双护盾TBM管片三维有限元计算分析

2023-08-31郝雪航孙向东

水科学与工程技术 2023年4期

郝雪航，李康，孙向东

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

随着近年引调水工程建设的不断增多，长距离输水隧洞成为引调水工程的一种重要输水型式。通过采用TBM 管片衬砌技术，可明显提高输水隧洞工程的施工效率和质量。目前六边形管片衬砌技术在国内很多隧洞工程施工中已被应用，如引大入秦工程、万家寨引黄工程等，而在国外项目中却相对较少，因此研究六边形管片在国外项目中的应用具有重要意义。

1 工程概况

国外某项目是以输调水为任务的工程，其中3号隧洞根据施工工艺的不同，分为6380 m 长新奥法施工段和20199 m 长TBM 段，其中TBM 段管片衬砌结构采用预制钢筋混凝土六边形管片，混凝土采用C40/50 纤维混凝土，管片外径为7.3 m，内径6.8 m，管片厚0.25 m，环宽1.6 m。管片断面图如图1。

图1 TBM 管片体型

2 地质条件

隧洞所处的山体总体上呈现NW～SE 向展布，总体地势上北低南高，地面高程范围为150～200m。沿线浅沟谷发育，切割的深度一般在20～50 m。隧洞桩号35840 至54280 穿过段的地形起伏变化较小，隧洞埋深多小于50 m，跨沟浅埋段小于20 m。

隧洞穿过段构造不发育，主要以裂隙为主，隧洞穿过区以变质岩为主，岩性主要包括钙质片麻岩、花岗片麻、大理岩、孔兹岩等。典型计算断面选择埋深较大、地下水位低、穿越段地层变形模量低的位置，计算采用的岩体参数如表1。

表1 各类围岩参数

3 分析过程

ANSYS 支持3 种接触方式：点—点接触、点—面接触和面—面接触，每种接触方式使用不同的接触单元，应用于各自适应的问题。本计算对管片衬砌采用三维有限元模型模拟，各管片纵缝之间的相互接触关系应用面—面接触模型模拟。ANSYS 中面—面接触模型常采用Conta173 单元及Targe170 单元。

一般可用一个弹簧施加接触协调条件，称为罚函数法。弹簧刚度或接触刚度称为罚参数。该弹簧的变形量Δ 满足方程：F=KΔ。其中，接触刚度K 越大,接触表面的侵入越少。在迭代开始，接触协调条件基于罚参数决定，一旦达到平衡，就检查许可侵入量，如果超过许可侵入量，则改变接触刚度值继续进行迭代。本研究中即采用此方法施加管片环间接触协调条件。

3.1 计算模型

计算模型中管片、围岩、砂砾石用实体单元模拟；管片环向及纵向设置接触单元，管片与豆砾石灌浆间设置接触单元，接触单元只能受压不能受拉。三维整体有限元计算模型单元如图2，管片、灌浆及围岩内壁细部单元如图3。

图2 三维整体有限元模型

图3 模型细部图示

图4 施工工况管片最大压应力云图

图5 完建工况管片最大剪应力云图

3.2 计算工况

根据欧洲规范，确定工况荷载组合及荷载系数如表2。

表2 各工况荷载组合及荷载系数

4 结果分析

经计算得出，Ⅱ类围岩，施工期是应力控制工况，环向应力-7.14～0.15 MPa；对于Ⅲ类围岩，施工期是应力控制工况，环向应力-8.17～0.21 MPa。对于IV类围岩，考虑所在岩层的围岩压力的侧压力系数分别取0.5 和1.0 进行初始地应力计算，侧压力系数0.5完建工况为应力控制工况，环向应力-10.3～0.84 MPa。侧压力系数1.0 施工期工况为应力控制工况，环向应力-12.4～0.43 MPa。III 类围岩有限元计算应力结果如表3。