接缝倾斜角度对水工隧道衬砌管片受力影响研究

2022-04-16刘登新

陕西水利 2022年1期

刘登新

（长江水利水电开发集团（湖北）有限公司,湖北武汉 430010）

0 引言

目前,我国经济的快速发展伴随产生了人口剧增、城市交通拥堵等问题,地铁交通建设由此运营而生并得到了大力推广。由于地铁建设条件复杂,在开挖过程中盾构隧道的结构稳定性成了学者重要的研究课题之一。现有研究发现：Lee[1]等人结合实际工程项目,通过数值模拟方法,研究分析渗流力对水下隧道的衬砌结构稳定性的影响。胡志平[2]等人通过分析管片衬砌间、管片与土体间相互作用关系,建立模型,探究隧道开挖过程中衬砌隧道结构稳定性的变化规律。孙文昊[3]等人通过假设推导了隧道管片刚度的计算公式,考虑管片接头的构造,研究分析不同工况下各个因素对衬砌管片刚度的影响。王建宇[4]采用模型试验方法,研究分析不同围岩渗透性对隧道衬砌施工过程中外水压力的影响。陈俊生[5]等人以某地铁工程项目为依托,采用有限元数值方法建立模型,以衬砌管片为主要研究对象,研究分析不同偏心距荷载作用下衬砌隧道管片接头的刚度变化规律。张冬梅[6]等人考虑了衬砌隧道管片接头的细部特征,建立力学模型,将管片间的作用力离散为近似的弹簧作用力,研究分析衬砌管片接头刚度的变化规律。王彪[7]对上海某衬砌隧道进行原型加载试验,以整环管片作为研究对象,研究不同荷载作用下衬砌隧道管片的力学特征。

综合上述研究,本研究以实际隧道工程项目为依托,利用Abaqus有限元软件建立衬砌隧道模型,考虑衬砌管片间相互作用,研究分析不同接缝倾斜角度对水工隧道衬砌管片受力的影响。

1 工程概况

衬砌管片的接缝平面与隧道轴线存在夹角形成错缝,当接缝倾角发生变化时,衬砌管片的结构受力特性随之改变,为了进一步研究分析接缝倾角对衬砌管片的影响。因此,本研究以浙江某地引水隧道建设工程项目为依托,隧道全长40 km,采用TBM施工方法,隧道开挖后需回填豆砾石,进行衬砌管片安装作业,衬砌外围岩和其他材料参数见表1、表2。

表1 围岩材料参数

表2 衬砌材料参数

2 模型建立

本研究利用Abaqus有限元软件,建立隧道模型,CQ-1～9指的是各环衬砌管片,见图1。以CQ-1、CQ-2和CQ-3为例,其中A-F为管片,J1-J6为接缝处（如图2所示）。模型中衬砌和豆砾石采用线弹性材料,螺栓采用理想线弹性材料,围岩采用弹塑性材料,螺栓用杆单元模拟,其余材料使用八节点等参单元。考虑总推力为29.80 kN的千斤顶推力作用,在原有管片接缝倾角15°的基础上分别增加0°、9°和18°作为三个工况,全面分析接缝倾斜角度对水工隧道衬砌管片受力的影响。

图1 模型管片衬砌示意图

图2 模型CQ-1、CQ-2和CQ-3示意图

3 模拟结果分析

3.1 管片变形与应力分析

由图3衬砌管片纵应力与轴向位移云图可知,当接缝倾角为0°时,即未改变倾角时,在轴向上管片位移变化分布均匀,且各个管片间变形独立；当接缝倾角为9°时,在轴向上管片位移变化开始出现分布不均,在CQ-9环上尤为明显,究其原因是由于千斤顶推理直接作用于CQ-9环上使得管片端部变形锐角处大于钝角处；当接缝倾角为18°时,可以明显发现管片的轴向位移分布不均匀性逐渐扩大。另外,当接缝倾角为0°时,衬砌管片接头处位移在纵向和轴向上均保持一致,当管片接缝间存在倾角时,管片同时也获得了一定的变形协调能力。通过观察图3 中（a）、（c）、（e）,发现其纵轴向位移最大值分别为-2.33 mm、-2.55 mm和-2.78 mm,随着接角的增大管片位移最大值呈现出逐渐增大的趋势。结合图3（b）、（d）、（f）,可以发现当倾角为0°时,纵轴向上衬砌管片的压应力大约在-7.0 MPa～-4.9 MPa,未出现明显的应力集中现象；当倾角为9°时,应力集中现象明显发生在管片环纵向接头相交的部位,并且其压应力最值大约为-12.7 MPa,然而此时管片压应力主要分布区域与0°倾角的差异较小,其值约为-7.7 MPa～-4.6 MPa；当倾角为18°时,应力集中现象愈发明显,其压应力最值也随之增大并达到-18.8 MPa,压应力主要分布区域也处于-9.4 MPa～-4.6 MPa。因此,衬砌管片接缝倾角的增大会造成接头受力不均,不利于整体结构稳定性。

图3 衬砌管片纵应力与轴向位移云图

通过观察表3 可知,衬砌管片的径向变形随着接缝倾角的增大,径向向外变形和向内变形最值逐渐增大,分别出现在底部管片和顶部管片的中央。结合衬砌管片主应力最值表,如表4 所示,可以发现,衬砌管片接缝倾角的增大会导致其主应力最值增大,并且使应力峰值出现位置发生改变,由环间接缝处逐渐向环纵向接头相交处转移；当倾角为18°时,管片第一主应力最值达到3.94 MPa,远远超过混凝土的抗拉强度（1.89 MPa）,发生局部拉裂破坏的可能性较大。

表3 衬砌管片径向位移及位置

表4 衬砌管片径向位移及位置

3.2 环间推力的传递规律

通过观察环间接缝纵向力传递曲线图,可以发现管片环间接缝面纵向力随着与千斤顶距离的缩短而逐渐增大,而随着接缝倾角的增大,纵向力的衰减逐渐加快,其中当接缝倾角为0°时纵向力减小最慢,接缝倾角为18°时纵向力减小最快。结合管片变形与应力的变化规律,可知接缝倾角的增大会导致管片衬砌向外变形,直接增加管片与豆砾石的摩擦力,进而导致环间纵向力下降较快。

图4 环间接缝纵向力传递曲线图

3.3 接缝合力变化规律

衬砌隧道掘进过程中,对于豆砾石已回填部分,随着倾角的增大接缝面法向合力逐渐增大,以J4、J5、J6为例,当接缝倾角为0°时,其法向合力达到0.2 MN～0.3 MN；当接缝倾角为9°时,其法向合力达到0.25 MN～0.35 MN；当接缝倾角为18°时,其法向合力达到0.35 MN～0.45 MN。而对于未完成回填豆砾石作业的衬砌管片,接缝面法向合力变化规律同上,但其法向合力数值相对较小。对比同一环上各个法向合力,可以发现管片底部接缝法向合力最大,腰部次之,顶部接缝最小,见图5～图7。

图5 环间接缝纵向力传递曲线图

图7 环间接缝纵向力传递曲线图

图6 环间接缝纵向力传递曲线图

由图5～图7 中（b）也可以发现,尚未进行回填豆砾石的衬砌管片,对应的接缝切向合力浮动略大,而完成回填豆砾石作业的管片其接缝面切向合力与接缝倾角呈正相关关系,当接缝倾角增大时对应的接缝面切向合力逐渐增大,且随着与千斤顶距离的增大而减小。当接缝倾角为0°时,管片的底部接缝面切向合力最小,而管片顶部和腰部接缝处的切向合力相对较大；当接缝倾角为9°和18°时,管片腰部接缝切向合力最小,而管片顶部和底部接缝处的切向合力相对较大。