盾构设备不同拼装方式下的结构力学行为研究

2020-12-22韩岗

设备管理与维修 2020年22期

韩岗

（中铁十九局集团第五工程有限公司，辽宁大连 116100）

0 引言

在盾构工程中，盾构管片不同拼装方式对盾构结构力学行为具有显著影响。对此，基于有限元计算软件ANSYS 建立盾构管片不同拼装方式下的结构计算模型，分别计算通缝拼装与错缝拼装两种拼装方式下，盾构管片结构纵向轴力及弯矩、环向轴力及弯矩、盾构管片结构竖向及水平位移等物理量，获得不同工况下的各参数分布规律。

1 数值计算模型

1.1 数值计算模型构建

盾构模型的数值计算采用ANSYS 有限元分析软件，用solid45 单元模拟地层，用shell63 单元模拟管片结构，用combine14单元模拟管片接头，用CONTA173 和TARGET170 模拟地层-管片接触单元。

管片结构的外形尺寸根据依托工程选取，管片外径6.2 m，管片共6 分块，封顶块18°，两个邻接块均为64°，3 个标准块分别为65°、84°和65°，管片结构见图1。

盾构管片计算模型如图2 所示，模型左右边界为距离管片4.5 倍外径（28 m），下边界距离管片3.5 倍外径（22 m），沿盾构隧道纵向取5 环管片进行计算，管片宽度1 m，计算模型总长56 m，宽6 m，高38 m。

1.2 数值计算工况

计算两种拼装方式下盾构隧道管片的结构力学性能，分别为通缝拼装与错缝拼装两种工况。通缝拼装方式计算不同封顶块位置对管片结构力学行为的影响（表1）；错缝拼装方式计算相邻两环管片之间的错缝角度对管片结构力学行为的影响（表2）。

2 通缝拼装下管片结构力学行为

2.1 环向轴力、弯矩计算结果

图1 管片结构

通缝拼装不同工况下的环向轴力、环向弯矩计算结果如图3、图4（工况1）所示。计算结果显示，封顶块位置不同时，管片结构环向轴力及弯矩分布规律有相同点也有不同点。相同点是拱顶和拱腰处的环向轴力及弯矩均相对较大；不同点是当封顶块位置不同时，管片接缝处沿环向轴力及弯矩的分布存在一定的区别。

2.2 纵向轴力、弯矩计算结果

通缝拼装不同工况下的纵向轴力、纵向弯矩计算结果如图5、图6（工况1）所示。计算结果显示，封顶块位置的移动对纵向轴力、纵向弯矩分布规律均影响不大，但是对具体数值存在影响。

图2 盾构管片计算模型

表1 通缝拼装下的数值计算工况

表2 错缝拼装下的数值计算工况

2.3 水平、竖向位移计算结果

通缝拼装不同工况下的水平位移、竖向位移计算结果如图7、图8（工况1）所示。计算结果显示，封顶块位置的移动对于管片结构水平位移、竖向位移分布规律影响不大，管片结构的竖向变形主要为随着地层变形而产生的变形，其本身的竖向相对变形很小。

图3 管片结构环向轴力（工况1）

图4 管片结构环向弯矩（工况1）

图5 管片结构纵向轴力（工况1）

图6 管片结构纵向弯矩（工况1）

图7 管片结构水平位移（工况1）

图8 管片竖向位移（工况1）

3 错缝拼装下管片结构力学行为

3.1 环向轴力、弯矩计算结果

错缝拼装不同工况下的环向轴力、环向弯矩计算结果如图9、图10（工况1）所示，计算结果显示，错缝拼装下的管片环向轴力分布与环向弯矩分布相比通缝拼装工况更为复杂，由于两个相邻管片的接头不连续，造成了环向轴力、环向弯矩空间分布的波动性。错缝角度变化对环向轴力及环向弯矩的空间分布规律整体影响不明显，在拱顶和拱腰位置，隧道管片结构的环向轴力均比较大。不同错缝角度仅对隧道管片结构环向轴力及环向弯矩的数值产生影响。

图9 管片结构环向轴力（工况1）

图10 管片结构环向弯矩（工况1）

3.2 纵向轴力、弯矩计算结果

错缝拼装不同工况下的纵向轴力、纵向弯矩计算结果如图11、图12（工况1）所示。计算结果显示，隧道盾构结构在盾构接缝处的纵向轴力及纵向弯矩较大，沿纵向的轴力及弯矩在数值大小上差异不明显，这是由隧道结构的整体状态和地层状态相关。

图11 管片结构纵向轴力（工况1）

图12 管片结构纵向弯矩（工况1）

3.3 水平、竖向位移计算结果

错缝拼装不同工况下的水平位移、竖向位移计算结果如图13、图14（工况1）所示。计算结果显示，在盾构管片错缝角度不同时，管片水平位移与竖向位移的空间分布规律具有很好的相似性，错缝角度的变化对水平位移及竖向位移的空间分布影响不显著，盾构管片的竖向位移在21～23 mm 波动。管片结构的竖向变形主要为随着地层变形而产生的变形，其本身的竖向相对变形较小。