盾构隧道管片接头力学性能三维数值计算研究

近年来， 国外在盾构 隧道管 片结构 设计 中 已基 本不 使 用上述 设 计方 法 ， 主要采 用通 过旋 转 卜 而 弹簧 和剪切 弹簧 对接头 所引起 的管 片环 、 向接头 纵
效应 进行 模拟 的梁一 弹簧 模型 法 ， 该设计 方法 ， 理论
上其 能够 充分考 虑管 片环 向及 纵 向接 头效应 ， 在力 学上 对管 片环承 载机理 也做 出 了更 为合理 的解释 ，
研 究对 象 。
该 设计 定义 管 片环 向接头 抗 弯刚度 Ｋ为 管片 环 向
接头产生单位转角ｅ 所需弯矩值 ， Ｋ是梁． 弹簧模型
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盾构 隧道
量 设计经 计 内力值
环 向接头在 乡
验 表 明，对 ］
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ＡＮＤ ＤＥＳＩ ０ ２（ ） ＧＮ ２ １ ２
轴 力 Ｎ 共 分 ６级 加 载 ，分 别 为 ０ ＫＮ、２ ０ ０ ＫＮ、 ４０ ０ ＫＮ、 ０ ＫＮ、 ０ ＫＮ、 ０ ０ Ｎ， 级 轴 力 Ｎ 分 ６０ ８０ １０ Ｋ 每
３ 限元模型 有
３１ ． 模型 假设 计算 中将两 标准 块管 片投影 至平 面 内， 在弹 性 范 围 内对 有 限元模 型作 以下 基本 假定 ： （） １ 接头 小变形 假定 ： 与构件 几何 尺寸 相 比， 管 片 接 头端 面 在荷 载作 用 下 产生 的变形 和 转 角均 非 常微 小 ， 故其 属于 小变 形范 畴 ；
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坦 勘 测 与 设 计
盾构隧道管片接头力学性能三维数值计算研究
张 鹏
４０６） ３ ０ ３ （ 中铁第 四勘察设计院集团有限公司城地院 武汉
【 摘
要】 管片是盾构隧道的长期受载体 ， 而管片接头直接影响着管片结构的力学性能， 因此， 片接头 管
刚度 的取值是管片设计 中至关重要的环节。 以北京地铁盾构隧道管片为案例， 采用三维有限元模型， 研究 了管片接头在正 负弯矩作用下的力学性能及相关因素对管片接头的影响程度 。研究表明， 管片接头刚度 ｋ 随着弯矩的增大而逐渐减小， 并最终趋于稳定， 轴力越大管片接 头形成稳定状态越快 ， 螺栓位置、 管片厚 度及管片幅宽对管 片接头刚度均有一定的影响， 其中， 螺栓位置的影响最大。
景， 围绕接 头刚度 Ｋ值 ， 通过对 管 片环 向接 头进 行 精细 的三维 数值模 拟 ， 得到 相关 因素对 管片接 头力
学 性能 的影 响规 律 。
若干弧 形管 片拼 装成环 ， 片环 向、 向之 间主 要 管 纵 通 过螺 栓 、 榫头或 其他 方式 进行连 接 ， 片环之 间 管
曲时对 应 的接 头 弯矩 ， 负弯矩 反 之 ， 型加 载 原理 模
示 意见 图 ２ 。定 义 接 头 内力 偏 心距 为 接 头 端面 弯 矩 Ｍ 与轴 力 Ｎ 之 比 ， ｅ Ｍ／ 在 有 限元 计算 中 即 ＝ Ｎ，
图 １ 研究区间盾构 管片标准块 （ Ａ块） 模型图
～～ ～
别对 应 ± ５ Ｋ ｍ、 １ ０ ０ Ｎ． ± ０ ＫＮ． ± １ ０ ｍ、 ５ ＫＮ． ± ｍ、
２ ０ ｍ、 ２ ０ ｍ 共 ５级 弯矩 Ｍ ， 载 完毕 ０ ＫＮ． ± ５ＫＮ． 加
的有 限元 模 型 （ ３ 。 图 ）
（） ２ 材料均 匀性 假定 ： 忽略 管片材 料差 异 ， 即假 定 管片材 料 为均质 的各 向同性材 料 ；
契 形 预制 管 片 拼 装 ， 中 ３块 标准 管 片 （ 、 、 其 Ａ１Ａ２
Ａ３ ， ） ２块 邻 接 管 片 （ 、 Ｂ１ Ｂ２型 ） 一块 封 顶 管 片 ， （ 型 ） 图 １所 示 为该 区 间盾 构 隧 道 所 选 用 的 Ｋ 。 管片衬砌环标准块（ Ａ块 ） 意 图 ， 管 片 内径 为 示 该 ５５ 外 径 ６２ 采 用 六 分 块 原 则 ， 准 块 和 邻 ．ｍ， ．ｍ， 标 接 块对 应 圆心 角均 为 ６ ． ， 顶块 对 应 圆心 角 ７５。 封 为 ２ ． ，管 片 幅 宽 １２ ２５。 ．ｍ，管片 材 料 为 Ｃ ０钢 ５ 筋 混 凝 土 ，管 片 环 向和 纵 向均 采 用 Ｃ 级 Ｍ３ ０螺
【 关键 词】 盾 构 隧道 管 片接 头 抗 弯刚度 数值模 拟
出现 极大 差异 隅 这样 的结果将 导 致设计 过 于保 守 ，
１ 引 言
管 片是盾 构 隧道结构 长期受 载体 ， 隧道衬砌 由
或偏 于 不安全 。
鉴于 此 ，本 文 以北 京地 铁盾 构 隧道 为 工程 背
栓 进 行 连接 ， 能 等 级为 ８８ 隧道 纵 向采 用错 缝 性 ．， 拼 装 方 式连 接 ， 向接 头共 １ 纵 ６处 ， 缝拼 装 角 为 错 ２ ． ， 由于标 准 块 连 接 方 式 具 有 较 强 的代 表 ２５。 性 ， 本 文选 取 两 相邻 标 准 块 作 为 有 限 元模 型 的 故
北 京地 铁 四号线 盾 构 隧道采 用 “ ＋ ＋１ 双 面 ３２ ”
度 的影 响 ， 其缺 陷在 于无法 考虑 管片接 头对衬砌 结
构整体 刚度 的局 部影响 效应 ， 无法考 虑纵 向接 头 且 的影 响 ， 一般 通过 放大安 全系数 来考虑 纵 向接 头对
隧道 整体 的影 响“ 。
盾构隧道 管片接头 力学性 能三维数值计算研究
张
鹏
一 、 一 ＼
过施 加 竖 向线荷 载 Ｑ 形成 接 头 弯矩 Ｍ ， 过调 整 通 竖 向线 荷 载 Ｑ 的施 加 方 向形成 正 负 接 头 作用 弯 矩 ，本 文 中正 弯 矩 指使 得 整个 结构 的薄弱 处 ，目前 ， 内地铁 盾 国 构 隧道 管片 结构 设 计主 要采 用 惯用 法 或修 正惯 用 法 ， 法不考 虑接 头位 置 ， 是通过 引入 刚度折 减 该 而 系数ｒ ｒ １ ｌｌ ）来体现 接 头对盾 构 隧道 管片 环整 体刚 （＜
２工程 概 况