盾构隧道衬砌内力计算模型比较.docx

盾构隧道衬砌内力计算模型比较
姜增国1，李永明1，江胜林2
1.武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉（430070）
2.铁道第四勘察设计院，武汉（430063）E-mail：[e-mail]
摘要：结合目前正在施工的南京长江隧道工程实例，详细论述了盾构衬砌结构设计中常用的两种内力计算模型：匀质圆环模型和梁－弹簧模型，比较了这两种模型的计算结果，并从中得出了一些有价值的结论。关键词：盾构隧道；衬砌；内力；匀质圆环模型；梁－弹簧模型
1.引言

在城市中，为了缓解日益拥挤的交通问题，需要修建地铁、公路隧道、水底隧道甚至海底隧道等。盾构是修建城市隧道最常用的施工机械。盾构法隧道优势明显：对环境影响小、不影响地面交通和航道通行，无空气、噪声、振动等污染问题、机械化程度高、适用地层范围宽等。盾构法隧道衬砌是由若干弧形管片通过环向接头拼装成环，然后每环之间通过纵向接头逐一连接而成的地下结构。盾构法隧道设计的一个重要环节是采用合适的模型计算衬砌结构的内力。由于环、纵向接头的存在和拼装方式的差别，使得这一问题较为复杂。
在文中详细论述了盾构衬砌结构设计中常用的两种计算模型：匀质圆环模型和梁－弹簧模型；结合目前正在施工的南京长江隧道工程实例，应用非线性有限元程序ANSYS分析了上部和周围土体荷载和水压力作用下钢筋混凝土衬砌的内力，比较了这两种模型的计算结果，并从中得出了一些有价值的结论。
2.计算模型

匀质圆环模型

匀质圆环模型不考虑管片接头的弯曲刚度降低，认为管片环是具有和管片主截面相同刚度EI，且弯曲刚度均匀的环，并基于Winker理论，假设地层反作用仅在水平方向的正负45°范围内按三角形规律分布，荷载作用模式如图1所示。

图1匀质圆环模型荷载模式图图2错缝拼装弯矩分配示意图

对于十分密室的土层，由于土壤的水平抗力起到了有效的作用，衬砌环承受的弯矩不大，采用这种模型没有实际障碍。随着密闭式盾构的快速发展，目前已能够在十分软弱的含水地层中进行开挖。在这种地层中，由于土壤的水平抗力小，管片接头刚度与管片刚度难以等同考虑，此时通过引入一个由于管片接头而降低衬砌刚度的有效参数η（η≤1）和一个由于被相邻衬砌环通过环间接缝来支持而增加的刚度增量ξ（ξ<1）来改善上述模型的普遍性[1]，这就是修正惯用法的思路。它采用局部地层弹簧抗力来取代惯用设计法中三角形分布的地层反作用荷载。由于管片接头的影响，将管片整体抗弯刚度刚度由EI将为均匀抗弯刚度ηEI，并且弯矩并不是全部都经由管片接头传递，可以认为其中的一部分通过环间接头的剪切阻力传递给错缝拼装的相邻管片，错缝拼装弯矩重分配如图2所示。其中接头处内力为：
Mj=(1-ξ)M……………………（1）Nj=N…………………………（2）

管片内力为：
Ms=(1+ξ)M……………………（3）
Ns=N…………………………（4）

公式中，ξ为弯矩调整系数；M，N分别为匀质圆环计算弯矩和轴力；Mj，Ms分别为调整后的接头弯矩和轴力；Ms，Ns分别为调整后管片本体弯矩和轴力。参数η和ξ的值因管片种类、管片接头的结构形式、环相互交错联结的方法和结构形式而有所不同。目前的实际情况是，参数η和ξ值根据试验结果或经验来确定的。
2.2 梁－弹簧模型盾构法隧道衬砌结构主要是由管片、管片间的连接螺栓和放水充填材料组成，接头的力学性能强烈的影响着隧道的横向受力及变形形态。尽管上述修正惯用设计法在平均意义上对管片接头效应作了评估，但它还是一种等效方法，仍需提出一种精确的描述管片接头力学性态的合理的设计方法。梁－弹簧模型就是一种向这个方向接近的计算模型。它假设管片环是具有旋转弹簧的环，环与环之间采用剪切弹簧评价错缝接头的拼装效应，以梁模拟管片部分，以弹簧模拟管片间的接头部分，弹簧的剪切和转动效应分别用径向剪切刚度Kr、切向剪切刚度Kt和转动刚度Kθ来描述，如图3所示。由于梁－弹簧模型考虑了环向与纵向接头的位
置和刚度，以及错缝时的环间相互咬合效应等，理论上这种模型更为精确的描述衬砌结构的受力。

图3梁－弹簧模型示意图

影响管片接头力学行为的参数主要为管片接头抗弯刚度系数Ki=M/θ（即接头产生单位转角所需弯矩），Ki综合反应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。但是目前工程中对Ki的取值还没有图表或公式可以遵循，实际应用中一般采用现场实验或室内模型试验进行确定，这在一定程度上限制了该模型的实际应用。
3. 工程实例分析
3.1 工程概况南京长江隧道工程位于隧道距离南京长江大桥10km处，是一条解决江北新区和河西新城过江交通的主干道，北起江北浦口新市区的浦珠路，经过梅子洲跨长江后，向南与河西新城的纬七路相接，按六车道城市快速通道规模建设，设计车速80km/h，采用“左汊盾构隧道