路基工程12SubgradeEngineering2010年第2期(总第149期)下穿铁路的盾构隧道纵向力学行为研究李围1'2

(1.贵州大学土木建筑工程学院,贵阳550003;2.贵州大学桥梁与隧道工程研究中心,贵阳550003)摘要:采用梁一地层弹簧模型,进行了在铁路列车荷载作用下盾构隧道纵向力学行为有限元分析结果表明:当等效的管片环数较多时,环数的变化对其纵向刚度的影响很小,两侧计算边界取l倍上部荷载作用长度;当盾构隧道的埋深大于2倍隧道外径时,纵向内力和变形很小,满足强度和刚度要求,其纵向设计不需特殊考虑;随着埋深的增加,列车荷载所产生的管片纵向附加内力和变形减小关键词:铁路股道;盾构隧道;管片结构;梁一地层弹簧模型;纵向力学行为中图分类号:U455.43文献标志码:A文章编号:1003—8825

下穿铁路的盾构隧道纵向力学行为研究.pdf

(2010)02—0012—03O引言近几年,我国将交通转为地下已成为解决城市交通问题的主流形式,修建了大量地下立交地铁和地下快速交通主干道隧道等,如广深港客运专线狮子洋隧道…成都一环路改造工程的地下立交上海地铁和翔殷路及复兴东路越江公路隧道以及武汉长江隧和-d,车道,道宽分别为3.75m和3.50m地质条件为:从上至下为杂填土粘土卵石土强风化泥岩和中等风化泥岩;隧道位于卵石土层;地下水位一般为地面以下2—5m隧道埋深25m,先后穿过四个站台铁路股道,拟用盾构法施工为满足建筑限界要求,隧道的净空直径最终定为道旧一等本文所述的城市快速交通主干道拟以隧道的10.0m参考国内外类似工程的设计,同时进行结构方式下穿火车站,采用盾构法施工隧道施工导致铁路路基下沉,同时铁路火车荷载较大,在盾构隧道管片衬砌结构的纵向会产生弯曲变形,从而增加了隧道结构的内力因此,必须进行隧道的纵向力学行为分析计算分析,确定采用厚度为50em的单层装配式钢筋混凝土(C50)平板型管片衬砌,则隧道外径为11.0m管片设计为9块等分的型式,见图1采用两环一组的错缝拼装方式:第一环K块在拱顶正上方;第二环K块从拱顶正上方左偏或右偏200管片的幅宽目前我国对盾构隧道管片衬砌的力学分析。

主要以环向为主,因纵向为三维问题,加上装配式管片结构的复杂性,计算难度较大国外对盾构隧道纵向力学行为的研究较多,尤其是盾构隧道修建较多的日本,采用了有限元数值模拟和室内相似模型试验的方法,进行了管片衬砌结构纵向力学行为的静动力研究"1本文建立了梁一地层弹簧简化计算模型,并对不同埋深不同轨道布载和不同管片等效环数条件下,盾构隧道的纵向力学行为进行了有限元分析1管片衬砌结构设计为2.0m隧道全长2km,设计为单洞两车道双向共四图1盾构隧道管片分块图车道,车速60km/h其等级为城一A级,地震烈度按Ⅶ度设防,隧道防水为3级,隧道路面横坡1%一2%,最大纵坡不得大于6%隧道内布置一大车道收稿日期:2009—07—15基金项目:贵州大学引进人才项目(X065002)作者简介:李围

(1979一),男,贵州德江人副教授,博士,主要从事桥梁隧道及地下工程关键技术的科研和教学工作E-mail:weiliyy@126.corn2管片衬砌结构纵向等效刚度盾构隧道管片衬砌结构纵向力学行为主要表现为拉压剪切和弯曲,其中以弯曲为主"1基本假设:①盾构隧道沿纵向由m环管片和m个纵向接头组成,rn个纵向接头简化为m个弹簧;②同样长度的盾构隧道中,将忍环连成l环(无纵向接头),这样接头数就减少为m/n个;③原来管片衬砌的刚度李围:下穿铁路的盾构隧道纵向力学行为研究13为X,则将/'t环连成1环后,为等效刚度系数)2.1等效抗弯曲刚度系数叩脚:———生—_其等效刚度变成庐(刀(q1')32计笋参数根据设计的9块等分管片型式及其纵向螺栓的布置,采用管片纵向接头等效刚度系数的计算公式,可计算出各刚度系数"1:管片纵向接头抗弯刚度系数X710式中k仉为管片纵向接头抗弯刚度系数,所在地层为卵石土层,容重为20kN/m3,其竖向基kNm/rad;EI,l为管片纵向抗弯刚度,MPam4;l,为一环管片幅宽,m2.2等效抗拉压刚度系数当盾构隧道处于受压状态时,则等效抗压刚度不折减,即管片纵向接头的抗压刚度与管片本身的抗压刚度相同在拉力N作用下,等效抗拉压刚度系数床系数为50MPa/m作用于铁路轨道上的列车荷载按照中荷载进行加载,并简化为平面上单位面积上的均布荷载%=面可百掰击而而

(4)式中心为地面下z处的竖向压力;Po为列车荷载,一2了每巧Q)取为250kN(用于跨度小的结构);口,b为单个荷载地面作用长度和宽度,取为0;d为相邻荷载的间距,横向为1.5m纵向为股道的间距;m,n为荷载个式中后"为管片纵向接头抗拉刚度系数,kN/m;数,考虑最不利荷载组合,股道上全部满载,则m=E.A为管片纵向抗拉压刚度,MParanl2;l为一环8,n=3;Po为列车荷载动力系数,埋深大于0.7m管片幅宽,m2.3等效抗剪刚度系数@)式中矗为管片纵向接头抗剪刚度系数,kN/m;GA为管片纵向抗剪刚度,MPaln/n2;1.为一环管片幅宽,m3有限元分析3.1梁一地层弹簧模型以荷载一结构模型为基础,将盾构隧道纵向力学行为按等效刚度的原则简化成梁一地层弹簧模型,如图2图中弹簧只能受压,表示地层对隧道提供抗力,而当弹簧受拉时,则去掉弹簧,表示此时地层也受拉不能提供抗力在有限元计算分析中,先根据等效刚度的原则,将装配式管片衬砌结构简化成具有等刚度的空心圆柱体结构,再将空心圆柱体结构简化成空间梁,且取梁的宽和高相等(相当于简化成正方为1.0由隧道埋深彳可计算出列车荷载传到盾构隧道顶部的竖向压力只:,则作用于盾构隧道简化而成的梁单元上的线性均布荷载q为气D,D为盾构隧道外径有限元模型计算范围:在盾构隧道的横向为盾构隧道的外径,即11.0m;根据式

(4)计算得出车辆荷载的作用范围￡,其纵向长度取为

(2j+1)￡,_『为0.5的倍数;竖向按隧道埋深进行确定因在盾构隧道设计中,一般要求埋深不小于lD(D为隧道外径),故在分析中,要考虑不同的埋深,即从10—25rrl,间隔5m,以及不同的等效管片环数,对应_『取0.5和1.0由于上覆土体和管片本身自重荷载作用下,盾构隧道只是整体下沉,没有纵向弯矩剪力和轴力因此,在以下计算分析中,仅考虑火车站股道上的列车活载所产生的附加内力和变形3.3计算结果分析

(1)不同的火车站股道布载下管片衬砌结构纵向力学行为比较分析股道满载产生的最大变形为形)0.041mm最大弯矩为74.63kNnl和最大剪力为7.95kN;而单条轨道布载产生的最大变形为0.012111111最大弯矩为24.23kN111和最大剪力为4.07kN;因火车站的运营,股道上的列车荷载在管片衬砌结构上产生的纵向内力和变形都很小,满足强度和刚度要求,不需特殊考虑

(2)不同的管片等效环数对其纵向力学行为的正.三『l

(2j+I)L.1'正.1r|111对应的荷载作用在管片衬砌结构上的长度L为80in,取两侧的影响边界为1.0L和0.5L两种情况进行计算图2梁一地层弹簧模型图分析,其管片等效环数分别为120环80环根据等i甄巧b=1.55×108kNm/rad,抗拉刚度系数.|}m=2.47kN/m,抗剪刚度系数I|},=1.85×10kN/m隧道妒了狐了影响分析以股道满载和埋深25m为例,埋深25路基工程14SubgradeEngineering2010年第2期(总第149期)效刚度的计算公式,由于其等效的环数n都较多,而换算出的等效刚度变化很小,故其内力和变形变化很小(如最大弯矩为74.63kNm和74.87kNm)因此,当等效的环数较多时,环数的变化对管片衬砌结构纵向力学行为的影响很小

(3)不同的隧道埋深条件下管片衬砌结构纵向力学行为比较分析不同埋深条件下管片衬砌纵向的附加内力和变形如图3(a)一(c),随着埋深的增加,因铁路股道列车荷载所产生的管片纵向附加内力和变形减小这是由于随着埋深的增加,列车荷载在向下传递的过程中,实际作用在管片上的荷载就减小了,相当于从集中荷载(对应埋深为0m)变成了均布荷载(对应埋深大于0m),从而减小了附加内力埭舍1引55嘣童5l隧道埋深/m隧道埋深,m和变形从图3(a)一(c)看出,三条曲线都不是线性变化的,随埋深增加,弯矩变化速度越来越大,而剪力和变形则越来越小

(4)不同荷载作用长度对计算边界的影响分析随埋深增加,列车荷载作用到盾构隧道管片上的长度也增大,从而产生不同的计算边界效应,如图3(d)随作用长度增加,对两侧计算边界的影响宽度也增加,但增加的速度越来越小,这是因为作用长度增加的同时均布荷载减小了总体上看,两侧边界影响宽度与荷载作用长度的比值介于0.5~1.0之间,由于盾构隧道纵向力学行为跟管片等效环数有关,故在实际计算中可取两侧边界为lL,￡为上部荷载作用长度毒心辱鎏钙巧巧3545556575m152025隧道埋深,m荷载作用长,In(a)(b)图3计算结果图(c)(d)4结论

(1)盾构隧道埋深大于2倍隧道外径时,列车荷载在管片衬砌结构上产生的纵向内力和变形都小,满足强度和刚度要求,其纵向设计不需特殊考虑

(2)随着埋深的增加,列车荷载所产生的管片纵向附加内力和变形减小,其变化是线性的,弯矩的变化速度越来越大,而剪力和变形的变化速度越来越小

(3)采用梁一地层弹簧模型进行盾构隧道管片衬砌结构设计,计算简便可靠,两侧计算边界取为1倍上部荷载作用长度参考文献:[1]赵文成,肖明清,高波.越江隧道空气动力学问题的试验研究[J].路基工程.2008

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(1.SchoolofCivil&ArchitectureEngineering,GuizhouUniversity,Guiyang550003,China;2.Bridge&TunnelEIIgineeringResearchCenter,GuizhouUniversity,Guiyang550003,China)Abstract:Withbeam-shellspringmodel,thispapercarriesoutfiniteelementanalysisonverticalmechanicalbehaviorofshieldtunnelundertheeffectoftrainsload.Theresultindicatesthatwhentherearemanyequivalentsegmentjoints,thechangesofjointshaslittleinfluenceonverticalrigidity,∞itjusttakesthelengthofupperloadpartonbothsidesforcalculation;whentheburieddepthofshieldtunnelisgreaterthantwiceouterdiameter,verticalinnerforceanddeformationarelittle,whichCansatisfytherequirementofstrengthandrigidity,SOverticaldesignneednospecialconsideration;withtheincreaseofburieddepth,verticaladditionalinnerforceanddeformationofsegmentcausedbytrainsloadwilldecrease.Keywords:railwaytrack;shieldtunnel;segmentstructure;beam——shellspringmodel;verticalmechanicalbehavior除襄童匹耋下穿铁路的盾构隧道纵向力学行为研究作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):李围,LIWei贵州大学土木建筑工程学院,贵阳,550003;贵州大学桥梁与隧道工程研究中心,贵阳,550003路基工程SUBGRADEENGINEERING2010

(2)参考文献

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(1条)1.郑雁翎深埋水电站洞室群围岩受力特性研究[期刊论文]-路基工程2011