盾構(gòu)管片接頭破壞類型及參數(shù)敏感性分析

張平平，楊偉超，尹榮申，鄧鍔

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盾構(gòu)管片接頭破壞類型及參數(shù)敏感性分析

張平平，楊偉超，尹榮申，鄧鍔

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

盾構(gòu)管片接頭是整環(huán)管片力學(xué)性能的薄弱部位，容易發(fā)生破壞。通過分析盾構(gòu)管片接頭的受力特性、管片接頭的破壞類型以及管片內(nèi)力和其影響因素之間的關(guān)系,再進(jìn)行人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)敏感性分析，計(jì)算得到不同影響因素的相對(duì)重要性指數(shù)大小。研究結(jié)果表明：盾構(gòu)管片接頭的破壞類型為受拉破壞；管片外徑(=54.4%)對(duì)管片最大拉應(yīng)力影響最大，其次是圍巖等級(jí)(=35.3%)，隧道埋深和混凝土強(qiáng)度對(duì)管片最大拉應(yīng)力影響較小，相對(duì)重要性指數(shù)小于6%。

盾構(gòu)管片接頭；破壞類型；敏感性分析；相對(duì)重要性指數(shù)

盾構(gòu)法因其快速安全的特點(diǎn)在城市地鐵建設(shè)過程中得到了廣泛的應(yīng)用。管片是盾構(gòu)法中重要的襯砌手段，而管片接頭往往是其力學(xué)性能的薄弱和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是整環(huán)管片最容易出現(xiàn)破壞的部位。管片接頭發(fā)生破壞會(huì)導(dǎo)致管片整體剛度下降，影響襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性。因此，國內(nèi)外學(xué)者就盾構(gòu)管片的破壞類型及破壞過程進(jìn)行了深入的研究。唐志成等[1]依托南京地鐵一號(hào)線工程，通過相似模型試驗(yàn)對(duì)管片襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為進(jìn)行分析，認(rèn)為管片襯砌結(jié)構(gòu)的破壞首先在拱頂或仰拱的環(huán)向接頭部位出現(xiàn)細(xì)小縱向裂縫，隨著荷載增加，在接近拱腰的環(huán)向接頭外側(cè)也出現(xiàn)細(xì)小裂縫，并且裂縫寬度和長度不斷增加；楊雄[2]依托南京長江隧道工程，通過相似模型試驗(yàn)研究了水、土壓力作用下管片的破壞形態(tài)特征，試驗(yàn)結(jié)果表明管片破壞的部位最先在拱頂和拱底產(chǎn)生，然后接頭附近也出現(xiàn)裂縫，最后在水平位置偏上15°左右范圍出現(xiàn)壓潰破壞區(qū)域；畢湘利等[3]通過足尺靜載試驗(yàn)，認(rèn)為管片極限破壞特征表現(xiàn)為管片接頭的破壞，管片本身并未表現(xiàn)出明顯的破壞現(xiàn)象，且隨著荷載的增加，管片接縫內(nèi)弧面混凝土受壓開裂。裂縫是管片發(fā)生破壞的外在特征，而管片內(nèi)力超出極限承載力才是管片發(fā)生破壞的內(nèi)因。影響盾構(gòu)管片內(nèi)力分布的因素主要包括2大類，第1類是盾構(gòu)管片本身的結(jié)構(gòu)及參數(shù)對(duì)其內(nèi)力分布的影響[4]，第2類為盾構(gòu)管片周圍土體對(duì)其內(nèi)力分布的影響[5]。宋錦虎等[6]通過計(jì)算得到不同間距、不同埋深、不同土體力學(xué)參數(shù)情況下管片最大內(nèi)力提高率，得知埋深和土體黏聚力對(duì)提高率影響較弱，土體內(nèi)摩擦角的影響較為顯著。丁軍霞 等[7]從土層與襯砌兩方面分析了影響管片襯砌內(nèi)力的各個(gè)影響因素以及管片內(nèi)力隨各個(gè)參數(shù)變化規(guī)律。上述研究對(duì)于管片內(nèi)力與影響因素的關(guān)系進(jìn)行了一定的分析，但是對(duì)于不同影響因素組合下影響因素的敏感性分析較少。本文建立盾構(gòu)管片三維有限元模型，分析不同參數(shù)影響下盾構(gòu)管片接頭破壞類型及其內(nèi)力分布特性，進(jìn)而借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)敏感性分析，得到不同參數(shù)的相對(duì)重要性大小。

1 計(jì)算模型和方法

1.1 計(jì)算模型

1.1.1 三維有限元分析模型

在ABAQUS中建立盾構(gòu)管片三維有限元分析模型，盾構(gòu)管片、道床和圍巖采用三維實(shí)體單元模擬，單元類型以六面體為主。管片與管片、襯砌與圍巖之間設(shè)置接觸面，接觸屬性為硬接觸。襯砌與道床之間采用綁定約束，襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)表面與道床下表面一起工作，沒有相對(duì)位移。盾構(gòu)管片模型見圖1。

管片連接螺栓采用梁單元模擬，通過嵌入的方式將螺栓置入到管片混凝土單元中。管片接頭模型見圖2。

圖1 盾構(gòu)管片模型

圖2 管片接頭模型

道床?管片?圍巖的計(jì)算模型如圖3所示。圍巖沿隧道橫向取100 m，豎向取60 m。圍巖上表面設(shè)置自由約束，其他表面設(shè)置位移約束。模型初始應(yīng)力場只考慮自重應(yīng)力場，不計(jì)構(gòu)造應(yīng)力場的影響。除重力荷載以外，還要考慮地鐵列車荷載對(duì)盾構(gòu)管片內(nèi)力的影響。參照文獻(xiàn)[8]，取車輪靜載0作為列車荷載，0=80 kN。

1.1.2 材料參數(shù)

三維有限元計(jì)算模型中，圍巖與道床采用摩爾?庫倫屈服準(zhǔn)則下的彈塑性本構(gòu)模型，管片與螺栓采用線彈性本構(gòu)模型，基本材料參數(shù)見表1。

1.1.3 影響因素

本文僅考慮隧道埋深為淺埋的情況，建立隧道埋深分別為15，20和25 m的計(jì)算模型，分析不同埋深條件下盾構(gòu)管片內(nèi)力。

在盾構(gòu)法施工中，圍巖與盾構(gòu)管片之間存在較強(qiáng)的相互作用[9]，在自重應(yīng)力場作用下，盾構(gòu)管片拱頂會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)。因此，參照文獻(xiàn)[10]中列出的圍巖等級(jí)條件，本文選取3種等級(jí)圍巖作為盾構(gòu)管片內(nèi)力影響因素。圍巖的物理力學(xué)參數(shù)取值見表2。

(a) 計(jì)算模型正面網(wǎng)格圖；(b) 道床?管片?圍巖網(wǎng)格劃分

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

盾構(gòu)管片作為隧道主要承重載體，在盾構(gòu)法中具有重要作用[10]。盾構(gòu)法中，盾構(gòu)管片主要分為小直徑盾構(gòu)管片、大直徑盾構(gòu)管片和超大直徑盾構(gòu)管片，盾構(gòu)管片類型及其參數(shù)見表2。盾構(gòu)法施工中管片常用的混凝土為C50和C60，本文選取C50，C55和C60 3種混凝土，分析混凝土強(qiáng)度對(duì)管片內(nèi)力的影響。

表3 盾構(gòu)管片類型

綜上所述，考慮隧道埋深為淺埋，計(jì)算不同圍巖等級(jí)條件下，管片襯砌結(jié)構(gòu)采用不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土?xí)r盾構(gòu)管片內(nèi)力。計(jì)算工況如表4所示。

表4 計(jì)算工況

1.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)敏感性分析

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[11](Artificial neural network)是受大腦的生物學(xué)結(jié)構(gòu)和功能啟發(fā)的簡化數(shù)學(xué)模型。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)勢(shì)是可以通過分配或調(diào)整連接權(quán)重來學(xué)習(xí)，訓(xùn)練和使用數(shù)據(jù)。

圖4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包含3層網(wǎng)絡(luò)：輸入層、隱含層和輸出層，如圖4所示。數(shù)據(jù)由輸入層逐層傳遞至輸出層，輸出層計(jì)算誤差并逐層反向傳遞，然后對(duì)神經(jīng)元之間的權(quán)重和閾值進(jìn)行調(diào)整，使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)趨穩(wěn)定，誤差接近目標(biāo)值，從而完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。

通過選取適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以清楚地描述輸入層變量和輸出層結(jié)果之間的關(guān)系。此外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也可以通過敏感性分析來識(shí)別哪些輸入變量對(duì)輸出結(jié)果有更大的影響。

2 分析結(jié)果

2.1 盾構(gòu)管片內(nèi)力分布特性及破壞類型

圖5~6為大直徑盾構(gòu)管片在隧道埋深15 m處，圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)條件下，管片使用C50強(qiáng)度等級(jí)的混凝土?xí)r盾構(gòu)管片應(yīng)力分布。

圖5 盾構(gòu)管片拉應(yīng)力

由圖5可得，盾構(gòu)管片接頭呈現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，管片接頭處的拉應(yīng)力明顯大于其他位置的拉應(yīng)力。盾構(gòu)管片拉應(yīng)力大致呈現(xiàn)出軸對(duì)稱分布，拱頂和拱腰接頭處的拉應(yīng)力大于混凝土極限抗拉強(qiáng)度，管片接頭會(huì)發(fā)生受拉破壞，混凝土出現(xiàn)開裂。管片出現(xiàn)裂縫的位置與文獻(xiàn)[1]中試驗(yàn)得到的位置相吻合，進(jìn)一步說明了盾構(gòu)管片的拱頂和拱腰處是整環(huán)管片最容易出現(xiàn)破壞的位置。

圖6 盾構(gòu)管片剪應(yīng)力

盾構(gòu)管片的剪應(yīng)力沿，和軸分為3個(gè)方向的分力，分別為S12，S13和S23，其中沿軸的分力S12最大，剪應(yīng)力S12如圖6所示。盾構(gòu)管片接頭的剪應(yīng)力同樣明顯大于其他位置的剪應(yīng)力，管片接頭呈現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中。盾構(gòu)管片剪應(yīng)力S12大致沿軸反對(duì)稱分布，拱頂和拱腰接頭處的剪應(yīng)力小于混凝土抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，管片不會(huì)發(fā)生剪切破壞。

綜上，盾構(gòu)管片接頭呈現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，拱頂和拱腰處管片接頭拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度，剪應(yīng)力小于混凝土抗剪強(qiáng)度，管片接頭的破壞類型為受拉破壞。

2.2 不同因素下盾構(gòu)管片拉應(yīng)力的變化規(guī)律

圖7為盾構(gòu)管片拉應(yīng)力與隧道埋深、管片外徑、圍巖等級(jí)和混凝土強(qiáng)度之間的關(guān)系。圖7(a)為圍巖等級(jí)Ⅳ級(jí)，混凝土強(qiáng)度C50條件下盾構(gòu)管片拉應(yīng)力與隧道埋深的關(guān)系；圖7(b)為隧道埋深15 m，混凝土強(qiáng)度C50條件下盾構(gòu)管片拉應(yīng)力與圍巖等級(jí)的關(guān)系；圖7(c)為隧道埋深15 m，圍巖等級(jí)Ⅳ級(jí)條件下盾構(gòu)管片拉應(yīng)力與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系。

(a) 圍巖等級(jí)Ⅳ級(jí)，混凝土強(qiáng)度C50；(b) 埋深15 m，混凝土強(qiáng)度C50；(c) 埋深15 m；圍巖等級(jí)Ⅳ級(jí)

管片外徑對(duì)盾構(gòu)管片拉應(yīng)力影響較大，小直徑盾構(gòu)管片(=6 m)拉應(yīng)力最小，大直徑盾構(gòu)管片(=10 m)拉應(yīng)力最大，大直徑盾構(gòu)管片拉應(yīng)力和小直徑盾構(gòu)管片拉應(yīng)力相差較大，最小相差50%。大直徑盾構(gòu)管片拉應(yīng)力和超大直徑盾構(gòu)管片拉應(yīng)力相差不大，最大相差不超過15%。

根據(jù)圖7(b)可得，圍巖等級(jí)對(duì)盾構(gòu)管片拉應(yīng)力影響也比較大，盾構(gòu)管片拉應(yīng)力隨圍巖等級(jí)增加而增加。小直徑盾構(gòu)隧道，管片拉應(yīng)力隨圍巖等級(jí)的提高而增加不多，最多增加不超過25%；大直徑盾構(gòu)隧道和超大直徑盾構(gòu)隧道，管片拉應(yīng)力隨圍巖等級(jí)的提高而迅速增加，最小增加超過75%。

根據(jù)圖7(a)和7(c)可得，隧道埋深和混凝土強(qiáng)度對(duì)盾構(gòu)管片拉應(yīng)力影響較小。盾構(gòu)管片拉應(yīng)力隨隧道埋深的增加的變化率不超過4%，隨混凝土強(qiáng)度增加的變化率不超過6%。隧道埋深范圍內(nèi)盾構(gòu)管片拉應(yīng)力變化率較小可能與隧道的淺埋有關(guān)，混凝土強(qiáng)度范圍內(nèi)盾構(gòu)管片拉應(yīng)力變化較小也可能與高強(qiáng)混凝土有關(guān)。

以上結(jié)果表明，管片外徑和圍巖等級(jí)是盾構(gòu)管片拉應(yīng)力的主要影響因素，隧道埋深和混凝土強(qiáng)度是盾構(gòu)管片拉應(yīng)力的次要影響因素。

2.3 參數(shù)敏感性分析

2.3.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練

根據(jù)有限元分析結(jié)果，建立盾構(gòu)管片最大拉應(yīng)力(目標(biāo))和影響因素(輸入)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

一共創(chuàng)建了81組數(shù)據(jù)集，然后將它們進(jìn)一步分為3個(gè)子集(訓(xùn)練集，測試集和驗(yàn)證集)，以避免模型的過度擬合[17]。85%的數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練，15%的數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證。訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)一步分為訓(xùn)練集(70%)和測試集(30%)。在將數(shù)據(jù)輸入ANN之前需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，使得所有輸入層變量和輸出層變量中心化和歸一化。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型數(shù)據(jù)集見表4。

表4 ANN數(shù)據(jù)集

圖8顯示了數(shù)據(jù)集的訓(xùn)練性能，由于測定系數(shù)值超過99%，證明了模型具有良好的預(yù)測性能，預(yù)測值和目標(biāo)值具有良好的相關(guān)性。

(a) 訓(xùn)練集：R=0.997 15；(b) 驗(yàn)證集：R=0.994 87；(c) 測試集：R=0.994 99；(d) 數(shù)據(jù)集：R=0.995 96

2.3.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練

為進(jìn)一步分析影響因素對(duì)盾構(gòu)管片拉應(yīng)力的相對(duì)重要性，使用以上訓(xùn)練的數(shù)據(jù)，按照Garson[12]提出的方法計(jì)算影響因素的相對(duì)重要性指數(shù)。相對(duì)重要性指數(shù)計(jì)算公式如式(1)所示。

根據(jù)圖9可得，盾構(gòu)管片拉應(yīng)力影響力最大的因素是管片外徑，相對(duì)重要性指數(shù)=54.4%，其次是圍巖等級(jí)，相對(duì)重要性指數(shù)=35.3%。隧道埋深和混凝土強(qiáng)度對(duì)盾構(gòu)管片拉應(yīng)力影響最小，相對(duì)重要性指數(shù)<6.0%。

圖9 參數(shù)相對(duì)重要性指數(shù)

3 結(jié)論

1) 盾構(gòu)管片接頭部位呈現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，接頭部位的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力都比其他位置大。

2) 管片接頭的破壞類型為受拉破壞，拱頂和拱腰處管片接頭拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度，剪應(yīng)力小于混凝土抗剪強(qiáng)度。

3) 盾構(gòu)管片拉應(yīng)力影響因素的相對(duì)重要性大小關(guān)系為：管片外徑(=54.4%)＞圍巖等級(jí)(= 35.3%)＞混凝土強(qiáng)度(=5.4%)＞隧道埋深(= 4.9%)。管片外徑和圍巖等級(jí)是盾構(gòu)管片拉應(yīng)力的主要影響因素，隧道埋深和混凝土強(qiáng)度是盾構(gòu)管片拉應(yīng)力的次要影響因素。

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Failure type and parameter sensitivity analysis of shield segment joint

ZHANG Pingping, YANG Weichao, YIN Rongshen, DENG E

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

The joints of the lining structure, the weak and key parts of the mechanical properties, are the most vulnerable parts of the whole segment. In this paper, the internal force characteristics of the shield segment joint, failure type of segment joint and the relationship between the tensile stress of the shield segment and influencing factors are presented. An artificial neural network (ANN)-based sensitivity analysis was performed to obtain insight into the relative importance of the influencing factors. The results indicates that the failure type of the pipe joint is tensile failure. The diameter of shield segment and the grade of surrounding rock are the primary influencing factor with=54.4% and=35.3%, respectively. The tunnel depth and strength of concrete are the secondary influencing factors with RI less than 6%.

shield segment joint; failure type; maximum tensile stress; relative importance index

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.02.022

U455.47

A

1672 ? 7029(2019)02 ? 0450 ? 07

2018?02?26

國家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(5140826)

楊偉超(1978?)，男，河南許昌人，講師，博士，從事隧道及地下工程方面的教學(xué)與科研；E?mail：weic_yang@163.com

(編輯 蔣學(xué)東)