盾构机姿态变化对管片受力的影响分析    中山出租路灯车, 中山路灯车公司, 中山路灯车   姿态变化与管片受力关系分析在第二章中，分析了影响盾构姿态的因素。其中，盾构推力是最主要的影响因素。本章分析在保证管片纵向压紧满足条件的情况下，通过调整盾构姿态，控制盾构推力的大小，分析管片的受力。盾构姿态与管片间关系有如下两种情况[27]：（1）直线段理想状态；（2）盾构姿态出现夹角。

      盾构机姿态的方向偏差在施工中，盾构机会出现方向偏差，可以分为水平方向及竖直方向偏差。这些偏差是多种因素综合作用的结果，盾构机的推力是影响姿态的重要因素。（1）盾构推力的影响。在理想情况下推进管片时，推力垂直作用在管片上，盾构机姿态的方向偏差不大。当推进轴线出现转弯时，由于盾构机的转弯半径比较大，姿态调整需要一段时间，作用在管片上的力与40拼装管片轴线间存在一个角度，管片会相应的出现受力不均现象。（2）不均衡外力产生的方向偏差。施工中，盾构机受到外力作用。随地层变化、土层厚度变化，外力也有所改变，如不及时调整推进参数或参数设置不当将导致管片轴线的偏差。（3）成环管片轴线的影响。盾构推进时，在成环管片上设反力支点，轴线出现偏差，会影响盾构姿态。（4）盾尾间隙。盾尾间隙指管片尚未脱离盾尾外弧面时与盾壳内孤面间时的空隙。盾构会在无间隙侧盾尾和管片外弧面间产生摩擦阻力，而影响盾构轴线的控制。（5）注浆压力的影响。注浆时，不能控制浆液注入量及速度，注浆反力也会影响盾构轴线。

   盾构机姿态方向类型按照盾构机与设计轴线间的相对位置关系，在水平方向，盾构机姿态与轴线间的位置关系有以下几种[47]：设计轴线用图中的直线表示，实际的盾构机姿态用带箭头的竖线表示。 （a）是最理想的盾构姿态，（b）~（i）的姿态相应的都出现了不同程度的偏差。盾构姿态变化最直接的体现在作用于管片的推力，不再垂直作用在管片上，作用方向与管片横截面间出现倾斜角。当盾构机的推力与管片作用点间存在偏心距时，将出现图示的（e）和（h）两种情形。 竖直方向的偏差同水平方向。

     1假设条件管片接头处采用螺栓连接，整体管片的刚度和强度相应会降低。管片拼装完成后，环间不产生相对移动。将管片环视为薄壁均质圆筒是合理的。模型分析时，分析推进20环管片受力，轴向推进距离为30m。管片模型建立时的假设条件与第三章相同。由于盾构能提供的最大推力在0.3MPa左右，当推力增大为0.35MPa，0.4MPa时，超过了此时的最大推力，施加反力措施来增大推力。

     模型建立,  随着施工的进行，盾构姿态在不断的发生着细微的变化，尤其是遇到转弯较大的情形时，盾构姿态的变化对管片受力的影响就越显著。图4-1反映了推力作用线与管片轴线间的9种位置关系，这些变化是通过作用在管片上的推力来体现的。现模拟盾构姿态发生变化时，盾构推力与管片受力面处出现倾角时，分析管片受力。模拟时的盾构推力为0.35MPa、0.4MPa，注浆压力为0.15MPa。数值计算时，采用固定边界，上临空面表面自由，不受外界约束，横向受到X（水平）向的约束，软土地基下层边界受到Y（竖向）方向的约束。模型选用实体单元solid45模拟衬砌管片，用非线性弹簧单元COMBIN39模拟围岩的弹性抗力，外荷载用表面效应单元SURF154施加。模型边界条件，单元类型。在实际推进过程中，盾构姿态是变化的动态过程。在模型中，假设推力与管片作用角度发生1°、2°的变化，模拟管片受力，分析管片的力学形态。

    盾构姿态变化时管片受力分析,  在模拟盾构姿态变化时，为简化模型，假设管片只受盾构推力、注浆压力及管片自重的影响。第三章数值模拟时，假设盾构姿态为最佳状态，推进时，盾构轴线与管片轴线在同一直线上。盾构姿态发生变化时，盾构轴线与管片轴线之间不再重合。盾构姿态变化时，分析管片的应力、位移。

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      盾构推力下管片的应力、位移、变形在第三章中分析了当盾构推力为0.3MPa时，盾构姿态未发生变化时，管片的受力情况。当盾构姿态发生变化时，管片的受力情况也会发生相应的变化。现分析三组推力下管片的受力：（1）盾构推力0.3MPa，以及盾构轴线与管片轴线间存在1°、2°倾角；（2）盾构推力0.35MPa，盾构推力作用线与管片间倾角1°、2°；（3）盾构推力0.4MPa，盾构推力作用线与管片间倾角为1°、2°。(a)1°倾角（b）2°  通过对比分析，分析当盾构姿态发生变化时（推力大小的改变和作43用角度的改变），管片的受力变化。   作用在管片上的推力大小不变，在出现倾角盾构推力作用下，纵向位移相应的增大，增幅不大。图4-8的变形不是很明显，图中的实体是变形前的管片，虚轮廓显示的是管片的变形。三轴的应力也相应的增大。盾构推力不变时，随着角度的增大。

     当盾构推力为0.3MPa，出现1°，2°倾角时，管片的竖向位移总体上也是呈现先增大后减小的趋势。平均值从0.11173cm增大到0.12129cm，增大了8.6%，然后减小到0.12096cm，减小了0.27%。当推力增大为0.35MPa时，管片y向位移呈减小的趋势。与x向位移变化类似。推力为0.3MPa、0.35MPa时x向位移的平均值变化为如下表所示。方向相同，推力增大时，管片的位移总体上呈增大的趋势。推力增大无倾斜时，y向位移增加最大，推力增加0.1MPa，位移增大了52.8%。当盾构推力为0.3MPa时，随着推力倾斜角度的增大，管片y向的压应力出现先增大后减小的变化趋势，当推力增大为0.35MPa、0.4MPa时，y向压应力的变化不明显；推力当倾角不变，盾构推力增大时，管片的压应力呈现增大的变化趋势。

    盾构机发生推力大小及推进方向变化时，盾构姿态也发生了变化。记录管片纵、横向应力及位移，绘制成散点图，从中看出，盾构机姿态的变化对管片受力的影响很大。当盾构机发生推力大小的变化、方向不变时，管片的位移及纵、横向应力均会相应的增大；当盾构机在相同推力时，发生作用方向的变化时，管片的位移及应力又呈现复杂的变化，当推力较小时，管片的位移呈现先增大后减小的变化，随着推力的增大，位移又呈现逐渐减小的变化。纵向压应力的变化也呈现类似的变化规律。分析管片的位移及应力的变化规律，从以上的分析中看出，合盾构推力为0.3MPa垂直作用时，对控制管片的位移及应力是最有效的。

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