地道桥钢盾构内力计算方法及优化设计研究

黄勇军, 巢万里

(1.湖南建工交通建设有限公司, 湖南 长沙 410005; 2.湖南省交通科学研究院, 湖南 长沙 410015)

地道桥钢盾构内力计算方法及优化设计研究

黄勇军1, 巢万里2

(1.湖南建工交通建设有限公司, 湖南 长沙 410005; 2.湖南省交通科学研究院, 湖南 长沙 410015)

为了合理计算地道桥钢盾构内力，在分析现有钢盾构结构内力计算方法的不足基础上，提出一种考虑核心土作用的弹性地基梁计算模式，结合钢盾构法施工实际工程，利用ANSYS有限元软件模拟盾构不同部位的受力特性，将计算结果与现场监测结果对比验证计算方法的合理性，并提出相应的盾构设计优化建议。研究结果表明：核心土高度变化对盾构内力影响较大，不考虑核心土作用会导致计算结果偏大；而本文推荐的弹性地基梁计算模式能更好地反映盾构的实际受力情况；横梁、中柱以及盾构前部边柱安全储备偏高，而盾构尾部门架边柱安全储备偏低；横梁和中柱材料适当降低工字钢的型号，边柱的工字钢放置方式旋转90°，可以节省大量钢材，提高盾构施工的安全性。

地道桥； 钢盾构； 数值分析； 核心土； 内力计算； 弹性地基梁

0 前言

桥式盾构是近些年才逐渐发展起来的一种新兴的下穿高速公路的施工工艺，主要由钢结构组成的钢框架结构，目前被广泛应用于道路、铁路立交工程中[1,2]。然而在对桥式盾构的设计上还没有形成一整套完整的设计技术，目前对于盾构设计一般采用经验的方法，结合相似工程资料，利用简单的计算得到施工图，其设计结果往往偏于保守，易造成钢材大量浪费。钢材作为钢盾构的主要材料，合理的设计方法对于钢材的合理充分利用是至关重要的，正确掌握钢盾构的受力情况对于指导钢盾构设计具有重要意义。钢盾构在顶进过程中为保证开挖面的路基稳定，盾构内土体往往根据土质情况沿着盾构纵向按照一定坡度的斜坡进行开挖(如图1)，随着核心土高度的减小，盾构内核心土对边柱的抵抗作用逐渐减小，最后会导致边跨格构柱水平变位偏大，侧盾壳发生明显的弯曲现象，更有甚者，地道桥在顶推过程中因埋深大，土质松散等土压力较大的情况下，边跨墩柱发生失稳破坏。地道桥钢盾构在顶推过程中安全性主要取决于边柱构件安全性，因此采用一种合理的边柱计算模式对于盾构设计参数的准确选取及设计优化至关重要。

图1 钢盾构顶进示意图

目前关于地道桥施工过程结构内力计算研究主要集中在地道桥本身结构内力计算[3-8]，而钢盾构顶进施工作为地道桥施工中的一个重要的施工环节，对于钢盾构施工过程钢架的内力计算研究较少，现有钢盾构结构内力计算方法主要为文献[9，10]提出的边跨简支梁的计算模式，其计算模式虽然受力简单，但该模式未考虑盾构内核心土的土层反力对盾构边柱的影响，得到结果与工程的实际情况相差较大。本文在分析比较现有钢盾构结构内力计算方法的不足基础上，提出一种考虑盾构内核心土作用的钢盾构结构内力计算模式，基于钢盾构法施工实际工程，利用ANSYS有限元软件研究核心土高度变化对盾构开挖过程内力的影响，得到盾构开挖过程中盾构内力变化规律并与现场监测结果对比验证计算方法的合理性，并提出相应的盾构设计优化建议。

1 地道桥钢盾构内力计算方法

工程实践表明，桥式盾构容易出现问题的地方往往是在边跨的格构柱，主要表现为边跨格构柱水平变位偏大，侧盾壳发生明显的弯曲现象，更有甚者，地道桥在顶推过程中因埋深大，土质松散等土压力较大的情况下，边跨墩柱发生失稳破坏。如果边跨柱发生失稳破坏，势必会影响整个盾构的安全稳定性，导致盾构在顶进过程中发生失稳破坏，因此采用合理的边跨柱计算模式对于盾构设计及施工至关重要，比较经典的桥式盾构边柱计算模式为文献[9，10]提出的边跨简支梁计算模式(如图2)，该模式对边柱和中柱底部进行了水平位移和竖向位移的约束，顶部横梁与柱间进行钢接，盾构顶部承受上覆土层及路面结构重力、车辆荷载，两侧边柱承受侧土压力，这种计算模式虽然受力简单，但该模式未考虑盾构内核心土的土层反力对盾构边柱的影响，实际盾构在顶进过程中为保证开挖面的路基稳定，盾构内土体往往根据土质情况沿着盾构纵向按照一定坡度的斜坡进行开挖，核心土能够对边柱水平位移进行有效的约束，该计算模式计算结果不能反映盾构内力随核心土开挖过程的动态变化以及沿盾构纵向的各榀钢架内力与核心土高度的关系，计算结果与实际情况相差较大，导致设计结果往往过于保守，大量浪费钢材。

图2 边跨简支梁计算模式

为了充分地考虑核心土对盾构顶进过程的影响，基于弹性地基梁理论[11,12]，把核心土与盾构边柱的相互作用通过土弹簧来模拟，弹簧沿着竖向的不同高度来模拟盾构在纵向上的每排钢架核心土高度，以模拟盾构在顶进过程中核心土高度变化对盾构钢架内力的影响，因此可见盾构受力简化为弹性地基梁计算模式(如图3)，该模式虽然力学边界形式比边跨简支梁计算模式复杂，一般很难通过普通的手动计算得到结果，但可以通过ANSYS等有限元计算很容易得到精确结果，且计算结果更能反映盾构的实际受力情况。

图3 弹性地基梁计算模式

2 工程概况

新东路地道桥，属于欧洲工业园新东路下穿京港澳高速相交工程，道路中线与于京港澳高速K1540+337.7处相交。新东路下穿京港澳高速公路部分为钢筋混凝土地道桥，采用框架盾构法施工，盾构上部覆土厚度2.0 m，主要分为2层，顶层为路面结构层，厚度为0.8 m，重度24 kN/m3；路基填土主要为粉质粘土，厚度1.2 m，重度19 kN/m3；车辆荷载：公路 — Ⅰ级。盾构全宽15 m，主梁分为为3跨，全高8.1 m，中柱及边柱宽1.06 m，主梁高1.336 m，盾构全长7.81 m，主梁及立柱I28b工字钢，为保证开挖面的路基稳定，盾构内土体根据土质情况沿着盾构纵向按照坡度1∶0.75的斜坡进行开挖。

3 计算分析

3.1 计算结果分析

采用ANSYS根据工程实际情况建模计算，分别提取弹性地基梁计算模式下和边跨简支梁计算模式下的计算结果如图4～图6。

由上计算结果可知：

a)1 m核心土 b) 3 m核心土

c)5 m核心土 d) 7 m核心土

图5 简支梁计算模式下盾构弯矩

图6 不同核心土高度下盾构最大弯矩值

1) 在盾构开挖过程中，核心土高度的变化对盾构结构弯矩影响较大，盾构纵向核心土高度不断减小，横梁最大弯矩和边柱最大弯矩不断增大，边柱形成的正弯矩增大比较明显，当核心土高度为5 m到7 m时，边柱和横梁承受较小的弯矩，说明盾构前部钢架由于核心土高度较大对盾构前部边柱具有较大抵抗力，有效地减小了边柱的水平侧移。此时盾构最大弯矩发生在边柱与横梁结合部位，该部位为受力最不利位置，应加强现场监测。当核心土高度为1 m时，边柱弯矩和横梁弯矩最大值出现骤增，边柱出现正弯矩和负弯矩达到最大，且最大弯矩出现在边柱与横梁结合部位，此时边柱受力最为不利，可见盾构尾端钢架核心土高度较小，盾构边柱和横梁承受弯矩比盾构前端要明显大，盾构尾端安全性比前端安全性要明显低。

2 )由图5及图6可知(其中D字母表示弹性地基梁模式，J字母表示简支梁模式，图中弯矩为取绝对值)，针对简支梁计算模型，由该模型计算结果可知，最大弯矩出现在边柱与横梁结合部位，边柱最大弯矩为244 kN·m，横梁为189 kN·m，而弹性地基梁计算模式得到的边柱最大弯矩为198 kN·m，横梁为111 kN·m，分别为简支梁计算模型得到弯矩的0.75倍和0.56倍，说明未考虑盾构柱间核心土情况下计算得到的弯矩比考虑核心土作用得到的弯矩值要大得多。提取采用2种计算模式下得到的计算结果最大应力取绝对值绘制曲线如图7所示。

图7 不同核心土高度下盾构应力值

由图7可以看出：

1) 弹性地基梁计算模式下，边柱和横梁最大应力值随核心土高度减小而增大比较明显，边柱尤甚。当核心土高度由3 m减小到1 m时，边柱和横梁应力出现明显增大，横梁应力最终增大到100.2 MPa，边柱应力最终增加到191.5 MPa，但都小于215 MPa[11],说明未超过Q235钢材的弯曲应力,且安全系数分别为横梁2.2，边柱1.34，都大于1，说明横梁具有较大的安全储备，边柱安全储备偏低。

2) 当核心土高度大于3 m时，无论是弹性地基梁或者简支梁计算模式下，横梁及边柱安全系数都大于2，具有较大的安全储备，中柱最大应力为31.5MPa，远小于Q235钢材的弯曲应力，且具有很大的安全储备，说明横梁、中柱以及盾构前部边柱安全储备高，而盾构尾部钢架边柱安全储备低。

3) 简支梁模式下，因未考虑核心土的有利作用，计算得到的边柱应力为213.5 MPa，横梁应力为162 MPa，约为考虑核心土作用时对应横梁应力的1.62倍，边柱应力的1.26倍，计算的应力值明显偏大。可见，采用无核心土的简支梁计算模式得到结果过于保守，不符合盾构实际受力情况，不利于钢材的合理利用。

3.2 现场监测与计算结果对比分析

基于数值计算结果编制盾构内力监测方案，现场监测选取最不利的盾尾门架作为重点监护对象，其中边柱典型位置取4个监测点，横梁典型位置取7个点，具体监测点布置如图8。

图8 现场监测点布置

提取现场边柱和横梁各监测点最大应力取绝对值结果如图9。由图9可以看出，考虑核心土计算方法得到的应力结果比现场监测略大，对于横梁误差最大出现在5号和9号监测点即横梁左右靠边两跨中点位置，最大误差为12.5%，边柱应力误差最大出现在2号和4号监测点即边柱与横梁结合位置，最大误差为10.3%，说明数值计算与现场监测应力值相差较小，数值计算结果能够反映盾构的实际受力情况，对盾构开挖过程中应力进行合理预测，可作为盾构机构设计参数选取合理的依据。

图9 现场监测与数值计算结果对比

3.3 盾构设计优化新思考

由上文数值计算结果和现场监测分析可知，采用I28b工字钢作为盾构主要材料虽然能够保证盾构安全性，但是盾构整体表现为横梁、中柱以及盾构前端边柱安全储备偏高，盾构尾部钢架边柱安全储备偏低，说明横梁、中柱设计参数有较大优化空间，因此在强度满足要求的前提下可以采用低型号的工字钢作为主要材料，由于中柱及主梁受力情况差异较大，设计时应根据对应杆件的受力情况，结合《钢结构设计规范》[13]进行强度及稳定性验算选取相应的工字钢型号。

盾构尾部钢架边柱安全储备偏低，主要是由于目前盾构边柱采用双榀四肢格构柱，其截面如图10a所示，盾构横向(x—x方向)的截面抗弯能力比顶进方向(y—y方向)要小得多，导致盾构尾部钢架边柱安全储备低，在侧面土压力作用下盾构易发生较大水平位移，因此为了改善盾构边柱的安全性能，有必要对目前工字钢的放置方式进行改进，本文将工字钢放置方式旋转90°，使工字钢高度方向沿着盾构横向(x—x方向)，盾构横向(x—x方向)的截面抗弯能力大大提升,优化后截面如图10b所示。通过计算得到边柱优化前后最大应力值如图11所示。

图10 四肢格构柱截面

图11 边柱优化前后应力对比

通过对比分析同等受外力情况下边柱优化前后应力结果可知，优化后边柱最大应力相比优化前大大减小，且远小于Q235钢材抗弯强度值，边柱在盾构开挖过程中安全储备相比优化前有了很大提高。因此在保证强度要求的前提下，可以适当地降低工字钢型号，同时为了不影响边柱内土体的开挖，可以适当地增加柱子的横向宽度，这样不仅能有效地提高盾构边柱的安全储备，还可以通过适当地降低工字钢型号减小材料的浪费。

4 结论

1) 核心土高度变化对盾构内力影响较大，盾构受力最不利位置为边柱与横梁结合部位，不考虑核心土作用会导致计算结果偏大，设计偏保守，不利于钢材的充分利用。

2) 考虑核心土弹性地基梁计算模式计算方法得到的应力结果比现场监测略大，但两者差值在允许范围内，其结果能够反映盾构的实际受力情况，可作为钢盾构设计参数选取合理的依据。

3) 横梁、中柱以及盾前部边柱安全储备偏高，而盾构尾部钢架边柱安全储备偏低；横梁和中柱材料适当降低工字钢的型号，边柱的工字钢放置方式旋转90°，可以节省大量钢材，提高盾构施工的安全性。

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2017-01-11

湖南省科技厅课题(2014SK4072)，湖南省交通厅课题(201432)

黄勇军(1975-)，男，高级工程师，主要从事公路桥梁的施工及管理工作。

1008-844X(2017)02-0256-05

U 451

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