纵向力对盾构隧道管片结构力学性能的影响分析.pdf

文章编号:()收稿日期:作者简介:赵金虎()男北京人高级工程师主要从事大直径盾构隧道方面的工作:.引文格式:赵金虎.纵向力对盾构隧道管片结构力学性能的影响分析.铁道建筑技术():.纵向力对盾构隧道管片结构力学性能的影响分析赵金虎(中铁十四局集团房桥有限公司 北京)摘 要:为探究动态变化的纵向力对管片结构受力变形性能的影响以济南黄河隧道工程为背景采用有限元分析软件建立错缝拼装弧形管片局部结构数值模型定义管片结构弯矩与位移分配能力指标研究管片结构弯矩与位移分配能力变化规律以明确管片结构环间变形机理 结果表明:()当环缝未发生错台时纵向力对管片结构影响较小当环缝出现错台与张开现象纵向力的增加增强了管片结构弯矩与位移分配能力()环间作用首先为摩擦力随竖向荷载增加凹凸榫构造发生接触环间作用其次为凹凸榫作用()凹凸榫构造接触后管片结构弯矩与位移分配能力随凹凸榫构造接触面积减小而减弱管片结构弯矩与位移分配能力最终会趋于定值 由于弯矩与位移的重分配管片结构会出现局部应力集中现象设计时需予以加强关键词:盾构隧道 管片衬砌 内力分配 纵向力 凹凸榫构造中图分类号:.文献标识码:./.(.):.:().().().:引言在盾构隧道施工中盾构机推进千斤顶顶推管片对管片结构产生纵向力作用 动态的纵向力对于盾构隧道管片结构拼装效果与环缝受力变形性能至关重要 目前已有诸多学者采用数值模拟、现场实测与理论研究等方式对纵向力对管片结构的影响进行分析 沈碧伟等依托上海青草输水隧道开展足尺试验对弯矩传递机理进行研究 张维熙等通过足尺试验探明了错缝拼装管片结构环间传力性能 朱瑶宏等利用足尺试验分析了管片结构环缝在轴力和剪力共同作用下的力学性能 柳献等通过以纵缝为研究对象的足尺试验明确了类矩形管片结构的抗剪性能 封坤等探明了纵向力使错缝拼装管片结构弯矩呈现局部加强的效果 李冬梅等基于上海长江隧道衬砌管片剪切试验得到环缝的剪切刚度计算公式及铁道建筑技术 ()赵金虎:纵向力对盾构隧道管片结构力学性能的影响分析接触面的摩擦系数值 张稳军等通过数值模拟分析探明了纵向力对弯矩传递系数的影响规律 李晓军等通过理论分析和数值模拟明确了纵向力对于衬砌结构纵向抗弯刚度的影响 张子新等通过理论分析和数值模拟提出纵向力对纵向刚度有效作用呈线性增加 门燕青等依托钱江隧道工程通过理论分析明确了盾构隧道纵向力对隧道渗漏水量的影响 本文依托济南黄河济泺路隧道工程通过 有限元软件建立错缝拼装下的管片局部结构模型分析不同纵向力作用下盾构管片结构的环间相互作用以探明纵向力对盾构管片间作用力传递机制与结构力学性能 工程介绍.依托工程概况济南黄河济泺路隧道工程位于济南市天桥区与新旧动能转换起步区南起济泺路穿越黄河后接国道 工程全长.其中隧道总长 (双管、双层公铁合建盾构法隧道盾构段长 )为超大直径盾构隧道首次穿越地上悬河运营后可实现汽车 、地铁.穿越“母亲河”.研究对象盾构管片材料为 单层装配式钢筋混凝土每环按照“”方式分块即封顶块(块)个、邻接块(块、块)个和标准块(块)个 隧道外径为.内径为.幅宽 厚度.管片连接采用环向 螺栓共 颗环与环之间采用“圆端分布式凹凸榫 斜螺栓”共 根 管片分析模型与工况.数值模型建立管片结构 有限元数值模型 模型 为单独 块管片构件模型 为三环管片结构(、为相邻环 中间环)如图 所示 均在 块拱顶处施加竖向荷载同时在三环管片结构侧面沿宽度方向施加对称纵向力图 数值模型.材料参数及监测点布设模型材料参数均按 混凝土设定 环间通过实体螺栓连接并设有凹凸榫结构 同时通过建立摩擦关系(摩擦系数取.)实现管片块与块之间接触 模型相关物理力学参数见表 模拟监测拱顶内弧面位移测点 以及中间凸榫下方环缝张开量、如图 所示表 模型物理力学参数密度/(/)杨氏模量/泊松比螺栓.混凝土 .钢筋 .支座 .图 管片位移测点及接缝张开量监测点.计算工况设置单块管片的加载工况设置 组(单块管片不施加纵向力见表)表 为三环管片结构加载工况 为使数值模拟结果尽可能贴合实际纵向力分别选取为、其对应竖向荷载分别为、两者均保持在常规加载范围内表 单块管片加载工况工况纵向力竖向荷载 表 三环管片加载工况工况纵向力竖向荷载 结果分析.纵向力对管片结构变形的影响图 为 块在竖向荷载作用下模型 单环管片与铁道建筑技术 ()赵金虎:纵向力对盾构隧道管片结构力学性能的影响分析模型 三环管片最大竖向位移沿宽度方向分布曲线图中(三环)为:竖向 荷载工况下三环管片结构最大位移沿宽度方向分布其余同理、和 测点位于单独构件与在中间环上其余四个测点位于两侧邻接环上 管片结构沿宽度方向竖向位移分布规律整体为 型且随竖向荷载增加管片结构竖向位移分布规律大体一致 定义位移分配系数:/式中:为三环管片中标准块 中部沿宽度方向最不利截面最大位移 为单个标准块 中部沿宽度方向的位移由图 可知竖向荷载、工况所对应的 值分别为.、.、.、.由此可见管片结构受力分配能力随着竖向荷载增加而降低竖向荷载的增加会减小管片结构位移分配能力图 竖向荷载下单环与三环管片最大位移纵向分布图 为各工况下三环管片结构竖向位移纵向分布规律(图例中 为纵向力 为竖向荷载 )由图 可知三环管片结构竖向位移整体呈 型分布 管片结构位移分配系数 计算结果见表 由工况、可知纵向力的存在增强了管片结构拼装效应两侧相邻环分担了中间环的位移由工况、可知在纵向力相同情况下随着竖向荷载增加管片结构位移分配能力逐渐减弱图 各工况下三环管片最大位移纵向分布表 各工况下 与 值工况纵向力/竖向荷载/.纵向力对管片结构弯矩的影响图 为单环管片与三环管片结构沿宽度方向弯矩分布规律图 随着竖向荷载的增加管片结构弯矩分配规律大体一致呈 型分布 为评价环间弯矩分配能力定义弯矩分配系数:/式中:为三环管片中 块管片最大弯矩 为单块 的最大弯矩值图 不同竖向荷载下单环与三环管片沿宽度方向的最大弯矩分布计算管片结构弯矩分配系数 如表 所示 无纵向力条件下竖向荷载为、时弯矩分配系数 值分别为.、.、.、.图 为三环管片结构沿宽度方向弯矩分布规律图 各工况下三环管片沿宽度方向最大弯矩分布铁道建筑技术 ()赵金虎:纵向力对盾构隧道管片结构力学性能的影响分析由图 可知纵向力对盾构管片环间弯矩的分配能力影响较小 在不同纵向力作用下管片结构弯矩分布规律整体呈 型 工况、条件下随着纵向力递增管片结构中间环向两侧相邻环分配弯矩的能力增强 工况、其对应的弯矩分配系数 在数值上接近同样工况、其 值也大体一致 值得注意的是工况、中的管片结构环缝处未出现错台现象而工况、下的管片结构环缝则发生了错台.纵向力对管片结构环缝张开变形的影响图 为无纵向力条件下管片环缝张开量、变化规律环缝张开量发生在中间凹凸榫构造内弧面外侧 在竖向荷载小于 时管片结构环缝张开量随竖向荷载的增加呈非线性增大 但当荷载达到 时管片结构张开量变化趋势则趋于稳定在竖向荷载较小时管片环缝处会经历从静摩擦作用下的稳定到环间发生错台的过程图 无纵向力下环缝张开量图 为不同纵向力作用下管片环缝张开量变化规律(图例中 所示在纵向力 作用下环缝张开量)盾构管片的环缝张开量随着纵向力的递增而减小工况、在竖向荷载较小阶段管片环缝并未张开图 不同纵向力下环缝张开量.环缝变形机制综上所述当竖向荷载较小时管片结构环缝处凹凸榫构造由于间隙的存在而并未接触在纵向力作用下管片环缝处的摩擦作用保障了管片结构弯矩分配能力充分发挥表现为较大的 值与 值 随着竖向荷载增加管片结构环缝处发生错台凹凸榫构造接触并产生相对滑移表现为环缝张开量明显增加 此时管片结构弯矩与位移分配能力主要受凹凸榫构造影响 此后随着凹凸榫构造的相对滑移其接触面积不断减小管片结构弯矩与位移分配能力随之减弱由此可见常规荷载条件下管片结构环间变形机制可划分为四个阶段:第一个阶段管片环缝并未张开此时环缝间存在摩擦力作用第二阶段环缝处克服摩擦后环缝产生错台凹凸榫构造接触并产生相对滑移进而产生环缝张开量第三阶段凹凸榫构造接触面逐步减少管片结构的弯矩与位移分配能力随之降低第四阶段管片结构受力与变形趋于稳定 当竖向荷载达到一定值后接缝张开量趋于不变管片结构开始再一次协调变形其弯矩与位移分配能力保持不变 结论()纵向力增加了盾构管片结构之间的弯矩与位移分配能力提高了管片结构的整体性 同时纵向力对结构弯矩与位移分配能力的影响表现为非线性及阶段性()当环缝未发生错台时纵向力对管片结构影响较小当环缝发生错台与张开时纵向力的增加可增强管片结构弯矩与位移分配能力()管片环间接触面积是纵向力影响结构分配能力的本质其控制指标是环缝张开量与环间错台量 随着环缝张开量递增环间接触面积递减 中间环与相邻环的结构弯矩与位移传递能力表现为从环间摩擦作用逐步转变为凹凸榫构造接触作用()在纵向力动态变化过程中管片结构位移和受力特征随纵向力的改变而发生重分配现象导致管片结构出现局部应力集中现象参考文献 杨茜.盾构隧道纵向不均匀沉降及实时监测方法研究.北京:北京交通大学.殷建国黄宏伟.基于盾构隧道纵向沉降的纵向等效刚度反分析.岩土力学():.鲁选一封坤漆美霖等.纵向力作用下的盾构隧道管片结构纵向弯曲变形性能研究.工程力学():.沈碧伟丁文其彭益成等.输水隧道管片环弯矩调整系数试验与分析.同济大学学报(自然科学版)():.朱瑶宏柳献张宸等.错缝拼装盾构衬砌结构力学性能试验分析.现代隧道技术():.柳献张维熙王东方.类矩形盾构隧道纵缝受剪性能试验研究.铁道科学与工程学报():.封坤何川邹育麟.大断面越江盾构隧道管片拼装方式对结构内力的影响效应研究.工程力学():.铁道建筑技术 ()赵金虎:纵向力对盾构隧道管片结构力学性能的影响分析 李冬梅陈正杰杨志豪.上海长江隧道管片环缝抗剪性能的试验与分析.地下工程与隧道():.张稳军高文元李宏亮.盾构隧道结构御灾性能评价弯矩传递系数的研究.施工技术():.李晓军黄伯麒朱合华等.基于柔度法梁模型的盾构隧道衬砌结构纵向变形计算方法.工程力学():.张子新朱叶艇朱雁飞等.大断面异形盾构衬砌结构纵向力学性能.同济大学学报(自然科学版)():.门燕青李虎周建国等.考虑盾构隧道纵向应力松弛的环缝渗漏水计算分析.土木工程学报():.(上接第 页).插入比对地表沉降的影响插入比的变化也可能对基坑施工地表下沉产生影响图 为插入比和桩后地表沉降关系曲线 可见由于插入比降低地表沉降量呈上升态势在插入比大于 时最大沉降值增幅较为缓慢相邻插入比的地表最大沉降量仅相差 在插入比小于.时最大沉降量数值增幅逐渐扩大当插入比从.降至 时地表最大沉降量增大.达到.插入比对地表最大沉降发生位置的影响不大与围护桩距离始终保持在.左右范围内小幅波动图 地表沉降与插入比关系 结论()淤泥层厚度、支撑刚度不同导致围护结构最大水平变形量不同但不会对变形模式造成影响均由开挖初期的“直线式”变为“鼓肚式”第三次开挖全部处于淤泥层与开挖非淤泥层相比围护结构最大水平变形产生更大增幅占总变化量的.淤泥层的存在使基坑围护结构变形显著增大对于桩撑支护形式可通过增加内支撑刚度减小这一影响()由于淤泥层厚度增加()围护结构最大水平变形量从.逐步提高至.、地表最大沉降量由.增加至.分别提高.、.围护桩最大水平变形点所在深度、地表最大沉降位置与围护桩间的距离也逐渐增大变化范围分别为.、.()围护桩插入比和最大水平变形量有一定关系:如果插入比大于.随着插入比下降最大水平变形量缓慢提高变化幅度在.之间如果插入比小于.最大水平变形量迅速增大工程安全将会遭受一定风险极有可能发生“踢脚破坏”()由于围护桩插入比降低最大水平变形点所在深度、地表最大沉降量随之增大插入比对地表最大沉降发生部位的影响并不明显与围护桩距离始终保持在.左右小幅波动参考文献 徐飞 王渭明 张乾青 等.黄河冲积平原地区超大型深基坑开挖现场监测分析.岩土工程学报 ():.吴昌将 孙召花 赖允瑾 等.软土地区地下连续墙深大基坑的变形性状研究.岩土力学 ():.:.():.():.刘志波.高灵敏性软土深基坑变形影响因素分析及控制措施.铁道建筑技术():.王国辉 陈文化 聂庆科 等.深厚淤泥质粘土中基坑开挖对基桩影响的离心模型试验研究.岩土力学 ():.万星 戈铭 贺智江 等.南京软土地区基坑墙体变形性状研究.岩土工程学报 ():.李淑 张顶立 房倩 等.北京地区深基坑墙体变形特性研究.岩石力学与工程学报 ():.陈晓庆 丁文其 曲红波 等.珠海深厚淤泥地层中大直径桩插入比对基坑变形特性的影响.中南大学学报(自然科学版)():.叶帅华 李德鹏.复杂环境下深大基坑开挖监测与数值模拟分析.土木工程学报 ():.尹利洁 李宇杰 朱彦鹏 等.兰州地铁雁园路站基坑支护监测与数值模拟分析.岩土工程学报 ():.柴海博.深基坑开挖变形监测及数值计算分析.铁道建筑技术():.铁道建筑技术 ()