剪力圖，如圖2～圖5所示。由位移變形圖可以看出，襯砌圓環(huán)在地下呈壓扁形狀，故成型隧道多為“橫鴨蛋”。如果要想得到較好的整圓度，在拼裝時進(jìn)行有意識的控制為“豎鴨蛋”，即豎直直徑略大于設(shè)計直徑，水平直徑略小于設(shè)計直徑。從彎矩圖看出，成環(huán)隧道下面3塊管片中部彎矩較大，在管片螺栓連接處彎矩最小，而在鄰接塊和封頂塊螺栓連接處彎矩較大，這就能說明在成型隧道中封頂塊與鄰接塊之間的接縫容易滲漏水也較易碎裂的現(xiàn)象。從剪力圖上可以看出，在管片塊與塊的螺栓連接處剪力較大，故在設(shè)計螺栓的時候要充分考慮螺栓的抗剪切性能，在剪力作用下管片塊與塊較易出現(xiàn)錯位，拼裝時對管片螺栓進(jìn)行復(fù)緊是非常重要的。

表1 各節(jié)點等效力

圖1 Beam3單元建立管片受力模型圖

圖2 隧道襯砌受力后變形圖

圖3 隧道襯砌彎矩圖

圖4 隧道襯砌軸力圖

本工程中，對管片至少進(jìn)行3次復(fù)緊。第1次為盾構(gòu)在下一環(huán)推進(jìn)時，由于推進(jìn)狀態(tài)千斤頂作用在管片端面，充分壓密后進(jìn)行擰緊，第2次為車架行駛到管片時，陸續(xù)對其進(jìn)行復(fù)緊，第3次為車架駛過后再次復(fù)緊。通過3次復(fù)緊，能有效的控制管片的錯臺量。當(dāng)施工中，發(fā)現(xiàn)管片錯臺時，應(yīng)分析相應(yīng)原因并及時調(diào)整施工，一般可得到有效控制，從而保證了隧道的質(zhì)量［3］。本工程管片環(huán)縫、縱縫錯臺量均控制在規(guī)范范圍內(nèi)(規(guī)范為環(huán)高差15 mm，縱高差10 mm)，如圖6所示。

圖5 隧道襯砌剪力圖

圖6 管片高差偏差圖

本工程隧道所處土層為砂性土，砂性土的內(nèi)聚力小，管片脫出盾尾后，周圍土體及時作用在管片周圍形成握裹。故管片后期變形不大，對管片整圓度的控制主要在拼裝時。在周圍間隙均勻的情況下，把下部管片有意識的向下放，兩側(cè)管片控制稍大的間隙量，管片成環(huán)后，隧道直徑偏差基本能控制在理想范圍內(nèi)［4］。計算出實際橫徑與設(shè)計橫徑的差值，繪制圖7。由圖7可知基本上能把隧道橢圓度控制在規(guī)范范圍內(nèi)［5］。

圖7 管片橫徑偏差圖

2 結(jié)語

管片成型后，一般情況后期位移的變化量下不大，控制橢圓度可在拼裝時進(jìn)行，通過盾構(gòu)軸線的調(diào)整，使管片與盾構(gòu)四周間隙量合理，在拼裝時完全可以控制好橢圓度，能得到理想的豎鴨蛋。通過隧道螺栓復(fù)緊，能夠有效的控制管片的錯臺量，同時也是減小管片后期變形最有效的措施。

［1] 黃正榮．基于殼—彈簧模型的盾構(gòu)襯砌管片受力特性研究［J］．南京:河海大學(xué)博士學(xué)位論文，2006．

［2] 黃劍源，謝 旭．薄壁曲線梁空間等效節(jié)點荷載［J］．寧波大學(xué)學(xué)報，1994，7(1):68-79．

［3] 張則忠．盾構(gòu)施工中管片錯臺的成因分析以及防治措施［J］．深圳土木與建筑，2007，4(1):52-53．

［4] 吳惠明．盾構(gòu)法隧道施工應(yīng)用技術(shù)文集［M］．上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2007:123-157．

［5] GB 50446-2008，盾構(gòu)法隧道施工與驗收規(guī)范［S］．