超大直径盾构小半径曲线掘进的管片结构受力分析.pdf

设计施工水利规划与设计 年第 期:/超大直径盾构小半径曲线掘进的管片结构受力分析叶 挺 杨振兴(宁波市轨道交通集团有限公司建设分公司 浙江 宁波 盾构及掘进技术国家重点实验室 河南 郑州)摘要:以深圳春风隧道工程为背景 采用三维数值模拟的方法 对超大直径盾构小半径曲线掘进进行有限元模拟 基于不同推力、不同地层条件分析管片主应力与变形量特征 得出管片变形规律 研究结果表明:盾构在微风化岩小转弯半径掘进过程中 不同推力差对管片最小主应力的影响主要体现在第 环管片 推力差越大管片最小主应力越大 不同推力差作用下管片产生的最大变形增量均较小 在中风化板岩地层中 第 环和第 环最大主应力明显增大 第 环管片及其后各环管片最小主应力增大明显 各环管片最大变形增量也相应增大 微风化围岩可以很好的约束管片结构变形 进一步减小盾构小曲线掘进过程中对管片结构受力、变形的不利影响关键词:超大直径 盾构隧道 小半径曲线 管片结构 受力分析中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:叶 挺(年)男 工程师:引言随着大型城市的路网不断加密 盾构法隧道穿越复杂的地质条件施工得到了愈加广泛的应用 其中 超大直径隧道穿越大埋深、小半径曲线掘进对管片结构稳定性要求提出挑战 考虑超大直径盾构的复杂性以及日后发挥重要作用 减小盾构施工对管片变形的影响 对超大直径盾构施工有重要意义在盾构隧道施工过程中 三维数值模拟可以对管片结构受力情况进行分析 为管片配筋设计与接头优化提供支撑 盾构施工过程中 因其开挖掘进会对土体产生扰动 继而土体会产生沉降或隆起在周围土压力作用下 衬砌结构会对周围土体产生反作用力 针对超大直径管片结构特性研究 周济民等、王士民等选取狮子洋水下盾构隧道对管片结构与管片拼装方式进行现场测试、三维数值计算和模型试验方法 总结了管片结构内力分布规律和不同拼装方式下管片结构的力学性能与破坏形态 袁大军等、何川等依托南京长江隧道通过现场试验、数学模型、相似模型试验和三维有限元计算得出盾构掘进过程中土体位移、变化规律、扰动范围和修正 公式 探究管片在高水压下的力学行为特征、结构与周围土体的相互作用关系 在理论分析方面 朱合华等围绕盾构衬砌管片的设计模型与压力荷载分布问题 提出了梁弹接头不连续模型 李晓军等通过上海沿江通道工程实例 研究盾构隧道横向等效刚度随埋深变化的规律 冉建西等以新疆某引水项目为例 采用数值模拟和现场测试的方法 研究了中埋深膨胀岩中盾构管片结构的力学特性 李立权以罗田水库 铁岗水库输水隧洞为例 采用二维数值程序研究分析了管片衬砌接缝的相互作用机理和设计参数本文以超大直径隧道工程为研究对象 通过有限元模拟研究了超大直径市政盾构隧道小半径曲线掘进管片结构的力学特性 本文的研究结果可为类似工程提供有益的指导 有助于提高隧道施工质量和设计水平 工程概况春风隧道西起滨河大道上步立交东侧与滨河大道相接 自西向东布线 自滨河路上步立交与红岭立交之间进入地下 线路全长 盾构段长 春风隧道工程周围环境极其复杂 重要建 年第 期水利规划与设计设计施工筑物众多 施工对环境扰动影响严格春风隧道工程衬砌结构的内径为 外径为 管片的厚度为 环宽为 每环分成 块管片 即 块标准块、块邻接块 和 块封顶块 管片采用通用楔形环 管片设计强度为 弹性模量为 、抗压强度标准值为 主筋强度设计值为 衬砌环、纵缝均采用斜螺栓连接 每道环缝采用 根 斜螺栓连接 每道纵缝采用 根 斜螺栓连接 每环管片共设置 根 环向螺栓环向螺栓的机械性能等级为 级普通螺栓 纵向螺栓的机械性能等级为 级普通螺栓该隧道上覆土层主要有新近堆积人工填土(石、砂)、第四系残积黏性土 冲洪积砂土、黏性土残、坡 积 黏 性 土 下 伏 基 岩 为 燕 山 第 四 期()花岗岩和石炭系()变质砂岩 细粒结构 微风化岩粗粒花岗岩 单轴抗压强度为 属级坚石 微风化岩变质砂岩 单轴抗压强度为 属级坚石 盾构段隧道需穿越上软下硬以及软硬不均的复合地层 管片受力计算 模型建立小曲 率 半 径 盾 构 隧 道 段 隧 道 开 挖 直 径 为 隧道轴线最小半径为 隧道埋深约为 考虑隧道开挖对地层的扰动以及主要研究对象 建立隧道模型大小为(长)(宽)(高)隧道管片外径 管片内径为 管片环宽 管片厚度为 注浆层厚度为 推进油缸设置 分区()如图 所示 其中 组所在圆弧对应的圆心角均约为 组所在圆弧对应的圆心角均约为 为了便于不同分组油缸压力的施加特意的将每环管片按油缸分区分为 个分块隧道模型约束为上表面自由 侧面受水平约束 底面受竖向约束 将地层的土体当作理想的弹塑性材料 其破坏的屈服准采用库伦破坏准则 盾构管片及注浆层考虑为弹性体 采用实体单元模拟 采用壳单元模拟盾壳 模拟工况为了模拟小转弯隧道的真实施工过程 将开挖隧道分为周边岩土体、管片及注浆层 具体的模拟过程如下:图 油缸布置示意图 推进油缸推力设置推进油缸千斤顶均匀地分布在盾构机护盾四周 根据盾构实际 将推进油缸分为上(组)、下(组)、左(和 组)、右(和 组)四组 上、下两组千斤顶单个油缸推力相等 左、右两组则根据隧道转弯情况来确定考虑盾构施工过程中 盾尾与已安装管片重合长度约 倍管片宽度 其中 完成管片安装时重合部分为 倍管片宽度 完成一环开挖时重合长度约 倍管片宽度 为尽量贴合实际 按最不利工况进行计算 模拟过程中 在最新安装的一环管片施加推力 但不考虑盾壳与该 环管片的相互作用 注浆层设置根据相关资料及工程经验 盾尾的注浆压力一般取为 考虑到盾构采用双液同步注浆 浆液具有早强性 考虑新安装环 环以外各环外侧注浆层均已达相同的强度 力学参数均取 天硬化强度 接触面一个常用经验方法是将法向刚度 和剪切刚度 设置为最硬相邻区域的等效刚度的 倍 即:()式中、最硬相邻区域的体积模量、剪切模量 接触面法向方向上连接区域上最小尺寸如图 所示设计施工水利规划与设计 年第 期图 接触面法向方向上最小尺寸示意图 对于模拟滑移和分离的情况 相对于刚度(和)接触面摩擦参数(如黏聚力、剪胀角、抗拉强度)的选取尤为重要 考虑到管片与周围地层之间在盾构推力的作用下会发生一定的相对运动接触面摩擦参数最好以现场静载荷试验数进行取值 当无实测数据时:()现场浇注的结构如灌注桩、水泥土桩、高喷插芯组合桩()、桩等桩土界面比较粗糙 接触面上的摩擦特性较好 接触面上的、值可以取与桩相邻土层的、值的 倍左右 可 以 根 据 现 场 静 载 荷 试 验 数 据 作 适 当调整()预制结构与土接触面上的、值可以取与桩相邻土层的、值的 倍左右根据上述关系列出了不同地层中接触面力学参数取值情况 见表 表 接触面力学参数取值地层所处时期法向刚度黏聚力/摩擦角/()强风化板岩管片安装前 管片安装后 中风化板岩管片安装前 管片安装后 微风化板岩管片安装前 管片安装后 本次计算只考虑管片与地层之间的接触面关系 在数值模型中仅考虑注浆层与地层之间的接触关系 并进行接触面相应力学参数的取值考虑到注浆层与地层接触为现场浇筑 接触面上的、值可以取与桩相邻土层的、值的 倍 工况设置春风隧道盾构小曲率半径掘进所穿越的地层主要为微风化板岩 其次为中风化板岩 小曲率半径掘进段埋深较大 因此 主要从地层岩性、总推力大小、左右分组推力差设置等方面开展数值计算工作 具体计算工况见表 表中 为盾构最大推力 其值为 表 计算工况穿越地层总推力/左右分组推力差/工况序号微风化板岩 中风化板岩 管片受力变形分析小曲线盾构隧道段已安装管片受地层水土压力、管片自重、推进反力等共同作用 其受力状态极为复杂 依次对管片结构施加不同反推力 分析不同推进反力作用下管片结构受力状况 根据管片与盾构的间距 由近及远依次编号 令靠近推进油缸的第一环管片编号为 其余依次为、微风化板岩地层中管片结构受力结果及分析 不同均布推力作用下管片主要受影响区域主要受影响区域分别为工况、由图 可知 第 环管片最大主应力比较接近 第 环管片最大主应力发生分离现象 且随着总推力的增大 最大主应力逐渐减小 第 环之后各环最大主应力重新回复至较为接近状态 施加推力可以减小 环管片最大主应力由图 可知 随着作用在管片上的总推力增 年第 期水利规划与设计设计施工图 管片最大主应力变化规律大 第 环管片最小主应力变化较为明显 其中 第 环和第 环管片在不同推力作用下最小主应力分化最为显著 且作用推力越大 管片对应的最小主应力越小图 管片最小主应力变化规律由图 可知 在不同推力的作用下 管片相应产生了不同的变形增量 主要表现为推力越大管片最大变形增量越大图 管片最大变形增量变化规律 相同推力非均布条件下主要受影响区域主要受影响区域分别为工况、图 为考虑盾构小曲线半径掘进过程中左右分组油缸存在推力差的情况下 考虑盾构管片在相同推力非均布作用下的特征:总推力相同左、右分组油缸存在推力差时 管片受最大主应力由第 环至第 环逐渐降低 随后保持相对稳定状态 在左、右分组油缸不同推力差作用下 各环管片最大主应力未出现明显分化现象 第 环管片在左右分组油缸不同推力差的情况下存在明显分化现象 推力差越大 最小主应力越小 第 环及其以后各环管片受左、右分组油缸推力差影响不明显 随着左、右分组油缸推力差的增大 管片最大变形增量相应增大图 管片最大主应力变化规律图 管片最小主应力变化规律盾构在小转弯半径掘进过程中 在左、右分组油缸推力差分别为、时 从最大主应力方面来看 不同推力差对管片最大主应力的影响并无较大差别 从最小主应力方面来看不同推力差对管片最小主应力的影响主要体现在第 环管片 推力差越大管片最小主应力越大 第 环及其后各环管片则受不同推力差影响并不明显设计施工水利规划与设计 年第 期图 管片最大变形增量变化规律从最大变形增量方面来看 不同推力差作用下管片产生的最大变形增量均较小 中风化板岩地层中管片结构受力结果及分析 不同均布推力作用下主要受影响区域主要受影响区域分别为工况、由图 可知 在中风化板岩地层中 不同均布推力作用下管片结构呈现了与微风化板岩地层中相似的受影响特征 但同时也出现一些新的特征 具体表现为:第 环和第 环最大主应力明图 管片最大主应力变化规律图 管片最小主应力变化规律显增大 第 环管片及其后各环管片最小主应力增大明显 各环管片最大变形增量也相应增大图 管片最大变形增量变化规律 相同推力非均布条件下主要受影响区域主要受影响区域分别为工况、由图 可以看出:在中风化板岩地层中相同推力左、右分组油缸存在推力差的条件下 管片结构受力变形同样呈现了与微风化板岩地层中相似的受影响特征 所不同的是:第 环和第 环最大主应力明显增大第环管片及其后各环管图 管片最大主应力变化规律图 管片最小主应力变化规律 年第 期水利规划与设计设计施工片最小主应力增大明显 各环管片最大变形增量也分别有所增大图 管片最大变形增量变化规律 结论()通过数值计算方法分析了中、微风化板岩中盾构小曲线掘进过程中管片结构受力特征 明确了相同推力作用下中风化板岩环境中管片结构受力、变形均较微风化板岩环境中大的情况()微风化板岩地层中的隧道结构 不同推力差主要对第 环管片产生较大的影响 但是 对于正在施工的盾构隧道 考虑盾尾内新安装管片处在悬挑状态以及同步注浆浆液存在硬化时间问题 第环管片均存在最大主应力大于 的现象 其中以第 环和第 环管片表现最为明显 施加推力作用对减小第 环及其以后各环管片的最大主应力有益()施加足够大的推力有助于控制管片结构最大拉应力 考虑到盾构施工过程中盾构施加在管片上的推力是变化的 表现为:停机阶段小 正常掘进段大 考虑减少管片结构不利受力影响 应控制盾构掘进不同阶段最小总推力值 对比微风化和中风化板岩地层中盾构小曲线半径掘进过程中管片结构受力特征 微风化围岩可以很好的约束管片结构变形 进一步减小盾构小曲线掘进过程中对管片结构受力、变形的不利影响参考文献 张云 殷宗泽 徐永福.盾构法隧道引起的地表变形分析.岩石力学与工程学报():.周济民 何川 肖明清 等.狮子洋水下盾构隧道衬砌结构受力的现