¿Cómo calcular la fuerza interna del revestimiento durante la construcción del escudo?
1 Introducción
Durante el proceso de construcción de la máquina de protección, primero se excava el suelo del frente a través del soporte rígido de la propia máquina de protección y el dispositivo de equilibrio de presión del suelo en la excavación. superficie. A medida que avanza el escudo, los segmentos se ensamblan continuamente y se realiza la inyección en la cola del escudo hacia la periferia del anillo de revestimiento. Debido a la solidificación gradual del material de lechada y la consolidación del suelo, el estado de tensión de todo el túnel se estabilizó y se puso en funcionamiento. Durante la etapa de operación, se verá afectado por la carga de vibración del tren y la carga de multitudes. Del proceso anterior se puede ver que la construcción del túnel de protección es un proceso de construcción complejo de varios pasos. Para simular el proceso de construcción en el análisis de fuerza interna del revestimiento, el método de estrato-estructura y el método de carga-estructura, respectivamente, adoptan diferentes suposiciones y teorías de diseño para reflejar completamente el estado de tensión del revestimiento de protección. El método de carga-estructura primero convierte todos los factores que influyen en cargas que actúan sobre la estructura, por lo que es necesario introducir muchas suposiciones, como la forma de distribución supuesta de la presión del agua y del suelo, la resistencia de los cimientos, etc. Luego se utiliza el principio de combinación de carga en las condiciones de trabajo más desfavorables para realizar el análisis de fuerza interna y se obtiene el diagrama de envolvente de fuerza interna del túnel de protección. Se introduce el concepto de coeficiente de liberación de tensiones en el análisis del método estrato-estructura, se analiza y calcula el suelo y el túnel en su conjunto, y se establece un modelo de análisis de elementos finitos para simular todo el proceso de construcción del revestimiento del túnel de escudo. evitando los supuestos introducidos en el método de estructura de carga. Se simula en la mayor medida la influencia de varios factores de construcción sobre la tensión del revestimiento. Con base en el software de desarrollo propio Tongji Shuguang, se simuló el proceso de construcción del túnel de protección utilizando el método de estructura estratigráfica y el método de estructura de carga, y se compararon los resultados del análisis.
Modelo analítico de la estructura de revestimiento de escudo
Sección 2.1 Discretización
La estructura de revestimiento del túnel de escudo generalmente pertenece al sistema de estructura de junta de segmento, que se compone de la sección transversal del túnel consta de varios segmentos conectados por pernos y segmentos conectados por pernos longitudinales en la dirección longitudinal del túnel. Los segmentos se ensamblan en forma de costuras rectas o escalonadas. En el método de estructura estratigráfica y el método de estructura de carga, el revestimiento se puede dividir en un elemento de viga de seis grados de libertad con dos nodos, como se muestra en la Figura 1. Suponiendo que el material del segmento del túnel se encuentra en un estado de tensión elástica, se puede dividir en elementos de viga curvos y elementos de viga recta según la geometría. El modelo de unidad de viga recta es una forma especial del modelo de unidad de viga curva. Cuando las unidades de subdivisión son lo suficientemente pequeñas, el modelo de viga recta puede reemplazar al modelo de desierto de viga curva.
En el cálculo del método carga-estructura, para simular el papel de las uniones entre segmentos, se recomienda introducir una unidad de unión caracterizada por considerar el contacto punto a punto para simular la discontinuidad de las uniones entre segmentos, como se muestra en la Figura 2. Las coordenadas locales de la unión del segmento se definen de la siguiente manera: s está a lo largo del ángulo bisectriz entre los dos elementos de la viga, apuntando en la dirección de avance en el agujero, n es la dirección ortogonal a s y la dirección de avance es en sentido antihorario.
2.2 Simulación de estratos
El método de estructura estratigráfica simula la capa de suelo como un material plano y la divide discretamente en unidades triangulares o cuadriláteras, y analiza el suelo y el túnel en su conjunto. Para simular mejor la interacción * * * entre el suelo y el túnel, se puede mejorar el modelo constitutivo del suelo, como el modelo Duncan-Zhang y el modelo E-μ del suelo, y el modelo constitutivo del suelo puede ser introducido Los últimos resultados de la investigación proporcionan una base para una mejor simulación de los materiales del suelo. El método de carga-estructura divide el efecto del suelo sobre la estructura en dos partes, a saber, la presión de la formación y la resistencia de la formación. La presión de formación se calcula utilizando la teoría del arco de suelo de Terzaghi y la teoría de la presión estática del suelo. Al calcular la resistencia de una formación, el rango, la forma de distribución y el tamaño de la resistencia se determinan en función del método de cálculo de diseño utilizado. Una convención modificada comúnmente utilizada por las unidades de diseño supone que la resistencia horizontal del terreno se distribuye dentro de un ángulo central de 45 grados por encima y por debajo del diámetro horizontal, el diámetro horizontal es el vértice de la distribución triangular y la resistencia de los cimientos no tiene nada que ver con el desplazamiento de la base en la dirección vertical. En los modelos de cálculo viga-unión continua (viga-resorte) y viga-unión discontinua, la interacción entre el anillo segmentado y la cimentación se considera a través del modelo de resorte de cimentación, que se divide en un modelo de resorte de cimentación de círculo completo y una cimentación local. modelo de primavera.
Se puede ver en la comparación anterior que el método carga-estructura simplifica la acción del suelo alrededor del túnel en una acción de carga aislada, rompe con el concepto de interacción suelo-estructura e introduce muchas suposiciones. En este sentido, el método de estructura estratigráfica muestra su superioridad, pero se debe dar más consideración a la hora de seleccionar los parámetros físicos del suelo.
2.3 Unidad de superficie de contacto
El material de lechada se sitúa entre la estructura de revestimiento y la capa de suelo, formando una superficie que puede transmitir tanto el esfuerzo normal σ como el esfuerzo cortante τ. Para simular esta forma de inyección, se colocan elementos de superficie de contacto entre la estructura y el revestimiento. Este artículo utiliza elementos de superficie de contacto de cuatro nodos para calcular la estructura estratigráfica. Como se muestra en la Figura 2, I, J, M y R son los cuatro nodos de la unidad, el eje S es el eje tangente de las coordenadas locales de la unidad y el eje N es el eje normal de las coordenadas locales de la unidad. Independientemente del acoplamiento tangencial y normal, la relación entre la tensión de la superficie de contacto y el desplazamiento relativo es la siguiente: donde σ es la tensión normal; t es la tensión cortante; Ks es la rigidez tangencial; u es la rigidez tangencial; desplazamiento relativo; v es el desplazamiento relativo normal. El elemento de superficie de contacto utilizado en el cálculo de elementos finitos se muestra en la Figura 3. Utilizando el método de estructura de estrato unitario mencionado anteriormente, la estructura y el suelo se pueden discretizar en el modelo de cálculo que se muestra en la Figura 4.
3 Simulación del proceso de construcción
El proceso de construcción del túnel de protección incluye excavación de tierra frontal, ensamblaje de segmentos, avance de la protección y lechada de la pared posterior. De acuerdo con este proceso, el método de estructura estratigráfica adoptado en este artículo divide el proceso de construcción en cuatro pasos de construcción.
En el primer paso de construcción, la presión sobre la cara de excavación del escudo se equilibra con la presión de soporte detrás de él y la fricción entre el escudo y el suelo. Debido al soporte rígido de la máquina de protección, el coeficiente de liberación de tensión in situ del suelo circundante es muy pequeño, 0,1. Una vez completado el segundo paso de construcción del revestimiento, la mayor parte de la carga liberada causada por la excavación se libera en esta etapa y el coeficiente de liberación de tensión es 0,7. El tercer paso de la construcción es el enlechado. Para reducir la deformación del suelo causada por los poros después de retirar la cola del escudo, la lechada se realiza desde la cola del escudo hasta la periferia del revestimiento. Para lograr el efecto de lechada esperado, la presión de compresión de la multitud es 1,1-1,2 veces la suma de la presión estática del suelo y la presión del agua en este punto. La presión de lechada debe ejercerse entre la estructura y el suelo tanto como sea posible. El coeficiente de liberación de tensión se toma como se muestra en la Figura 7. En el cuarto paso de la construcción, se consolida el suelo dentro del área afectada por la lechada, lo que cambia las propiedades materiales de la capa de suelo en el área sombreada de la Figura 6 (es decir, el área afectada por la lechada y el coeficiente de liberación de tensión). se establece en 0,1, para que se liberen todas las cargas de liberación provocadas por la excavación.
En el método carga-estructura, es necesario definir la carga de construcción para simular el impacto del proceso constructivo sobre las fuerzas internas del segmento. Desde el ensamblaje segmentario hasta
hasta que se endurezca el material de lechada detrás de la pared en el orificio de la cola del escudo, la carga temporal que actúa sobre el revestimiento se denomina carga de construcción, que incluye principalmente el empuje del gato, la lechada detrás de la pared.
presión. Para la presión de inyección en un solo orificio, se puede utilizar el modelo de cálculo que se muestra en la Figura 8, en el que se puede suponer que la distribución de la carga de inyección es tres.
Distribución angular y distribución uniforme. En la distribución triangular, la distribución es un triángulo isósceles con el orificio de la lechada como centro de simetría. En la construcción real
Generalmente, se rellenan varios orificios al mismo tiempo, por lo que se pueden aplicar las cargas correspondientes alrededor de los orificios de inyección correspondientes de acuerdo con las condiciones de trabajo que se van a simular, y los orificios de inyección pueden pasar a través del área de trabajo. grupo de condiciones.
Cierra y encuentra el diagrama de envolvente de fuerza interna.
Se puede ver en el análisis anterior que en el método de formación-estructura, se utilizan dos métodos para simular el estado transitorio de la construcción con presión de lechada, es decir, aplicar presión de lechada en la superficie de contacto y cambiar el entorno de el túnel escudo Propiedades físicas del suelo. Puede simular bien los cambios en la fuerza interna del revestimiento una vez finalizada la inyección. En circunstancias normales, la presión de inyección se distribuye de manera desigual, lo que fácilmente puede provocar un desequilibrio en la carga del túnel. En proyectos reales, para reducir el asentamiento del suelo y completar con éxito la inyección, se utiliza una presión de inyección mayor, generalmente de 0,2 a 0,4 MPa. Las cargas excéntricas pueden causar fácilmente una concentración de tensión local, lo que es extremadamente perjudicial para la tensión del túnel. Dado que las cargas del gato se ejercen sobre los segmentos a lo largo de la dirección del túnel, no se pueden simular con el método de elementos finitos planos. Hay muchos factores que afectan el efecto de la lechada y existen muchas suposiciones sobre el radio de influencia y la forma de distribución de la lechada. El método de carga-estructura puede obtener la fuerza axial, la fuerza cortante y el momento flector del revestimiento en cada paso de construcción, y el método de carga-estructura finalmente obtiene el diagrama envolvente bajo diversas condiciones de trabajo (carga básica, carga variable de la carga básica) , que se utiliza Diseño específico de barras de acero.
4 Análisis de ejemplo
Tomando como ejemplo la sección de diseño típica de un túnel de protección, el diámetro interior del túnel es de 10,04 m, el ancho del anillo es de 1,5 m, el espesor del revestimiento es de 480 mm y la profundidad de enterramiento es de 11 m. El momento flector máximo es mayor, pero las posiciones donde se produce el momento flector máximo son relativamente cercanas y la forma de distribución del diagrama del momento flector es ligeramente diferente.
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