考虑轴力和剪切效应的盾构隧道纵向变形分析

杨成永; 马文辉; 费腾; 韩薛果; 程霖

doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20200134

考虑轴力和剪切效应的盾构隧道纵向变形分析

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200134

北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044

基金项目: 国家自然科学基金(51478032)

详细信息

作者简介:
杨成永（1966—），男，教授，博士，研究方向为桥梁与隧道工程，E-mail：chyyang@bjtu.edu.cn

中图分类号: U455
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出版历程
- 收稿日期: 2020-03-26
- 修回日期: 2020-06-03
- 网络出版日期: 2020-09-25
- 刊出日期: 2020-09-25

Analysis of Longitudinal Deformation of Shield Tunnel Structures with Consideration of Axial Force and Shear Effect

School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China

摘要

摘要:
采用傅立叶级数法研究了不同荷载作用下轴力和剪切效应对盾构隧道变形的影响. 计及剪切变形所产生的地基反力，建立了弯曲变形的控制微分方程，推导了剪切变形的计算公式；采用与既有理论解对比的方法，验证了级数解的正确性；通过对比计算，分析了截面形式、端承条件、荷载形式、长高比以及有无弹性地基对盾构隧道剪切变形的影响，剪切刚度对弯曲变形、剪切变形及内力的影响，以及装配力对弯曲变形和弯曲内力的影响. 研究结果表明：盾构隧道的剪切变形在总变形中的占比可以达到20%以上，是由于盾构隧道圆环截面的形式及较低的剪切刚度共同造成的；考虑剪切变形后，隧道的总变形是增加的，但弯曲变形及弯矩较不考虑剪切变形时要小；随剪切刚度的降低，剪切变形增大，其在总变形中的占比也增大，当剪切刚度从8 GN减小到1 GN，总变形增加了15.7%，弯曲变形及弯矩分别减小了11.7%、17.1%，剪切变形增加5.77倍，剪切变形在总变形中的占比从4.64%增加到27.17%；装配产生的轴向压力增大了隧道的弯曲变形和弯矩，但影响幅度不大，一般对挠度的影响不超过2%，对弯矩的影响不超过3%.
- 盾构隧道 /
- 纵向变形 /
- 剪切效应 /
- 轴向受力 /
- 傅立叶级数 /
- 弹性地基
Abstract:
The influence of axial force and shear effect on the longitudinal deformation of shield tunnel structures under different loads is investigated by Fourier series method. Taking into account the foundation reaction caused by shear deformation, the governing differential equation of bending deformation is derived, and a formula is proposed to calculate the shear deformation. The correctness of the Fourier series solution is verified by comparison with analytical solutions. Through comparative calculation, the main work is focused on addressing the influence of cross section, end support, type of load, ratio of length to height, and elastic foundation on the shear deformation of shield tunnel, the influence of shear rigidity on bending deformation, shear deformation and internal forces, and the influence of axial load exerted by installation of segment rings on bending deformation and bending moment. Results show that the shear deformation of shield tunnel accounts for more than 20% of the total deformation, which is caused by the form of annular section and low shear rigidity of shield tunnel. When shear deformation is counted, the whole deformation gets larger, but the bending deformation and bending moment are smaller than those without consideration of shear deformation. As shear rigidity decreases, shear deformation increases, and its proportion to the entire deformation also increases. In our case studies, when the shear rigidity decreases from 8×10⁶ to 1×10⁶ kN, the whole deformation goes up by 15.7%; the bending deformation and bending moment go down by 11.7% and 17.1%, respectively; the shear deformation increases 5.77 times; and the percentage of shear deformation to the whole deformation increases from 4.64% to 27.17%. Besides, the bending deformation and bending moment are also increased by installation-caused axial load, but the influence range is limited, often less than 2% in deflection and less than 3% in bending moment.
- shield tunnel /
- longitudinal deformation /
- shear effect /
- axial load and force /
- Fourier series /
- elastic foundation

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道岔是机车车辆从一股轨道转入或越过另一股轨道的线路设备，是铁路轨道的重要组成部分，也是线路上的薄弱环节^[1]. 轨距和轨底坡是高速道岔重要的设计技术条件，其参数的设置直接影响行车安全和行车品质. 60N钢轨在区间线路上的使用取得了成功，为提升列车过岔的平稳性和轮轨接触力学特性，在高速道岔区同样需要应用60N钢轨. 列车运行过程中，车轮始终处于动态磨损状态，对轮轨接触行为影响较大.

致谢：京沪高速铁路股份有限公司科技研究项目（京沪科研-2020-11）.

针对线路上的轨距和轨底坡参数，国内外学者做了大量的研究. 杜星等^[2]建立了LMD车轮和CHN60钢轨匹配的动力学模型，分析同一轨道在不同轨底坡条件下的动力学行为发现，轨底坡变化对列车直线运行时的平稳性、舒适性影响很大. 钱瑶等^[3]对比分析了不同轨底坡下60N钢轨和高速车轮LMA、XP55、S1002G匹配时的轮轨接触行为，匹配较优的轨底坡是1/20和1/30. 陈嵘等^[4-5]研究了我国地铁线路常用的LM型面与CHN60钢轨在不同轨距和非对称轨底坡下的轮轨接触特性，发现增大轨距和改变轨底坡可改善轮轨匹配关系. Cui等^[6]提出一种优化轮轨廓形的“正向求解法”，车辆动力学行为结果表明，轨底坡1/30、轨距1435 mm是优化后廓形的最优轨道参数. Sánchez等^[7]开发了一个严谨的测量轨距和轨底坡的程序确保测量过程的准确性. 李超等^[8]分析了转辙器区采用动态轨距加宽技术的轮轨接触作用，该技术可减轻尖轨磨耗和滚动接触疲劳. Ye等^[9]通过建立多体动力学模型，分析轨道参数对车轮磨耗的影响，发现轨道参数对车轮磨耗和脱轨安全性有较大影响. 闫正等^[10]分析了高速动车组车轮踏面和高速60N钢轨道岔断面的静态接触特性，发现适当地增大轨距和轨底坡有利于改善轮轨接触状态. 上述研究表明，改变轨距和轨底坡参数对轮轨接触行为影响较大，且现行的1/40轨底坡和1435 mm轨距往往不是最优的轨道参数，而国内的研究主要集中在区间线路或是针对CHN60钢轨道岔，因此，有必要对新型350 km/h 60N钢轨18号高速道岔的合理轨距和轨底坡展开研究.

本文根据实测LMA磨耗车轮型面和60N钢轨高速道岔关键断面，基于迹线法原理和三维非赫兹滚动接触理论，建立道岔区轮轨滚动接触模型，计算不同轨距和轨底坡下的接触几何参数和静力学指标，并与CHN60钢轨高速道岔进行对比.

1. 道岔关键断面和磨耗车轮

1.1 60N钢轨关键断面

利用CAD导出各关键断面离散数据，将尖轨和基本轨分开，并线性插值，得到如图1所示60N钢轨18号高速道岔转辙器区钢轨模型，X为沿钢轨的纵向里程坐标，Y为钢轨横坐标，Z为钢轨竖向坐标，尖轨顶宽35 mm钢轨断面位于轮载过渡段，其接触行为较为复杂，轮轨相互作用剧烈，对研究道岔区的轮轨接触行为具有代表性，因此，本文选取尖轨顶宽35 mm关键断面进行计算. 60N与CHN60钢轨高速道岔在尖轨顶宽35 mm处钢轨廓形见图2.

图 1 60N钢轨高速道岔直尖轨模型

Figure 1. 60N rail model of high-speed turnout straight switch rail

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图 2 尖轨顶宽35 mm处钢轨廓形

Figure 2. Rail profiles at 35 mm width of top surface of switch rail

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1.2 LMA磨耗车轮

跟踪记录某线路上运行的CRH2型动车组上LMA车轮型面演变^[11]，从标准LMA磨耗车轮到运营里程15万km，再到25万km，磨耗量增大较为明显，本文取这三种磨耗车轮进行分析. 车轮凹型磨耗对轮对接触具有较大影响^[12]，随着列车运营里程的增加，凹型磨耗车轮的磨耗量大致呈线性增大，如图3所示. 对磨耗车轮廓形通过三次样条函数进行插值、拟合.

图 3 不同运营里程LMA车轮型面

Figure 3. LMA wheel profile with different operating mileages

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2. 计算原理

2.1 轮轨接触几何计算原理

利用二维迹线法原理，不考虑车轮摇头角，由最小距离法搜索轮轨接触点. 接触点位置的求解有两个等价几何条件：1）轮轨接触点处轮轨垂直距离为0，非接触点轮轨垂直距离大于0；2）轮轨接触点处轮轨的轮廓线具有相同的斜率. 本文采用条件1求解轮轨接触点，再用条件2对结果加以验证.

2.2 UIC 519标准计算等效锥度

EN 15302标准^[13]中，等效锥度的计算采用轮对周期运动的假设，这个方法称之为UIC 519标准^[14]等效锥度. 自由轮对在轨道上的运动用微分方程表示为

$\ddot y + \frac{{v}^{2}}{e{r}_{0}}\text{Δ}r=0,$

(1)

式中： $y$ 为轮对在钢轨上的横向位移； $v$ 为车辆前进速度； $e$ 为接触点跨距； ${r_0}$ 为名义滚动圆半径； $\Delta r$ 为右侧和左侧车轮滚动半径差.

最后应用Klingel公式计算等效锥度 ${\gamma _e}$ ：

${\gamma _e} = 2e{r_0}{\left(\frac{{\text{π }}}{\lambda }\right)^2}$

(2)

式中： $\lambda$ 为轮对在钢轨上做正弦运动的波长，其求解见文献[14].

2.3 轮轨滚动接触力学原理

本文在接触力学部分采用Kalker的三维非赫兹滚动接触理论及其数值程序CONTACT，这是目前为止最为完善的滚动接触理论^[15]. 该理论将轮轨接触问题转化为数学规划问题，利用Bossinesq-Cerruti公式可得轮轨滚动接触离散模型为：

$\left\{ {\begin{array}{l} \underset{{p}_{Jj}}{\mathrm{min}\;C}=\dfrac{1}{2}{p}_{Ii}{A}_{IiJj}{p}_{Jj} +\\\\ \quad [({g}_{0J}-q){p}_{J{\textit{z}}}\; + ({W}_{J\tau }-{u}_{J\tau }){p}_{J\tau }]{A}_{0},\\ {p}_{J{\textit{z}}}\geqslant 0,\;\left|{p}_{J\tau }\right|\leqslant {b}_{J},　　\forall x\in {A}_{{\rm{c}}},\end{array} } \right.$

(3)

式中： $C$ 为接触问题的余能； $I、J$ 为接触斑上离散单元的编号； $i、j、{\textit{z}}$ 为 ${X}、{Y}、{Z}$ 坐标轴的方向； $\tau$ 为切向，对应 ${{XOY}}$ 平面； ${p_{Ii}}$ 为单元 $I$ 沿方向 $i$ 的接触应力； ${p}_{Jj}、{p}_{J{\textit{z}}}、{p}_{J\tau }$ 分别为单元J上沿Y轴、Z轴及方向 $\tau$ 的接触应力； ${A_{IiJj}}$ 为影响函数，表示单元J方向j上单位力引起的单元I方向i上位移； ${g_{0J}}$ 为单元J中心处轮轨变形前接触面间的法向间隙；q为渗透量； ${W_{J\tau }}$ 为单元J中心处从前时刻 $t'$ 到当前时刻t总的刚性滑动量； ${u_{J\tau }}$ 为轮轨滚动接触过程中时刻t时单元J中心处的弹性位移差； ${A_0}$ 为单元J的面积； ${b_J}$ 为是单元J中心处Coulomb极限摩擦力；x为轮轨在X轴上坐标； ${A_{\rm{c}}}$ 为接触斑内坐标集合；

车轮和尖轨的接触为异型接触，容易产生接触疲劳现象. 本文采用基于安定图模型的表面滚动接触疲劳因子预测不同工况下的轮轨表面滚动接触疲劳伤损. 轮轨接触斑中任一点的轮轨表面滚动接触疲劳系数 $f_{\rm{I}}({\text{•}})$ 定义为

$\left\{ \begin{gathered} f_{\rm{I}}(x,y) = {f_{\rm{t}}} - \frac{k}{{{p_{\textit{z}}}(x,y)}}, \\ {f_{\rm{t}}} = \frac{{\sqrt {{{({p_x}(x,y))}^2} + {{({p_y}(x,y))}^2}} }}{{{p_{\textit{z}}}(x,y)}}, \\ \end{gathered} \right.$

(4)

式中： ${f_{\rm{t}}}$ 为牵引系数； $y、{\textit{z}}$ 分别为接触斑在 ${Y}、{Z}$ 轴上坐标值； ${p_x}({\text{•}})$ 、 ${p_y}({\text{•}})$ 、 ${p_{\textit{z}}}({\text{•}})$ 分别为轮轨纵向、横向和法向接触应力； $k$ 为材料自身的剪切屈服强度，取350 MPa.

式（4）是根据赫兹接触理论得到，对于非赫兹接触问题，依据条带法，认为条带中间位置符合赫兹假设条件，从而将式（4）的应用扩展至非赫兹接触的范围，求得接触斑内任一单元的轮轨表面滚动接触疲劳系数，轮轨表面滚动接触疲劳因子定义为接触斑内滚动接触疲劳系数的最大值.

3. 计算结果与分析

3.1 轮轨接触点

轮轨几何接触是解释轮轨接触关系的基础^[4]. 利用迹线法原理计算轮轨接触点，计算参数有：轮背距1353 mm，名义滚动圆半径460 mm，轮背到名义滚动圆处水平距离为70 mm，以Y轴正向为正，轮对横移量取−12 ~ 12 mm，横移量步长取0.5 mm. 以往研究表明，加宽轨距和改变轨底坡往往能够改善轮轨匹配关系^[3-5]，因此，对轨距1433、1435、1437、1439 mm，轨底坡1/10、1/20、1/30、1/40、1/50进行计算分析.

不同轨距和轨底坡参数下的接触点分布如图4和图5所示. 由图4可见：随着轨距的变化，轮轨接触点分布存在明显的差异；随着轨距的增加，轮轨接触点更多地分布在尖轨顶部，不易发生轮缘接触；随着轨距的增大，轮轨接触点由基本轨转移到尖轨所需要的横移量增大，也即轮载过渡延后，有利于减小尖轨受力，但会增大轮载过渡时轮轨接触点的跳跃，横向不平顺增大；在相同轨距下，随着车轮的磨耗，轮轨接触点更多地分布在基本轨，轮载过渡位置延后，横向不平顺增大.

图 4 不同轨距下轮轨接触点分布

Figure 4. Distribution of wheel-rail contact points under different rail gauges

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图 5 不同轨底坡下轮轨接触点分布

Figure 5. Distribution of wheel-rail contact points under different rail cants

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由图5可见：不同轨底坡条件下，轮轨接触点的分布存在较大差异. 当轨底坡为1/10、1/20时，发生轮缘接触需要的轮对横移量最大，但和其余轨底坡相差较小；当轨底坡为1/10、1/20时，轮载过渡延后，横向不平顺增大；不同轨底坡下，发生轮载过渡时所需要的横移量最大为1/10，其次为1/20和1/30，最后为1/40和1/50.

3.2 等效锥度

等效锥度作为轮轨接触线性化指标，被广泛用于表征轮轨接触几何特征. 计算等效锥度的方法有简化法、谐波法和UIC 519法，UIC 519法采用轮对周期运动的假设，计算更准确^[16]，本文通过UIC 519标准^[14]计算等效锥度.

在不同轨距下，磨耗车轮和60N关键断面匹配时的等效锥度见图6. 增大轨距有利于减小车轮踏面的等效锥度，从而提升列车过岔的平稳性；当轨距为1439 mm时，等效锥度基本上小于0.05，横移量相同条件下，其等效锥度是轨距1435 mm时的20%左右，极大减小了车轮等效锥度，提升了列车过岔平稳性；轨距变化对运营里程为25万km车轮的等效锥度影响较小.

图 6 不同轨距下等效锥度

Figure 6. Equivalent conicity of different rail gauges

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图7为不同轨底坡和不同磨耗车轮条件下的等效锥度. 对于标准车轮和运营里程25万km车轮，1/30、1/40、1/50轨底坡条件下的等效锥度相差较小；当轨底坡为1/10、1/20，在横移量小于6 mm时，和轨底坡为1/30、1/40、1/50相比，等效锥度普遍较大，车辆过岔平稳性较差，横移量大于8 mm时，结果相反；在车轮运营里程为15万km时，1/30轨底坡条件下的等效锥度较小，列车过岔平稳性较好.

图 7 不同轨底坡下等效锥度

Figure 7. Equivalent conicity of different rail cants

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3.3 接触斑面积

相同法向轮轨力作用下，轮轨接触斑面积越大，其接触应力越小. 轮轨接触应力是影响轮轨磨耗和接触疲劳的重要因素. 利用非赫兹接触理论，计算轮轨接触斑面积和滚动接触疲劳因子，分析轨道参数取值对轮轨静力学接触行为的影响. 不同轨道参数工况下的参数取值：轴重14 t，单侧车轮轮心施加一半轴重，剪切模量82 GPa，泊松比0.28，摩擦系数0.3，划分网格单元0.2 mm × 0.2 mm，轮对横移量取0 ~ 12 mm. 选取右轮轨作为分析对象.

不同轨距和不同磨耗车轮条件下的接触斑面积如图8所示. 当横移量小于9 mm时，轨距和接触斑面积参数呈负相关，而当轮对横移量大于9 mm时，轨距和接触斑面积参数大致呈正相关；轮对横移量小于8 mm时，不同轨距条件下的轮轨接触斑面积相差较小，但当轮对横移量大于8 mm时，轨距越大，轮轨接触斑面积普遍越大；在轮对横移量大于8 mm时，轨距加宽有利于增大轮轨接触斑面积，减小轮轨接触应力.

图 8 不同轨距下接触斑面积

Figure 8. Contact spot area under different rail gauges

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不同轨底坡和不同磨耗车轮条件下的接触斑面积如图9所示. 1/10轨底坡下的轮轨接触斑面积普遍较小，且随车轮磨耗量的增大，其接触斑面积远小于其余轨底坡条件下的，说明1/10轨底坡下的轮轨接触力学性能较差，且会随着车轮磨耗变得更差. 由标准轮轨条件下，轨底坡和接触斑面积大致呈负相关. 随车轮磨耗量增大，1/30 ~ 1/50轨底坡的接触斑面积相差较小.

图 9 不同轨底坡下接触斑面积

Figure 9. Contact spot area under different rail cants

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3.4 滚动接触疲劳因子

利用式（4）计算轮轨滚动接触疲劳因子，分析轮轨在不同轨道参数下的接触疲劳现象. 不同轨道参数下的表面滚动接触疲劳因子分布如图10、11所示. 由图10可知：在轮对横移量小于7 mm时，不同轨距下的表面滚动接触疲劳因子相差较小，在横移量大于 7 mm时，增大轨距可延缓轮轨表面进入滚动接触疲劳区；车轮运营里程达到15万km，在横移量为3 ~ 7 mm时，易发生轮轨间的两点接触，导致轮轨表面材料易进入疲劳区，从而产生疲劳破坏；增大轨距有利于减少轮轨材料出现接触疲劳现象，延长轮轨服役寿命.

图 10 不同轨距下表面滚动接触疲劳因子

Figure 10. Surface rolling contact fatigue factors under different rail gauges

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图 11 不同轨底坡下表面接触疲劳因子

Figure 11. Surface contact fatigue factors under different rail cants

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由图11可知：标准轮轨条件下，轨底坡和滚动接触疲劳因子大致呈正相关；车轮磨耗导致轮轨滚动接触疲劳因子减小，原因是轮轨过渡位置延后，有利于减少尖轨磨耗，在横移量大于8 mm时，1/10和1/20轨底坡能延缓轮轨材料进入滚动接触疲劳区，但在横移量较小时，其滚动接触疲劳因子明显较大；1/10和1/20轨底坡下的轮轨滚动接触疲劳因子普遍较大，易引起轮轨材料进入滚动接触疲劳区，降低轮轨材料的使用寿命，轨底坡为1/30、1/40、1/50时，滚动接触疲劳因子相差较小.

随着车轮磨耗加深，道岔区的轮轨接触行为变得更为复杂. 运营里程15万km车轮和60N钢轨高速道岔在轨距1439 mm条件下发生轮轨两点接触时的接触斑分布如图12所示，接触斑中箭头指向表示切向应力合力的方向，箭头长短代表合力大小，滑动区轮轨表面间发生了相对滑移，黏着区轮轨间存在滑动趋势，但没有相对滑移. 由图12（a）可见，轨距1439 mm，轮对横移量5 ~ 7 mm时，发生了轮载过渡行为，随着横移量的增大，轮载更多由尖轨承载. 由图12（b）可见：在轮对横移量5 ~ 6 mm时，尖轨上存在较大的滑动区，在轮对横移量7 mm时，基本轨上存在较大的滑动区，两点接触导致了较大滑动区的存在，易导致车轮在钢轨上空转，引起道岔钢轨的磨损，从而缩短道岔区钢轨服役寿命. 需要指出的是，法向接触应力较小时同样可能存在较大滑动区，如图12中轮对横移量为5、7 mm时所示.

图 12 轮轨接触斑分布

Figure 12. Wheel-rail contact spot distribution

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3.5 60N和CHN60钢轨高速道岔轮轨接触几何对比

为对比60N和CHN60钢轨高速道岔的轮轨接触几何行为，在轨距1439 mm和轨底坡1/30、1/40、1/50条件下，计算60N、CHN60钢轨高速道岔35 mm顶宽关键断面与三种磨耗车轮的等效锥度，如图13.

图 13 等效锥度对比

Figure 13. Comparison of equivalent conicities

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由图13可知：相同轨底坡和轮对横移量条件下，相比于CHN60钢轨，60N钢轨高速道岔区的等效锥度更小，列车过岔平稳性更优；车轮运营里程达到25万km时，当车轮横移量小于5 mm时，60N钢轨高速道岔区等效锥度普遍更小，具有较好的过岔平稳性，车轮横移量大于5 mm时，60N钢轨高速道岔区等效锥度普遍更大，轮对的对中性能更好；随车轮磨耗量增加，等效锥度整体呈增加趋势.

4. 结　论

1）轨距对轮轨接触行为影响较大. 轨距加宽有利于减少轮缘接触，较大程度减小等效锥度，提升列车过岔的平稳性；轨距加宽可减小轮对横移量大于8 mm时的轮轨接触应力和表面滚动接触疲劳因子，减少轮轨材料发生接触疲劳，延长尖轨使用寿命. 轮对横移量小于8 mm时，轨距加宽对运营里程25万km车轮的接触性能影响较小.

2）轨底坡对轮轨接触行为影响较大. 标准轮轨条件下，轨底坡和接触斑面积大致呈负相关，与滚动接触疲劳因子大致呈正相关. 轨底坡为1/10和1/20时，轮载过渡位置延后，横向不平顺增大，车轮横移量小于6 mm时，等效锥度普遍较大；1/10和1/20轨底坡下的接触斑面积普遍较小，轮轨滚动接触疲劳因子普遍较大，较易引起轮轨材料进入滚动接触疲劳区，降低轮轨材料的使用寿命，且1/10轨底坡对车轮磨耗的适应性较差. 轨底坡为1/30、1/40、1/50时，轮轨接触参数相差较小，匹配性能较优.

3）和CHN60钢轨高速道岔相比，60N钢轨的等效锥度普遍更小，列车过岔平稳性更优；车轮运营里程为25万km时，当轮对横移量小于5 mm时，60N钢轨的等效锥度普遍更小，当轮对横移量大于5 mm时，结果相反.

4）车轮磨耗易引起道岔区轮轨间的两点接触，在较小轮轨法向接触应力下，接触斑上也易出现较大滑动区，导致车轮空转，引起钢轨伤损. 随车轮磨耗量增加，轮轨间等效锥度整体呈增加趋势.

致谢：京沪高速铁路股份有限公司科技研究项目（京沪科研-2020-11）的支持.

图 1 盾构隧道上的作用荷载及其沉降示意

Figure 1. Schematic of loads on a shield tunnel and its deflection

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表 1 无弹性地基时解析解与傅立叶级数解的计算结果

Table 1. Analytical and Fourier series solutions for an ordinary beam

序号	梁类型	荷载	Euler-Bernoulli梁			Timoshenko 梁
序号	梁类型	荷载	计算式	解析解计算值	级数解计算值	计算式^[10]	解析解计算值	级数解计算值
例 1	两端简支梁	满布均布荷载	${M_{\rm{c} } } = \dfrac{ { {q_0}{l^2} } }{ {\rm{8} } }$	24 025.00	24 025.00	${M_{\rm{c} } } = \dfrac{ { {q_0}{l^2} } }{ {\rm{8} } }$	24 025.00	24 025.00
例 1	两端简支梁	满布均布荷载	${w_{\rm{c} } } = \dfrac{ {5{q_0}{l^4} } }{ {384EI} }$	120.250 00	120.250 00	${w_{\rm{c}}} = \dfrac{{5{q_0}{l^4}}}{{384EI}} + \dfrac{{{M_{\rm{c}}}}}{{\eta GA}}$	126.256 00	126.256 00
例 2	两端简支梁	跨中集中荷载	${M_{\rm{c} } } = \dfrac{ {Pl} }{ {\rm{4} } }$	15 500.00	15 484.30	${M_{\rm{c} } } = \dfrac{ {Pl} }{ {\rm{4} } }$	15 500.00	15 484.30
例 2	两端简支梁	跨中集中荷载	${w_{\rm{c}}} = \dfrac{{P{l^3}}}{{48EI}}$	62.064 60	62.064 30	${w_{\rm{c}}} = \dfrac{{P{l^3}}}{{48EI}} + \dfrac{{{M_{\rm{c}}}}}{{\eta GA}}$	65.939 60	65.935 40
例 3	两端固支梁	满布均布荷载	${M_{\rm{c} } } = \dfrac{ { {q_0}{l^2} } }{ { {\rm{24} } } }$	8 008.33	8 008.33	${M_{\rm{c} } } = \dfrac{ { {q_0}{l^2} } }{ { {\rm{24} } } }$	8 008.33	8 008.33
例 3	两端固支梁	满布均布荷载	${w_{\rm{c} } } = \dfrac{ {{q_0}{l^4} } }{ {384EI} }$	24.050 00	24.050 00	${w_{\rm{c}}} = \dfrac{{{q_0}{l^4}}}{{384EI}} + \dfrac{{{\rm{3}}{M_{\rm{c}}}}}{{\eta GA}}$	30.056 30	30.056 30
例 4	两端固支梁	跨中集中荷载	${M_{\rm{c} } } = \dfrac{ {Pl} }{ {\rm{8} } }$	7 750.00	7 734.34	${M_{\rm{c} } } = \dfrac{ {Pl} }{ {\rm{8} } }$	7 750.00	7 734.34
例 4	两端固支梁	跨中集中荷载	${w_{\rm{c} } } = \dfrac{ {P{l^3} } }{ {192EI} }$	15.516 10	15.516 10	${w_{\rm{c}}} = \dfrac{{P{l^3}}}{{192EI}} + \dfrac{{2{M_{\rm{c}}}}}{{\eta GA}}$	19.391 10	19.387 20

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表 2 有弹性地基时解析解与傅立叶级数解的计算结果

Table 2. Analytical and Fourier series solutions for a beam on elastic foundation

序号	梁类型	荷载	计算式^[5]	解析解计算值	级数解计算值
例 5	无限长梁	跨中局部均布荷载	${M_{\rm{c} } } = \dfrac{ {q_{1} } }{ {2{\lambda ^2} } }{ {\rm{e} }^{ - \lambda c} }\sin \lambda c$	2 655.02	2 655.06
例 5	无限长梁	跨中局部均布荷载	${w_{\rm{c} } } = \dfrac{ {q_{1} } }{ {KD} }(1 - { {\rm{e} }^{ - \lambda c} }\cos \lambda c)$	5.184 58	5.184 06
例 6	有限长梁，两端自由	跨中集中荷载	${M_{\rm{c} } } = \dfrac{P}{ { {\rm{4} }\lambda } }\dfrac{ {\cosh \lambda L - \cos \lambda L} }{ {\sinh \lambda L + \sin \lambda L} }$	3 946.29	3 930.62
			${w_{\rm{c} } } = \dfrac{ {P\lambda } }{ { { {2KD} } } }\dfrac{ {\cosh \lambda L + \cos \lambda L + 2} }{ {\sinh \lambda L + \sin \lambda L} }$	5.760 30	5.760 28
			${w_{\rm{d}}} = \dfrac{{{\rm{2}}P\lambda }}{{{{KD}}}}\dfrac{{\cosh \dfrac{{\lambda L}}{{\rm{2}}}\cos \dfrac{{\lambda L}}{{\rm{2}}}}}{{\sinh \lambda L + \sin \lambda L}}$	−1.335 42 （向上）	−1.335 36 （向上）
例 7	无限长梁	跨中集中荷载及轴向压力	${M_{\rm{c} } } = \dfrac{P}{ {\rm{4} } } \times \dfrac{1}{\alpha }$	3 795.20	3 756.09
例 7	无限长梁	跨中集中荷载及轴向压力	${w_{\rm{c} } } = \dfrac{P}{ {2KD} } \times \dfrac{ { {\lambda ^2} } }{\alpha }$	5.388 83	5.388 27
例 8	有限长梁，两端简支	满布均布荷载及轴向压力	${M_{\rm{c} } } = \dfrac{ {EI{q_0} } }{ { { {KD} } } }\dfrac{1}{ {2\alpha \beta (\cosh \alpha L + \cos \beta L)} }\; \times$ $\left\{ {2\alpha \beta \left[ {2({\alpha ^2} - {\beta ^2})\cosh \dfrac{{\alpha L}}{2}\cos \dfrac{{\beta L}}{2} + 4\alpha \beta \sinh \dfrac{{\alpha L}}{2}\sin \dfrac{{\beta L}}{2}} \right] + } \right.$ $\left. {({\alpha ^2} - {\beta ^2})\left[ {2({\alpha ^2} - {\beta ^2})\sinh \dfrac{ {\alpha L} }{2}\sin \dfrac{ {\beta L} }{2} - 4\alpha \beta \cosh \dfrac{ {\alpha L} }{2}\cos \dfrac{ {\beta L} }{2} } \right]} \right\}$	1 294.74	1 294.74
例 8	有限长梁，两端简支	满布均布荷载及轴向压力	${w_{\rm{c}}} = \dfrac{{q_0}}{{KD}}\left\{ {1 - \dfrac{1}{{2\alpha \beta (\cosh \alpha L + \cos \beta L)}} \times } \right.$ $\left. {\left[ {4\alpha \beta \cosh \dfrac{{\alpha L}}{2}\cos \dfrac{{\beta L}}{2} + {\rm{2}}({\alpha ^2} - {\beta ^2})\sinh \dfrac{{\alpha L}}{2}\sin \dfrac{{\beta L}}{2}} \right]} \right\}$	9.130 38	9.130 38
注： $\lambda = \sqrt[\uproot{10}{\scriptstyle{4}}]{{\dfrac{{KD}}{{4EI}}}}$ ； $\alpha = \sqrt {{\lambda ^2} + \dfrac{N}{{4EI}}}$ ； $\beta = \sqrt {{\lambda ^2} - \dfrac{N}{{4EI}}}$ .

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表 3 截面形式对比计算结果

Table 3. Comparison between circular and annular cross sections

算例	端承条件	荷载形式	截面形式	中点弯曲挠度/mm	中点剪切挠度/mm	总挠度/mm	剪切挠度与总挠度之比/%
1	两端简支	满布均布荷载	圆截面	3.844 320	0.063 050	3.907 370	1.61
2	两端简支	满布均布荷载	圆环截面	10.097 400	0.495 100	10.592 500	4.67
3	两端固支	集中荷载	圆截面	0.496 042	0.040 675	0.536 717	7.58
4	两端固支	集中荷载	圆环截面	1.302 890	0.319 440	1.622 330	19.69

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表 4 盾构隧道弯曲变形和剪切变形的计算结果

Table 4. Bending and shear deformations of shield tunnels

端承条件	荷载形式	l/D	中点弯曲变形/mm	中点剪切变形/mm	总变形/mm	剪切变形与总变形之比/%
两端自由	土层位移荷载	10	4.550 13	0.460 413	5.010 54	9.19
两端自由	集中荷载	10	5.431 39	0.945 282	6.376 67	14.82
两端简支	满布均布荷载	10	8.660 22	0.309 989	8.970 21	3.46
	土层位移荷载		4.489 47	0.428 843	4.918 31	8.72
	集中荷载		5.338 90	0.897 159	6.236 06	14.39
两端固支	满布均布荷载	10	5.766 36	1.654 450	7.420 81	22.29
	土层位移荷载		3.652 47	0.817 705	4.470 18	18.29
	集中荷载		4.499 62	1.287 080	5.786 70	22.24
无限长梁	土层位移荷载	10	4.303 52	0.416 186	4.719 71	8.82
无限长梁	集中荷载	10	5.139 85	0.882 564	6.022 41	14.65
两端自由	集中荷载	20	5.131 45	0.894 990	6.026 44	14.85
两端自由	集中荷载	30	5.129 50	0.891 378	6.020 88	14.80
两端简支	集中荷载	20	5.127 17	0.895 665	6.022 84	14.87
两端简支	集中荷载	30	5.129 44	0.891 370	6.02 0 81	14.80
两端固支	集中荷载	15	5.090 32	0.921 379	6.011 70	15.33
		20	5.156 69	0.862 406	6.019 10	14.33
		30	5.131 48	0.889 306	6.020 79	14.77

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表 5 无弹性地基时弯曲变形和剪切变形的计算结果

Table 5. Bending and shear deformations of a shield tunnel as an ordinary beam without elastic foundation

端承条件	荷载形式	中点弯曲变形/mm	中点剪切变形/mm	总变形/mm	剪切变形与总变形之比/%
两端简支	满布均布荷载	120.250 00	6.006 25	126.256 00	4.76
两端简支	集中荷载	62.064 30	3.871 07	65.935 40	5.87
两端固支	满布均布荷载	24.050 00	6.006 25	30.056 30	19.98
两端固支	集中荷载	15.516 10	3.871 07	19.387 20	19.97

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表 6 盾构隧道剪切刚度对变形影响的计算结果

Table 6. Influence of shear rigidity of a shield tunnel on its deformation

剪切刚度/MN	中点弯曲变形/mm	中点剪切变形/mm	总变形/mm	剪切变形与总变形之比/%	中点弯矩/(kN•m)
∞	4.472 68	0	4.472 68	0	1 807.01
8 000	4.386 15	0.213 643	4.599 79	4.64	1 752.17
4 000	4.303 52	0.416 186	4.719 71	8.82	1 700.96
2 000	4.148 76	0.791 742	4.940 50	16.03	1 607.98
1 000	3.874 60	1.445 400	5.320 00	27.17	1 452.24

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表 7 盾构隧道装配轴力对变形影响的计算结果

Table 7. Influence of installation caused axial force of a shield tunnel on its deformation

轴向压力/MN	中点变形/mm	挠度较无轴力时增加的幅度/%	中点弯矩/（kN•m）	弯矩较无轴力时增加的幅度/%
0	6.505 34	0	1 909.40	0
10	6.525 95	0.32	1 919.77	0.54
20	6.546 78	0.64	1 930.27	1.09
40	6.589 10	1.29	1 951.64	2.21

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