盾構隧道混凝土管片受力分析

李建平

(騰達建設集團股份有限公司，浙江臺州 318050)

0 引言

盾構隧道襯砌管片進行數值分析的關鍵問題在于結構模型本身是否能反映管片的實際受力狀態。目前隧道襯砌管片橫向理論解析分析方法主要有四種:慣用法、修正慣用法、多鉸環法以及梁—彈簧模型［1］。本文通過ANSYS有限元分析軟件采用梁—彈簧模型形象的反映管片受到土體力后的變形及彎曲、剪力和軸力分布情況，了解管片在地層中的受力情況，可以幫助我們提高管片的拼裝質量以及分析隧道成環質量問題病因。

1 建立管片有限元模型

本工程地鐵隧道內徑為5．5 m，外徑為6．2 m，把一環成型管片按照梁來考慮，故建立模型直徑為(5．5+6．2)/2=5．85 m，在成型管片的6條接縫處設置彈簧單元來模擬襯砌與地層相互作用。襯砌混凝土的彈性模量E=34．5e9 Pa，泊松比取0．2。建立模型見圖1。

作用在襯砌圓環上的力采用等效節點力替換［2］。節點力的計算采用Excel電子表格進行計算。計算結果見表1。

計算得出襯砌圓環的變形圖、彎矩圖、軸力圖和剪力圖，如圖2～圖5所示。由位移變形圖可以看出，襯砌圓環在地下呈壓扁形狀，故成型隧道多為“橫鴨蛋”。如果要想得到較好的整圓度，在拼裝時進行有意識的控制為“豎鴨蛋”，即豎直直徑略大于設計直徑，水平直徑略小于設計直徑。從彎矩圖看出，成環隧道下面3塊管片中部彎矩較大，在管片螺栓連接處彎矩最小，而在鄰接塊和封頂塊螺栓連接處彎矩較大，這就能說明在成型隧道中封頂塊與鄰接塊之間的接縫容易滲漏水也較易碎裂的現象。從剪力圖上可以看出，在管片塊與塊的螺栓連接處剪力較大，故在設計螺栓的時候要充分考慮螺栓的抗剪切性能，在剪力作用下管片塊與塊較易出現錯位，拼裝時對管片螺栓進行復緊是非常重要的。

表1 各節點等效力

圖1 Beam3單元建立管片受力模型圖

圖2 隧道襯砌受力后變形圖

圖3 隧道襯砌彎矩圖

圖4 隧道襯砌軸力圖

本工程中，對管片至少進行3次復緊。第1次為盾構在下一環推進時，由于推進狀態千斤頂作用在管片端面，充分壓密后進行擰緊，第2次為車架行駛到管片時，陸續對其進行復緊，第3次為車架駛過后再次復緊。通過3次復緊，能有效的控制管片的錯臺量。當施工中，發現管片錯臺時，應分析相應原因并及時調整施工，一般可得到有效控制，從而保證了隧道的質量［3］。本工程管片環縫、縱縫錯臺量均控制在規范范圍內(規范為環高差15 mm，縱高差10 mm)，如圖6所示。

圖5 隧道襯砌剪力圖

圖6 管片高差偏差圖

本工程隧道所處土層為砂性土，砂性土的內聚力小，管片脫出盾尾后，周圍土體及時作用在管片周圍形成握裹。故管片后期變形不大，對管片整圓度的控制主要在拼裝時。在周圍間隙均勻的情況下，把下部管片有意識的向下放，兩側管片控制稍大的間隙量，管片成環后，隧道直徑偏差基本能控制在理想范圍內［4］。計算出實際橫徑與設計橫徑的差值，繪制圖7。由圖7可知基本上能把隧道橢圓度控制在規范范圍內［5］。

圖7 管片橫徑偏差圖

2 結語

管片成型后，一般情況后期位移的變化量下不大，控制橢圓度可在拼裝時進行，通過盾構軸線的調整，使管片與盾構四周間隙量合理，在拼裝時完全可以控制好橢圓度，能得到理想的豎鴨蛋。通過隧道螺栓復緊，能夠有效的控制管片的錯臺量，同時也是減小管片后期變形最有效的措施。

［1] 黃正榮．基于殼—彈簧模型的盾構襯砌管片受力特性研究［J］．南京:河海大學博士學位論文，2006．

［2] 黃劍源，謝 旭．薄壁曲線梁空間等效節點荷載［J］．寧波大學學報，1994，7(1):68-79．

［3] 張則忠．盾構施工中管片錯臺的成因分析以及防治措施［J］．深圳土木與建筑，2007，4(1):52-53．

［4] 吳惠明．盾構法隧道施工應用技術文集［M］．上海:同濟大學出版社，2007:123-157．

［5] GB 50446-2008，盾構法隧道施工與驗收規范［S］．