黃勇軍, 巢萬里

(1.湖南建工交通建設有限公司, 湖南 長沙 410005; 2.湖南省交通科學研究院, 湖南 長沙 410015)

地道橋鋼盾構內力計算方法及優(yōu)化設計研究

黃勇軍1, 巢萬里2

(1.湖南建工交通建設有限公司, 湖南 長沙 410005; 2.湖南省交通科學研究院, 湖南 長沙 410015)

為了合理計算地道橋鋼盾構內力，在分析現有鋼盾構結構內力計算方法的不足基礎上，提出一種考慮核心土作用的彈性地基梁計算模式，結合鋼盾構法施工實際工程，利用ANSYS有限元軟件模擬盾構不同部位的受力特性，將計算結果與現場監(jiān)測結果對比驗證計算方法的合理性，并提出相應的盾構設計優(yōu)化建議。研究結果表明：核心土高度變化對盾構內力影響較大，不考慮核心土作用會導致計算結果偏大；而本文推薦的彈性地基梁計算模式能更好地反映盾構的實際受力情況；橫梁、中柱以及盾構前部邊柱安全儲備偏高，而盾構尾部門架邊柱安全儲備偏低；橫梁和中柱材料適當降低工字鋼的型號，邊柱的工字鋼放置方式旋轉90°，可以節(jié)省大量鋼材，提高盾構施工的安全性。

地道橋； 鋼盾構； 數值分析； 核心土； 內力計算； 彈性地基梁

0 前言

橋式盾構是近些年才逐漸發(fā)展起來的一種新興的下穿高速公路的施工工藝，主要由鋼結構組成的鋼框架結構，目前被廣泛應用于道路、鐵路立交工程中[1,2]。然而在對橋式盾構的設計上還沒有形成一整套完整的設計技術，目前對于盾構設計一般采用經驗的方法，結合相似工程資料，利用簡單的計算得到施工圖，其設計結果往往偏于保守，易造成鋼材大量浪費。鋼材作為鋼盾構的主要材料，合理的設計方法對于鋼材的合理充分利用是至關重要的，正確掌握鋼盾構的受力情況對于指導鋼盾構設計具有重要意義。鋼盾構在頂進過程中為保證開挖面的路基穩(wěn)定，盾構內土體往往根據土質情況沿著盾構縱向按照一定坡度的斜坡進行開挖(如圖1)，隨著核心土高度的減小，盾構內核心土對邊柱的抵抗作用逐漸減小，最后會導致邊跨格構柱水平變位偏大，側盾殼發(fā)生明顯的彎曲現象，更有甚者，地道橋在頂推過程中因埋深大，土質松散等土壓力較大的情況下，邊跨墩柱發(fā)生失穩(wěn)破壞。地道橋鋼盾構在頂推過程中安全性主要取決于邊柱構件安全性，因此采用一種合理的邊柱計算模式對于盾構設計參數的準確選取及設計優(yōu)化至關重要。

圖1 鋼盾構頂進示意圖

目前關于地道橋施工過程結構內力計算研究主要集中在地道橋本身結構內力計算[3-8]，而鋼盾構頂進施工作為地道橋施工中的一個重要的施工環(huán)節(jié)，對于鋼盾構施工過程鋼架的內力計算研究較少，現有鋼盾構結構內力計算方法主要為文獻[9，10]提出的邊跨簡支梁的計算模式，其計算模式雖然受力簡單，但該模式未考慮盾構內核心土的土層反力對盾構邊柱的影響，得到結果與工程的實際情況相差較大。本文在分析比較現有鋼盾構結構內力計算方法的不足基礎上，提出一種考慮盾構內核心土作用的鋼盾構結構內力計算模式，基于鋼盾構法施工實際工程，利用ANSYS有限元軟件研究核心土高度變化對盾構開挖過程內力的影響，得到盾構開挖過程中盾構內力變化規(guī)律并與現場監(jiān)測結果對比驗證計算方法的合理性，并提出相應的盾構設計優(yōu)化建議。

1 地道橋鋼盾構內力計算方法

工程實踐表明，橋式盾構容易出現問題的地方往往是在邊跨的格構柱，主要表現為邊跨格構柱水平變位偏大，側盾殼發(fā)生明顯的彎曲現象，更有甚者，地道橋在頂推過程中因埋深大，土質松散等土壓力較大的情況下，邊跨墩柱發(fā)生失穩(wěn)破壞。如果邊跨柱發(fā)生失穩(wěn)破壞，勢必會影響整個盾構的安全穩(wěn)定性，導致盾構在頂進過程中發(fā)生失穩(wěn)破壞，因此采用合理的邊跨柱計算模式對于盾構設計及施工至關重要，比較經典的橋式盾構邊柱計算模式為文獻[9，10]提出的邊跨簡支梁計算模式(如圖2)，該模式對邊柱和中柱底部進行了水平位移和豎向位移的約束，頂部橫梁與柱間進行鋼接，盾構頂部承受上覆土層及路面結構重力、車輛荷載，兩側邊柱承受側土壓力，這種計算模式雖然受力簡單，但該模式未考慮盾構內核心土的土層反力對盾構邊柱的影響，實際盾構在頂進過程中為保證開挖面的路基穩(wěn)定，盾構內土體往往根據土質情況沿著盾構縱向按照一定坡度的斜坡進行開挖，核心土能夠對邊柱水平位移進行有效的約束，該計算模式計算結果不能反映盾構內力隨核心土開挖過程的動態(tài)變化以及沿盾構縱向的各榀鋼架內力與核心土高度的關系，計算結果與實際情況相差較大，導致設計結果往往過于保守，大量浪費鋼材。

圖2 邊跨簡支梁計算模式

為了充分地考慮核心土對盾構頂進過程的影響，基于彈性地基梁理論[11,12]，把核心土與盾構邊柱的相互作用通過土彈簧來模擬，彈簧沿著豎向的不同高度來模擬盾構在縱向上的每排鋼架核心土高度，以模擬盾構在頂進過程中核心土高度變化對盾構鋼架內力的影響，因此可見盾構受力簡化為彈性地基梁計算模式(如圖3)，該模式雖然力學邊界形式比邊跨簡支梁計算模式復雜，一般很難通過普通的手動計算得到結果，但可以通過ANSYS等有限元計算很容易得到精確結果，且計算結果更能反映盾構的實際受力情況。

圖3 彈性地基梁計算模式

2 工程概況

新東路地道橋，屬于歐洲工業(yè)園新東路下穿京港澳高速相交工程，道路中線與于京港澳高速K1540+337.7處相交。新東路下穿京港澳高速公路部分為鋼筋混凝土地道橋，采用框架盾構法施工，盾構上部覆土厚度2.0 m，主要分為2層，頂層為路面結構層，厚度為0.8 m，重度24 kN/m3；路基填土主要為粉質粘土，厚度1.2 m，重度19 kN/m3；車輛荷載：公路 — Ⅰ級。盾構全寬15 m，主梁分為為3跨，全高8.1 m，中柱及邊柱寬1.06 m，主梁高1.336 m，盾構全長7.81 m，主梁及立柱I28b工字鋼，為保證開挖面的路基穩(wěn)定，盾構內土體根據土質情況沿著盾構縱向按照坡度1∶0.75的斜坡進行開挖。

3 計算分析

3.1 計算結果分析

采用ANSYS根據工程實際情況建模計算，分別提取彈性地基梁計算模式下和邊跨簡支梁計算模式下的計算結果如圖4～圖6。

由上計算結果可知：

a)1 m核心土 b) 3 m核心土

c)5 m核心土 d) 7 m核心土

圖5 簡支梁計算模式下盾構彎矩

圖6 不同核心土高度下盾構最大彎矩值

1) 在盾構開挖過程中，核心土高度的變化對盾構結構彎矩影響較大，盾構縱向核心土高度不斷減小，橫梁最大彎矩和邊柱最大彎矩不斷增大，邊柱形成的正彎矩增大比較明顯，當核心土高度為5 m到7 m時，邊柱和橫梁承受較小的彎矩，說明盾構前部鋼架由于核心土高度較大對盾構前部邊柱具有較大抵抗力，有效地減小了邊柱的水平側移。此時盾構最大彎矩發(fā)生在邊柱與橫梁結合部位，該部位為受力最不利位置，應加強現場監(jiān)測。當核心土高度為1 m時，邊柱彎矩和橫梁彎矩最大值出現驟增，邊柱出現正彎矩和負彎矩達到最大，且最大彎矩出現在邊柱與橫梁結合部位，此時邊柱受力最為不利，可見盾構尾端鋼架核心土高度較小，盾構邊柱和橫梁承受彎矩比盾構前端要明顯大，盾構尾端安全性比前端安全性要明顯低。

2 )由圖5及圖6可知(其中D字母表示彈性地基梁模式，J字母表示簡支梁模式，圖中彎矩為取絕對值)，針對簡支梁計算模型，由該模型計算結果可知，最大彎矩出現在邊柱與橫梁結合部位，邊柱最大彎矩為244 kN·m，橫梁為189 kN·m，而彈性地基梁計算模式得到的邊柱最大彎矩為198 kN·m，橫梁為111 kN·m，分別為簡支梁計算模型得到彎矩的0.75倍和0.56倍，說明未考慮盾構柱間核心土情況下計算得到的彎矩比考慮核心土作用得到的彎矩值要大得多。提取采用2種計算模式下得到的計算結果最大應力取絕對值繪制曲線如圖7所示。

圖7 不同核心土高度下盾構應力值

由圖7可以看出：

1) 彈性地基梁計算模式下，邊柱和橫梁最大應力值隨核心土高度減小而增大比較明顯，邊柱尤甚。當核心土高度由3 m減小到1 m時，邊柱和橫梁應力出現明顯增大，橫梁應力最終增大到100.2 MPa，邊柱應力最終增加到191.5 MPa，但都小于215 MPa[11],說明未超過Q235鋼材的彎曲應力,且安全系數分別為橫梁2.2，邊柱1.34，都大于1，說明橫梁具有較大的安全儲備，邊柱安全儲備偏低。

2) 當核心土高度大于3 m時，無論是彈性地基梁或者簡支梁計算模式下，橫梁及邊柱安全系數都大于2，具有較大的安全儲備，中柱最大應力為31.5MPa，遠小于Q235鋼材的彎曲應力，且具有很大的安全儲備，說明橫梁、中柱以及盾構前部邊柱安全儲備高，而盾構尾部鋼架邊柱安全儲備低。

3) 簡支梁模式下，因未考慮核心土的有利作用，計算得到的邊柱應力為213.5 MPa，橫梁應力為162 MPa，約為考慮核心土作用時對應橫梁應力的1.62倍，邊柱應力的1.26倍，計算的應力值明顯偏大?？梢?，采用無核心土的簡支梁計算模式得到結果過于保守，不符合盾構實際受力情況，不利于鋼材的合理利用。

3.2 現場監(jiān)測與計算結果對比分析

基于數值計算結果編制盾構內力監(jiān)測方案，現場監(jiān)測選取最不利的盾尾門架作為重點監(jiān)護對象，其中邊柱典型位置取4個監(jiān)測點，橫梁典型位置取7個點，具體監(jiān)測點布置如圖8。

圖8 現場監(jiān)測點布置

提取現場邊柱和橫梁各監(jiān)測點最大應力取絕對值結果如圖9。由圖9可以看出，考慮核心土計算方法得到的應力結果比現場監(jiān)測略大，對于橫梁誤差最大出現在5號和9號監(jiān)測點即橫梁左右靠邊兩跨中點位置，最大誤差為12.5%，邊柱應力誤差最大出現在2號和4號監(jiān)測點即邊柱與橫梁結合位置，最大誤差為10.3%，說明數值計算與現場監(jiān)測應力值相差較小，數值計算結果能夠反映盾構的實際受力情況，對盾構開挖過程中應力進行合理預測，可作為盾構機構設計參數選取合理的依據。

圖9 現場監(jiān)測與數值計算結果對比

3.3 盾構設計優(yōu)化新思考

由上文數值計算結果和現場監(jiān)測分析可知，采用I28b工字鋼作為盾構主要材料雖然能夠保證盾構安全性，但是盾構整體表現為橫梁、中柱以及盾構前端邊柱安全儲備偏高，盾構尾部鋼架邊柱安全儲備偏低，說明橫梁、中柱設計參數有較大優(yōu)化空間，因此在強度滿足要求的前提下可以采用低型號的工字鋼作為主要材料，由于中柱及主梁受力情況差異較大，設計時應根據對應桿件的受力情況，結合《鋼結構設計規(guī)范》[13]進行強度及穩(wěn)定性驗算選取相應的工字鋼型號。

盾構尾部鋼架邊柱安全儲備偏低，主要是由于目前盾構邊柱采用雙榀四肢格構柱，其截面如圖10a所示，盾構橫向(x—x方向)的截面抗彎能力比頂進方向(y—y方向)要小得多，導致盾構尾部鋼架邊柱安全儲備低，在側面土壓力作用下盾構易發(fā)生較大水平位移，因此為了改善盾構邊柱的安全性能，有必要對目前工字鋼的放置方式進行改進，本文將工字鋼放置方式旋轉90°，使工字鋼高度方向沿著盾構橫向(x—x方向)，盾構橫向(x—x方向)的截面抗彎能力大大提升,優(yōu)化后截面如圖10b所示。通過計算得到邊柱優(yōu)化前后最大應力值如圖11所示。

圖10 四肢格構柱截面

圖11 邊柱優(yōu)化前后應力對比

通過對比分析同等受外力情況下邊柱優(yōu)化前后應力結果可知，優(yōu)化后邊柱最大應力相比優(yōu)化前大大減小，且遠小于Q235鋼材抗彎強度值，邊柱在盾構開挖過程中安全儲備相比優(yōu)化前有了很大提高。因此在保證強度要求的前提下，可以適當地降低工字鋼型號，同時為了不影響邊柱內土體的開挖，可以適當地增加柱子的橫向寬度，這樣不僅能有效地提高盾構邊柱的安全儲備，還可以通過適當地降低工字鋼型號減小材料的浪費。

4 結論

1) 核心土高度變化對盾構內力影響較大，盾構受力最不利位置為邊柱與橫梁結合部位，不考慮核心土作用會導致計算結果偏大，設計偏保守，不利于鋼材的充分利用。

2) 考慮核心土彈性地基梁計算模式計算方法得到的應力結果比現場監(jiān)測略大，但兩者差值在允許范圍內，其結果能夠反映盾構的實際受力情況，可作為鋼盾構設計參數選取合理的依據。

3) 橫梁、中柱以及盾前部邊柱安全儲備偏高，而盾構尾部鋼架邊柱安全儲備偏低；橫梁和中柱材料適當降低工字鋼的型號，邊柱的工字鋼放置方式旋轉90°，可以節(jié)省大量鋼材，提高盾構施工的安全性。

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2017-01-11

湖南省科技廳課題(2014SK4072)，湖南省交通廳課題(201432)

黃勇軍(1975-)，男，高級工程師，主要從事公路橋梁的施工及管理工作。

1008-844X(2017)02-0256-05

U 451

A