市政雙車道公路盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)力學特性數(shù)值模擬分析

市政雙車道公路盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)力學特性數(shù)值模擬分析

0城市地下植物景觀隨著中國汽車工業(yè)和城市的發(fā)展，土壤交通堵塞問題日益突出，嚴重制約了城市經(jīng)濟的發(fā)展。為了跨越地面交叉路口和江河等,修建了大量的橋梁。但是,因高架橋?qū)Τ鞘芯坝^的影響比較大,且產(chǎn)生的噪聲嚴重影響居民的生活環(huán)境,而跨江、河大橋?qū)降酪灿杏绊?。同時,為了解決戰(zhàn)爭中不中斷交通的防空問題,越來越多的城市將交通轉(zhuǎn)為地下,修建了大量的下穿隧道。其施工方法有盾構(gòu)法、明挖法、沉管法和新奧法等。如上海復興東路公路越江隧道(盾構(gòu)法)、南京玄武湖公路隧道(明挖法)、在建的武漢和南京長江公路隧道(盾構(gòu)法)、珠江沉管隧道和廈門東通道海底隧道(新奧法)等。本文進行了雙車道市政公路盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)力學特性有限元數(shù)值模擬分析。1盾構(gòu)隧道設(shè)計某城市下穿隧道長2km左右,隧道設(shè)計規(guī)模為城市一級主干道,設(shè)計行車速度為60km/h。該工程的地質(zhì)條件從上至下分別為:雜填土、粘土、卵石土、強風化泥巖和中等風化泥巖;隧道位于卵石土層;地下水位較高(地面以下2~5m)。由于該地層以富水砂卵石為主,地下水位高,采用明挖法和新奧法暗挖都必須進行降水(未降水時,地層自穩(wěn)性極差),施工難度大,且降水引起的地層沉降會影響道路兩側(cè)建筑的正常使用,造價也高。因盾構(gòu)法具有良好的防滲漏水性、施工安全快速、與埋深無關(guān)和對周圍環(huán)境的影響極小等優(yōu)點,故推薦采用盾構(gòu)法施工。采用雙洞形式,每個隧道內(nèi)布置雙車道,總共為雙向四車道。參考公路隧道和城市道路設(shè)計規(guī)范,每個隧道內(nèi)設(shè)一大車道寬3.75m、小車道寬3.5m,得出盾構(gòu)隧道的內(nèi)凈空直徑為10.0m。在盾構(gòu)隧道設(shè)計中,襯砌結(jié)構(gòu)有單層與雙層兩種襯砌結(jié)構(gòu)形式。單層襯砌指僅采用裝配式管片作為承載結(jié)構(gòu),而雙層襯砌指在管片的內(nèi)側(cè)再模筑混凝土(素混凝土或鋼筋混凝土)共同組成承載結(jié)構(gòu)。在大斷面公路盾構(gòu)隧道設(shè)計中,有采用單層襯砌的、也有采用雙層襯砌的。比如日本東京灣橫斷公路隧道采用雙層襯砌,即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。本次設(shè)計采用單層襯砌管片結(jié)構(gòu)形式。采用厚度為50cm的鋼筋混凝土C50平板型管片,則管片外徑為11.0m。管片一環(huán)等分成9塊,其分塊圖見圖1。一環(huán)內(nèi)縱向采用8.8級M45型螺栓36個,等圓心角布置;環(huán)向采用8.8級M36型螺栓,每個接縫處在幅寬方向布置2個螺栓孔,每個螺栓孔中布置2個螺栓,每個接縫處共4個螺栓,一環(huán)內(nèi)共布置36個。管片幅寬為2.0m,其楔形量設(shè)計為40mm,其楔形角為12.5′。通縫拼裝時,K塊從拱頂正上方左偏或右偏20°。錯縫拼裝時,按每兩環(huán)為一組進行錯縫拼裝,第一環(huán)的封頂塊(K)在拱頂正上方,第二環(huán)的封項塊(K)從拱項正上方左偏或右偏20°。2日本對片與圍巖間相互作用的研究我國多采用勻質(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。隨著盾構(gòu)隧道的發(fā)展,西南交通大學和同濟大學引入了日本學者提出的梁—彈簧模型。本文在管片設(shè)計計算中采用梁—彈簧模型模擬管片結(jié)構(gòu)。2.1實際力學行為梁—彈簧模型用曲梁單元模擬管片,用接頭抗彎剛度Kθ、抗拉壓剛度Kn和抗剪剛度Ks來模擬環(huán)向接頭的實際力學行為,見圖2。因環(huán)間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進行約束。2.2隧道結(jié)構(gòu)抗彎剛度計算方法考慮到本次計算分析的盾構(gòu)隧道主要穿過卵石土層,以最不利荷載考慮,選擇最大埋深為29m的位置作為計算斷面,地下水位為地面以下2.0m左右。偏于設(shè)計安全方面考慮,將全部水柱和土柱荷載直接作用到隧道結(jié)構(gòu)上,且按水土合算的模式進行計算。土的重度為20kN/m3,基床系數(shù)50MPa/m,側(cè)壓系數(shù)為0.53。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K+θ為4×105kN·m/rad,負彎曲(管片外側(cè)受拉)抗彎剛度K-θ為2.4×105kN·m/rad,軸向拉壓剛度Kn為5.1×104kN/m,剪切剛度Ks為3.6×104kN/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8.0×104kN/m。2.3計算幅寬為2m的情況不同拼裝方式條件下的計算結(jié)果見圖3和表1。其中的數(shù)值均為管片一環(huán)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,負彎矩代表隧道外側(cè)受拉;軸力以受壓為正。δmax為管片結(jié)構(gòu)的最大變形量、Mmax為最大的正彎矩、Mmin為最大的負彎矩、N為相應(yīng)于最大正彎矩和負彎矩的軸力。3比較盾隧道結(jié)構(gòu)的性能1彎矩圖和剪力圖從圖3可以看出,通縫拼裝和錯縫拼裝的變形圖和軸力圖的形狀是相同的;而彎矩圖和剪力圖形狀不同。這是由于錯縫拼裝時在縱向螺栓處出現(xiàn)的咬合作用產(chǎn)生的;錯縫拼裝在縱向螺栓處出現(xiàn)了很大的剪力(通縫時沒有剪力),故剪力圖在縱向螺栓處出現(xiàn)了跳躍,同時彎矩圖曲線也不圓滑。2裝管片與錯縫拼裝時管片結(jié)構(gòu)的變形由表1可以看出,在荷載和管片結(jié)構(gòu)條件相同情況下,對于不同的拼裝方式有:①通縫拼裝時,管片結(jié)構(gòu)的變形大、彎矩和剪力小;②錯縫拼裝時,管片結(jié)構(gòu)變形小、彎矩和剪力大;③不同的拼裝條件下軸力變化不大;④同是錯縫拼裝,隨著K塊的位置不同,其內(nèi)力和變形也不相同,最大的正彎矩出現(xiàn)在錯縫拼裝的第一環(huán)上,而最大的負彎矩出現(xiàn)在第二環(huán)上。3管片混凝土力學性能管片結(jié)構(gòu)的最大變形量為9.8626mm,參照《日本盾構(gòu)隧道設(shè)計規(guī)范》,其最大控制變形量為D?‰(D為隧道的外徑),故最大的控制變形量為11mm,滿足變形要求。管片混凝土的最大壓應(yīng)力為17.61MPa、拉應(yīng)力為7.45MPa。C50混凝土的抗拉強度設(shè)計值ft=1.89MPa、抗壓強度設(shè)計值fc=23.1MPa;混凝土抗壓強度滿足要求,抗拉強度超過了設(shè)計值,可通過配置一定量的鋼筋來滿足受力要求。經(jīng)過驗算,縱向和環(huán)向螺栓也滿足抗剪強度要求。4變形、彎矩、剪力本文進行了雙車道市政公路盾構(gòu)隧道9塊等分管片襯砌結(jié)構(gòu)的有限元分析,其力學特性為:①通縫拼裝比錯縫拼裝條件下管片結(jié)構(gòu)的變形要大,而彎矩和剪力要小,軸力變