盾构隧道混凝土管片受力分析

李建平

(腾达建设集团股份有限公司，浙江台州 318050)

0 引言

盾构隧道衬砌管片进行数值分析的关键问题在于结构模型本身是否能反映管片的实际受力状态。目前隧道衬砌管片横向理论解析分析方法主要有四种:惯用法、修正惯用法、多铰环法以及梁—弹簧模型［1］。本文通过ANSYS有限元分析软件采用梁—弹簧模型形象的反映管片受到土体力后的变形及弯曲、剪力和轴力分布情况，了解管片在地层中的受力情况，可以帮助我们提高管片的拼装质量以及分析隧道成环质量问题病因。

1 建立管片有限元模型

本工程地铁隧道内径为5．5 m，外径为6．2 m，把一环成型管片按照梁来考虑，故建立模型直径为(5．5+6．2)/2=5．85 m，在成型管片的6条接缝处设置弹簧单元来模拟衬砌与地层相互作用。衬砌混凝土的弹性模量E=34．5e9 Pa，泊松比取0．2。建立模型见图1。

作用在衬砌圆环上的力采用等效节点力替换［2］。节点力的计算采用Excel电子表格进行计算。计算结果见表1。

计算得出衬砌圆环的变形图、弯矩图、轴力图和剪力图，如图2～图5所示。由位移变形图可以看出，衬砌圆环在地下呈压扁形状，故成型隧道多为“横鸭蛋”。如果要想得到较好的整圆度，在拼装时进行有意识的控制为“竖鸭蛋”，即竖直直径略大于设计直径，水平直径略小于设计直径。从弯矩图看出，成环隧道下面3块管片中部弯矩较大，在管片螺栓连接处弯矩最小，而在邻接块和封顶块螺栓连接处弯矩较大，这就能说明在成型隧道中封顶块与邻接块之间的接缝容易渗漏水也较易碎裂的现象。从剪力图上可以看出，在管片块与块的螺栓连接处剪力较大，故在设计螺栓的时候要充分考虑螺栓的抗剪切性能，在剪力作用下管片块与块较易出现错位，拼装时对管片螺栓进行复紧是非常重要的。

表1 各节点等效力

图1 Beam3单元建立管片受力模型图

图2 隧道衬砌受力后变形图

图3 隧道衬砌弯矩图

图4 隧道衬砌轴力图

本工程中，对管片至少进行3次复紧。第1次为盾构在下一环推进时，由于推进状态千斤顶作用在管片端面，充分压密后进行拧紧，第2次为车架行驶到管片时，陆续对其进行复紧，第3次为车架驶过后再次复紧。通过3次复紧，能有效的控制管片的错台量。当施工中，发现管片错台时，应分析相应原因并及时调整施工，一般可得到有效控制，从而保证了隧道的质量［3］。本工程管片环缝、纵缝错台量均控制在规范范围内(规范为环高差15 mm，纵高差10 mm)，如图6所示。

图5 隧道衬砌剪力图

图6 管片高差偏差图

本工程隧道所处土层为砂性土，砂性土的内聚力小，管片脱出盾尾后，周围土体及时作用在管片周围形成握裹。故管片后期变形不大，对管片整圆度的控制主要在拼装时。在周围间隙均匀的情况下，把下部管片有意识的向下放，两侧管片控制稍大的间隙量，管片成环后，隧道直径偏差基本能控制在理想范围内［4］。计算出实际横径与设计横径的差值，绘制图7。由图7可知基本上能把隧道椭圆度控制在规范范围内［5］。

图7 管片横径偏差图

2 结语

管片成型后，一般情况后期位移的变化量下不大，控制椭圆度可在拼装时进行，通过盾构轴线的调整，使管片与盾构四周间隙量合理，在拼装时完全可以控制好椭圆度，能得到理想的竖鸭蛋。通过隧道螺栓复紧，能够有效的控制管片的错台量，同时也是减小管片后期变形最有效的措施。

［1] 黄正荣．基于壳—弹簧模型的盾构衬砌管片受力特性研究［J］．南京:河海大学博士学位论文，2006．

［2] 黄剑源，谢 旭．薄壁曲线梁空间等效节点荷载［J］．宁波大学学报，1994，7(1):68-79．

［3] 张则忠．盾构施工中管片错台的成因分析以及防治措施［J］．深圳土木与建筑，2007，4(1):52-53．

［4] 吴惠明．盾构法隧道施工应用技术文集［M］．上海:同济大学出版社，2007:123-157．

［5] GB 50446-2008，盾构法隧道施工与验收规范［S］．