CN107798166A - 盾构隧洞复合衬砌内水压力下的荷载结构共同作用计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种盾构隧洞复合衬砌内水压力下的荷载结构共同作用计算方法，包括以下步骤：(1)建立由内而外依次为内衬、盾构管片和围岩的共同承担内水压力的计算模型，把三者分解为独立承担内水压力的结构体，分别计算在不同内水压力作用下各自的内径变化以及不同内水压力与结构体的应力关系；(2)根据径向变形协调和防渗要求控制的变形，结合步骤(1)的结果，确定三者各自可分担的荷载，盾构隧洞可承担的总内水压力为各结构体在位移协调下可承担的内压力之和，在确保可承担设计内水压值的条件下最终确定盾构隧洞的实际结构。本发明力学概念明确，计算简便，可为这种复杂受力结构的工程设计提供一个有效、简便的荷载结构法实用计算方法。
Description
技术领域
本发明涉及有压输水隧洞工程与基础技术领域，特别是一种盾构隧洞复合衬砌内水压力下的荷载结构共同作用技计算方法。
背景技术
盾构隧道在地铁等市政建设中已广泛应用，在这些工程中，盾构管片主要是承受隧道外的水土压力，对这种条件下隧道盾构管片的受力计算，人们已做了很多的研究。但盾构施工的隧道用于承受内水压力时的受力计算则相对研究的较少，尤其是在高内水压力情况下采用内衬与盾构管片的复合衬砌共同承担内、外水土荷载时，目前尚缺乏合理的共同作用计算模型。由于盾构施工方法的快速发展，目前正越来越多的被用于建造大型输水隧洞。
目前我国已建成的有内压盾构输水隧洞案例有：南水北调的穿黄工程，上海青草沙源水供水工程和广州的西江引水工程等。南水北调穿黄隧洞埋深23～35米，盾构外径8.7m，设计内水压力为0.517MPa，采用了盾构管片内设预应力混凝土内衬的复合结构，盾构管片与内衬间设置排水软垫分隔，设计理念是采用管片单独承担外水土荷载，内衬单独承担内水压力，管片和内衬不共同作用承担荷载。上海青草沙供水工程盾构管片岛域段(长兴岛)外径6.4m，穿越长江段外径6.8m，设计内水压力0.45MPa，埋深16.08～33.8米，仅用盾构管片承担内外水土压力，不设内衬。广州西江引水工程内水压力0.9Mpa，用盾构单独承担外水土荷载，内衬钢管单独承担内水压力，管片和钢管间灌注自密实混凝土，在管片内侧设置排水垫层分隔内衬，管片和内衬不共同作用承担荷载。正准备建设的珠江三角洲水资源配置工程拟采用盾构隧洞的方式建设输水管道，其最高内水压力达1.0MPa，是目前国内采用这种隧洞内压最高的，在世界上也是少有的，其初步考虑采用类似广州西江引水工程的结构形式，用钢管内衬单独承担内水压力，盾构管片承担外水土荷载，这是受力最安全的结构型式。
已有的研究多采用有限元等复杂的数值方法分析这种结构的受力，如章青等放松了离散单元交界面上的位移连续条件，模拟盾构隧洞外衬管片之间螺栓的连接作用和各种缝面的不连续变形特征(盾构式输水隧洞的计算模型及其工程应用[J].水利学报.1999(2):19-22.)；李敏和朱银邦等利用ABAQUS对某双层衬砌输水隧洞进行了模拟，主要研究了两层衬砌之间空隙对二者受力的影响(盾构输水隧洞双层复合衬砌的联合受力分析[J].中国水利水电科学研究院学报.2014(01):109-112.)；谢小玲等利用MARC软件考虑外衬与地基抗力单元之间的接触、外衬管片间的接触、内衬和外衬之间的接触来对双层衬砌受力特性进行研究(穿黄隧道双衬砌结构平面非线性有限元分析[J].长江科学院院报.2002(S1):61-63.)；杨钊等利用ABAQUS采用实体单元模拟管片，对青草沙水源地原水过江隧洞工程进行了衬砌受力的模拟(盾构输水隧洞复合衬砌计算模型[J].中南大学学报(自然科学版).2010,41(5):1945-1952.)。但有限元方法也存在一些影响计算结果可靠性的因素，主要是计算参数的不确定性，如接头参数、土与结构的接触参数和网格划分以及复杂的岩土本构模型等，这些都给计算结果带来不确定性。
也有通过模型试验来研究的，例如南水北调穿黄输水隧洞采用了1:1仿真模型，针对内外衬的单独(或联合)受力、双衬之间的排水层、预应力钢绞线对内衬受力影响等进行了试验研究(穿黄隧洞衬砌1∶1仿真模型应力观测成果分析[J].人民长江.2011(08):87-91.)(穿黄隧洞1∶1仿真试验[J].河南水利与南水北调.2007(01):22-23.)；另外也有学者致力于双层衬砌受力传力模型的研究，如孙钧等采用新型实体叠合计算模型，根据内、外衬砌接触界面处理方式的不同，提出了5种适合不同界面条件内、外层衬砌的相互作用模型，以此来研究软土有压输水盾构隧洞采用管片外衬和整筑预应力内衬作复合式衬砌的设计计算问题(输水盾构隧洞复合衬砌结构设计计算研究[J].地下工程与隧道.2011(01):1-8.)；张厚美根据受力时间和依据内外衬砌接合面结构形式的不同，提出了2种衬砌受力叠加模型和3种双层衬砌相互作用模型(盾构压力隧洞双层衬砌的力学模型研究[J].水利学报.2001(04):28-33.)；佘成学等针对高内水压下引水隧洞采用管片衬砌问题进行了计算分析，探讨了预制混凝土管片拼装内衬、围岩土灌浆、围岩应力释放等因素对内衬受力和变形的影响，认为青松电站高压引水隧洞采用管片内衬方案可行(管片衬砌承担高内水压力的可行性分析[J].岩石力学与工程学报.2008(07):1442-1447.)；温晓英等通过单层衬砌、多类型双层衬砌的对比认为广州西江引水工程采用钢衬加自密实混凝土作为内衬方案较为合理(西江引水工程盾构输水隧洞衬砌形式的选择与设计[J].中国给水排水.2012(10):1-4.)。
高内水压力盾构输水隧洞复合衬砌将是今后输水隧洞的重要结构形式，目前高内水压力的输水隧洞基本是采用内外衬独立承担的最安全模式，但不一定是最合理的。比较科学的方法应该是考虑内外衬和围岩共同作用的结构型式，可以充分利用围岩及结构能力，简化结构型式，方便施工同时节省造价。但是由于目前对这种结构还缺乏成熟可靠的设计方法，因而大家只能大多采用安全度较高的结构型式，但这难免造成浪费和增加施工难度。虽然目前研究方法很多，但还是缺乏公认可靠的工程计算方法，最好是能有荷载结构法这种计算结果稳定、可靠又简明的计算模型。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种盾构隧洞复合衬砌内水压力下的荷载结构共同作用计算方法，其计算结果稳定、可靠又简明。
本发明的目的是这样实现的：一种盾构隧洞复合衬砌内水压力下的荷载结构共同作用计算方法，其特征在于包括以下步骤：(1)建立由内而外依次为内衬、盾构管片和围岩的共同承担内水压力的计算模型，把内衬、盾构管片和围岩三者分解为独立承担内水压力的结构体，分别计算在不同内水压力作用下各自的内径变化以及不同内水压力与结构体的应力关系；(2)根据径向变形协调和防渗要求控制的变形，结合步骤(1)的结果，确定内衬、管片结构和围岩各自可分担的荷载，复核各自的受力安全，盾构隧洞可承担的总内水压力为各结构体在位移协调下可承担的内压力之和，在确保可承担设计内水压值的条件下最终确定盾构隧洞的实际结构。
本发明计算方法力学概念明确，计算简便，计算结果稳定，可靠又简明，因综合考虑了复合衬砌和围岩共同作用的结构型式，因此可以充分利用围岩及结构能力，简化结构型式，在确保安全的前提下，尽可能避免浪费，节省造价同时可降低施工难度，为这种复杂受力结构的工程设计提供一个有效、简便的荷载结构法实用计算方法。
附图说明
图1是本发明盾构隧洞结构共同作用模型；
图2是本发明内衬钢管计算模型(图中圆环外径以5400mm为例)；
图3、图4分别是按图2所示计算模型得到的不同管壁厚度的钢管内衬Δr-p关系及关系；
图5、图6分别是盾构管片Δr-p关系、盾构管片及螺栓σs-p关系；
图7是本发明围岩受内水压力计算模型；
图8是按图7所示计算模型得到的在不同弹性模量时洞径为6m的围岩Δr-p关系曲线；
图9是本发明在6m外径、E为2000MPa围岩条件下各结构件共同作用曲线；
图10是本发明在6m外径、E为30MPa围岩条件下各结构件共同作用曲线。
具体实施方式
本发明是一种盾构隧洞复合衬砌内水压力下的荷载结构共同作用计算方法，包括以下步骤：
(1)建立由内而外依次为内衬、盾构管片和围岩的共同承担内水压力的计算模型(如图1所示)，把内衬、盾构管片和围岩三者分解为独立承担内水压力的结构体，分别计算在不同内水压力作用下各自的内径变化以及不同内水压力与结构体的应力关系。
所述步骤(1)中，计算内衬钢管在不同内水压力下的径向位移及应力，步骤为：
分离内衬钢管，如图2所示，让其单独承受内水压力，计算内压p与半径增长Δr的关系及其对应的钢管受拉应力，按公式(1)计算Δr，按公式(2)计算钢管收拉应力绘制关系曲线图，如图3、图4所示：
式中：Δr为圆环半径伸长量(单位：m)，μ为泊松比，E为材料弹性模量(单位：kPa)，r、R为分别为圆环内外径(单位：m)，ρ为计算位置处极径(单位：m)，p为内水压力(单位：kPa)，为管片环向应力(单位：kPa)。
所述步骤(1)中，计算盾构管片在不同内水压力下的径向位移及应力，绘制关系曲线图，如图5、图6所示，步骤为：
首先计算盾构管片环的总刚度及等效模量：
式中：ks为接缝处螺栓总刚度(单位：kN/m)，kF为封顶块刚度，kL为连接块总刚度，kB为标准块刚度，ns为接缝处螺栓个数，Es、Ec为分别为螺栓、混凝土弹性模量(单位：kPa)，As为螺栓横截面积(单位：m2)，Ac为管片横截面积(单位：m2)，Ls为螺栓投影长度(单位：m)，LF，LL，LB为管片封顶块，连接块，标准块中性轴弧长(单位：m)，nJ，nF，nL，nB为接缝个数，封顶块个数，连接块个数，标准块个数，K为盾构管片总刚度(单位：kN/m)，E为盾构管片等效模量(单位：kN/m)，L为盾构管片中性轴周长(单位：m)；
对应径向变形，采用公式(9)或公式(10)计算
为管片环向应力，可按公式(2)计算。
对于螺栓应力，由管片环向应力按公式(11)换算
所述步骤(1)中，计算围岩在不同内水压力下的径向位移及应力，绘制关系曲线图，如图8所示，步骤为：
如图7所示，按平面应变问题计算洞径变形Δr与内水压力的关系，按弹性力学公式，不考虑围岩的非线性，相应计算公式如下，σρ为管片径向应力(单位：kPa)，其余符号意义同公式(2)：
计算不同围岩时取不同弹性模量，围岩为强风化时，弹性模量E＝1000MPa，中微风化泥岩E＝2000MPa，一般性黏土E＝30MPa，软土E＝5MPa。
(2)根据径向变形协调和防渗要求控制的变形，结合步骤(1)的结果，确定内衬、管片结构和围岩各自可分担的荷载，复核各自的受力安全，盾构隧洞可承担的总内水压力为各结构体在位移协调下可承担的内压力之和，在确保可承担设计内水压值的条件下最终确定盾构隧洞的实际结构。步骤(2)中，根据径向变形协调和防渗要求控制的变形，结合步骤(1)的结果，在具体的围岩条件下确定围岩可分担的荷载，确定特定的内衬和管片结构可分担的荷载，复核各自的受力安全，盾构隧洞可承担的总内水压力为各结构体在位移协调下可承担的内压力之和，在确保可承担设计内水压值的条件下最终确定盾构隧洞的实际结构。
以6m外径的盾构隧洞为例，当围岩弹性模量为2000MPa时，选择前述对应的关系曲线共同组成各结构件共同作用曲线，如图9所示。为保证盾构管片的密封性防水性，假设允许管片在内水压力下允许产生2mm的张开缝(城市综合管廊工程技术规范GB50838-2015)，换算成半径变化约Δr＝2mm，则由图9可见，这时壁厚为20mm的钢管分担的内水压力已达1.2MPa(同见图3)，此时对应的钢管应力不到180MPa，小于屈服应力225MPa，强度足够。同时，由图9可见围岩分担的内水压力已达1MPa(同见图8)，盾构管片分担的内水压力为218kPa(同见图5)，因此，如对这种围岩条件，加20mm内衬钢管时，可以承担2.2MPa的内水压力了，此处还不计管片的外水土压力的有利因素。如果内水压力是1MPa时，当允许Δr＝2mm时，则围岩可承担1MPa的内水压力，加上盾构管片承担的0.2MPa，则可承担1.2MPa的内水压力。而盾构管片在0.2MPa的内压作用下时，如图6所示，盾构管片螺栓的应力为750MPa，小于容许屈服应力[σs]＝1080MPa(12.9级螺栓)，管片混凝土受拉应力1.9MPa，也是可以承担的。因此，对于穿越围岩地质条件较好的条件下，而且外水压力的有利作用可作为安全储备，在该地质条件下修建6m外径的盾构隧洞，可在围岩内仅设置盾构管片而取消内衬钢管，极大的方便施工和节省投资。
当围岩为一般黏土或砂土时，则内水压力作用下的共同变形曲线如图10所示，在允许Δr＝2mm条件下，围岩能分担的内水压力很小，仅有15.63kPa，几乎没有作用。而仅靠盾构管片本身分担的约0.22MPa的水压，当内水压力大于0.2MPa时，如不加内衬钢管，则只能靠管片外的水土压力平衡了。假设埋深在30m，则管外的水土压力如能达到0.3MPa，此时不设内衬，隧洞可承担的最大内水压力可以达到0.5MPa。当然，如设钢管内衬并考虑共同作用，则钢管本身在Δr＝2mm条件下就可以承担1.2MPa的内水压力了，盾构管片及外水土压力即使作为安全储备也可以承担1MPa的内水压力了。
以上海青草沙水源地原水工程为例进行验证。根据文献显示，上海青草沙水源地原水工程分为岛域段(长兴岛)和水域段(穿越长江)，穿越地区主要地层为粉质粘土层，最小覆土厚度在水域段为16.08m，最大覆土厚度在岛域段为33.8m，岛域段盾构隧道外径6.4m，内径5.5m(M40螺栓连接)，水域段外径6.8m，内径5.84m，混凝土强度C55，管片间采用4根M36环向斜螺栓连接，承受内压0.45MPa，水域段隧道中心线处外水压为0.3MPa。
对于岛域段，若按照最大覆土厚度33.8m计算(假设地下水位最低为地面以下3.8m，取周围粉质粘土弹性模量为20MPa)，则根据太沙基的松弛土压力计算理论，此时的外水土压力强度最小值为0.41MPa，可认为管片外围存在0.41MPa的均布压力，则管片尚需承受0.04MPa的内压，根据本发明的理论，此时的盾构管片受到环向拉应力为0.26MPa，径向位移为0.18mm，按这样的分析，说明该工程是可以不设内衬的，与实际工程相符，也说明本发明的计算方法是有效的。
Claims (6)
1.一种盾构隧洞复合衬砌内水压力下的荷载结构共同作用计算方法，其特征在于包括以下步骤：(1)建立由内而外依次为内衬、盾构管片和围岩的共同承担内水压力的计算模型，把内衬、盾构管片和围岩三者分解为独立承担内水压力的结构体，分别计算在不同内水压力作用下各自的内径变化以及不同内水压力与结构体的应力关系；(2)根据径向变形协调和防渗要求控制的变形，结合步骤(1)的结果，确定内衬、管片结构和围岩各自可分担的荷载，复核各自的受力安全，盾构隧洞可承担的总内水压力为各结构体在位移协调下可承担的内压力之和，在确保可承担设计内水压值的条件下最终确定盾构隧洞的实际结构。
2.根据权利要求1所述的盾构隧洞复合衬砌内水压力下的荷载结构共同作用计算方法，其特征在于：所述步骤(1)中，计算内衬钢管在不同内水压力下的径向位移及应力，步骤为：
分离内衬钢管，让其单独承受内水压力，计算内压p与半径增长Δr的关系及其对应的钢管受拉应力，按公式(1)计算Δr，按公式(2)计算钢管收拉应力
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式中：Δr为圆环半径伸长量(单位：m)，μ为泊松比，E为材料弹性模量(单位：kPa)，r、R为分别为圆环内外径(单位：m)，ρ为计算位置处极径(单位：m)，p为内水压力(单位：kPa)，为管片环向应力(单位：kPa)。
3.根据权利要求1所述的盾构隧洞复合衬砌内水压力下的荷载结构共同作用计算方法，其特征在于：所述步骤(1)中，计算盾构管片在不同内水压力下的径向位移及应力，步骤为：
首先计算盾构管片环的总刚度及等效模量：
<mrow>
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<mi>k</mi>
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</mrow>
</mrow>
式中：ks为接缝处螺栓总刚度(单位：kN/m)，kF为封顶块刚度，kL为连接块总刚度，kB为标准块刚度，ns为接缝处螺栓个数，Es、Ec为分别为螺栓、混凝土弹性模量(单位：kPa)，As为螺栓横截面积(单位：m2)，Ac为管片横截面积(单位：m2)，Ls为螺栓投影长度(单位：m)，LF，LL，LB为管片封顶块，连接块，标准块中性轴弧长(单位：m)，nJ，nF，nL，nB为接缝个数，封顶块个数，连接块个数，标准块个数，K为盾构管片总刚度(单位：kN/m)，E为盾构管片等效模量(单位：kN/m)，L为盾构管片中性轴周长(单位：m)；
对应径向变形，采用公式(9)，公式符号意义同公式(1)，或者公式(10)计算，
<mrow>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>r</mi>
<mo>=</mo>
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<mn>9</mn>
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</mrow>
</mrow>
为管片环向应力，可按公式(2)计算。
对于螺栓应力，由管片环向应力按公式(11)换算
4.根据权利要求1所述的盾构隧洞复合衬砌内水压力下的荷载结构共同作用计算方法，其特征在于：所述步骤(1)中，计算围岩在不同内水压力下的径向位移及应力，步骤为：
按平面应变问题计算洞径变形Δr与内水压力的关系，按弹性力学公式，不考虑围岩的非线性，相应计算公式如下，σρ为管片径向应力(单位：kPa)，其余符号意义同公式(2)：
<mrow>
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<mn>12</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
5.根据权利要求4所述的盾构隧洞复合衬砌内水压力下的荷载结构共同作用计算方法，其特征在于：计算不同围岩时取不同弹性模量，围岩为强风化时，弹性模量E＝1000MPa，中微风化泥岩E＝2000MPa，一般性黏土E＝30MPa，软土E＝5MPa。
6.根据权利要求1所述的盾构隧洞复合衬砌内水压力下的荷载结构共同作用计算方法，其特征在于：所述步骤(2)中，根据径向变形协调和防渗要求控制的变形，结合步骤(1)的结果，在具体围岩条件下确定围岩可分担的荷载，确定特定的内衬和管片结构可分担的荷载，复核各自的受力安全，盾构隧洞可承担的总内水压力为各结构体在位移协调下可承担的内压力之和，在确保可承担设计内水压值的条件下最终确定盾构隧洞的实际结构。
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