盾构穿越风井施工关键技术及应用：力学计算结果

1）内衬墙内力计算结果

内衬墙的模型示意如图5-15所示。

图5-15　内衬墙示意图

盾构破井前，内衬墙的内力计算结果如图5-16～图5-19所示。

由图可知，盾构破井前，内衬墙整体内力较小，仅在顶冠梁和三道环梁部位内力较大，环向轴力最大值分布在顶冠梁和第一道环梁部位，最大值为952kN；竖向轴力最大值分布在顶冠梁部位，最大值为563kN；竖向最大正负弯矩分布在顶冠梁和第一道环梁部位，最大正弯矩为131kN·m；最大负弯矩为84.5kN·m；环向最大正负弯矩分布在环梁部位，最大正弯矩为21.4kN·m，最大负弯矩为132kN·m。

图5-16　盾构破井前环向轴力

图5-17　盾构破井前竖向轴力

图5-18　盾构破井前环向弯矩

图5-19　盾构破井前竖向弯矩

盾构破井时，内衬墙的内力计算结果如图5-20～图5-23所示。

图5-20　盾构破井时环向轴力

图5-21　盾构破井时竖向轴力

图5-22　盾构破井时环向弯矩

图5-23　盾构破井时竖向弯矩

由图可知，盾构破井时，内衬墙在底板部位的环向和竖向轴力较大，最大环向轴力为2754kN，最大竖向轴力为1367kN；竖向最大正负弯矩分布在底板和第三道环梁部位，最大正弯矩为200kN·m，最大负弯矩为69.3kN·m，环向最大正弯矩较小，最大负弯矩分布在环梁部位，为194kN·m。

考虑风塔荷载和内部结构的作用后，内衬墙的内力计算结果如图5-24～图5-27所示。

由图可知，考虑风塔荷载和内部结构的作用后，内衬墙在顶冠梁部位的环向受拉轴力较大，最大值为1319kN；靠近内衬墙底板部位环向受压轴力较大，最大值为2849kN；最大竖向轴力主要分布在内衬墙顶部，最大竖向轴力为3681kN；竖向最大正负弯矩分布在内衬墙底板部位，最大正弯矩为179kN·m，最大负弯矩为129kN·m；环向最大正弯矩分布在内衬墙顶部，最大值为94kN·m，最大正弯矩分布在底板部位，最大值为219kN·m。

图5-24　风塔荷载作用时环向轴力　

图5-25　风塔荷载作用时竖向轴力

图5-26　风塔荷载作用时环向弯矩　

图5-27　风塔荷载作用时竖向弯矩

内衬墙的最大弯矩见表5-3。

表5-3　内衬墙的最大弯矩

从表5-3中可看出：内衬墙的竖向最大正弯矩为334kN·m，竖向最大负弯矩为1014kN·m，环向最大正弯矩为195kN·m，环向最大负弯矩为966kN·m，均为风塔荷载作用后的最大值。

内衬墙沿纵深方向的环向和竖向弯矩如图5-28和图5-29所示。

由图可知，考虑风塔荷载和内部结构后，内衬墙底板的受力较大，盾构向最大正弯矩为334kN·m，最大负弯矩为1014kN·m，分布在盾构隧道周边；垂直盾构向最大正弯矩为195kN·m，最大负弯矩为966kN·m，主要分布在盾构区域的中心部位，垂直盾构向最大轴力为12510kN，盾构向最大轴力为1782kN。其云图如图5-30和图5-31所示。

图5-28　沿纵深方向竖向弯矩包络图　

图5-29　沿纵深方向环向弯矩包络图

图5-30　底板弯矩云图

图5-31　底板轴力云图

2）冠梁和环梁受力计算结果

冠梁和环梁的位置如图5-32所示。

图5-32　冠梁和环梁位置图

（1）冠梁受力分析。冠梁竖向和环向弯矩随整个施工分布步的变化曲线，如图5-33和图5-34所示。由曲线图可看出：竖向和环向弯矩均在风塔荷载作用后内力达到最大值。

图5-33　竖向弯矩随施工过程变化曲线

图5-34　环向弯矩随施工过程变化曲线

冠梁轴力随施工过程变化如图5-35所示。

图5-35　冠梁轴力随施工过程变化

由图可知，从风井破洞前到风塔荷载施作后，冠梁的内力变化较大，其环向轴力：破洞前最大轴力为41kN，盾构出洞后为116kN，风塔荷载施作后为365kN。

冠梁剪力随施工过程变化如图5-36所示。

图5-36　冠梁剪力随施工过程变化

由图可知，破洞前最大剪力为62kN，盾构出洞后最大剪力为101kN，风塔荷载作用后最大正向剪力为112kN，最大负向剪力为193kN。

冠梁竖向和环向弯矩随施工过程变化如图5-37和图5-38所示。

图5-37　冠梁竖向弯矩随施工过程变化

图5-38　冠梁环向弯矩随施工过程变化(www.xing528.com)

由图可知，破洞前和出洞后的竖向弯矩变化不大，最大正弯矩接近41kN·m，风塔荷载作用后最大正弯矩为57kN·m。其环向弯矩：破洞前最大正弯矩为37.9kN·m，最大负弯矩为52.4kN·m，破洞后最大正弯矩为479kN·m，最大负弯矩为620kN·m，风塔荷载作用后最大正弯矩为702kN·m，最大负弯矩为1137kN·m。

（2）第一道环梁受力分析。第一道环梁环向和竖向弯矩随整个施工分布步的变化曲线如图5-39和图5-40所示。从曲线可看出：环向和竖向弯矩均在风塔荷载作用后内力达到最大值。

第一道梁轴力随施工过程变化如图5-41所示。

由图可知，从风井破洞前到风塔荷载施作后，第一道环梁的内力整体变化不大。其环向轴力：破洞前最大轴力为498kN，盾构出洞后为515kN，风塔荷载施作后为601kN。

第一道环梁竖向弯矩（SM1）随施工过程变化如图5-42所示，第一道环梁环向弯矩（SM2）随施工过程变化如图5-43所示。

图5-39　竖向弯矩随施工过程变化曲线

图5-40　环向弯矩随施工过程变化曲线

图5-41　第一道梁轴力随施工过程变化

由图可知，破洞前和出洞后的竖向弯矩均不大，方向主要指向井外，最大弯矩接近7.5kN·m，风塔荷载作用后，最大正弯矩为33.5kN·m，最大负弯矩为23.2kN·m。破洞前的环向最大正弯矩为11kN·m，最大负弯矩为49kN·m，破洞后的环向最大正弯矩为64.3kN·m，最大负弯矩为111kN·m，风塔荷载作用后的最大正弯矩为93.6kN·m，最大负弯矩为134kN·m。

图5-42　第一道环梁竖向弯矩（SM1）随施工过程变化

图5-43　第一道环梁环向弯矩（SM2）随施工过程变化

（3）第二道环梁受力分析。第二道环梁环向和竖向弯矩随整个施工分布步的变化曲线如图5-44和图5-45所示。从曲线可看出：环向和竖向弯矩均在风塔荷载作用后内力达到最大值。

图5-44　竖向弯矩随施工过程变化曲线

图5－45　环向弯矩随施工过程变化曲线

第二道环梁轴力（SF1）随施工过程变化如图5-46所示。

图5-46　第二道环梁轴力（SF1）随施工过程变化

从风井破洞前到风塔荷载施作后，第二道环梁的内力整体变化不大。其环向轴力：破洞前最大轴力为952kN，盾构出洞后为959kN，风塔荷载施作后为974kN。

第二道环梁竖向弯矩（SM1）随施工过程变化如图5-47所示，第二道环梁环向弯矩（SM2）随施工过程变化如图5-48所示。

图5-47　第二道环梁竖向弯矩（SM1）随施工过程变化

图5-48　第二道环梁环向弯矩（SM2）随施工过程变化

弯矩方面：破洞前和出洞后的竖向弯矩均不大，最大正弯矩接近5.0kN·m，最大负弯矩不到25kN·m，风塔荷载作用后，最大正弯矩为18.9kN·m，最大负弯矩为28.2kN·m。破洞前的环向最大正弯矩为4.3kN·m，最大负弯矩为97.2kN·m，破洞后的环向最大正弯矩为59.9kN·m，最大负弯矩为158kN·m，风塔荷载作用后的最大正弯矩为82.7kN·m，最大负弯矩为168kN·m。

（4）第三道环梁受力分析。第三道环梁环向和竖向弯矩随整个施工分布步的变化曲线如图5-49和图5-50所示。从曲线可看出：环向和竖向弯矩均在风塔荷载作用后内力达到最大值。

第三道环梁轴力（SF1）随施工过程变化如图5-51所示。

从风井破洞前到风塔荷载施作后，第三道环梁的内力整体变化较大。其环向轴力：破洞前最大轴力为112kN，盾构出洞后为1267kN，风塔荷载施作后为1230kN。

图5-49　竖向弯矩随施工过程变化曲线

图5-50　环向弯矩随施工过程变化曲线

图5-51　第三道环梁轴力（SF1）随施工过程变化

第三道环梁竖向弯矩（SM1）随施工过程变化如图5-52所示，第三道环梁环向弯矩（SM2）随施工过程变化如图5-53所示。

图5-52　第三道环梁竖向弯矩（SM1）随施工过程变化

图5-53　第三道环梁环向弯矩（SM2）随施工过程变化

弯矩方面：竖向弯矩均不大，以指向洞内侧为主。破洞前最大负弯矩接近84.5kN·m，破洞后最大负弯矩接近69.3kN·m，风塔荷载作用后，最大负弯矩接近69.0kN·m。环向弯矩也以指向洞内侧为主。破洞前最大负弯矩接近132kN·m，破洞后最大负弯矩接近194kN·m，风塔荷载作用后，最大负弯矩接近198kN·m。

3）地连墙内力计算结果

地连墙在不同施工步下的最大弯矩值见表5-4。从表中可看出：地连墙的竖向最大正弯矩、环向最大正弯矩、环向最大负弯矩均为风塔荷载作用后的最大值分别为1115kN·m、702kN·m、1137kN·m，竖向最大负弯矩为939kN·m，为盾构破洞后出现的。

表5-4　地连墙的最大弯矩

地连墙沿风井纵深方向的竖向和环向弯矩的包络图如图5-54和图5-55所示。

图5-54　沿纵深方向竖向弯矩包络图

图5-55　沿纵深方向环向弯矩包络图

风塔荷载作用后地连墙位移云图、地连墙环向轴力云图、地连墙竖向轴力云图、地连墙竖向弯矩云图及地连墙环向弯矩分别如图5-56～图5-60所示。

由图可知，风塔荷载作用后地连墙最大位移为6.16mm，主要分布在盾构区域；最大环向轴力主要分布在盾构隧洞上下两端，最大轴力为6615kN；竖向轴力主要分布在地连墙底部，最大轴力为5379kN；最大竖向弯矩主要分布在盾构隧道的上方区域，最大正弯矩为1115kN·m，最大负弯矩925kN·m；最大环向弯矩主要分布在盾构隧道的拱腰和顶部区域，最大正弯矩为702kN·m，最大负弯矩为1137kN·m。

图5-56　风塔荷载作用后地连墙位移云图

图5-57　风塔荷载作用后地连墙环向轴力云图

图5-58　风塔荷载作用后地连墙竖向轴力云图

图5-59　风塔荷载作用后地连墙竖向弯矩云图

图5-60　风塔荷载作用后地连墙环向弯矩云图