雙車道隧道通縫拼裝管片結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

雙車道隧道通縫拼裝管片結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

為了解決城市、河流和河流等交通問題，修建了大量橋梁。但是由于高架橋?qū)Τ鞘协h(huán)境的影響比較大,而跨江河大橋?qū)降酪灿幸欢ǖ挠绊?同時從國防戰(zhàn)略等方面考慮,越來越多的交通轉(zhuǎn)為地下,如武漢和南京長江公路隧道、上海翔殷路越江公路隧道和崇明越江公路隧道等。文中以某高速公路越江隧道為對象,針對單洞雙車道盾構(gòu)隧道,開發(fā)了一種10塊等分管片結(jié)構(gòu),并就相關(guān)力學(xué)問題進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析,研究成果可為類似越江盾構(gòu)隧道的設(shè)計提供參考。110等截面結(jié)構(gòu)的開發(fā)1.1通行限界寬度根據(jù)公路隧道設(shè)計規(guī)范,設(shè)計行車速度為100km/h時,其路緣帶寬度0.5m、余寬0.5m、兩側(cè)檢修道寬度均為0.75m,則通行限界寬度為0.75m+0.5m+3.75m+3.75m+1.0m+0.75m=10.5m;檢修道凈高2.5m,行車道凈高為5.0m。由通行限界寬度再考慮附屬設(shè)施所需要的空間,以及建筑裝修和調(diào)整施工誤差所需要的空間,在設(shè)備通行限界的外側(cè)預(yù)留10cm,由此得出盾構(gòu)隧道的內(nèi)凈空直徑為11.52m。1.2二次襯砌在盾構(gòu)隧道中,襯砌結(jié)構(gòu)有單層襯砌與雙層襯砌兩種結(jié)構(gòu)型式。單層襯砌采用管片結(jié)構(gòu),而雙層襯砌指在管片的內(nèi)側(cè)再模筑素混凝土或鋼筋混凝土。在設(shè)計中,由于盾構(gòu)隧道的特性,一般要求管片襯砌承擔(dān)盾構(gòu)隧道施工臨時荷載和建成后長期作用的各種荷載。如果施作二次襯砌,二次襯砌的主要作用是修正管片襯砌的蛇形誤差、作為結(jié)構(gòu)安全儲備、增強結(jié)構(gòu)的防水性及防火性能等。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,一般不宜考慮二次襯砌與一次襯砌的共同受力作用。在大斷面公路盾構(gòu)隧道中,有采用單層襯砌的、也有采用雙層襯砌的。比如德國易北河第4座公路隧道,采用單層襯砌、管片外徑為13.75m、內(nèi)徑為12.35m、厚度為70cm;日本東京灣橫斷公路隧道,采用雙層襯砌、鋼筋混凝土管片外徑為13.9m、內(nèi)徑為12.6m、厚度為65cm,內(nèi)側(cè)現(xiàn)澆35cm厚的二次襯砌。但不設(shè)置二次襯砌是目前國際上的趨勢,我國上海、北京、廣州和南京等地隧道直徑從6～11m的地鐵、市政及公路隧道中,基本上采用的是單層裝配式鋼筋混凝土管片,在這方面積累了較豐富的經(jīng)驗。按照材料管片分為鋼筋混凝土、鑄鐵和鋼以及復(fù)合材料管片,就混凝土管片來說,有平板型和箱型。本次設(shè)計首先根據(jù)國內(nèi)外工程類比,主要從盾構(gòu)隧道的內(nèi)徑、地質(zhì)以及埋深情況進(jìn)行類比,確定采用厚度為55cm的鋼筋混凝土平板型管片,管片混凝土選用C50,管片外徑為12.62m。1.3盾構(gòu)隧道管片管片結(jié)構(gòu)對于外徑為12.62m的盾構(gòu)隧道,一般將管片分成8～11塊,由封頂塊、鄰接塊和標(biāo)準(zhǔn)塊組成,且封頂塊的圓心角為標(biāo)準(zhǔn)塊的1/3左右。本次管片設(shè)計為10塊等分,管片結(jié)構(gòu)布置見圖1所示。由1塊封頂塊K、2塊鄰接塊B1、B2和7塊標(biāo)準(zhǔn)塊A組成,每塊的圓心角均為36°;一環(huán)內(nèi)縱向采用8.8級M45型螺栓40個,等圓心角布置;環(huán)向螺栓為8.8級M36型螺栓,每個接縫處在幅寬方向布置2排螺栓孔,每排布置2個螺栓,每個接縫處共4個,一環(huán)內(nèi)共布置40個螺栓(10個接縫)。在盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的設(shè)計中,對于鋼筋混凝土平板型管片,在我國通常采用的螺栓有彎螺栓和斜插式直螺栓兩種,考慮到本次設(shè)計的隧道為大斷面,埋深大、水位高以及采用的是厚管片,為了提高隧道襯砌的整體剛度和防水能力,選用插銷式直螺栓。管片接頭插銷式直螺栓構(gòu)造見圖2所示。1.4管片的幅寬和設(shè)計角隨著盾構(gòu)機管片拼裝機械手裝配能力的提高,管片的幅寬是越來越大,常用到的有1m、1.2m、1.5m和2m等?？紤]到本工程的實際情況,并從工程造價、工期、防水等方面進(jìn)行比較分析,并參考目前盾構(gòu)機的實際裝備能力,最終確定管片的幅寬為2.0m。為了在進(jìn)行管片拼裝時,管片能夠滿足曲線和施工中的蛇行修正(指的是施工糾偏問題),要設(shè)置一定量的楔形管片環(huán)。楔形管片環(huán)的楔形量與楔形角應(yīng)根據(jù)隧道的線形、圍巖地質(zhì)條件、管片的制作精度和施工質(zhì)量要求以及施工水平來確定。本次越江盾構(gòu)隧道位于直線段上,故僅考慮施工中的蛇行修正用到的楔形量,設(shè)置一定量的楔形環(huán),其楔形量為20mm,采用兩側(cè)楔形的方式。1.5管片的分塊設(shè)計盾構(gòu)隧道管片的拼裝方式有兩種,通縫拼裝和錯縫拼裝。通縫拼裝時,管片襯砌結(jié)構(gòu)的整體剛度較小,導(dǎo)致變形較大、內(nèi)力較小。而采用錯縫拼裝時,管片襯砌結(jié)構(gòu)的整體剛度較大,導(dǎo)致變形較小、內(nèi)力較大。同時錯縫拼裝時,要求縱向螺栓的布置能夠進(jìn)行一定角度的錯縫拼裝,因此,對于管片的分塊設(shè)計要求比通縫拼裝條件下要高。對于本次設(shè)計的管片可以進(jìn)行通縫和錯縫拼裝。通縫拼裝時,K塊從拱頂正上方右偏9°。錯縫拼裝時,按每兩環(huán)為一組進(jìn)行錯縫拼裝:第一環(huán)的封頂塊從拱頂正上方右偏9°,第二環(huán)的封頂塊在第一環(huán)基礎(chǔ)上右偏18°。因越江盾構(gòu)隧道地下水位較高,為了滿足增大管片襯砌結(jié)構(gòu)的整體剛度,并減小管片結(jié)構(gòu)的環(huán)向和縱向變形以及接縫的張開量,從而提高隧道的防水能力和耐久性等,推薦采用兩環(huán)一組的錯縫拼裝,其錯縫拼裝的展開情況見圖3。K塊的拼裝方式采用軸向插入型,其軸向插入角度設(shè)計為10°。拼裝時K塊沿縱向先搭接2/3、徑向推入,然后再縱向插入到位。2管片與圍巖間的相互作用盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的有限元計算模型,包括模擬管片結(jié)構(gòu)的模型、作用在管片結(jié)構(gòu)上的荷載模型以及管片結(jié)構(gòu)與圍巖間的相互作用模型。我國在盾構(gòu)隧道設(shè)計計算中,常采用勻質(zhì)圓環(huán)來模擬管片結(jié)構(gòu),用抗力的形式來模擬管片與圍巖間的相互作用,與日本的慣用法類似。本文采用梁—彈簧模型模擬管片結(jié)構(gòu),通過彈簧來模擬管片與圍巖間的相互作用,作用在管片上的荷載采用荷載-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計算。2.1襯砌接頭的接觸問題管片結(jié)構(gòu)采用梁—彈簧模型模擬,該模型直接考慮環(huán)向和縱向接頭的影響,用曲梁單元模擬管片,用接頭抗彎剛度Kθ、抗壓剛度Kn和抗剪剛度Ks來模擬環(huán)向接頭的實際力學(xué)行為。因環(huán)間接頭(縱向接頭)將引起襯砌圓環(huán)間的相互咬合作用,此時除考慮計算對象的襯砌圓環(huán)外,將對其有影響的前后襯砌圓環(huán)的1/2環(huán)也作為對象,采用空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算,并用螺栓的徑向抗剪剛度Kr和切向抗剪剛度Kt來體現(xiàn)縱向接頭的環(huán)間傳力效果,同時將兩側(cè)1/2環(huán)管片在其縱向上的位移約束(即第一環(huán)和第三環(huán)的中線在縱向沒有位移)。梁—彈簧模型在日本國用得較多,其計算簡圖及其曲梁單元見圖4所示。2.2盾構(gòu)隧道土壓力和結(jié)構(gòu)模型盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)與地層間的相互作用模型采用荷載-結(jié)構(gòu)模型,見圖5所示。圖中Wg為管片自重、P0為地面超載、W1為上覆水土荷載、W2為隧道底部反力、q1和q2為側(cè)向水土壓力、H為埋深、D為盾構(gòu)隧道外徑、Kdcn和Kdct為地層法向和切向基床系數(shù)。荷載-結(jié)構(gòu)模型,假設(shè)襯砌圓環(huán)與周圍土體的相互作用,通過設(shè)置在襯砌圓環(huán)全周只能受壓的徑向彈簧單元和切向彈簧單元來體現(xiàn),這些單元受拉時將自動脫離,彈簧單元的剛度由襯砌周圍土體的地基抗力系數(shù)決定。3對管架結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析3.1最大埋深斷面的確定地層從上至下分別為潮水浪、潮水、亞砂土、粉砂、亞粘土夾亞砂土和亞粘土,隧道位于亞粘土層。根據(jù)埋深條件,選取可能出現(xiàn)最不利受力情況的最大埋深斷面進(jìn)行計算分析。最大埋深為42m,平均容重為19.5kN/m3,側(cè)壓系數(shù)為0.55,抗力系數(shù)為28MPa/m。3.2環(huán)間接頭螺栓抗彎剛度根據(jù)以上建立的計算模型,采用有限元程序的方式進(jìn)行求解。本次計算中,由于管片間的連接螺栓采用的是直螺栓,參照國內(nèi)外相關(guān)的試驗研究成果,取管片環(huán)向接頭正彎曲(管片內(nèi)側(cè)受拉),抗彎剛度Kθ+為4.84×105kN·m/rad,負(fù)彎曲(管片外側(cè)受拉),抗彎剛度Kθ-為3.18×105kN·m/rad,軸向拉壓剛度Kn為4.2×104kN/m,剪切剛度Ks為3.5×104kN/m;環(huán)間接頭螺栓的徑向剪切剛度Kr和切向剪切剛度Kt均為5.6×104kN/m。Kdcn取為20000kN/m3、Kdct取為12000kN/m3。3.3環(huán)襯砌內(nèi)固結(jié)數(shù)值分析進(jìn)行了不同拼裝方式條件下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形分析,計算結(jié)果匯總于表1中。表中N1表示通縫拼裝,N2、N3表示錯縫拼裝,其中N1、N2為水土合算,N3為水土分算;圖中的數(shù)值均為一環(huán)襯砌內(nèi)(幅寬為2m)的實際計算結(jié)果;正彎矩代表隧道內(nèi)側(cè)受拉,負(fù)彎矩代表隧道外側(cè)受拉;軸力以受壓為正。3.4錯縫拼裝管片受力性能分析同為水土合算的情況下,對不同的拼裝方式進(jìn)行比較:通縫拼裝管片結(jié)構(gòu)的變形較大,彎矩和剪力最小,縱向螺栓的剪力為零;而錯縫拼裝管片結(jié)構(gòu)的變形較小,彎矩和剪力最大,縱向螺栓法向和切向剪力較大;通縫拼裝和錯縫拼裝軸力變化不大。出現(xiàn)上述內(nèi)力和變形特征的原因是:錯縫拼裝管片結(jié)構(gòu)環(huán)間相互咬合(通縫拼裝的彎矩圖比較平滑,而錯縫拼裝的彎矩圖在縱向螺栓處出現(xiàn)了波動)增加了管片結(jié)構(gòu)整體剛度,從而減小了管片結(jié)構(gòu)的變形,但也相應(yīng)增加了彎矩和剪力;對于軸力,因軸力是管片結(jié)構(gòu)平衡外部荷載的平衡力,故不同拼裝條件下變化不大;通縫拼裝管片環(huán)的變形一致,故縱向螺栓沒有剪力,而錯縫拼裝管片環(huán)變形不一致、靠縱向螺栓來協(xié)調(diào)變形、故產(chǎn)生了較大的縱向螺栓剪力。雖然按照通縫拼裝條件下的內(nèi)力進(jìn)行配筋設(shè)計,所需要的鋼筋量最少,但因本工程為越江隧道,受高水壓作用,為了提高管片的整體剛度,從而減小管片接頭的張開量、提高管片結(jié)構(gòu)的防水能力,推薦采用錯縫拼裝。同是錯縫拼裝條件,通常因計算目標(biāo)環(huán)K塊的位置不同,其力學(xué)特征也不相同,最大的正彎矩出現(xiàn)在錯縫拼裝的某一環(huán)上,而最大的負(fù)彎矩則出現(xiàn)在另一環(huán)上。在配鋼筋過程中,考慮的是最大正彎矩和負(fù)彎矩,這樣將導(dǎo)致所配鋼筋過大,造成浪費,對工程來說是不經(jīng)濟(jì)的。由于本次設(shè)計管片采用的是10塊等分方式,同時在錯縫拼裝時,進(jìn)行了第一環(huán)K塊從拱頂正上方右偏9°和第二環(huán)在第一環(huán)的基礎(chǔ)上再右偏18°的處理,故出現(xiàn)了兩環(huán)一組錯縫拼裝中的每一個拼裝環(huán)與水平荷載和豎向荷載的相對位置是一樣的。這樣各環(huán)的內(nèi)力和變形是相同的,故改善了管片結(jié)構(gòu)的受力特征,使得所配鋼筋經(jīng)濟(jì)、合理,安全而不浪費,這也是本次所設(shè)計的10塊等分管片所做的特殊處理后出現(xiàn)的優(yōu)點。同為錯縫拼裝條件下,對水土合算和水土分算進(jìn)行比較,總的來說,在水土分算情況下,管片結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形比水土合算管片結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形要小得多,在本次地質(zhì)情況下,大概減少了50%左右。由于水土合算兩側(cè)的土壓力為上部荷載與側(cè)壓力系數(shù)的乘積,而水土分算為側(cè)向土壓力與靜水壓力之和,故水土分算的側(cè)向壓力比水土合算時要大,尤其是在越江隧道這種高水壓條件下,側(cè)向壓力相差很大。側(cè)向壓力的增加,對管片結(jié)構(gòu)的受力是有利的,相當(dāng)于管片結(jié)構(gòu)向著靜水壓力模型變化,但對于亞粘土層中的管片結(jié)構(gòu)的設(shè)計是不安全的。所以,推薦采用水土合算的內(nèi)力和變形,進(jìn)行管片結(jié)構(gòu)的配筋計算。4錯縫拼裝和復(fù)合拼裝的組合(1)采用10塊等分管片和特定的錯縫拼裝方式后,每一環(huán)管片的內(nèi)力和變形是相同的,可改善管片結(jié)構(gòu)的受力特征、減少配筋量。(2)通縫拼裝管片結(jié)構(gòu)的變形較大,彎矩和剪力最小,縱向螺栓的剪力為零;而錯縫拼裝的變形較小,彎矩和剪力最大,