高水压隧道盾构管片不同拼装方式力学性能分析.pdf
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1、第54卷第8 期2023年8 月文章编号:10 0 1-417 9(2 0 2 3)0 8-0 16 6-0 7引用本文:彭科峰,周书剑,李树忧,等.高水压隧道盾构管片不同拼装方式力学性能分析J.人民长江,2 0 2 3,54(8):16 6-17 2.人民长江YangtzeRiverVol.54,No.8Aug.,2 0 2 3高水压隧道盾构管片不同拼装方式力学性能分析彭科峰,周书剑,李树悦,刘修义3,唐苑寿4(1.山东大学岩土与结构工程研究中心,山东济南2 50 0 14;2.中铁十四局集团第一工程发展有限公司,山东日照2 7 6 8 0 0;3.中铁十四局集团隧道工程有限公司,山东济南2
2、 50 0 14;4.济南重工集团有限公司,山东济南2 50 0 14)摘要:水下隧道修建时,盾构管片承受着巨大水土压力,设计施工面临着重大技术难题。为此,针对江苏江阴长江水下隧道最大水压断面,分别使用修正惯用法与梁一弹簧法建立管片衬砌模型,通过调整封顶块位置与错缝角度研究了高水压下不同拼装方式对管片力学性能的影响。结果表明:修正惯用法计算结果变化平滑,而梁一弹簧法计算结果分布趋势则受接头影响,在接头位置会产生较大突变;管片力学性能受封顶块位置与错缝角度影响较大,随着错缝角度的增加,管片最大轴力、最大弯矩与最大位移以标准块圆心角度数为周期,呈周期性变化。施工过程中,为了防止产生较大位移,应尽量
3、避免前后环管片接缝重合。研究结果可为高水压盾构隧道管片的拼装方式设计提供参考。关键词:高水压;盾构管片;梁一弹簧法;修正惯用法;力学性能中图法分类号:TU3110引言近年来,盾构法凭借着自动化程度高、人力少、安全等特点 ,在城市隧道工程建设中大量应用2 。越江隧道修建时,盾构管片承受着巨大的水土压力,设计施工上面临着重大技术难题。管片拼装方式设计是高水压盾构隧道设计的重要组成部分,影响着盾构管片力学性能3,对管片结构安全有着不可忽视的重要作用4。惯用法、修正惯用法与梁弹簧法是工程上常用的3种管片计算方法。惯用法认为装配式衬砌组成的圆环可以近似看成是一个均质刚性圆环,不用考虑管片接头引起的刚度降
4、低。修正惯用法引人了弯曲刚度有效率与弯矩增减系数来弥补管片连接造成的刚度损失5。梁-弹簧法用梁单元来模拟管片,用回转收稿日期:2 0 2 2-0 5-11基金项目:国家自然科学基金项目(518 7 9150);国家自然科学基金重点项目(418 312 7 8)作者简介:彭科峰,男,硕士研究生,主要从事岩土工程领域研究。E-mail:peng_通信作者:李树忧,男,教授,博士,主要从事岩土工程与隧道工程领域研究。Em a il:s h u c h e n li s d u.e d u.c n文献标志码:AD0I:10.16232/ki.1001-4179.2023.08.023弹簧与剪切弹簧来模
5、拟管片间接头与环间接头6 修正惯用法计算方便,建模简单,但是其将整个模型视为一个均质圆环,并不能准确模拟管片连接的情况7 。梁弹簧法更接近工程实际,常用来研究管片在不同拼装方式下的力学性能 。近年来,一些学者通过理论、试验及数值方法对不同拼装方式下管片力学性能做了大量分析。朱伟9、朱合华10 等分别提出了壳弹簧模型与梁接头模型来模拟错缝拼装时螺栓的连接作用。何川等 为研究通缝、错缝拼装方式下管片应力的分布规律,开展了结构原型试验,并对管片表面应力进行了分析。葛世平等12 对管片接头刚度进行了修正,并通过室内足尺试验进行了验证。王士民等131开展了封顶块位于不同位置的相似模型试验,从而研究封顶块
6、不同位置对管片的受力与刚度的作用机理。封坤等14 探讨了盾构隧道管片拼装效应38341第8 期产生机理,并研究了纵向力作用对管片环向内力的作用机制。梁坤等15 为了探明封顶块位置对高水压盾构隧道管片结构的受力影响,开展了通缝模型试验。以上研究主要集中在通缝与错缝力学性能的比较上,针对封顶块位置与不同错缝角度对管片结构力学性能的影响研究较少。为此,本文针对位于江苏江阴的长江水下隧道最大水压断面,使用修正惯用法与梁一弹簧法建立管片衬砌模型,通过调整封顶块位置与错缝角度研究高水压下不同拼装方式对管片力学性能的影响。1工程背景1.1工程地质该水下隧道为长距离、大直径、高水压和大埋深水下盾构隧道。隧道总
7、长度超过6 0 0 0 m,水下段长度为4947m。水下段经过地层主要为粉质黏土层与粉细砂层,局部穿越淤泥质软弱土层。该盾构隧道工程场区覆盖层包括全新统人工填土(Q4)、冲洪积层(Q.+))与下更新统冲洪积层(Q,+);隧道外直径超过15m,承受最高水压超过6 0 m,最大覆土深度超过40 m,管片设计施工上面临着重大技术难题与风险挑战。地层参数如表1所列。表1地层参数Tab.1Strata parametersc/层号土层名称11-4粉砂夹粉土1.84023-1粉质黏土7.14033-3粉砂43-4粉细砂53-5粉质黏土8.83064-2粉质黏土3.83074-4粉细砂84-4-2中砂94-
8、4粉细砂(1)104-5中粗砂19.3501.2盾构管片水下隧道盾构管片外径为15.5m,内径为14.2m,宽度为2 m。衬砌环采用C60混凝土浇筑而成,由1块封顶块,2 块邻接块与7 块标准块共10 块管片通过环向接头连接而成。在管片中间,即距圆心14.8 5m处设置56 个纵向接头用以连接衬砌环。管片构造如图1所示,因为邻接块与标准块圆心角角度十分接近,为简化后续计算,在梁弹簧法计算过程中,统一视为标准块。封顶块圆心角为12.8 6 标准块圆心角为封顶块的三倍,即38.58,由于模型简化影响,角度值与图1中略有差别。彭科峰,等:高水压隧道盾构管片不同拼装方式力学性能分析383417.11L
9、101.66B7B6B5L2113925.72L1IL1.01.65B1B2383417.1383417.1图1盾构管片示意Fig.1 Schematic diagram of shield segments2最大水压断面计算为研究高水压下不同拼装方式对管片力学性能的影响,选取隧道的最大水压断面,其断面地层环境如图2所示。衬砌管片位于粉细砂层与中粗砂层之间,距水平面6 2.48 m,距陆地表面45.6 1m。分别采用修正惯用法与梁-弹簧法建立管片衬砌模型,研究管片的力学性能,并对所得结果进行比较。水平基床弹性厚度/m泊松比系数K/(kNm-3)kPa19.404.1019.9037.204.5
10、0019.805.27020.0018.5019.304.27019.601.49020.4012.54019.6020.70167383417.1383417.1B4B3383417.1模量/1-4粉砂夹粉土()(kPa m=1)31.700.3313.400.335.2032.100.333.8030.800.3310.4020.100.3326.7012.100.335.5033.700.331.6033.500.335.5033.700.333.5033.200.3317.1kPa3-1粉质黏土14075.026200.029930.22000.020582.830700.027332
11、.432000.08433.313800.022881.216500.034930.035300.034930.024300.034930.035300.044816.735500.03-3粉砂3-4粉细砂43-5粉质黏土4-2粉质黏土4-4粉细砂4-4-2中砂4-4粉细砂(1)4-5中粗砂图2 最大水压断面地层环境(尺寸单位:m)Fig.2Strata environment of the maximum water pressure section2.1外荷载计算如图3所示,通过荷载结构法,将隧道管片所受竖向外荷载分为土荷载Pel与水荷载Pw1,并分别进行计算。当管片覆土深度大于管片外直径
12、时,衬砌管片所受土荷载可近似看成是松弛土压力16 ,并将隧道外径的2 倍作为所受土荷载的最低有效高度。168Fig.3 Schematic diagram of load-structure method采用Terzaghi公式计算隧道所受土荷载:D。.B,=:cot(T/4+9/2)2B,1-c/(B,)ho=Kotang式中:B,为松弛宽度,m;为土体的内摩擦角,();ho为有效高度,m;c为土体的黏聚力,Pa;K。土体水平土压力与竖直土压力之比,文中取1;为土体重度,N/m;为土体浮重度,N/m;P。为上部荷载,Pa;D。为管片的外径,m。最大水压力断面处,衬砌的外径D。=15.5m,内
13、摩擦角=33.7,土体重度=19.6 0 kN/m,浮重度=9.60kN/m,黏聚力c=5.5kPa,上部荷载P。=2 0kPa。代人式(1)、(2),求得有效高度h。=18.39m,小于管片外径的两倍,则有效高度h=2D=31m,管片所受覆土荷载P。l=h。=19.6 31=2 97.6 0 k N。管片结构距水平面6 2.48 m,管片所受水荷载Pwl=h=1062.48=624.80kN,其他荷载计算结果如表2 所列。表2 荷载计算结果Tab.2Load composition and results竖向荷载PPP2PelPel+PaPe2297.60 624.78 922.38 297
14、.60 624.78 922.38 120.06 624.78744.84 129.36 779.78 909.142.2地层弹簧刚度由Winkler假设,地表上沉降变形与承受的地层压力成正比,因此可以将地层简化为一系列彼此不关联的弹簧。选取ANSYS平台combin39单元模拟地层的抗力作用,并设置受压时地层弹簧刚度Kri与受拉人民长江P。时弹簧刚度Kci。弹簧单元长度设置为1m,抗压时地层弹簧刚度KRi由式(3)得出:KRi=K,A,式中:KR为受压时地层弹簧刚度,kN/m;K,为地层抗PuP.lqmq.2图3荷载结构法示意2水平荷载!91Pe2+Pu4el2023年(3)力系数,kN/m
15、;A,为每个地层弹簧对衬砌管片的接触面积,m。本文设置弹簧接触面积为0.416 5m,地层抗力系数40 0 0 kN/m,代人式(3),求得受压时地层弹簧刚度为16 6 6 kN/m,考虑到围岩不抗拉的特性,受拉时弹簧刚度K设置为0。qu2P.Pul9elle2qw21e2+w1w22.3修正惯用法计算取单环管片进行计算,管片参数如表2 所列,管片外荷载根据表3选取。表3管片参数Tab.3Segment parameters弹性模量/CPa泊松比弯曲刚度有效率m弯矩增减系数36.50.3(1)在ANSYS平台上使用beam188单元建立单环衬砌管片,并施加管片外荷载与地层弹簧,建立修正惯用法模
16、型,如图4所示。图5为修正惯用法计算结果。由图5(a)轴力计算结果可知,管片轴力为左右对称分布,在(2)1290014400kN范围内变化,变化幅度较小。如图5(b)所示,管片最大负弯矩出现在拱顶位置,为9 8 2.7 2kNm。考虑到弯矩增减系数,管片截面弯矩为(1+9)M=1277.54kNm,管片接头弯矩为(1-)M=687.90kNm。管片的最大正弯矩发生在拱肩位置,为617.91kNm,管片截面弯矩为8 0 3.2 8 kNm,管片接头弯矩为432.53kNm。管片出现椭圆状变形,最大竖向位移出现在拱顶位置,为12.47 mm;最大横向位移出现在拱腰位置,为3.91 mm。(a)管片
17、结构kPa(a)Segments structure42Fig.4Modified usage method2.4梁-弹簧法计算图6 为梁弹簧法所建模型示意图,模拟过程中,令A环,C环封顶块位置保持不变,通过旋转B环来模拟错缝拼装,使用接缝回转弹簧K,来模拟单环管片中块体之间接头,使用径向剪切弹簧K,与切向剪切弹簧K,来模拟衬砌管片环间接头。0.75(b)Boundary condition图4修正惯用法模型0.3(b)边界条件第8 期Fig.5Calculation results of modified usage methodB环A环图6 梁一弹簧模型示意Fig.6 Schematic
18、diagram of beam-spring method接缝回转弹簧K,在工程设计中多根据经验方法或接头受力实验来进行模拟确定17 1,取值范围一般是3.0109.510Nm/rad。本文假设标准块与标准块的接头刚度为3.6 10 Nm/rad,封顶块与标准块管片的接头刚度为5.410 Nm/rad。径向剪切弹簧K,与切向剪切弹簧K,可根据如下经验公式得出10 :K2=(26)3彭科峰,等:高水压隧道盾构管片不同拼装方式力学性能分析单位:NK;=0.14410*b(1+u)0.142100.141100.139100.13710%-0.13610*0.134100.1321030.13010
19、%0.12910*(a)轴力图(a)Axial force diagram(b)弯矩图(b)Bending moment diagram(c)位移图(c)Displacementdiagram图5修正惯用法计算结果C环切向剪切弹簧K,径向剪切弹簧K,接缝回转弹簧K,192E1169L,hE(5)式中:E为弹性模量,Pa;I为隧道轴方向的惯性矩,m*;b为接头宽度,m;L,为轴方向(环)接头间隔,m;u为泊松比;h为接头高度,m。由式(4)、(5),求得径向剪切弹簧刚度K,为1.510 Nm,切向剪切弹簧刚度K,为1.510 Nm。为消除边界影响,建立三环管片模型,A环与C环封顶块位置位于拱顶,
20、B环错缝角度设置为45。边界单位:N:m982724804876-627028-449180-27133393484.784363.1262211440059617906条件、地层弹簧设置与上节修正惯用法设置相同,所建模型为图7 所示。(a)管片结构(a)Segmentsstructure图7 梁一弹簧法模型Fig.7Beam=spring model选取中间环管片,即B环进行分析,管片的轴力、弯矩与位移如图8 所示。管片轴力为对称分布,在1290014900kN范围内变化,并在拱腰处取得最大值,拱顶处取得最小值。弯矩分布结果则受管片接头影响,存在较大突变,最大负弯矩发生在封顶块两端接头处,为
21、156 0 kNm;最大正弯矩发生在左侧拱肩位置,为9 6 4.45kNm。最大竖向位移发生在拱顶位置,为12.38 mm;最大横向位移发生在拱腰位置,为3.90 mm。2.57不同计算方法结果对比将修正惯用法与梁弹簧法所建模型弯矩值与轴力值进行对比,绘制分布曲线,结果如图9、10 所示。修正惯用法与梁弹簧法所得计算结果都可近似看成是对称分布,但修正惯用法计算结果变化平滑,而梁一弹簧法计算结果则受接头影响,在接头位置会产生较大突变,符合工程实际。相比于梁弹簧法,修正惯用法虽然在一定程度上考虑了因管片接头造成的刚度损失,但在精细化模拟管片接头性能方面仍不如梁一弹簧法。3管片不同拼装方式性能研究为
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