盾构隧道混凝土管片受力分析

第３８卷第２４期　２　０　１　２年８月　文章编号：１００９－６８２５（２０１２）２４—０１８９－０２　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　山　西　建　筑　Ｖ０１．３８　Ｎｏ．２４　Ａｕｇ．　２０１２　・１８９・　盾构隧道混凝土管片受力分析　李建平　（腾达建设集团股份有限公司，浙江台州３１８０５０）　摘要：以杭州地铁一号线下沙开发区某区间隧道工程成环管片为研究对象，利用ＡＮＳＹＳ软件建立成环管片数值模型，分析了管　片在土中的受力情况，同时结合在本工程实际施工中管片出现的一些情况，得到较可靠的结论。　关键词：盾构，地铁隧道，管片，ＡＮＳＹＳ　中图分类号：Ｕ４４５．４２　文献标识码：Ａ　０　引言　盾构隧道衬砌管片进行数值分析的关键问题在于结构模型　本身是否能反映管片的实际受力状态。目前隧道衬砌管片横向　理论解析分析方法主要有四种：惯用法、修正惯用法、多铰环法以　及梁一弹簧模型　。本文通过ＡＮＳＹＳ有限元分析软件采用梁一　弹簧模型形象的反映管片受到土体力后的变形及弯曲、剪力和轴　力分布情况，了解管片在地层中的受力情况，可以帮助我们提高　管片的拼装质量以及分析隧道成环质量问题病因。　块较易出现错位，拼装时对管片螺栓进行复紧是非常重要的。　表１各节点等效力　节点编号　ｌ　２　３　Ｆｘ值／　一３．５Ｏ　５．７９　一１．１７　Ｆｙ￣ｉ／ｋＮ　一３５．３５　—３４．５８　—３５．７５　节点编号　３１　３２　３３　ＦｘｆｆＣｋＮ　５．７９　Ｏ．ｏ０　１．１７　Ｆｙ值／ｋＮ　３４．５８　３５．１８　３５．７５　４　５　６　７　０．００　３．５０　２１．６１　８．ｏ２　—３５．７５　—３５．３５　—９．２６　—３３．４３　３４　３５　３６　３７　０．０ｏ　—３．５０　—５．７９　—８．０２　３５．７５　３５．３６　３４．５８　３３．４２　１　建立管片有限元模型　本工程地铁隧道内径为５．５　ｍ，外径为６．２　ｍ，把一环成型管　片按照梁来考虑，故建立模型直径为（５．５＋６．２）／２＝５．８５　ｍ，在　成型管片的６条接缝处设置弹簧单元来模拟衬砌与地层相互作　用。衬砌混凝土的弹性模量Ｅ＝３４．５ｅ９　Ｐａ，泊松比取０．２。建立　模型见图１。　８　９　１０　１１　ｌ２　１３　１４　１５　ｌ６　１７　ｌ０．１６　１２．１９　１４．０８　１５．８３　１７．３９　１８．７７　１９．９４　２Ｏ．８９　１２．１９　２２．１Ｏ　—３１．９０　—３Ｏ．０２　—２７．８２　—２５．３１　—２２．５４　—１９．５０　一ｌ６．２５　—１２．８３　３Ｏ．０２　一５．６ｏ　３８　３９　４０　４１　４２　４３　４４　４５　４６　４７　一ｌＯ．１６　—１２．１９　—２ｏ．８９　—１５．８３　—１７．３９　一ｌ８．７７　—１９．９４　—２０．８９　—２１．６１　—２２．１０　３１．９０　３Ｏ．０２　一ｌ２．８３　２５．３２　２２．５２　ｌ９．５Ｏ　ｌ６．２５　ｌ２．８３　９．２６　５．６ｏ　作用在衬砌圆环上的力采用等效节点力替换　Ｊ。节点力的　计算采用Ｅｘｃｅｌ电子表格进行计算。计算结果见表１。　计算得出衬砌圆环的变形图、弯矩图、轴力图和剪力图，如图　２～图５所示。由位移变形图可以看出，衬砌圆环在地下呈压扁　形状，故成型隧道多为“横鸭蛋”。如果要想得到较好的整圆度，　在拼装时进行有意识的控制为“竖鸭蛋”，即竖直直径略大于设计　１８　ｌ９　２０　２１　２２　２３　２４　２５　２６　２２．３４　２２．３４　２２．１Ｏ　２１．６ｌ　２０．８９　１９．９４　１８．７７　ｌ７．３９　１５．８３　—１．８７　０．００　５．６ｏ　９．２６　ｌ２．８３　ｌ６．２５　１９．５０　２２．５２　２５．３２　４８　４９　５０　５１　５２　５３　５４　５５　５６　—２２．３４　—２２．３４　—２２．１Ｏ　—２１．６ｌ　—１９．９４　—１８．７７　一ｌ７．３９　一ｌ５．８３　—１４．０８　１．８７　Ｏ．００　一５．６０　一９．２６　一ｌ６．２５　—１９．５Ｏ　—２２．５４　—２５．３１　—２７．８２　直径，水平直径略小于设计直径。从弯矩图看出，成环隧道下面　３块管片中部弯矩较大，在管片螺栓连接处弯矩最小，而在邻接块　和封顶块螺栓连接处弯矩较大，这就能说明在成型隧道中封顶块　与邻接块之间的接缝容易渗漏水也较易碎裂的现象。从剪力图　上可以看出，在管片块与块的螺栓连接处剪力较大，故在设计螺　栓的时候要充分考虑螺栓的抗剪切性能，在剪力作用下管片块与　２７　２８　２９　３０　１４．０８　—１４．０８　１０．１６　８．０２　２７．８２　２７．８２　３１．９０　３３．４２　５７　５８　５９　６０　—１２．１９　一ｌＯ．１６　—８．０２　—５．７９　—３Ｏ．０２　—３１．９０　—３３．４３　—３４．５８　［３］　张凤祥，傅德明，杨国祥，等．盾构隧道施工手册［Ｍ］．北京：　［４］　李小军．地下结构动力分析方法研究，二十一世纪土木工程　人民交通出版社．２０１０．　学科的发展趋势［Ｍ］．北京：科学出版社，２００９．　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｏｆ　ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ　ａｎｄ　ｓａｎｄ　ｉｎｆｌｏｗ　ａｔ　ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎｎｅｌ　ｐｏｒｔａｌ　ｗｉｔｈ　ｒｉｃｈ　ｗａｔｅｒ　ｓａｎｄ　ｌａｙｅｒ　ＳＨＡＯ　Ｋｅ　（Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｅｎｇｉｅｅｎｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｒａｉｌ　Ｔｒａｎｓｉｔ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００２３５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｆｒｓｔ　ｐｈａｓｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｏｆ　Ｎｏ．１　ｌｉｎｅ　ｏｆ　Ｎａｎｃｈａｎｇ　ｒａｉｌ　ｔｒａｎｓｉｔ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｔｒｅａｔ－　ｍｅｎｔ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｏｆ　ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ　ａｎｄ　ｓａｎｄ　ｉｎｆｌｏｗ　ａｔ　ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎｎｅｌ　ｐｏｒｔａｌ　ｗｉｔｈ　ｒｉｃｈ　ｗａｔｅｒ　ｓａｎｄ　ｌａｙｅｒ，ｓｕｍｓ　ｕｐ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ　ｂｙ　ａｎａｌｙ－　ｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｃｃｉｄｅｎｔｓ，ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｔｈｅ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ　ａｎｄ　ｓａｎｄ　ｉｎｆｌｏｗ　ａｔ　ｔｕｎｎｅｌ　ｐｏｒｔａｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎ－　ｎｅｌ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｉｎ　ｒｉｃｈ　ｗａｔｅｒ　ａｎｄ　ｓａｎｄ　ｌａｙｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｉｃｈ　ｗａｔｅｒ　ａｎｄ　ｓａｎｄ　ｌａｙｅｒ，ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎｎｅｌ，ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ　ａｎｄ　ｓａｎｄ　ｉｎｆｌｏｗ　ａｔ　ｐｏｒｔａｌ　收稿日期：２０１２－０６－２０　作者简介：李建平（１９７８一），男，工程师　・１９０・　第３８卷第２４期　２　０　１　２年８月　山　西　建　筑　ＵＮＥ　ｓ１ＲＥＳＳ　ｓ１ＥＰ＝Ｉ　ＳＵＢ＝Ｉ　１１ＭＥ＝ｌ　ＳＭＩＳ２　ＳＭＩＳ８　ＭＩＮ＝—４８　４ｏ６　ＥＬＥＭ＝３８　ＭＡＸ＝５０　５００　ＥＩＥＭ＝２７　—４８　４０６　－２６　４２７　—４　４４８　１７　５３１　３９　５１０　３７　４１７　－１５　４３７　６　５４２　２８　５２１　５０　５００　—图１　Ｂｅａｍ３单元建立管片受力模型图　ＤＩＳＰＬＡＣＥＭＥＮＴ　ＳｒＥＰ＝ｌ　图５隧道衬砌剪力图　◆环高差　１　２９６，一一ＬＩＮＥＳＴＲＥ蟠　Ｐ＿１ｓ１　Ｐ＝ｌ　＂Ｉ　１ＭＥ＝Ｉ　　墨ｔ纵高差　１　７　１３　１９　２５　３１　３７　４３　４９　５５　６１　６７　７３　７９　８５　９１　９７　环号　　　隼　图６管片商差偏差圈　本工程隧道所处土层为砂性土，砂性土的内聚力小，管片脱　出盾尾后，周围土体及时作用在管片周围形成握裹。故管片后期　变形不大，对管片整圆度的控制主要在拼装时。在周围间隙均匀　的情况下，把下部管片有意识的向下放，两侧管片控制稍大的间　－—　嘲ｂ　隙量，管片成环后，隧道直径偏差基本能控制在理想范围内　。　计算出实际横径与设计横径的差值，绘制图７。由图７可知基本　上能把隧道椭圆度控制在规范范围内　Ｊ。　６　眦　——■■　◆椭圆度　０　６０　３２１　－３５　２３１　－１０　１４１　１４　９５０　４０　Ｏ４０　４７　７７６　—２２　６８６　２４０５　２７　４９５　５２　５８５　１　９　１７　２５　３３　４１　４９　５７　６５　７３　８１　８９　９７　图３隧道衬砌弯矩图　环号　图７管片横径偏差图　ＬＩＮＥ　ＳＴＲＥＳ　Ｏ　一２结语　管片成型后，一般情况后期位移的变化量下不大，控制椭圆　度可在拼装时进行，通过盾构轴线的调整，使管片与盾构四周问　隙量合理，在拼装时完全可以控制好椭圆度，能得到理想的竖鸭　蛋。通过隧道螺栓复紧，能够有效的控制管片的错台量，同时也　是减小管片后期变形最有效的措施。　参考文献：　３５８　０８６　—２６９　０３２　—１７９　９７７＿９Ｏ　９２２　—１　８６７　３１３　５５９　—２２４　５０４　－１３５　４５０　－４６　３９５—４２　６６ｏ　—图４隧道衬砌轴力图　［１］　黄正荣．基于壳一弹簧模型的盾构衬砌管片受力特性研究　［Ｊ］．南京：河海大学博士学位论文，２００６．　本工程中，对管片至少进行３次复紧。第１次为盾构在下一　环推进时，由于推进状态千斤顶作用在管片端面，充分压密后进　［２］　黄剑源，谢旭．薄壁曲线梁空间等效节点荷载［Ｊ］．宁波大　行拧紧，第２次为车架行驶到管片时，陆续对其进行复紧，第３次　学学报，１９９４，７（１）：６８－７９．　为车架驶过后再次复紧。通过３次复紧，能有效的控制管片的错　［３］　张则忠．盾构施工中管片错台的成因分析以及防治措施　台量。当施工中，发现管片错台时，应分析相应原因并及时调整　［Ｊ］．深圳土木与建筑，２００７，４（１）：５２－５３．　施工，一般可得到有效控制，从而保证了隧道的质量　ｊ。本工程　［４］　吴惠明．盾构法隧道施工应用技术文集［Ｍ］．上海：同济大　管片环缝、纵缝错台量均控制在规范范围内（规范为环高差　学出版社，２００７：１２３－１５７．　１５　ｍｌｎ，纵高差１０　ｍｍ），如图６所示。　‘　［５］　ＧＢ　５０４４６－２００８，盾构法隧道施工与验收规范［ｓ］．　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｓｅｇｍｅｎｔ　ｓｔｒｅｓｓ　ｉｎ　ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ　ｔｕｎｎｅｌ　ＬＩ　Ｊｉａｎ－ｐｉｎｇ　（Ｔｅｎｇｄａ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｔａｉｚｈｏｕ　３１８０５０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａ￣ｎｇ　Ｈａｎｇｚｈｏｕ　ｓｕｂｗａｙ　ｌｉｎｅ　Ｎｏ．１　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｌａｒ　ｓｅｇｍｅｎｔ　ｉｎ　Ｘｉａｓｈａ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｒｅｇｉｏｎ　ａｓ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｔａｒ－　ｇｅｔ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｌａｒ　ｓｅｇｍｅｎｔ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＡＮＳＹＳ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｓｅｇｍｅｎｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　．　ｅａｒｔｈ，ａｎｄ　ｏｂｔａｉｎｓ　ｒａｔｈｅｒ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ　ｂｙ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｓｏｍｅ　ａｃｔｕａｌ　ｓｅｇｍｅｎｔ　ｃｏｎｄｉｉｔｏｎｓ　ｏｃｃｕｒｒｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＫｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｅｌｄ，ｓｕｂｗａｙ　ｔｕｎｎｅｌ，ｓｅｇｍｅｎｔ，ＡＮＳＹＳ