某盾构隧道管片接头刚度计算分析 倪勇龙

某盾构隧道管片接头刚度计算分析倪勇龙

发表时间：2018-04-08T16:43:07.853Z 来源：《基层建设》2017年第36期作者：倪勇龙

[导读] 摘要：盾构隧道一般采用装配式衬砌，管片通过螺栓环向连接形成管片环。

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摘要：盾构隧道一般采用装配式衬砌，管片通过螺栓环向连接形成管片环。管片环由于螺栓接头的存在，使得管片环向刚度变弱，容易产生变形。在地层参数、螺栓预紧力、管片的拼装方式、手孔方案已定的情况下、不同的衬垫厚度、外荷载和弯矩等都会对接头受力产生不同程度的影响，接头受力状态比较复杂。本文以某盾构法施工隧道为例，通过数值计算，模拟得出管片接头在不同的外荷载和衬垫厚度工况下的工作性状，为工程设计、施工提供技术依据。

关键词：盾构隧道；接头刚度；有限元

1几何模型的建立

本工程采用平板型管片，为更好的传递管片间的剪力，采用榫槽式接缝。在隧道施工期间为了衬砌止水，在管片接头端面处设置密封橡胶止水条。本工程建模进行有限元分析，忽略了该密封条槽和榫槽结构对接头端面的影响，即认为管片间为平板直接头。在两个管片接头端面密封槽处设置弹簧单元以及面与面之间设置合理的接触关系来模拟接头实际的受力情况。根据本工程设计资料，手孔尺寸见图1。

3接头抗弯刚度计算方法的确定

管片接头产生单位转角所需要的弯矩即为管片接头抗弯刚度kθ。管片接头抗弯刚度的取值是梁-弹簧模型设计中，衬砌环结构受力分析必不可少的重要参数，它综合反映了盾构隧道接头性能及其在外荷载作用下的变形大小和趋势。工程设计中因设计者对kθ的取值偏差将导致结构内力值出现极大差异，使得在条件基本近似的情况下，衬砌环厚度等重要结构参数相差甚大，导致设计过于保守或偏于不安全。因此，如何对kθ进行合理取值就成为制约盾构隧道衬砌结构设计中结构安全性和工程经济性的重要因素。

目前，工程中关于kθ的取值尚无现成的公式或图表可以利用，主要还是通过经验类比法、现场接头试验或数值分析来获取θ~M关系曲线，再通过分析对比θ~M关系曲线求得管片接头抗弯刚度kθ。实际工程中，如何从θ~M关系曲线中获取设计所需的kθ量值主要由以下几种方法：

①割线法：通过对θ~M关系曲线接头断面所受弯矩除以相应转角的方法得到kθ；

②切线法：求取θ~M关系曲线上目标弯矩处的切线斜率并以之作为设计所需的kθ；

③多段直线法：将θ~M关系曲线简化为多段直线，分别将各简化直线段斜率作为该弯矩范围内的kθ，目前比较常见的有两段直线或者三段直线法；

④曲线+直线法：该法与多段直线法相似，是将θ~M关系曲线简化为曲线与直线的组合。

方法1和方法2简单易行，多用于工程中管片结构内力已知的情况，方法3和方法4多用于一定荷载作用范围内kθ的确定。但在目前情况下，要将方法3和方法4用于实际工程设计中尚有困难，因此本工程计算分析采用切线刚度。

4接头刚度的计算结果及分析

根据空间实体分析结果，管片上的最大轴力不超过2500kN，最大弯矩不超过600kN•m。根据类似工程的经验，外荷载组合和螺栓预紧力对接头刚度的影响不大，对接头影响较大的因素是垫层的厚度。在实际计算中，外荷载只分析N=1000kN，N=1500kN，N=2000kN三种实际可能的工况，正负弯矩均从0施加到600kN•m，轴力和弯矩组合后共6种工况。螺栓的预紧力取固定值80kN，着重分析垫层的影响。垫层厚度分别取0、2、4、6mm，计算所得手孔在外荷载作用下接缝的弯矩~张开量以及弯矩~转角的关系如图4~7所示。

5总结

本工程采用三维有限单元法对手孔局部进行了分析，建模时考虑了螺栓、螺母、橡胶垫层、铸铁垫片与管片间的多接触、多耦合约束作用，对不同组合工况进行了深入分析。通过计算分析得出：

不论M~l还是M~θ关系曲线，曲线具有典型两段，初始段非线性明显，且张开角或张开量发挥很小，这是由于给螺栓施加了预紧力和轴压造成的。但当正负弯矩达到一定数值后，正弯矩和负弯矩随张开角成线性变化，且正弯矩与转角的斜率明显大于负弯矩与转角的斜率，这是由于螺栓靠管片内侧即中心线偏内侧布置，使管片截面几何性质不对称。

计算得到的不同厚度垫层厚度的两个螺栓手孔弯曲刚度与国内相关研究者给出的弯曲刚度具有可比性，从侧面验证了计算结果的有效性。

参考文献：

[1] 钟小春，朱伟，郭涛，韩月旺. 装配式管片接头受力平面有限元分析[J] .现代隧道技术，2005，42（6）：20-23.

[2] 林志，朱合华. 广州地铁二号线EPB盾构隧道研究综述[J].地下空间，2003，23（4）：357-361.

[3] 朱伟，黄正荣，梁精华. 盾构衬砌管片的壳-弹簧设计模型的研究. 岩土工程学报，2006，28（8）：940-947.

[4] 曾东洋，何川。地铁盾构隧道管片接头抗弯刚度的数值计算. 西南交通大学学报，2004，39（6）：745-748.