盾构管片接头力学行为的有限元分析

盾构隧道衬砌接头刚度有限元分析

吴兰婷;兰宇;曾东洋

【摘要】接头刚度是装配式衬砌结构设计的一个重要参数,通过有限元分析软件ANSYS建立了管片接头的平面和空间有限元模型,应用所建立的模型对影响接头刚度的主要因素即管片与管片之间垫层材料的性能和厚度、连接螺栓预紧力的大小及管片接头不同的受力状态进行了系统的分析,为盾构隧道管片设计提供了参考.

【期刊名称】《山西建筑》

【年(卷),期】2013(000)010

【总页数】3页(P181-183)

【关键词】接头刚度;盾构隧道;有限元分析

【作者】吴兰婷;兰宇;曾东洋

【作者单位】中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安710054

【正文语种】中文

【中图分类】U455.43

1 概述

盾构隧道技术是现代地下工程中广为采用的一种技术，由于其衬砌结构的特殊性和结构受力的复杂性，使得管片设计有很大难度。隧道衬砌是一种预制的管片构件拼装结构，环向与纵向管片仅用螺栓连接，其结构形态具有典型非线性特征。接头是装配式管片衬砌的薄弱环节，它很大程度上控制着衬砌结构整体的变形和承载力，因此接头的强度计算是整个结构计算中的重点内容。表示管片接头处变形和受力的特征参数是接头刚度，它定义为接头产生单位转角所需的弯矩。这一特征参数的特性对于衬砌隧道的受力状态和变形具有非常大的影响，因此管片的接头刚度是设计中一个十分重要的参数。影响接头刚度的因素很多，主要有:接头的构造、连接螺栓的布置、管片与管片之间垫层材料的性能和厚度、连接螺栓的预紧力的大小与接头不同的受力状态等。

本文作者通过大型有限元计算软件，对影响接头刚度的因素进行了分析研究，并对这些影响因素提出了见解。

2 有限元分析模型的建立

2.1 接头力学模型

接头刚度主要包括接头轴向刚度系数Kn、接头剪切刚度系数Kv和接头弯曲刚度系数Kθ。轴向刚度Kn基本上与整体式衬砌没有太大的区别，切向刚度Kv主要是由螺栓的抗剪模量以及接缝处的摩擦来提供，对装配式结构的内力影响不是很大，故在此不予考虑。接头力学模型如图1所示，混凝土管片在弯矩M、面均布力P共同作用下，接头抗弯刚度Kθ的定义如下:

弯矩作用下盾构管片环向接头的力学模型

杨成;赖远明;王旭;马勤国;杨志团

【摘要】以兰州地铁1号线为工程背景,通过模型假设,对盾构管片环向受力进行分析,提出接头刚度的定义.通过管片各个阶段的受力特征,建立接头的力学解析模型,推导得到不同受力特征下管片环向接头的力学表达式;然后对管片接头用ANSYS建立有限元模型,在管片轴力与弯矩分别为(0 kN,±50 kN·m)、(200 kN,±100kN·m)、(400 N,±150 kN·m)、(800 kN,±200 kN·m)、(1 000 kN,±250 kN·m)的情况下,得到弯矩与接头转角的关系,在接头轴力一定的情况下,管片接头转角随弯矩的增大而逐渐增大,但是M-θ曲线的切线斜率随着弯矩的增大而逐渐减小,在轴力超过600 kN时趋于稳定,M-θ曲线斜率为一定值,计算可以简化为直线,相同的计算条件下,解析解与有限元结果呈现相同的变化规律,在实际应用中可以用解析解进行计算得到接头刚度,进而进行管片的接头受力计算.

【期刊名称】《铁道学报》

【年(卷),期】2019(041)003

【总页数】6页(P141-146)

【关键词】弯矩;盾构管片;环向接头;解析解

【作者】杨成;赖远明;王旭;马勤国;杨志团

【作者单位】兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州 730070;兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州 730070;中国科学院西北生态环境资源研究院,甘肃兰州 730000;兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州 730070;华南理工大学土木与交通学院,广东广州 510641;兰州市轨道交通有限公司,甘肃兰州730015 【正文语种】中文

【中图分类】TU924;U25

随着现代城市的发展，城市轨道交通成为现今最流行的出行方式之一，在不影响地面交通的情况下，盾构隧道成为现在建设者在轨道交通建设中的首选。盾构施工中所遇到的工程问题成为研究者的热点，国内外学者对盾构管片的力学模型研究提出了很多新的方法和思路，其中吴全立等[1]对管片接头的非线性刚度进行研究，得到接头的非线性转动与有效高度密切相关；夏才初等[2]运用不动点迭代进行多次计算得到合理的管片纵向接头弯矩刚度值；陈俊生等[3]以广州地铁为背景用ADINA有限元软件，得到正负两方向及不同偏心距荷载下管片接头的抗弯刚度；周海鹰等[4]通过对管片的力学性能理论研究，建立了管片的结构计算模型，确定了一种管片弯曲刚度的简化计算方法；曾东洋等[5]通过引入面面接触单元与衬垫单元通过有限元定量化计算，得到了盾构管片接头的影响因素；朱伟等[6]通过对管片受力分析，得到管片接头的弯曲刚度与接头内力的非线性关系，建立了管片接头弯曲的双直线模型，使管片的内力计算更加合理。

地铁盾构管片结构受力设计要点分析

近年来，随着城市化进程的加快，我国开始了大规模的城市地铁隧道建設，盾构法是一种在地面下暗挖隧道的施工方法，由于其施工速度快，适应性强，且不会对周边的其他基础设施造成影响，在城市地铁隧道建设中的应用越来越广泛。盾构隧道施工技术最显著的特点是只需采用盾构管片就能实现任何线形对到的施工，另外，盾构管片作为隧道的外层屏障，直接承担着抵抗土层、地下水压力和其他特殊荷载的重任，所以盾构管片结构是否合理、质量是否优良与地铁隧道的整体安全有着密切关系。

一、软土层地区地铁盾构管片结构的受力分析

修正惯用计算法是一种比较适用于地铁盾构管片结构计算的方法，该法考虑了接头效应、螺栓孔的存在和拼装方式，并引入了抗弯刚度有效率η（η≤1，通常取值为0.6-0.8），计算时取圆环抗弯刚度为η×EI，一般以接头刚度的降低来代表圆环抗弯刚度的下降。修正惯用计算法荷载包括竖直方向的荷载（垂直水压力、上覆土压荷载等）和水平方向的荷载（水平土压力、水平水压力以及均变三角形荷载等）。在地铁盾构管片结构设计中，一般通过修正惯用计算法计算出的内力进行配筋设计，该法模型图1。

（注：PP表示地基水平抗力，PJ表示注浆压力）

图1 修正惯用计算法模型

接头处内力和管片内力计算公式：

Nf=N （1）

Ng=N （2）

式中， ——弯矩调整系数，取0.3-0.5；M、N——分配前的均质圆环计算弯矩和轴力；Mf、Nf——分配后接头弯矩和轴力；Mg、Ng——分配后管片本体弯矩和轴力。

地铁盾构管片计算荷载包括永久荷载、可变荷载、偶然荷载和组合荷载，其中管片结构自重、土压力和水压力、侧向地层压力以及地基垂直抗力等属于永久荷载，地面超载和灌浆压力则属于可变荷载，一般按照20kPa、0.1MPa均布荷载计算地面超载和灌浆压力。偶然荷载指的是地震力和人防荷载，一般按6度设防计算地震力，按六级人防计算人防荷载，但实践表明，地震力、人防荷载和注浆压力不起控制作用，采用修正惯用计算法对软土层地区地铁盾构管片结构内力进行分析时不考虑偶然荷载。正常使用极限状态组合为永久荷载、可变荷载标准值之和，承载能力极限状态组合为1.35倍永久荷载标准值、1.4倍可变荷载标准值之和。

盾构隧道混凝土管片受力分析

第３８卷第２４期　２　０　１　２年８月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖ０１．３８　Ｎｏ．２４　Ａｕｇ．　２０１２　・１８９・　

文章编号：１００９－６８２５（２０１２）２４—０１８９－０２　

盾构隧道混凝土管片受力分析　

李建平　

（腾达建设集团股份有限公司，浙江台州３１８０５０）　

摘要：以杭州地铁一号线下沙开发区某区间隧道工程成环管片为研究对象，利用ＡＮＳＹＳ软件建立成环管片数值模型，分析了管　

片在土中的受力情况，同时结合在本工程实际施工中管片出现的一些情况，得到较可靠的结论。　

关键词：盾构，地铁隧道，管片，ＡＮＳＹＳ　

中图分类号：Ｕ４４５．４２　文献标识码：Ａ　

０　引言　

盾构隧道衬砌管片进行数值分析的关键问题在于结构模型　

本身是否能反映管片的实际受力状态。目前隧道衬砌管片横向　

理论解析分析方法主要有四种：惯用法、修正惯用法、多铰环法以　

及梁一弹簧模型　。本文通过ＡＮＳＹＳ有限元分析软件采用梁一　

弹簧模型形象的反映管片受到土体力后的变形及弯曲、剪力和轴　

力分布情况，了解管片在地层中的受力情况，可以帮助我们提高　

管片的拼装质量以及分析隧道成环质量问题病因。　

１　建立管片有限元模型　

本工程地铁隧道内径为５．５　ｍ，外径为６．２　ｍ，把一环成型管　

片按照梁来考虑，故建立模型直径为（５．５＋６．２）／２＝５．８５　ｍ，在　

成型管片的６条接缝处设置弹簧单元来模拟衬砌与地层相互作　

用。衬砌混凝土的弹性模量Ｅ＝３４．５ｅ９　Ｐａ，泊松比取０．２。建立　

模型见图１。　作用在衬砌圆环上的力采用等效节点力替换　Ｊ。节点力的　

计算采用Ｅｘｃｅｌ电子表格进行计算。计算结果见表１。　

计算得出衬砌圆环的变形图、弯矩图、轴力图和剪力图，如图　

２～图５所示。由位移变形图可以看出，衬砌圆环在地下呈压扁　

形状，故成型隧道多为“横鸭蛋”。如果要想得到较好的整圆度，　

在拼装时进行有意识的控制为“竖鸭蛋”，即竖直直径略大于设计　直径，水平直径略小于设计直径。从弯矩图看出，成环隧道下面　

大断面宽幅盾构管片三维内力分布分析

第30卷第7期岩土力学 Vol.30 No.7 2009年7月 Rock and Soil Mechanics Jul. 2009

收稿日期：2007-12-12 基金项目：863国家高技术研究发展计划项目（No. 2006AA11Z116）；武汉长江隧道工程专项科研项目（No. WHCJSD/KY/01-01-2005）资助。第一作者简介：张建刚，男，1974年生，博士研究生，讲师，主要从事盾构隧道设计理论与方法方面的教学和研究工作。E-mail: zjg@

文章编号：1000－7598 (2009) 07－2058－05 大断面宽幅盾构管片三维内力分布分析

张建刚1, 2，何川1，杨征1

（1.西南交通大学土木工程学院，成都 610031；2.山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安 271018）摘要：以武汉长江隧道工程为例，采用三维壳-弹簧计算模型，对不同幅宽和不同环间接头剪切刚度的管片衬砌结构力学分布进行了分析，并与梁-弹簧模型结果在量值上做了全面比较。研究表明，全环最大弯矩发生在幅宽边缘部位；环间接头剪力对幅宽边缘影响较大，而对幅宽中央影响偏小；当环间接头剪切刚度为非无穷大时，壳模型的幅宽边缘最大弯矩值略微大于梁弹簧模型相应结果，而当无穷大时两者数值则基本相等；壳模型的幅宽中央的最大弯矩值介于梁模型错缝与通缝拼装的数值之间，并随幅宽加大而趋于接近通缝拼装的结果；大幅宽条件下，不宜将梁-弹簧模型的环间最大剪力结果作为环间接头抗剪设计的计算依据。关键词：盾构隧道；管片结构；壳-弹簧模型；管片幅宽；环间接头中图分类号：U 451+.4 文献标识码：A Analysis of 3D internal forces distribution of wide segment lining

for large-section shield tunnel

非均匀注浆盾构隧道管片纵缝错台量三维有限元分析

第３３卷第７期　２０１３年７月　避莲　设　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｖ　０１．３３　Ｎｏ．７　Ｊｕｌｙ　２０１３　

非均匀注浆盾构隧道管片纵缝错台量三维有限元分析　

许倩倩　一，王媛　２　

（１．河海大学岩土力学与堤防工程教育部重点实验室，江苏南京２１００９８；　

２．河海大学土木与交通学院隧道与城市轨道工程研究所，江苏南京２１００９８）　

摘要：注浆压力是造成管片纵缝错台的主要原因之一，通过ＡＢＡＱＵＳ软件建立三维有限元模型对该因素导致管片的纵缝错台量进　

行计算。模型考虑了土层、注浆层、管片、螺栓之间的互相作用，同时结合实际工程考虑浆液因扩散对管片造成的压力，对管片布置　浆液压力荷载。分别计算了４孑Ｌ对称注浆，注浆压力在０～０．５　ＭＰａ范围变化时均匀注浆、非均匀注浆工况下管片纵缝错台量。结　

果表明：非均匀注浆对封顶块和邻接块问错台量影响较大，且注浆压力不均匀程度越大该接缝错台量越大，最大错台量达到１－３５　ｍ：对隧道拱腰处接缝错台影响较小，均为０．１　ｍｍ左右。拱底管片接缝错台受下部注浆孑Ｌ注浆作用影响较大，下部注浆孔无注浆　

时错台量最大值达到０．７５　ｍｍ。相对于前人研究多重凼素下的管片极限错台量１０　ｍｒｎ，非均匀注浆因素造成的管片纵缝错台不容　

忽视。　关键词：盾构隧道；管片；纵缝错台；均匀注浆；非均匀注浆；三维有限元分析　

ＤＯＩ：１０．３９７３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—７４１Ｘ．２０１３．０７．００７　中图分类号：Ｕ　４５９　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７２—７４１Ｘ（２０１３）０７—０５６７—０６　

３　Ｄ　ＦＥＭ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｅｇｍｅｎｔｓ　ｏｆ　

Ｓｈｉｅｌｄ．ｂｏｒｅｄ　Ｔｕｎｎｅｌｓ　ｕｎｄｅｒ　Ｎｏｎ—ｕｎｉｆｏｒｍ　Ｇｒｏｕｔｉｎｇ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　

ｘｕ　Ｑｉａｎｑｉａｎ　，ＷＡＮＧ　Ｙｕａｎ　，　

超大盾构隧道施工期管片受力特征分析

崔庆龙;张晟斌;许啸鹏;刘继国;李金;李铮

【期刊名称】《施工技术（中英文）》

【年(卷),期】2024(53)3

【摘要】为探明超大直径盾构隧道施工期管片力学行为,依托武汉某超大直径隧道工程,建立超大直径盾构隧道施工期受力有限元模型,考虑千斤顶推力与浆液时效性的影响,对盾构隧道掘进过程中不同工况下管片变形受力机制进行模拟。研究结果表明,千斤顶推力与浆液时效性对管片变形的影响范围主要集中于L1与L2段,大致为3~13环,而对管片受力的影响主要集中于L0与L1段,大致为1~8环;随着千斤顶推力的增大或浆液凝固时间的减小,管片上浮变形、水平与竖向收敛、错台变形、接缝张开均呈减小的趋势;管片最大压应力随着千斤顶推力的增大或浆液凝固时间的增加而增大;千斤顶作用环处应力集中明显,且千斤顶推力越大,该现象越明显。

【总页数】8页(P21-27)

【作者】崔庆龙;张晟斌;许啸鹏;刘继国;李金;李铮

【作者单位】中交第二公路勘察设计研究院有限公司;中交集团隧道与地下空间工程技术研发中心;湖南大学土木工程学院;中国路桥工程有限责任公司

【正文语种】中文

【中图分类】U455

【相关文献】 1.河底地铁盾构隧道管片受力特征分析2.考虑不同管片拼装方式的超大直径盾构隧道衬砌受力变形分析3.考虑不同管片拼装方式的超大直径盾构隧道衬砌受力变形分析4.城际铁路大直径盾构隧道管片开洞结构受力变形特征分析及结构设计5.施工期同步注浆影响下盾构隧道管片纵向上浮特征分析与应用

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盾构管片设计及受力分析研究

摘要

盾构法是常用于软土地层中修建隧道的方法，而盾构管片在盾构法施工中作为盾构法隧道衬砌的组成部分，其大小尺寸以及结构形式与特点，都关系到盾构隧道的使用。本文就管片设计中的一些主要的影响因素进行了相关的分析。有限差分法作为盾构隧道的变形及其衬砌内力的计算方法，被广泛的应用于模拟隧道的开挖。本文以合肥地铁1号线南宁站到贵阳站路段的工程实例为背景，运用有限差分程序flac3d，对盾构法施工的推进过程进行了三维仿真模拟，得到了周围土体的变形沉降以及衬砌管片的受力情况，并对建筑物的安全稳定性进行了评估，得出了一些有益的结论。关键词：盾构施工；管片设计；荷载；数值模拟

ABSTRACT

Shield method is often used in the construction of a tunnel in soft soil layer, and the shield in the construction of shield segment lining as part of the law of shield tunnel lining, its size and the characteristic of structural form, are related to the use of shield tunnel.In this paper, the major factors of the segment design have been analyzed..

Finite difference method for shield tunnel deformation and internal force calculation method, is widely applied in the simulation of tunnel excavation.In hefei nanning station of metro line 1 to guiyang Station Road engineering examples as the background, using the finite difference program flac3d, advancing the process of shield for construction and 3 d simulation, the deformation of the surrounding settlements and force of the lining segment, and to evaluate the safety stability of the building, some useful conclusions are drawn.

盾构法隧道施工阶段管片的力学分析

第29卷第3期岩土力学 Vol.29 No.3 2008年3月 Rock and Soil Mechanics Mar. 2008

收稿日期：2006-04-30 作者简介：宋克志，男，1970年生，博士，副教授，主要从事隧道及地下工程方面的教学与研究工作。

E-mail: ytytskz@ 文章编号：1000－7598－(2008) 03－0619－06 盾构法隧道施工阶段管片的力学分析

宋克志1，袁大军2，王梦恕2

（1.鲁东大学土木工程学院，烟台 264025；2.北京交通大学隧道及地下工程试验研究中心，北京 100044）摘要：盾构隧道衬砌管片在施工阶段处于复杂的受力状态，易出现局部破损现象。阐明了盾构施工阶段管片的受力特点，对其常见的局部破损现象及产生原因进行了总结与分析，在此基础上构建了施工阶段的管片力学模型，即一端固定、一端简支的受力构件。以某盾构工程施工参数为例，运用有限元方法实现该力学模型，按不同工况对其进行了数值模拟，并与现场实测结果进行了对比分析。研究表明：盾构施工阶段，衬砌管片会在第5～7环之间产生局部破损，与现场出现的管片破损部位十分接近；千斤顶推力的大小、倾角及偏差是导致施工阶段管片局部破损的主要原因，并给出了盾构施工阶段减轻管片破损的一些建议。关键词：盾构隧道；管片破损；施工阶段；力学模型；千斤顶推力；有限元中图分类号：U 455.43 文献标识码：A Segmental mechanical analysis of shield tunnel during construction stage

SONG Ke-zhi1, YUAN Da-jun2, WANG Meng-shu2

(1. College of Civil Engineering, Ludong University, Yantai 264025, China; 2. Research Center of Tunneling and Underground Works, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China) Abstract: During shield construction there are many segmental partial ruptures caused by construction factors which is already confirmed by engineering practices. The segmental mechanical characteristics during construction stage are presented firstly; and then common local ruptures of segment concrete are summarized; and leading causes are analyzed. And based on which mechanical model for construction stage is developed. The model can be described as a fixed-simple component which one end is anchored by clotted grout and the other end is supported by shield sealing brushes. In order to study the segment mechanical properties, a shield tunnel as an example is analyzed; and several cases are simulated by FEM; then comparison between FEM results and field measurement values is made. Study has manifested that most segmental ruptures are located at the fifth ring to the seventh ring which is approximately same to in-situ rupture position of segment. In addition, thrust force and its obliquity and partial difference are the main causes leading to segmental rupture. Finally, some items are suggested to lighten local ruptures of segment during shield construction stage. Key words: shield tunnel; segment damage; construction stage; mechanical model; cylinder thrust force; finite elements

盾构隧道管片接头受力的精细化三维有限元分析

中圄’放ｚ　欧阳文彪：盾构隧道管片接头受力的精细化　维有限元分析　２０１　４年第４期　

模型简化，首先要忽略螺栓孔对管片的削弱作　

用；其次，将手孔形状从弧形曲面简化成较简单的　

直角相交平面，忽略接头间设置的橡胶衬垫等次要　

部件。管片接头迎水面设置的橡胶密封垫在分析中　

简化成单向受压非线性弹簧进行模拟，弹簧受压时　

的压力一压缩量数据由试验数据或有限元数值模拟　

分析提供。　

隧道衬砌管片接头中，网格划分均采用　

ＡＢＡＱＵＳ单元库中的三维六面体八节点缩减积分单　元（Ｃ３Ｄ８Ｒ　ｏ该单元具有更高的分析精度，划分　

较少数量的单元可以达到与大量四面体单元相同的　

效果，采用的接头模型总共约２５　０００个单元。　

１．２材料本构模型及参数　１）弹性橡胶密封垫。橡胶密封垫受压时的装　

配力一压缩量曲线通过橡胶密封垫压缩试验获取；　此外通过显式有限元进行计算　］。由于弹性橡胶密　

封垫的材料具有复杂的非线性特性，又存在大变　

形、复杂接触等问题，收敛比较困难。在管片接头　

力学特性的数值模拟分析过程中，为平衡计算速度　

及计算精度，将弹性橡胶密封垫等效成一个非线性　

弹性单向受压弹簧。　

２）混凝土、钢螺栓、橡胶薄片等弹性材料的　模拟。盾构隧道衬砌管片混凝土材料、连接接头的　

钢质高强螺栓、橡胶止水密封垫外侧混凝土缝隙之　

间粘贴的橡胶薄片等均采用弹性材料模拟。混凝土　

材料弹性模量Ｅ取３４．５　ＧＰａ，泊松比取０．１６７；钢　

的弹性模量　取２１０　ＧＰａ，泊松比取０．３：止水密　

封垫外侧的橡胶薄片弹性模量Ｅ取２５０　ＭＰａ，泊松　比取０．３５。　３）接触面参数设置。盾构隧道衬砌管片接头　

两侧接触面切向力学特性采用各向等向Ｃｏｕｌｏｍｂ定　

律，摩擦因数０．８；法向力学特性采用“硬接触”　

（”Ｈａｒｄ”Ｃｏｎｔａｃｔ）模式，选用默认的接触面初始位　

置控制方法。螺栓在套筒部分的单元用ＡＢＡＱＵＳ　中的嵌入（“Ｅｍｂｅｄｄｅｄ”）约束方式嵌入管片单元　