大断面地铁区间中隔墙对隧道结构的影响
摘 要:通过两维和三维数值模拟计算,详细分析了上海轨道交通11号线南段工程大直径盾构区间隧道内设置中隔墙对隧道结构的影响。根据隧道发生均匀沉降和不均匀沉降两种工况,分别计算了隧道管片的轴力、剪力、弯矩和最大主应力,计算结果为该隧道设计提供了重要的参考依据。
关键词: 大直径盾构隧道; 中隔墙; 沉降; 模拟计算; 影响分析
0 引言
上海轨道交通11号线南段工程区间隧道采用大直径盾构工法施工,管片内径10. 4 m,厚度0. 48 m。根据环控专业对行车安全的要求,设计中在隧道内上下行车道中间设置了一道垂直中间隔墙,墙体厚度0. 3 m,墙体与衬砌管片采用刚性连接(见图1)。由于区间隧道采用这种布置形式在上海尚属首次,设置刚性连接的中隔墙对隧道结构会产生何种影响等问题尚缺乏认识。特别当隧道发生不均匀沉降时,在管片中产生的内力(包括轴力、剪力、弯矩和最大主应力)究竟有多大,对管片受力是否会产生不利影响,其影响程度又会有多大等等。为了搞清这些问题,本文将假设隧道覆土为15 m,不考虑地质条件的影响,按照两维和三维两种工况,通过详细的数值模拟计算来探讨这一问题。
1 数值模拟计算
1. 1 管片的模拟算法
管片是计算中重点的模拟对象,本计算中管片和中隔墙均采用线弹性的壳单元来模拟(见图2、图3)。
当壳受到横向荷载(即垂直于板面的荷载),将发生弯曲及扭曲,由此引起的应力、位移和变形可以按板弯曲来计算。当壳弯曲时,它的中面即形成一个弹性曲面。
1. 2 两维计算
当管片发生均匀沉降或不发生沉降时,可简化为两维计算模型(见图4)。土体采用实体单元模拟,管片采用壳单元模拟。对于土体赋予M-C材料属性,对于管片赋予线性弹性材料属性。计算过程如下:
1)建立有限元网格。
2)赋予材料相关参数,进行初始位移场和应力场的计算,作为进一步分析的基础。
3)进行隧道区域的土体开挖(杀死该区域内的实体单元),并安装混凝土管片(用壳单元模拟管片)。
4)安装中隔墙(用壳单元模拟),计算土压力作用下管片及中隔墙的受力和位移。
在此工况下,若无中隔墙,衬砌上的位移如图5所示,最大位移为2. 51 cm;当有中隔墙时,其位移如图6所示,最大位移为1.49 cm。与无隔墙时相比,管片最大变形减小,即中隔墙的存在减小了管片的横向变形,有利于管片保持真圆。两维工况下结构弯矩的分布见图7,无隔墙时最大弯矩为1.6e4 N.m,最大值发生在管片腰部;有隔墙时最大弯矩为1. 4e5 N.m,最大值发生在拱顶和拱底。有隔墙时弯矩增大了近一个数量级,说明隔墙对结构受力是不利的。两维工况下结构轴力Nx的分布表明,无隔墙时最大轴力为3.65e5N,有隔墙最大轴力为3.25e5N,说明隔墙对管片轴线方向轴力影响不大。两维工况下结构轴力Ny的分布表明,无隔墙时最大轴力为1.46e6N,有隔墙最大轴力为1.3e6N,说明隔墙对管片垂直轴线方向的轴力影响不大。
两维工况下管片结构剪力的分布见图8,无隔墙时最大剪力为1. 6e4N,有隔墙最大剪力为2. 2e5N,说明隔墙对管片垂直轴线方向的剪力影响很大,对结构受力不利。两维工况下结构最大主应力的分布见图9。无隔墙时最大主应力为3. 3e6N,有隔墙最大主应力为5. 7e6N,说明隔墙的存在对管片主应力影响较大,对结构受力不利。
1. 3 三维计算
当管片纵向发生不均匀沉降时,通过三维计算模型,建立无隔墙和有隔墙的计算网格(见图10)。在两种工况下对管片施加3. 6 cm的不均匀竖向位移(模拟不均匀沉降),计算管片的内力情况。
三维工况下结构弯矩的分布见图11。无隔墙时最大弯矩为1.7e4Nm,最大弯矩发生在拱腰。有隔墙最大主应力为3.4e5Nm,最大弯矩发生在拱顶。隔墙使最大弯矩值增大了20倍,说明其对管片的影响很大,对结构受力非常不利。三维工况下结构轴力Ny的分布见图12。无隔墙时最大轴力为1.5e6N,有隔墙最大轴力为2. 2e5N。隔墙使最大轴力值增大,说明其对管片有影响,对结构受力不利。三维工况下结构剪力的分布见图13。无隔墙时最大剪力为1.6e4N,有隔墙最大剪力为3. 3e5N。隔墙使最大剪力值增大20倍,说明其对管片影响很大,对结构受力不利。三维工况下结构最大主应力的分布见图14。无隔墙时最大主应力为3. 3e6N,有隔墙最大主应力为9.6e6N。隔墙使最大主应力值增大3倍,说明其对管片影响很大,对结构受力不利。
2 结语
本文的计算表明:无论在两维工况还是三维工况下,与隧道结构刚性连接的中隔墙对管片影响很大,对结构受力非常不利。特别是当隧道发生不均匀沉降时,管片内的最大弯矩值、最大剪力值与无隔墙相比增大了20倍。这充分说明,盾构隧道设置中间隔墙虽然可以减小管片的横向变形,但是容易导致衬砌受力情况变差。计算和分析表明,不均匀沉降是导致中隔墙方案受力恶化的根本原因。
根据目前上海轨道交通盾构隧道的沉降情况,最早建成的1号线最大沉降已达20 cm,故建议上海轨道交通11号线南段工程区间隧道中隔墙顶部在设计上不与管片结构刚性连接,可在中隔墙上部与隧道结构顶部预留20~30 cm的间隙,并用弹性材料填充。这样当隧道发生不均匀沉降时,可以避免管片附加内力剧烈增大,从而保证隧道结构良好的受力状态。
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