盾構(gòu)設(shè)備不同拼裝方式下的結(jié)構(gòu)力學(xué)行為研究

韓 崗

（中鐵十九局集團(tuán)第五工程有限公司，遼寧大連 116100）

0 引言

在盾構(gòu)工程中，盾構(gòu)管片不同拼裝方式對(duì)盾構(gòu)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為具有顯著影響。對(duì)此，基于有限元計(jì)算軟件ANSYS 建立盾構(gòu)管片不同拼裝方式下的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，分別計(jì)算通縫拼裝與錯(cuò)縫拼裝兩種拼裝方式下，盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)縱向軸力及彎矩、環(huán)向軸力及彎矩、盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)豎向及水平位移等物理量，獲得不同工況下的各參數(shù)分布規(guī)律。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 數(shù)值計(jì)算模型構(gòu)建

盾構(gòu)模型的數(shù)值計(jì)算采用ANSYS 有限元分析軟件，用solid45 單元模擬地層，用shell63 單元模擬管片結(jié)構(gòu)，用combine14單元模擬管片接頭，用CONTA173 和TARGET170 模擬地層-管片接觸單元。

管片結(jié)構(gòu)的外形尺寸根據(jù)依托工程選取，管片外徑6.2 m，管片共6 分塊，封頂塊18°，兩個(gè)鄰接塊均為64°，3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊分別為65°、84°和65°，管片結(jié)構(gòu)見圖1。

盾構(gòu)管片計(jì)算模型如圖2 所示，模型左右邊界為距離管片4.5 倍外徑（28 m），下邊界距離管片3.5 倍外徑（22 m），沿盾構(gòu)隧道縱向取5 環(huán)管片進(jìn)行計(jì)算，管片寬度1 m，計(jì)算模型總長56 m，寬6 m，高38 m。

1.2 數(shù)值計(jì)算工況

計(jì)算兩種拼裝方式下盾構(gòu)隧道管片的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，分別為通縫拼裝與錯(cuò)縫拼裝兩種工況。通縫拼裝方式計(jì)算不同封頂塊位置對(duì)管片結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響（表1）；錯(cuò)縫拼裝方式計(jì)算相鄰兩環(huán)管片之間的錯(cuò)縫角度對(duì)管片結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響（表2）。

2 通縫拼裝下管片結(jié)構(gòu)力學(xué)行為

2.1 環(huán)向軸力、彎矩計(jì)算結(jié)果

圖1 管片結(jié)構(gòu)

通縫拼裝不同工況下的環(huán)向軸力、環(huán)向彎矩計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4（工況1）所示。計(jì)算結(jié)果顯示，封頂塊位置不同時(shí)，管片結(jié)構(gòu)環(huán)向軸力及彎矩分布規(guī)律有相同點(diǎn)也有不同點(diǎn)。相同點(diǎn)是拱頂和拱腰處的環(huán)向軸力及彎矩均相對(duì)較大；不同點(diǎn)是當(dāng)封頂塊位置不同時(shí)，管片接縫處沿環(huán)向軸力及彎矩的分布存在一定的區(qū)別。

2.2 縱向軸力、彎矩計(jì)算結(jié)果

通縫拼裝不同工況下的縱向軸力、縱向彎矩計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6（工況1）所示。計(jì)算結(jié)果顯示，封頂塊位置的移動(dòng)對(duì)縱向軸力、縱向彎矩分布規(guī)律均影響不大，但是對(duì)具體數(shù)值存在影響。

圖2 盾構(gòu)管片計(jì)算模型

表1 通縫拼裝下的數(shù)值計(jì)算工況

表2 錯(cuò)縫拼裝下的數(shù)值計(jì)算工況

2.3 水平、豎向位移計(jì)算結(jié)果

通縫拼裝不同工況下的水平位移、豎向位移計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8（工況1）所示。計(jì)算結(jié)果顯示，封頂塊位置的移動(dòng)對(duì)于管片結(jié)構(gòu)水平位移、豎向位移分布規(guī)律影響不大，管片結(jié)構(gòu)的豎向變形主要為隨著地層變形而產(chǎn)生的變形，其本身的豎向相對(duì)變形很小。

圖3 管片結(jié)構(gòu)環(huán)向軸力（工況1）

圖4 管片結(jié)構(gòu)環(huán)向彎矩（工況1）

圖5 管片結(jié)構(gòu)縱向軸力（工況1）

圖6 管片結(jié)構(gòu)縱向彎矩（工況1）

圖7 管片結(jié)構(gòu)水平位移（工況1）

圖8 管片豎向位移（工況1）

3 錯(cuò)縫拼裝下管片結(jié)構(gòu)力學(xué)行為

3.1 環(huán)向軸力、彎矩計(jì)算結(jié)果

錯(cuò)縫拼裝不同工況下的環(huán)向軸力、環(huán)向彎矩計(jì)算結(jié)果如圖9、圖10（工況1）所示，計(jì)算結(jié)果顯示，錯(cuò)縫拼裝下的管片環(huán)向軸力分布與環(huán)向彎矩分布相比通縫拼裝工況更為復(fù)雜，由于兩個(gè)相鄰管片的接頭不連續(xù)，造成了環(huán)向軸力、環(huán)向彎矩空間分布的波動(dòng)性。錯(cuò)縫角度變化對(duì)環(huán)向軸力及環(huán)向彎矩的空間分布規(guī)律整體影響不明顯，在拱頂和拱腰位置，隧道管片結(jié)構(gòu)的環(huán)向軸力均比較大。不同錯(cuò)縫角度僅對(duì)隧道管片結(jié)構(gòu)環(huán)向軸力及環(huán)向彎矩的數(shù)值產(chǎn)生影響。

圖9 管片結(jié)構(gòu)環(huán)向軸力（工況1）

圖10 管片結(jié)構(gòu)環(huán)向彎矩（工況1）

3.2 縱向軸力、彎矩計(jì)算結(jié)果

錯(cuò)縫拼裝不同工況下的縱向軸力、縱向彎矩計(jì)算結(jié)果如圖11、圖12（工況1）所示。計(jì)算結(jié)果顯示，隧道盾構(gòu)結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)接縫處的縱向軸力及縱向彎矩較大，沿縱向的軸力及彎矩在數(shù)值大小上差異不明顯，這是由隧道結(jié)構(gòu)的整體狀態(tài)和地層狀態(tài)相關(guān)。

圖11 管片結(jié)構(gòu)縱向軸力（工況1）

圖12 管片結(jié)構(gòu)縱向彎矩（工況1）

3.3 水平、豎向位移計(jì)算結(jié)果

錯(cuò)縫拼裝不同工況下的水平位移、豎向位移計(jì)算結(jié)果如圖13、圖14（工況1）所示。計(jì)算結(jié)果顯示，在盾構(gòu)管片錯(cuò)縫角度不同時(shí)，管片水平位移與豎向位移的空間分布規(guī)律具有很好的相似性，錯(cuò)縫角度的變化對(duì)水平位移及豎向位移的空間分布影響不顯著，盾構(gòu)管片的豎向位移在21～23 mm 波動(dòng)。管片結(jié)構(gòu)的豎向變形主要為隨著地層變形而產(chǎn)生的變形，其本身的豎向相對(duì)變形較小。

圖13 管片結(jié)構(gòu)水平位移（工況1）

圖14 管片結(jié)構(gòu)豎向位移（工況1）

4 結(jié)論

（1）封頂塊位置的移動(dòng)對(duì)縱向軸力、縱向彎矩分布規(guī)律均影響不大，但對(duì)具體數(shù)值有影響。縱向最大壓應(yīng)力變化范圍44～120 kN，最大拉應(yīng)力30～86 kN，縱向最大正彎矩4～5 kN·m，縱向最大負(fù)彎矩-4.3～-2 kN·m。

（2）錯(cuò)縫角度變化對(duì)環(huán)向軸力及環(huán)向彎矩的空間分布規(guī)律整體影響不明顯，在拱頂和拱腰位置，隧道管片結(jié)構(gòu)的環(huán)向軸力均比較大，不同錯(cuò)縫角度僅僅對(duì)隧道管片結(jié)構(gòu)環(huán)向軸力及環(huán)向彎矩的數(shù)值有影響。

（3）盾構(gòu)管片錯(cuò)縫角度不同時(shí)，管片水平位移與豎向位移的空間分布規(guī)律具有很好的相似性，錯(cuò)縫角度的變化對(duì)水平位移及豎向位移的空間分布影響不顯著。