盾構管片接頭破壞類型及參數敏感性分析

張平平，楊偉超，尹榮申，鄧鍔

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盾構管片接頭破壞類型及參數敏感性分析

張平平，楊偉超，尹榮申，鄧鍔

(中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

盾構管片接頭是整環管片力學性能的薄弱部位，容易發生破壞。通過分析盾構管片接頭的受力特性、管片接頭的破壞類型以及管片內力和其影響因素之間的關系,再進行人工神經網絡敏感性分析，計算得到不同影響因素的相對重要性指數大小。研究結果表明：盾構管片接頭的破壞類型為受拉破壞；管片外徑(=54.4%)對管片最大拉應力影響最大，其次是圍巖等級(=35.3%)，隧道埋深和混凝土強度對管片最大拉應力影響較小，相對重要性指數小于6%。

盾構管片接頭；破壞類型；敏感性分析；相對重要性指數

盾構法因其快速安全的特點在城市地鐵建設過程中得到了廣泛的應用。管片是盾構法中重要的襯砌手段，而管片接頭往往是其力學性能的薄弱和關鍵環節，也是整環管片最容易出現破壞的部位。管片接頭發生破壞會導致管片整體剛度下降，影響襯砌結構的耐久性。因此，國內外學者就盾構管片的破壞類型及破壞過程進行了深入的研究。唐志成等[1]依托南京地鐵一號線工程，通過相似模型試驗對管片襯砌結構的力學行為進行分析，認為管片襯砌結構的破壞首先在拱頂或仰拱的環向接頭部位出現細小縱向裂縫，隨著荷載增加，在接近拱腰的環向接頭外側也出現細小裂縫，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，通過相似模型試驗研究了水、土壓力作用下管片的破壞形態特征，試驗結果表明管片破壞的部位最先在拱頂和拱底產生，然后接頭附近也出現裂縫，最后在水平位置偏上15°左右范圍出現壓潰破壞區域；畢湘利等[3]通過足尺靜載試驗，認為管片極限破壞特征表現為管片接頭的破壞，管片本身并未表現出明顯的破壞現象，且隨著荷載的增加，管片接縫內弧面混凝土受壓開裂。裂縫是管片發生破壞的外在特征，而管片內力超出極限承載力才是管片發生破壞的內因。影響盾構管片內力分布的因素主要包括2大類，第1類是盾構管片本身的結構及參數對其內力分布的影響[4]，第2類為盾構管片周圍土體對其內力分布的影響[5]。宋錦虎等[6]通過計算得到不同間距、不同埋深、不同土體力學參數情況下管片最大內力提高率，得知埋深和土體黏聚力對提高率影響較弱，土體內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力的各個影響因素以及管片內力隨各個參數變化規律。上述研究對于管片內力與影響因素的關系進行了一定的分析，但是對于不同影響因素組合下影響因素的敏感性分析較少。本文建立盾構管片三維有限元模型，分析不同參數影響下盾構管片接頭破壞類型及其內力分布特性，進而借助人工神經網絡敏感性分析，得到不同參數的相對重要性大小。

1 計算模型和方法

1.1 計算模型

1.1.1 三維有限元分析模型

在ABAQUS中建立盾構管片三維有限元分析模型，盾構管片、道床和圍巖采用三維實體單元模擬，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，襯砌結構內表面與道床下表面一起工作，沒有相對位移。盾構管片模型見圖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 盾構管片模型

圖2 管片接頭模型

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

1.1.2 材料參數

三維有限元計算模型中，圍巖與道床采用摩爾?庫倫屈服準則下的彈塑性本構模型，管片與螺栓采用線彈性本構模型，基本材料參數見表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的計算模型，分析不同埋深條件下盾構管片內力。

在盾構法施工中，圍巖與盾構管片之間存在較強的相互作用[9]，在自重應力場作用下，盾構管片拱頂會出現拉應力區。因此，參照文獻[10]中列出的圍巖等級條件，本文選取3種等級圍巖作為盾構管片內力影響因素。圍巖的物理力學參數取值見表2。

(a) 計算模型正面網格圖；(b) 道床?管片?圍巖網格劃分

表1 材料物理力學參數

表2 圍巖物理力學參數

盾構管片作為隧道主要承重載體，在盾構法中具有重要作用[10]。盾構法中，盾構管片主要分為小直徑盾構管片、大直徑盾構管片和超大直徑盾構管片，盾構管片類型及其參數見表2。盾構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，分析混凝土強度對管片內力的影響。

表3 盾構管片類型

綜上所述，考慮隧道埋深為淺埋，計算不同圍巖等級條件下，管片襯砌結構采用不同強度等級的混凝土時盾構管片內力。計算工況如表4所示。

表4 計算工況

1.2 人工神經網絡敏感性分析

人工神經網絡[11](Artificial neural network)是受大腦的生物學結構和功能啟發的簡化數學模型。人工神經網絡的主要優勢是可以通過分配或調整連接權重來學習，訓練和使用數據。

圖4 人工神經網絡的典型結構

人工神經網絡包含3層網絡：輸入層、隱含層和輸出層，如圖4所示。數據由輸入層逐層傳遞至輸出層，輸出層計算誤差并逐層反向傳遞，然后對神經元之間的權重和閾值進行調整，使得神經網絡趨穩定，誤差接近目標值，從而完成對網絡的訓練。

通過選取適當的數據進行訓練，人工神經網絡可以清楚地描述輸入層變量和輸出層結果之間的關系。此外，神經網絡也可以通過敏感性分析來識別哪些輸入變量對輸出結果有更大的影響。

2 分析結果

2.1 盾構管片內力分布特性及破壞類型

圖5~6為大直徑盾構管片在隧道埋深15 m處，圍巖等級為Ⅳ級條件下，管片使用C50強度等級的混凝土時盾構管片應力分布。

圖5 盾構管片拉應力

由圖5可得，盾構管片接頭呈現明顯的應力集中，管片接頭處的拉應力明顯大于其他位置的拉應力。盾構管片拉應力大致呈現出軸對稱分布，拱頂和拱腰接頭處的拉應力大于混凝土極限抗拉強度，管片接頭會發生受拉破壞，混凝土出現開裂。管片出現裂縫的位置與文獻[1]中試驗得到的位置相吻合，進一步說明了盾構管片的拱頂和拱腰處是整環管片最容易出現破壞的位置。

圖6 盾構管片剪應力

盾構管片的剪應力沿，和軸分為3個方向的分力，分別為S12，S13和S23，其中沿軸的分力S12最大，剪應力S12如圖6所示。盾構管片接頭的剪應力同樣明顯大于其他位置的剪應力，管片接頭呈現明顯的應力集中。盾構管片剪應力S12大致沿軸反對稱分布，拱頂和拱腰接頭處的剪應力小于混凝土抗剪強度標準值，管片不會發生剪切破壞。

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

2.2 不同因素下盾構管片拉應力的變化規律

圖7為盾構管片拉應力與隧道埋深、管片外徑、圍巖等級和混凝土強度之間的關系。圖7(a)為圍巖等級Ⅳ級，混凝土強度C50條件下盾構管片拉應力與隧道埋深的關系；圖7(b)為隧道埋深15 m，混凝土強度C50條件下盾構管片拉應力與圍巖等級的關系；圖7(c)為隧道埋深15 m，圍巖等級Ⅳ級條件下盾構管片拉應力與混凝土強度的關系。

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

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

根據圖7(b)可得，圍巖等級對盾構管片拉應力影響也比較大，盾構管片拉應力隨圍巖等級增加而增加。小直徑盾構隧道，管片拉應力隨圍巖等級的提高而增加不多，最多增加不超過25%；大直徑盾構隧道和超大直徑盾構隧道，管片拉應力隨圍巖等級的提高而迅速增加，最小增加超過75%。

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

以上結果表明，管片外徑和圍巖等級是盾構管片拉應力的主要影響因素，隧道埋深和混凝土強度是盾構管片拉應力的次要影響因素。

2.3 參數敏感性分析

2.3.1 人工神經網絡訓練

根據有限元分析結果，建立盾構管片最大拉應力(目標)和影響因素(輸入)的人工神經網絡模型。

一共創建了81組數據集，然后將它們進一步分為3個子集(訓練集，測試集和驗證集)，以避免模型的過度擬合[17]。85%的數據用于訓練，15%的數據用于驗證。訓練數據進一步分為訓練集(70%)和測試集(30%)。在將數據輸入ANN之前需要對數據進行預處理，使得所有輸入層變量和輸出層變量中心化和歸一化。人工神經網絡模型數據集見表4。

表4 ANN數據集

圖8顯示了數據集的訓練性能，由于測定系數值超過99%，證明了模型具有良好的預測性能，預測值和目標值具有良好的相關性。

(a) 訓練集：R=0.997 15；(b) 驗證集：R=0.994 87；(c) 測試集：R=0.994 99；(d) 數據集：R=0.995 96

2.3.2 人工神經網絡訓練

為進一步分析影響因素對盾構管片拉應力的相對重要性，使用以上訓練的數據，按照Garson[12]提出的方法計算影響因素的相對重要性指數。相對重要性指數計算公式如式(1)所示。

根據圖9可得，盾構管片拉應力影響力最大的因素是管片外徑，相對重要性指數=54.4%，其次是圍巖等級，相對重要性指數=35.3%。隧道埋深和混凝土強度對盾構管片拉應力影響最小，相對重要性指數<6.0%。

圖9 參數相對重要性指數

3 結論

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

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力大于混凝土抗拉強度，剪應力小于混凝土抗剪強度。

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

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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

國家自然科學基金青年基金資助項目(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與科研；E?mail：weic_yang@163.com

(編輯 蔣學東)