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考虑环间接头力学特性的盾构隧洞纵向分析模型

姚家晨 杨建喜 曾东 李同春

姚家晨,杨建喜,曾东,等. 考虑环间接头力学特性的盾构隧洞纵向分析模型[J]. 水利水运工程学报,2022(4):114-122. doi:  10.12170/20211208003
引用本文: 姚家晨,杨建喜,曾东,等. 考虑环间接头力学特性的盾构隧洞纵向分析模型[J]. 水利水运工程学报,2022(4):114-122. doi:  10.12170/20211208003
(YAO Jiachen, YANG Jianxi, ZENG Dong, et al. Longitudinal analysis model of shield tunnel considering mechanical characteristics of ring joints[J]. Hydro-Science and Engineering, 2022(4): 114-122. (in Chinese)) doi:  10.12170/20211208003
Citation: (YAO Jiachen, YANG Jianxi, ZENG Dong, et al. Longitudinal analysis model of shield tunnel considering mechanical characteristics of ring joints[J]. Hydro-Science and Engineering, 2022(4): 114-122. (in Chinese)) doi:  10.12170/20211208003

考虑环间接头力学特性的盾构隧洞纵向分析模型

doi: 10.12170/20211208003
基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2018YFC0407102);珠江三角洲水资源配置工程科研项目(CD88-GC02-2020-0058)
详细信息
    作者简介:

    姚家晨(1997—),男,安徽滁州人,硕士研究生,主要从事水工结构研究。E-mail:yao_jc@163.com

    通讯作者:

    李同春(E-mail:ltchhu@163.com

  • 中图分类号: TV68

Longitudinal analysis model of shield tunnel considering mechanical characteristics of ring joints

  • 摘要: 盾构隧洞环间接头具有明显的非线性力学特性,合理模拟其受力变形响应是隧洞纵向变形分析中的难点。针对此问题提出了一种简便实用的环间接头分析模型,采用可传压不传拉的接触面单元模拟环间接触,采用基于埋置梁广义位移法的梁单元模拟螺栓,能够同时考虑环间接头处的非线性接触状态和接头螺栓的轴向刚度和剪切刚度,且适用于各种环间连接螺栓形状(直螺栓、弯螺栓或斜螺栓)。通过算例,将有限元模型与理论解析模型计算结果进行对比,验证了该模型的准确性。将该模型应用于某实际工程中穿越断层破碎带的盾构隧洞的纵向变形分析,结果表明:输水盾构隧洞在均质基岩中状态稳定,在断层破碎带区域衬砌环间缝变形和螺栓应力显著增大,但均在设计控制范围之内。该模型可为工程安全建设及运行提供一定参考。
  • 图  1  悬臂梁简图

    Figure  1.  Schematic diagram of cantilever beam

    图  2  悬臂梁有限元模型(单位: m)

    Figure  2.  Finite element model of cantilever beam (unit: m)

    图  3  变形图(放大20倍)

    Figure  3.  Deformation diagram (magnified by 20 times)

    图  4  张开量分布

    Figure  4.  Distribution of opening

    图  5  螺栓轴力分布

    Figure  5.  Distribution of bolt axial force

    图  6  错动量分布

    Figure  6.  Distribution of dislocation

    图  7  螺栓剪力分布

    Figure  7.  Distribution of bolt shear force

    图  8  有限元计算模型

    Figure  8.  Finite element calculation model

    图  9  外衬纵向变形(放大100倍)

    Figure  9.  Longitudinal deformation diagram of outer lining (magnified by 100 times)

    图  10  环间最大张开错台量

    Figure  10.  Maximum opening and dislocation between rings

    图  11  环间张开错台量分布

    Figure  11.  Distribution of opening and dislocation between rings

    图  12  螺栓最大应力

    Figure  12.  Maximum stress of bolt

    图  13  螺栓应力分布

    Figure  13.  Stress distribution of bolt

    表  1  有限元法和解析法计算结果

    Table  1.   Calculation results of finite element method and analytical method

    分类中性轴
    位置/°
    环间最大
    张开量/mm
    螺栓最大
    拉应力/MPa
    有限元数值解约220.52475.20
    理论解析解23.930.51470.14
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    表  2  材料参数

    Table  2.   Material parameters

    名称重度/(kN·m−3)弹性模量/MPa泊松比
    外衬 24.3 3.55×104 0.20
    内衬 24.2 3.45×104 0.20
    淤泥层 16.7 2.85 0.35
    泥质粉细砂层 20.9 5.91 0.30
    中粗砂层 21.3 6.21 0.25
    泥质粉砂岩层 25.9 6.81×103 0.24
    断层破碎带 21.2 150.00 0.35
    断层影响带 21.3 2.50×103 0.30
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-08
  • 网络出版日期:  2022-05-30
  • 刊出日期:  2022-08-23

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