地铁盾构隧道管片设计参数的敏感性分析
2011-03-02 23:29
地铁盾构隧道管片设计参数的敏感性分析
【摘 要】以苏州地铁盾构隧道为计算原型,对设计中的关键参数进行敏感性分析,讨论设计方法、地质参数及结构参数对管片设计的影响,以及管片在水土分算与水土合算条件下受力性能的差异,并对苏州地铁盾构管片设计提出合理建议。
【关键词】地铁 盾构隧道 管片 设计参数 敏感性分析 苏州
目前,国内尚无统一的盾构隧道设计规范,盾构隧道管片设计在很大程度上依照已建地铁(如上海地铁、北京地铁)进行类比设计。这样的设计缺乏针对性,不能很好地适应不同地区的区域性差异,很难达到安全经济的效果。针对这一现状,笔者以苏州地铁盾构隧道为计算原型,对设计中的关键参数进行敏感性分析,讨论管片在水土分算与水土合算条件下设计方法、地质参数及结构参数对管片设计的影响及受力性能的差异,为苏州地铁盾构管片设计提出合理的建议,对其他地区也有一定的指导意义。
1、理论基础
1.1 设计方法
国内常用的管片设计方法有基于荷载结构模型的修正惯用法、半周弹簧模型法、弹性铰模型法以及地层结构模型法。其中,修正惯用法是目前国内管片设计中最为常用的一种设计方法,通过刚度有效率η和弯矩增大系数ξ,考虑了管片整体刚度折减和管片的错缝拼装效应;半周弹簧模型法基于有限元法通过地基弹簧模拟地基抗力,该方法中的地基抗力分布较为接近实际,在一定程度上可认为是修正惯用法的数值解;弹性铰模型法是将接头考虑为具有一定抗弯刚度的弹簧,接头抗弯刚度K表示接头产生单位转角所需的弯矩;地层结构模型法是将管片与地层作为一个受力变形的整体,按照连续介质力学原理来计算管片以及周围地层的变形。在本文中,除2. 2节对设计方法进行敏感性分析外,其余章节均采用半周弹簧模型法进行计算。
1.2 设计条件
在管片设计中,需要考虑的基本荷载主要包括地面上覆超载、管片顶部荷载、侧向荷载、地基抗力及结构自重。由于基本荷载是结构设计中最主要的内容,故本文只针对基本荷载组合作用下的设计进行分析。为了讨论设计参数对管片设计的影响,以苏州地铁盾构隧道为计算原型(CASE1),在此基础上对各种设计参数的影响进行讨论;对苏州地铁1号线19标段金枫路站—汾湖路站区间(右DK1+631. 000)地质勘察情况进行整理,分析出断面地质剖面见图1。管片内径为5.5m,外径6. 2m,采用6分块,衬砌材料为C50钢筋混凝土,管片轴向和环向均采用C级M30螺栓,性能等级为8.8,具体的地质参数和结构参数见表1。
2、管片敏感性分析
2.1 敏感性分析对象
在盾构隧道管片设计时,主要考虑结构内力、结构变形以及结构防水,具体问题涉及管片配筋、管片厚度、管片宽度、接头形式和防水带布置等问题,而影响管片结构内力和变形的主要因素有设计方法、外部荷载的确定方式、地质参数和结构参数。其中,地质参数离散型较大,对管片设计影响也较大;而结构参数虽然不确定性较小,但会影响管片的配筋、防水性能及耐久性等关键设计环节,故在设计中也不能随意忽略。笔者针对设计中的关键参数进行敏感性分析,研究这些设计参数对管片内力的影响,总结其变化规律。
2.2 设计方法的敏感性分析
在地质参数及结构参数一致的条件下,分别采用修正惯用法、半周弹簧模型法、弹性铰模型法及地层结构模型法计算管片内力,计算结果见图2~图4。
由以上计算结果分析可知:修正惯用法和半周圆环模型法的管片计算弯矩相差不大;弹性铰模型法由于考虑了管片与接头的刚度非连续性,将管片接头处理为具备一定抗弯能力的弹簧单元,内力计算结果较小,而合理选择接头刚度是该设计方法的关键;地层结构法不考虑水土分算与合算,其计算结果取决于泊松比、内摩擦角、黏聚力等地质参数,苏州地层的计算结果与水土分算情况接近;除弹性铰模型最大位移较小外,其余3种设计方法的最大位移值接近,且均满足直径变形量≤2‰的设计要求。
2.3 外部荷载确定方式的敏感性分析
外部荷载的确定方式对盾构隧道管片设计的影响程度很高,本节以CASE1为原型,分别计算管片在水土分算和水土合算条件下的内力值,计算结果见图5~图6。
对于计算结果,从结构内力、结构变形和结构防水来考虑其对管片设计的影响。从变形上讲,无论在水土分算还是水土合算条件下,管片环的直径变形量均可保证在4mm以内,满足直径变形量≤2‰的规范要求。从结构防水角度上讲,如果采用压缩性防水带,则需要结构保持一定的轴向压缩力,而这个过程中管片轴力的变化幅度很小,完全可以满足结构防水性能要求。对结构设计影响最大的是结构内力的变化,尤其是管片上最大正负弯矩的变化会直接影响到管片配筋等关键设计环节,相对于管片截面上的轴力和剪力,弯矩是一个极为关键的设计因素。
在常规计算中,水土分算与水土合算侧压力系数取值相同,这种计算方法使得水土合算情况下管片的侧向压力明显小于水土分算。故可认为,管片弯矩的产生和大小正是由于管片上垂直和水平荷载之间的不均衡现象所造成的,如果垂直荷载和水平荷载的大小完全相同,结构不会产生弯矩(如同将隧道置于静水压力作用下),即垂直荷载和水平荷载之间的不均衡性越大,结构产生的弯矩也就越大。对于苏州这种地质条件,土体侧压力系数较小,管片内力对外部荷载确定方式的敏感性程度较一般地层更大,所以外部荷载必须综合考虑侧压力系数、上部荷载等因素进行确定。
2.4 土体侧压力系数μ的敏感性分析
土体侧压力系数的变化使得管片受力的均匀性受到影响,这种影响在外部荷载采用水土合算时更加明显。仍以CASE1作为基本的研究对象,将侧压力系数从0.4逐渐增加到0.8,管片内力在水土分算情况下的计算结果见图7~图8,在水土合算条件下计算结果见图9~图10。
由以上计算结果分析可知,在水土分算条件下,当λ从0.4变化到0. 7,管片整体受力逐渐均匀,其最大正负弯矩绝对值逐渐减小,最大正弯矩变化率为76%,最大负弯矩变化率为81%,管片弯矩在λ=0.7时出现极小值,当λ=0. 7~0. 8时,管片侧向压力大于拱顶和拱底压力,此时侧向压力成为设计中的控制因素;在水土合算情况下,管片内力对土体侧压力系数的敏感程度要明显高于水土分算,在侧压力系数变化过程中,管片内力没有出现峰值,管片内力与土体侧压力系数近似呈线性变化规律。由此可知,在常规计算取值范围内,管片内力对土体侧压力系数的敏感程度很高,在选取计算参数以及外部荷载计算方法时,必须慎重对待,建议在水土分算与水土合算情况下采用不同的侧压力系数值。
2.5 地下水埋深Hw的敏感性分析
地下水埋深Hw的变化主要对荷载系统产生两方面的影响:其一是土压力的变化,地下水位以上按照天然重度计算,地下水位以下按照浮重度计算;其二是水压力本身的变化。仍以CASE1作为基本研究对象,将地下水位埋深Hw从CASE1的2. 6m逐渐增加到与拱底平行的17.6m,分别在水土分算和水土合算条件下计算地下水埋深Hw对设计产生的影响。水土分算条件下的计算结果见图11~图12,水土合算条件下计算结果见图13、图14。
根据上述计算结果分析可知,在水土分算情况下,管片弯矩随着地下水埋深的增大而增大,地下水埋深从2.6m变化到拱顶处的11. 4m,管片最大正弯矩增大了72%;当地下水埋深从拱顶处的11. 4m变化到拱底处的17.6m,管片正弯矩仅仅增大了12%,故可知地下水位位于拱顶之上时,管片弯矩的增大幅度明显大于地下水位位于拱顶之下时;当外部荷载采用水土分算时,高水位对管片结构设计是有利的,尤其是当水位位于拱顶之上时。在水土合算情况下,当水位位于拱腰之上时,管片弯矩整体变化不大;当水位位于拱腰处时弯矩出现极小值;当水位继续下降时,管片内力随之增大。
2.6 管片厚度t的敏感性分析
管片厚度的影响可以分为三个方面:第一是外部荷载的影响,管片厚度的增加增大了管片整体刚度,降低了管片环的变形量,从而减小了外部地基抗力;第二是结构计算的影响,厚度的增加使得管片环的变形量减小和管片环的计算半径增大,从而影响弯矩的计算值;第三是结构配筋环节的影响,管片计算弯矩的变化以及厚度变化,带来保护层厚度、配筋有效截面高度的变化,使得结构的配筋发生相应的变化。在水土分算条件下分别对厚度为0.25、0.30、0.35、0.40、0.45m的管片进行内力计算,选取最大正负弯矩截面,采用非对称配筋形式对管片进行主筋配置,结果见图15~图17。
管片厚度的变化对管片弯矩的影响在10%以内,厚度的变化并不会造成管片内力的急剧变化,而在管片配筋过程中,由于管片配筋有效高度的变化及其与内力的相互作用,管片配筋量的变化在70%左右,厚度的变化对管片配筋的影响远大于其对管片内力的影响。从中可以看出,虽然管片厚度取值的离散型不大,且厚度增大并不会导致弯矩的急剧上升,但是可以为管片配筋空间、保护层厚度、防腐蚀性能、管片变形、结构耐久性等方面带来更多益处。而减小管片厚度虽然造成主筋量相应增加,但同时管片混凝土量及盾构工作半径(即盾构掘土量)也相应减小,故确定管片厚度时需要综合考虑以上各因素的影响。
2.7 管片刚度折减系数η的敏感性分析
管片刚度折减系数η与接头螺栓的材料、数量以及管片与接头的相对刚度等因素相关,目前尚无完整的理论计算方法。国外一般根据经验确定,或通过整环荷载试验来实测;国内一般难以实施整环荷载试验,大多是参考国外的经验进行设定。下面分别对η=0.5、0.6、0.7、0.8、0.9进行计算,结果见图18~图19。
刚度折减系数η值的变化所带来的影响类似于管片厚度。η值的减小会降低管片环的刚度,而使弯矩减少,但会增加管片变形,计算结果表明η值的变化对计算弯矩的影响在10%以内。
3、结论
综上所述,在苏州特殊地层条件下,管片设计参数的敏感性分析结论如下:
1)常规设计中采用的方法对管片内力计算结果有一定影响,但是各种设计方法主要取决于计算模型参数选取是否合理。基于荷载结构模型的设计方法,对管片内力影响最大的设计参数是侧土压力系数。
2)所有设计方法在参数合理的情况下都能得到较为合理的结果,在常规计算中最简单的计算方法属修正惯用法,而弹性铰接模型法的内力计算结果经济性较好,故如能通过理论计算或者相关试验方法确定与接头相关的刚度性能,宜优先采用较为接近实际的弹性铰模型法。弹性铰模型同均质圆环模型一样,同样能够获得解析解与数值解,方便工程应用。
3)管片内力对侧压力系数的敏感程度很高,在水土分算情况下,当侧压力系数λ从0. 4变化到0. 7,管片正弯矩降低了76%,负弯矩绝对值降低了81%,管片弯矩在λ=0.7时出现极小值,当λ继续增大至0. 8时,管片的侧向压力成为设计中的控制因素,整个过程中管片轴力受侧压力系数影响不大;在水土合算情况下,侧压力系数对管片内力的影响程度高于水土分算,在侧压力系数变化过程中,管片最大正、负弯矩绝对值与土体侧压力系数呈线性递减变化,而在常规设计计算中,水土分算和水土合算侧压力系数采用了相同的值,造成水土分算与水土合算情况下管片截面内力计算结果存在较大差异。故在水土分算与水土合算时,应该采用不同的侧压力系数。
4)管片内力对地下水埋深敏感性程度较高,且在水土分算与水土合算情况下敏感性程度存在一定差异,故确定以上设计参数时,需要综合考虑其他因素。
5)管片厚度的变化对管片内力的影响在10%左右,对管片主筋配置量的影响在70%左右,厚度的变化对管片配筋的影响远大于其对管片内力的影响,故管片厚度的增大并不会导致计算内力的急剧上升,但是可以为管片配筋空间、保护层厚度、防腐蚀性能、管片变形、结构耐久性等提供更多益处;而减小管片厚度虽然造成主筋配置量相应增加,但同时管片混凝土量及盾构工作半径(即盾构掘土量)也相应减小,因此确定管片厚度时需要综合考虑以上各因素的影响。
6)管片刚度折减系数η的变化对管片内力的影响在10%左右,刚度折减系数η的确定尚无简单、实用的方法,希望能够实施一些整环荷载试验,建立一套完整的计算理论或经验取值范围以供参考。
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