双护盾TBM管片三维有限元计算分析.pdf

以国外某长引水隧洞为例，采用ANSYS软件，建立长引水隧洞三维有限元模型，分析六边形管片在欧洲标准下，不同工况、不同围岩类型的应力应变特征，对后续衬砌结构配筋及项目安全施工提供理论依据。关键词：管片；ANSYS；衬砌；数值模拟中图分类号：TV52D01:10.19733/ki.1672-9900.2023.04.17Three-dimensional finite element calculation of TBM segments with(China Water Resources Beifang Investigation,Design&Research Co.Ltd,Tianjin 300222,China)Abstract:This paper takes a long diversion tunnel abroad as an example,uses ANSYS software to establish a three-dimensional finite element model,analyzes the stress-strain characteristics of hexagonal segments under different workingconditions and different surrounding rock types under European standards,and provides a basis for subsequent liningstructure reinforcement and project safety construction.Key words:segment;ANSYS;concrete lining;numerical simulation随着近年引调水工程建设的不断增多，长距离输水隧洞成为引调水工程的一种重要输水型式。通过采用TBM管片衬砌技术，可明显提高输水隧洞工程的施工效率和质量。目前六边形管片衬砌技术在国内很多隧洞工程施工中已被应用，如引大人秦工程、万家寨引黄工程等,而在国外项目中却相对较少，因此研究六边形管片在国外项目中的应用具有重要意义。1工程概况文献标识码：Bdouble shieldsHAO Xuehang,LI Kang,SUN Xiangdong文章编号：1 6 7 2-9 9 0 0(2 0 2 3)0 4-0 0 6 1-0 3定位销孔安装孔顶拱中孔塑料螺丝管图1 TBM管片体型豆砾石回填灌浆定位销孔安装礼管片衬砌辅线国外某项目是以输调水为任务的工程，其中3号隧洞根据施工工艺的不同，分为6 3 8 0 m长新奥法施工段和2 0 1 9 9 m长TBM段，其中TBM段管片衬砌结构采用预制钢筋混凝土六边形管片，混凝土采用C40/50纤维混凝土，管片外径为7.3 m，内径6.8 m，管片厚0.2 5 m，环宽1.6 m。管片断面图如图1。收稿日期 2 0 2 3-0 3-0 9【作者简介】郝雪航（1 9 9 1 一），男（汉族），河北邯郸人，工程师，主要从事水工结构工程设计工作方向研究。E-mail:2地质条件隧洞所处的山体总体上呈现NWSE向展布，总体地势上北低南高，地面高程范围为1 5 0 2 0 0 m。沿线浅沟谷发育，切割的深度一般在2 0 5 0 m。隧洞桩号3 5 8 4 0 至5 4 2 8 0 穿过段的地形起伏变化较小，隧62洞埋深多小于5 0 m，跨沟浅埋段小于2 0 m。隧洞穿过段构造不发育，主要以裂隙为主,隧洞穿过区以变质岩为主，岩性主要包括钙质片麻岩、花岗片麻、大理岩、孔兹岩等。典型计算断面选择埋深较大、地下水位低、穿越段地层变形模量低的位置，计算采用的岩体参数如表1。表1 各类围岩参数岩体变岩体强度指标围岩指泊松比密度/岩性形模量类别标钙质片麻岩/上限0.3类大理岩下限0.16上限0.4类孔兹岩下限0.25上限0.4IV类孔兹岩下限0.253分析过程ANSYS支持3 种接触方式：点一点接触、点一面接触和面一面接触，每种接触方式使用不同的接触单元，应用于各自适应的问题。本计算对管片衬砌采用三维有限元模型模拟，各管片纵缝之间的相互接触关系应用面一面接触模型模拟。ANSYS中面一面接触模型常采用Conta173单元及Targe170单元。一般可用一个弹簧施加接触协调条件，称为罚函数法。弹簧刚度或接触刚度称为罚参数。该弹簧的变形量满足方程：F=KA。其中，接触刚度K越大，接触表面的侵入越少。在迭代开始,接触协调条件基于罚参数决定，一旦达到平衡，就检查许可侵入量，如果超过许可侵人量，则改变接触刚度值继续进行迭代。本研究中即采用此方法施加管片环间接触协调条件。3.1计算模型计算模型中管片、围岩、砂砾石用实体单元模拟；管片环向及纵向设置接触单元，管片与豆砾石灌浆间设置接触单元，接触单元只能受压不能受拉。三维整体有限元计算模型单元如图2，管片、灌浆及围岩内壁细部单元如图3。3.2计算工况根据欧洲规范，确定工况荷载组合及荷载系数如表2。郝雪航，等：双护盾TBM管片三维有限元计算分析g/cmc MPa$()Erm/CPa2.892.86.92.93.12.91.82.91.02.90.52023年第4 期图2 三维整体有限元模型图3 模型细部图示表2 各工况荷载组合及荷载系数永久荷载G2.2647.71.4945.91.1645.50.9342.80.7639.80.6236.54结果分析经计算得出，类围岩，施工期是应力控制工况，环向应力-7.1 4 0.1 5 MPa；对于类围岩，施工期是应力控制工况，环向应力-8.1 7 0.2 1 MPa。对于IV类围岩，考虑所在岩层的围岩压力的侧压力系数分别取0.5 和1.0 进行初始地应力计算，侧压力系数0.5完建工况为应力控制工况，环向应力-1 0.3 0.8 4 MPa。侧压力系数1.0 施工期工况为应力控制工况，环向应力-1 2.4 0.4 3 MPa。I 类围岩有限元计算应力结果如表3。表3 类围岩不同工况下管片应力计算结果管片应力/MPa工况环向应力主拉应力主压应力最大剪应力施工期-8.170.21完建-3.770.16正常运行1-2.080.01正常运行2-3.020.13正常运行3-2.660.05一般可变荷载Q设计状态工况自外围岩内水灌浆推进吊装重水压力压力 压力力荷载施工1.351.351.15承载完建1.351.351.35短暂力极设计吊装限状1.35状态工况态推进1.35工况承载正常1.351.001.351.50力极运行1限状正常持久态运行21.351.001.35设计状态正常使用正常1.001.001.001.00极限运行3状态01.50001.50-1.301.14-8.17-0.01-0.810.76-3.85-0.01-0.530.35-2.13-0.07-0.660.61-3.08-0.010.570.47-2.730.050.053.860.031.650.030.880.031.310.031.142023年第4 期图4 施工工况管片最大压应力云图TIME=1T(AVG)TOPDMX=.00167SMX=.222E+07SMN=1737.681737.68495147248442741852988556.124E+07.148E+07.173E+07.222E+07.198E+07单位：Pa图6 管片中孔吊装工况最大剪应力分布图7管片两侧灌浆孔吊装工况最大剪应力分布STEP=ISUB=1TIME=1SX(AVC)RSYS=11PowerGraphicsEFACET=1AVRES-MatDMX=009373SMX=.394E+07SMN=.394E+07.394E+07-306E+07.219E+07-,131E+07-435366439768.131E+07219E+07.307E+07.394E+07单位：Pa图8 推进力工况管片环向应力计算吊装工况时，分别使用管片中心的螺栓起吊和管片两侧灌浆孔的螺栓起吊，重力加速度设置为1.3 5 x9.81m/s。得到的应力分布如图6 图7。推进工况时，单护盾模型下每块管片上面8 个油缸，每个油缸常规最大推力2 1 5 4 kN/个，脱困状态下最大推力2 5 8 4.8 kN/个,管片最大环向应力为3.9 MPa。双护盾模式下，管片不承受掘进反力，换步时受力也小。得到的应力分布如图8。经过对比，IV类围岩施工期管片接触压力最大，该工况下接触错动位移如图9。5结语(1)对于类围岩和类围岩,由于管片与围岩之间空隙较大，围岩压力不作用于管片。类围郝雪航，等：双护盾TBM管片三维有限元计算分析NSYS.Release:18.0NSYS Release 18.0Build18.0NODALSOLUTIONBuild18.0STEP=35NODALSOLUTIONSUB=1TIME=1S3(AVG)werGraphicsEFACET-IAVRES=MatOMXX=.002107SMNSMX=.817E+078916.17.817E+07.545E+07.635E+07.454E+073E+0.273E+07.182E+07915272-8916.17单位:Pa63岩，施工期工况为应力STEP-36SUB=1TIME=ITOP(AVG)DMX.816E-03SMNSMX33063.6165E+073306.3.621290392749721928886111E+07147E407129E+07.165E+07单位：Pa应力控制工况。图5 完建工况管片最大剪应力云图(2)对接触面而STEP-=1SUB=1TIME-=1T(AVG)TOPDMX=.140E-03SMN=1513.27SMX=9635351513.27108405215296322187429078535970642861749752963535856644单位：Pa孔附近应力集中，改成NODALSOLUTIONSTEP-1SUB=1TIME=1CONTSLIDRSYS=0PowerGraphiesEFACET=1AVRES=MalSMN=.421E-08DMX=.004353SMX=.559E-04.421E-08.621E05.124E-04.186E-04.248E04.373E-04.311E-04.435E-04.497E-04559E-04单位：m转时的吊装工况，在灌图9 控制工况管片接触面错动位移浆孔处应力集中，可在灌浆孔处进行适当加固配筋。(4)管片推进工况下环向应力较大，应设置相应的环向受力加强筋。(5)为进行双护盾TBM管片衬砌结构的后续研究提供可靠数据，从而保障工程项目顺利实施。参考文献：1王美斋.TBM输水隧洞管片衬砌型式的设计研究与应用 J。水电与新能源,2 0 1 7(7):2 0-2 2.2PAS88102016.Tunnel design-Design of concrete segmentaltunnel linings-code of practice.3 JBSEN1990:2002:2004.Eurocode-Basis of structural design.4赵鹏涛,娄宗科.深埋TBM输水隧洞结构数值模拟 J.中国农村水利水电，2 0 1 0(5):9 6-9 8.5钟登华,佟大威，王帅，等.深埋TBM施工输水隧洞结构的三维仿真计算 J.岩土力学,2 0 0 8,2 9(3):6 0 9-6 1 3.（责任编辑：王艳肖）控制工况；IV类围岩，侧压力系数为0.5 时，完建工况是应力控制工况，侧压力系数为1.0时，施工期工况为言，接触面最大错动为0.06mm,摩擦应力最大为2 MPa，接触压应力最大为1 2 MPa,对管片应力影响不大。(3)吊装工况在中利用双侧的灌浆孔双(AVG)孔吊装应力状态有明显好转，双孔吊装时，管片环向应力小于1 MPa，同时计算管片侧向翻