盾構區(qū)間隧道襯砌結構的抗震計算

1、盾構區(qū)間隧道襯砌結構的抗震計算 摘要:橫通道施工是隧道工程中常見的施工項目，其施工對主隧道有很大影響，盾構是在軟巖和土體中進行隧道施工的專門機具，使用盾構機開挖隧道的方法稱為盾構法。所以對隧道結構受力特征計算和盾構工程風險控制進行研究，對 于保證隧道施工的安全性有重要意義，本文就盾構區(qū)間隧道襯砌結構的抗震計算進行了簡要分析。 關鍵詞:盾構；隧道；襯砌結構；抗震計算 中圖分類號：U45 文獻標識碼：A 1、盾構區(qū)間隧道襯砌結構施工技術概述 1.1、盾構隧道法使用現(xiàn)狀 盾構是在軟巖和土體中進行隧道施工的專門機具，使用盾構機開挖隧道的方法稱為盾構法，盾構隧道法的施工，在近幾年的城市隧道建設中得到越來

2、越廣泛的應用，盾構法隧道前進是依靠設在盾尾的一組千斤頂克服盾構機重和周圍土體產生的正面和側壁的摩阻力，千斤頂支撐在已拼裝好的環(huán)形隧道襯砌上，每拼裝一環(huán)管片，千斤頂向前推進一個襯砌環(huán)間寬度，在施工過程中，襯砌管片的投資通常達到總投資額的40%，因此，正確合理的襯砌結構計算方法不僅是制約隧道安全性的重要影響因素，更大大決定著隧道投資額的數(shù)目。 1.2、盾構掘進適應性分析 根據(jù)施工盾構區(qū)間周邊條件、工程地質、水文地質情況，選用土壓平衡盾構。鑒于盾構經過地段主要為膨脹土地層，滲透系數(shù)小，泥質含量較高，遇水軟化，極易發(fā)生“泥餅”現(xiàn)象，將極大的影響盾構掘進。因此，在選用土壓平衡盾構時要對盾構刀盤、刀具方面

3、進行盾構機的適應性分析： （一）盾構刀盤開口率是決定刀盤拓撲結構的關鍵參數(shù)，在刀盤的設計中具有重要的作用。當?shù)侗P開口率在30%40%范圍時，刀盤的支護壓力與膨脹土地層所對應的地應力較為接近，對開挖面的穩(wěn)定較為有利。故盾構采用35%的開口率。 盾構刀具排布以鏟刀和刮刀為主，輔以單雙刃滾刀，為了方便對損壞及磨損嚴重的刀具進行更換，滾刀采用較為可靠的楔形安裝方式且為背裝式。面板刮刀布置在面板開口槽兩側，隨刀盤旋轉對開挖面土體產生軸向剪力和徑向切削力，從而對土體進行有效切削。 （三）盾構刀盤主體設計為面板式刀盤。在含有大量粘土、粉質粘土、全風化泥巖、強風化、中風化泥巖等滲透性較小或含大量細顆粒和遇水膨

4、脹的礦物質顆粒的膨脹土地層中，通過刀盤中心回轉體的高壓水管往刀盤注水，同時觀察螺旋機出土的渣土情況，及時調整泡沫及膨潤土配合比和用量，可有效避免在刀盤中心出現(xiàn)“泥餅”的情況。 1.3、隧道襯砌形變規(guī)律分析 由于主隧道施工襯砌施工完成后，要在預先設定的橫道位置拆除初期支護，然后對橫道進行階梯式施工，一般將其分為三個臺階開挖并進行初期支護。開挖進尺的按照上中下三個階段進行逐次開挖，并配合統(tǒng)一的進尺比例。交叉施工位置初期支護拆除并進行橫道施工的過程中，主隧道襯砌發(fā)生的形變可以總結為橫向與豎向，而觀測中橫向位移較小，基本不會造成負面影響。交叉位置初期支護拆除與橫道施工時主隧道襯砌的位移按照測點觀測的數(shù)

5、據(jù)分析可知，橫通道在施工中對主隧道襯砌的影響呈現(xiàn)的是不對稱形態(tài)，其變形規(guī)律為銳角側大于鈍角側，且有使得交叉口擴大的趨勢，但是其影響隨著橫通道的深入則趨于穩(wěn)定，即影響減小。同時其應力特征表現(xiàn)為銳角側安全系數(shù)相對小，其危險點為拱頂，所以在采用襯砌施工后進行橫道施工，必須注意對銳角側拱頂?shù)谋O(jiān)測與防護加強。 盾構區(qū)間隧道襯砌結構抗震計算基本原理 2.1、土體材料的動力特性 土的應力應變關系常隨應變水平的增加及加卸載過程的反復進行而呈現(xiàn)顯著的非線性特征。為了在分析中既能體現(xiàn)土體的非線性動力特性，又能簡化計算過程，一般都采用了等效線性法進行計算。 2.2、計算范圍與單元類型 在隧道動力相互作用問題中，實際

6、研究對象是一個半無限空間。而有限元的計算對象只能是有界域，因此要對計算邊界作一定的近似處理。根據(jù)盾構施工情況，盾尾壁后注漿充填密實，注漿后的體積收縮率較小，襯砌與土體之間粘結緊密，沒有明顯的相對滑動，為反映工程實際特點，這里采用一個襯砌結構與周圍土體整體受力并協(xié)調變形的結構模型來模擬襯砌和周圍土體的共同作用。在實際施工中，各襯砌管片之間多依靠高強度膨脹螺栓緊密連接。本次模型為反映工程實際特點，故將各襯砌管片視為一個整體共同受力。關鍵節(jié)點編號如圖2所示。 2.3、巖土參數(shù)的選取 為了考察地質條件對隧道襯砌結構地震響應的影響，本文共計算了粘性土、砂性土、II類圍巖三種地質條件下隧道襯砌結構的地震反

7、應，三種地質條件的相關參數(shù)如表 1 所示。 2.4、地震波的選取 本文計算取抗震烈度7度實測數(shù)據(jù)來進行研究，計算中將實際地震記錄的值峰折算為所需的基本烈度。該數(shù)據(jù)記錄的是地震時地運動的加速度值。水平地震加速度時程曲線、豎向加速度時程曲線如圖 3、4。 盾構區(qū)間隧道襯砌結構的抗震措施 3.1、改變隧道結構性能 主要是通過改變隧道結構剛度、質量、強度、阻尼等動力特性來減輕隧道結構的地震反應。這種方法主要有以下幾種情況：（1）增加強度和阻尼 采用鋼纖維混凝土，提高混凝土延性、抗折性、抗拉性、韌性等，使隧道結構在地震中大量吸能耗能，減輕地震反應。如鋼纖維噴混凝土、鋼纖維模筑混凝土襯砌等，就屬于這種措施

8、。 采用聚合物混凝土，增加混凝土柔韌性、彈性和阻尼，使隧道結構吸收地震能量。如聚合物混凝土、聚合物鋼纖維混凝土等。 在隧道結構中添加大阻尼材料，使其成為大阻尼復合結構，也可以得到很好減震效果。增加阻尼有兩種方法：一種方法是在隧道結構襯砌表面或內部增加阻尼，通過隧道結構的拉伸或剪切變形來耗能減震。另一種方法是在隧道結構的接頭部位施設減震裝置，在地震中，這些減震裝置耗能減震，從而避免隧道結構進入非彈性狀態(tài)或發(fā)生損壞。（2）減輕質量采用輕骨料混凝土來減輕混凝土的質量，從而減小隧道結構的地震反應，但輕骨料混凝土強度較低，為此，在輕骨料混凝土中添加鋼纖維以提高其強度。（3）調整結構剛度 采用柔性結構大大

9、減小隧道結構的剛度，即做成“柔性結構”，這樣做雖然能有效地減小隧道結構的加速度反應，減小地震荷載，但這種做法在軟弱圍巖情況下可能還不能滿足靜力要求，因此很難推廣應用。 采用延性結構適當控制隧道結構的剛度，使結構的某些構件在地震時進入非彈性狀態(tài)，并且具有較大的延性，以消耗地震能量，使隧道結構“裂而不倒”，這種方法在很多情況下是有效的，例如，當隧道中采用管片式襯砌時，在管片的接頭部位安裝特殊螺栓，此時的隧道結構就屬于延性結構。該類隧道結構也存在很多局限性，首先，由于接頭進入非彈性狀態(tài)，將使隧道結構的變形增大，可能使隧道結構內部的附屬設備遭受嚴重破壞。其次，當遭遇超過設計烈度地震時，將使重要部位的接

10、頭非彈性變化嚴重化，在地震后難以修復。3.2、隧道結構減震在隧道結構周圍安裝減震器或回填減震材料構成的減震系統(tǒng)稱為整體減震，這種結構具有較高的減震效果，理想回填減震材料包括顆粒材料、泡沫材料、泡沫橡膠、輕質混凝土等。此外，隧道結構在地震時因與地層的相互作用而產生斷面力和變形，因此在地層條件和結構條件變化部分，因振動特性不同而成為變形和斷面力集中的場所，易于發(fā)生震害。在這種情況下，作為降低作用在隧道結構上的地層變形的影響的一個方法，就是減小隧道結構本體的剛性，而使之能夠隨地震時的地層變形。柔性管片和柔性接頭及彈性墊板的環(huán)向接頭就是這樣的代表。 結束語 我國對隧道抗震的研究要遠落后與地面建筑的抗震研究，隧道震害在很大程度上取決于地層特性，這種觀點已為隧道界所共識，目前我國在建和擬建了大量山嶺隧道，有的隧道長度達到幾十公里，一旦地震破壞，就會造成嚴重的經濟、政治和社會影響，因此，一系列新的與抗震設計有關的科學及技術問題需要深入