張 堅(jiān)，邢心魁，2，李 迎，吳芳君，查 宇

(1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西桂林 541004;2.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004)

土層參數(shù)對(duì)雙圓盾構(gòu)襯砌內(nèi)力的影響

張 堅(jiān)1，邢心魁1，2，李 迎1，吳芳君1，查 宇1

(1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西桂林 541004;2.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004)

雙圓盾構(gòu)糾偏過(guò)程會(huì)引起已拼接管片內(nèi)力的復(fù)雜變化，土質(zhì)參數(shù)還會(huì)影響到糾偏的效果。針對(duì)這些問(wèn)題，采用彈塑性有限元數(shù)值方法，分析土質(zhì)參數(shù)對(duì)糾偏前后襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響以及土質(zhì)參數(shù)對(duì)糾偏效果的影響。結(jié)果表明，內(nèi)摩擦角是影響襯砌內(nèi)力最敏感的因素，隨著內(nèi)摩擦角的增大，施加相同大小糾偏力產(chǎn)生的糾偏效果越來(lái)越不顯著，糾偏引起襯砌內(nèi)力發(fā)生較大改變，某些節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力增大，有些節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力減少甚至發(fā)生符號(hào)的反轉(zhuǎn)。

雙圓盾構(gòu)；糾偏；土層參數(shù)；有限元法；偏轉(zhuǎn)角度

隨著隧道建設(shè)的快速發(fā)展，尋找更合理的隧道斷面形式和施工工藝方法成為當(dāng)前的一個(gè)重要課題[1]。在日本，1981年，萌生了2條隧道一次性施工的雙圓盾構(gòu)施工法的基本構(gòu)想，并于1989 年在日本廣島首次應(yīng)用于實(shí)際工程[2-4]。實(shí)踐證明雙圓盾構(gòu)隧道，能很好地節(jié)約地下空間，降低工程造價(jià)，縮短施工工期[5-7]。

由于盾構(gòu)機(jī)兩側(cè)土質(zhì)的不均勻、施工中的不當(dāng)操作或盾構(gòu)機(jī)的制造誤差等因素[7-8]，盾構(gòu)施工中常常會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。為了保持雙圓盾構(gòu)的推進(jìn)方向，在施工過(guò)程中，需及時(shí)進(jìn)行糾偏。在常用的雙圓盾構(gòu)糾偏方法中，常采用在盾構(gòu)機(jī)單側(cè)堆重物(模擬計(jì)算時(shí)簡(jiǎn)化為集中力)，實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)機(jī)的糾偏[9]。

在糾偏過(guò)程中，部分糾偏力矩會(huì)作用在已拼接的襯砌上，從而導(dǎo)致襯砌內(nèi)力的復(fù)雜變化[2]。另外，由于盾構(gòu)機(jī)隔艙空間有限[9]，要求壓重的體積和荷載要控制在一定范圍內(nèi)。所以，該方法較適合糾偏荷載較小的軟土地層。由于土性參數(shù)各異，糾偏引起的襯砌內(nèi)力改變對(duì)土層參數(shù)變化的敏感性也各不相同。本文借助有限元軟件，分析土層參數(shù)對(duì)糾偏效果和糾偏過(guò)程中襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化規(guī)律[10-12]。

1 有限元分析

1.1 模型計(jì)算范圍與邊界條件

為簡(jiǎn)化計(jì)算，采用平面應(yīng)變模擬分析雙圓盾構(gòu)糾偏過(guò)程中襯砌內(nèi)力的變化。兩圓形盾構(gòu)的直徑為6 m，兩圓中心的距離為4.6 m，隧道中心埋深為12.5 m，底部距中心27.5 m。計(jì)算范圍設(shè)定為:兩側(cè)邊界距隧道中心37 m。位移邊界條件為：襯砌內(nèi)側(cè)采用自由邊界，模型兩側(cè)約束水平位移，模型底部約束豎向位移。圖1為有限元模型和網(wǎng)格劃分。

圖1 有限元模型和網(wǎng)格劃分(開(kāi)挖后)(單位：m)

1.2 計(jì)算參數(shù)

采用有限元軟件模擬分析隧道開(kāi)挖時(shí)，土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用D-P屈服準(zhǔn)則，雙圓盾構(gòu)襯砌取為彈性體[13-15]。參照文獻(xiàn)[15-16]，材料的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

有限元模擬內(nèi)容包括：(1)單側(cè)壓重糾偏對(duì)襯砌內(nèi)力的影響；(2)土層參數(shù)變化對(duì)糾偏前后襯砌內(nèi)力的影響；(3)土層參數(shù)變化對(duì)糾偏效果的影響。參考上海地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)雙圓盾構(gòu)偏轉(zhuǎn)角達(dá)到0.6°時(shí)，即需進(jìn)行糾偏[2-3]。采用單側(cè)壓重的方式使其恢復(fù)到水平位置， 需要在45節(jié)點(diǎn)，即距離隧道中心右側(cè)3.69 m的地方施加600 kN左右的集中力(圖2)。分析在偏轉(zhuǎn)狀態(tài)下襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力以及加力糾偏引起襯砌內(nèi)力的變化。

表1 材料的物理力學(xué)參數(shù)

另外，以表1參數(shù)為參照，將土性參數(shù)中的彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角保持其中的2個(gè)不變，另一參數(shù)分別增大10%、20%、40%、80%，計(jì)算糾偏前后的襯砌內(nèi)力的變化規(guī)律，以及不同土質(zhì)參數(shù)條件下偏轉(zhuǎn)角度的變化。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 單側(cè)壓重糾偏荷載引起襯砌內(nèi)力分布的變化

圖2為襯砌結(jié)構(gòu)控制節(jié)點(diǎn)編號(hào)和加載位置圖。對(duì)于初始偏轉(zhuǎn)角為0.6°的襯砌結(jié)構(gòu)，其內(nèi)力值稱(chēng)之為糾偏前內(nèi)力；施加糾偏力，使其恢復(fù)到水平位置，此時(shí)的內(nèi)力，稱(chēng)為糾偏后內(nèi)力。

圖2 襯砌結(jié)構(gòu)控制節(jié)點(diǎn)編號(hào)和加載位置(單位：m)

由各工況條件下襯砌單元的內(nèi)力值，通過(guò)應(yīng)力計(jì)算公式可計(jì)算出混凝土的拉壓應(yīng)力，其值均小于混凝土的極限拉壓應(yīng)力值，故各工況條件下該結(jié)構(gòu)均能滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。另外，對(duì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象的中隔墻，通過(guò)加厚其襯砌厚度保證結(jié)構(gòu)的安全。

圖3～圖5分別為糾偏前后控制節(jié)點(diǎn)內(nèi)力值。由圖3可知:單側(cè)壓重糾偏后，對(duì)于彎矩值，壓重側(cè)底部節(jié)點(diǎn)8和對(duì)側(cè)頂部節(jié)點(diǎn)3的彎矩方向發(fā)生了變化。其他節(jié)點(diǎn)數(shù)值變化最明顯的是中隔墻底部節(jié)點(diǎn)2，增大幅度為50 kN·m左右。糾偏前后彎矩值最大的節(jié)點(diǎn)均是中隔墻頂部節(jié)點(diǎn)1，說(shuō)明側(cè)向偏轉(zhuǎn)的發(fā)生，使得隧道中隔墻產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中[7]。

圖3 糾偏前后各控制節(jié)點(diǎn)彎矩值對(duì)比

由圖4可知:壓重糾偏后，壓重側(cè)底部節(jié)點(diǎn)8的剪力方向發(fā)生了變化，但糾偏前后其剪力幅度均不大；中隔墻底部節(jié)點(diǎn)2增大33 kN左右，雙圓左側(cè)頂部節(jié)點(diǎn)3則減少了27 kN。除中隔墻處節(jié)點(diǎn)1、2外，糾偏后最大剪力控制節(jié)點(diǎn)發(fā)生了變化，糾偏前是節(jié)點(diǎn)3，糾偏后為節(jié)點(diǎn)7。

圖4 糾偏前后各控制節(jié)點(diǎn)剪力值對(duì)比

由圖5可知：對(duì)于軸力值，糾偏前后各節(jié)點(diǎn)均為壓力，其中襯砌軸力最小值均發(fā)生在襯砌結(jié)構(gòu)頂部(節(jié)點(diǎn)3和7)，而兩側(cè)底部和中隔墻底部節(jié)點(diǎn)變化幅度較大，其中壓重側(cè)底部的節(jié)點(diǎn)8變化幅度達(dá)91.18 kN。

圖5 糾偏前后各控制節(jié)點(diǎn)軸力值對(duì)比

綜上可知，對(duì)于雙圓盾構(gòu)隧道，采用單側(cè)壓重糾偏對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力值會(huì)產(chǎn)生很大影響。壓重側(cè)底部節(jié)點(diǎn)的剪力和彎矩方向均發(fā)生變化，軸力數(shù)值變化最大。中隔墻底部的節(jié)點(diǎn)剪力和彎矩?cái)?shù)值變化最大。因此，由于糾偏集中力的存在，使得集中力附近的節(jié)點(diǎn)內(nèi)力數(shù)值變化很大甚至發(fā)生符號(hào)的反轉(zhuǎn)。對(duì)于內(nèi)力值變化較大的節(jié)點(diǎn)和內(nèi)力方向變化的節(jié)點(diǎn)， 在設(shè)計(jì)襯砌時(shí)應(yīng)特別注意[2]。

2.2 土性參數(shù)的變化對(duì)偏轉(zhuǎn)效果的影響

對(duì)于土層的彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角3個(gè)變量，保持其中2個(gè)參數(shù)不變，讓另一個(gè)參數(shù)分別增大10%、20%、40%、80%，對(duì)于初始偏轉(zhuǎn)角為0.6°的雙圓盾構(gòu)，施加相同的糾偏力之后的糾偏效果如圖6所示。

圖6 不同土層參數(shù)時(shí)雙圓盾構(gòu)偏轉(zhuǎn)效果對(duì)比

初始參數(shù)狀態(tài)下，施加600 kN集中力后，初始給定0.6°的雙圓盾構(gòu)的偏轉(zhuǎn)角回轉(zhuǎn)到0.01°。隨著糾偏力的增大，偏轉(zhuǎn)角逐漸向0°回轉(zhuǎn)，說(shuō)明單側(cè)壓重糾偏有效安全。由圖6可知：隨土層參數(shù)的增加，即土質(zhì)越來(lái)越硬，土體強(qiáng)度越來(lái)越大，施加相同糾偏力的情況下，糾偏轉(zhuǎn)動(dòng)角度逐漸變小，糾偏效果逐漸不明顯。3條曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)均是由平緩到陡峭，說(shuō)明土層參數(shù)的小幅增加對(duì)糾偏效果影響不大，但當(dāng)土層參數(shù)增大40%以后，對(duì)糾偏效果影響明顯增大。在彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角3個(gè)參數(shù)中，內(nèi)摩擦角的變化對(duì)糾偏轉(zhuǎn)動(dòng)效果的影響最為顯著。當(dāng)內(nèi)摩擦角增大80%時(shí)，偏轉(zhuǎn)角度由0.6°銳減至0.2°左右。

2.3 土層參數(shù)變化對(duì)糾偏前襯砌內(nèi)力的影響

2.3.1 各參數(shù)的變化對(duì)彎矩值的影響

現(xiàn)選取中隔墻頂部的節(jié)點(diǎn)1為例，具體介紹土層參數(shù)的變化對(duì)糾偏前襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力值的影響。

圖7為各參數(shù)變化時(shí)中隔墻頂部節(jié)點(diǎn)1的彎矩值變化圖。從圖7可知，隨土層黏聚力、內(nèi)摩擦角的增大，彎矩值逐漸增大；隨彈性模量的增大，彎矩值則逐漸減小。3種參數(shù)中，彈性模量變化對(duì)襯砌彎矩影響最??；黏聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)彎矩的影響規(guī)律類(lèi)似。隨著內(nèi)摩擦角的增大，彎矩?cái)?shù)值變化幅度最大?？梢?jiàn)，襯砌結(jié)構(gòu)彎矩值對(duì)內(nèi)摩擦角最敏感，黏聚力次之。

圖7 各參數(shù)變化時(shí)節(jié)點(diǎn)1的彎矩值變化

2.3.2 各參數(shù)的變化對(duì)剪力值的影響

隨彈性模量的增大，除壓重側(cè)底部節(jié)點(diǎn)8數(shù)值增加外，其余節(jié)點(diǎn)的數(shù)值都有所減??；隨黏聚力的增大，兩側(cè)水平位置的4，6節(jié)點(diǎn)和壓重側(cè)對(duì)側(cè)底部的節(jié)點(diǎn)5的數(shù)值減小，其余節(jié)點(diǎn)的數(shù)值增大；隨內(nèi)摩擦角的增大，壓重側(cè)水平位置處的節(jié)點(diǎn)6和對(duì)側(cè)底部節(jié)點(diǎn)5的數(shù)值減小，其余節(jié)點(diǎn)的數(shù)值增大。

圖8為各參數(shù)變化時(shí)節(jié)點(diǎn)1的剪力值變化圖。可以看出：隨土性參數(shù)的變化，各節(jié)點(diǎn)剪力變化與彎矩變化規(guī)律類(lèi)似。

圖8 各參數(shù)變化時(shí)節(jié)點(diǎn)1的剪力值變化

2.3.3 各參數(shù)的變化對(duì)軸力值的影響

隨彈性模量的增大，兩側(cè)底部和中隔墻底部的節(jié)點(diǎn)數(shù)值減小，其余節(jié)點(diǎn)數(shù)值增大；隨黏聚力的增大，兩側(cè)頂部和底部的4個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)值減小，其余節(jié)點(diǎn)增大；隨內(nèi)摩擦角的增大，兩側(cè)水平位置處的節(jié)點(diǎn)數(shù)值增大，其余節(jié)點(diǎn)減少。

圖9為各參數(shù)變化時(shí)節(jié)點(diǎn)1軸力值變化圖。與彎矩和剪力值變化相同的是：隨著內(nèi)摩擦角的增大，軸力值變化幅度最大。不同點(diǎn)是：隨彈性模量和黏聚力的增大，軸力數(shù)值逐漸增大;隨內(nèi)摩擦角的增大，軸力值則逐漸減小。隨著各參數(shù)的增加，軸力的變化幅度均在3%以?xún)?nèi)。

圖9 各參數(shù)變化時(shí)節(jié)點(diǎn)1的軸力值變化

2.4 土層參數(shù)變化對(duì)糾偏后襯砌內(nèi)力的影響

圖10～圖11為糾偏后中隔墻頂部的節(jié)點(diǎn)1隨土性參數(shù)變化時(shí)，襯砌彎矩和剪力值。8個(gè)節(jié)點(diǎn)的彎矩和1～7節(jié)點(diǎn)的剪力變化規(guī)律和糾偏前相同。不同的是：隨土性參數(shù)的增大，壓重側(cè)底部的節(jié)點(diǎn)8，糾偏前， 剪力值逐漸增大；糾偏后，其值逐漸減小。

圖10 各參數(shù)變化時(shí)節(jié)點(diǎn)2的彎矩值變化

圖11 各參數(shù)變化時(shí)節(jié)點(diǎn)2的剪力值變化

3 結(jié)論

本文利用有限元數(shù)值模擬的方法，分析雙圓盾構(gòu)施工時(shí)糾偏前后的內(nèi)力變化;同時(shí)分析了土性各參數(shù)變化對(duì)糾偏前后襯砌內(nèi)力和糾偏效果的影響程度和變化規(guī)律。得到以下結(jié)論。

(1)雙圓盾構(gòu)糾偏后壓重側(cè)底部和對(duì)側(cè)頂部的節(jié)點(diǎn)彎矩符號(hào)發(fā)生了變化;壓重側(cè)底部節(jié)點(diǎn)剪力符號(hào)發(fā)生變化;軸力數(shù)值有較大變化，但均為壓力。中隔墻底部的節(jié)點(diǎn)彎矩和剪力數(shù)值變化最大，壓重側(cè)底部的節(jié)點(diǎn)軸力值變化最大。

(2)土層的彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角均會(huì)影響偏轉(zhuǎn)效果，尤以?xún)?nèi)摩擦角的影響最大。當(dāng)施加相同糾偏力時(shí)，若內(nèi)摩擦角增大80%，則糾偏轉(zhuǎn)動(dòng)角度由0.6°降低為0.2°。

(3)糾偏過(guò)程中，隨土層黏聚力和內(nèi)摩擦角的增大，襯砌彎矩和剪力增大，隨彈性模量的增大，其值則減小。軸力的變化幅度均在3%以?xún)?nèi)。襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力值對(duì)內(nèi)摩擦角最敏感。

(4)雙圓盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中，糾偏造成的襯砌內(nèi)力變化不能忽略，應(yīng)及時(shí)監(jiān)測(cè)推進(jìn)方向和糾偏。另外，實(shí)際施工中，應(yīng)根據(jù)土層性質(zhì)對(duì)襯砌內(nèi)力進(jìn)行預(yù)測(cè)，以保證施工安全。

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Impact of Soil Parameters on Internal Forces in Lining of DOT Shield

ZHANG Jian1， XING Xin-kui1，2， LI Ying1， WU Fang-jun1， ZHA Yu1

(1.College of Civil Engineering and Architecture， Guilin University of Technology， Guilin 541004， China;2.Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering， Guilin 541004， China)

Correction process in Double-O-Tube (DOT) construction causes complex changes in the internal forces of lining segment， and soil parameters also impact correction result. To solve these problems， the finite element method is adopted to analyze the impact of soil parameters on the internal forces in lining before and after correction， and the impact of soil parameters on correction result. The results show that friction angle is the most sensitive factor affecting the internal force in lining. With the friction angle increases， correction result is increasingly less obvious under the same correction force， the correction causes the internal force in lining to change greatly and the internal force increases at some points， and decreases at other points， or even sign reversal occurs.

Double-O-Tube tunneling; rolling correction; soil parameters；finite element method；deflection angle

2014-12-28；

2015-01-05

廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(11-CX-03);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51068004)

張 堅(jiān)(1990—)，女，碩士研究生，2013年畢業(yè)于河南理工大學(xué)土木工程專(zhuān)業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：1058048768@qq.com。

1004-2954(2015)09-0121-04

U45

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.09.027