4) Метод упругого шарнирного кольца

Поскольку кольцо щитовых туннелей состоит из нескольких сборных частей, эти части можно соединять в стыки различной формы, при необходимости скрепляя их болтами. Собранные соединения не могут иметь такую же жесткость, как монолитная железобетонная конструкция. На самом деле, стыки отдельных частей имеют не жесткий шарнир и не полный шарнир, и величина изгибающего момента, который он может выдержать, связана с жесткостью шарнира K. Внутренние силы рассчитываются путем рассмотрения кольца тюбинга как кольца упругих шарниров на стыках труб. Жесткость соединения K обычно определяется эмпирически и экспериментально. Значения внутренних сил для каждой секции могут быть получены аналитически из основной конструкции, показанной на рис. 4-3.

Рис. 4-3. Схематическая диаграмма аналитического метода решения значений внутренних сил для каждой секции

(5) Аналитический метод модели пружины-балки

Этот аналитический метод характеризуется моделированием кольца из тюбинга в виде балочной рамы (прямой или изогнутой балки), использованием вращающейся пружины и пружины сдвига для моделирования соединения тюбинга и конца кольца, соответственно, и использованием метода конечных элементов для анализа их упругих свойств для рамы и расчета поперечных сил. Этот аналитический метод является эффективным способом объяснения механизма несущей способности кольца из тюбинга.

При применении этого метода можно также рассчитать поперечные силы в случае кольцевых стыковых соединений тюбинга, двухкольцевых или трехкольцевых ступенчатых муфт и непосредственно найти поперечные силы между кольцами. Кроме того, когда постоянная величина пружины вращения соединения тюбинга равна 0, она такая же, как для многошарнирных колец; если она бесконечна, то такая же, как для равномерно жестких колец.

В последние годы многие ученые в Китае изучали проектирование тюбинга и придумали инновационные модели, чтобы компенсировать недостатки простых моделей.

(1) Трехмерная модель оболочки-пружины

Используется модель полной кольцевой футеровки, состоящая из полного кольца и двух полуколец, при этом среднее полное кольцо является целью исследования, а переднее и заднее полукольца – граничными условиями для среднего полного кольца, а также ступенчато соединенной силовой кольцевой структуры. Разработана модель конструкции под нагрузкой, а модель облицовки оболочки показана на рис. 4-4. Радиальное и тангенциальное сопротивление пласту моделируется пружинами. Учитывая, что сопротивление пласта грунта находится только под давлением, радиальная пружина напряжения на грунте автоматически отключается при ее вытягивании, а расположение блока пружин напряжения на земле показано на рис. 4-5.

Соединение тюбинга моделируется вращающейся пружиной, которая плотно размещена во всех узлах на торце соединения тюбинга. Пружина способна дополнить входной изгибающий момент, осевую силу и угол поворота кривой нелинейными параметрами. По сравнению с классической моделью пружинной балки, ее структурная форма и характер нагрузки в основном такие же, а основным прорывом является анализ распределения внутренних сил конструкции по амплитуде.

(2) Нагрузка – структурная модель оболочки-пружины – контактная модель

В модели «нагрузка – структурная модель оболочки-пружины – контактная модель» воздействие пласта на тюбинг достигается с помощью радиальных и тангенциальных фундаментных пружин. Эта модель учитывает эффект сжатия на стыках между тюбингом, перекрытие между тюбингом и болтовыми соединениями, радиальное и тангенциальное сопротивление пластов тюбинга, разницу между положительной и отрицательной изгибной жесткостью кольцевых соединений и угол вставки укупорочного блока. Он также обеспечивает условия для анализа продольной деформации, принимая во внимание механические механизмы растяжения болтов и сжатия водонепроницаемого материала в кольцевом пространстве во время продольной деформации. Этот метод может имитировать распространенный метод случайной сборки колец, как показано на рис. 4-6, и является более точным.

Рис. 4-4. Трехмерная модель оболочки-пружины

Рис. 4-5. Блок пружины напряжения грунта

Рис. 4-6. Разделение элементов тюбинга

(3) Стратиграфическая структурная модель с пружиной

Суть стратиграфической структурной модели заключается в учете влияния разгрузки напряжений в каверне после выемки грунта в исходном поле напряжений и совместной опоры породы периметра и структуры на стратиграфическое давление. Эквивалентные узловые силы вокруг отверстия извлекаются из рассчитанного поля напряжений собственного веса и дисконтируются с учетом снятия напряжений, затем прикладываются к узлам монолитных блоков вокруг отверстия и передаются на конструкцию туннеля через фундаментные блоки для достижения совместной опоры окружающей породы и конструкции. Процесс аналогичен процессу построения стратиграфической и структурной модели с использованием метода плоских конечных элементов. Разделение элементов конструкции и крепление болтов показано на рис. 4-7, 4-8.

Рис. 4-7. Положение крепления болтов

Рис. 4-8. Разделение элементов конструкции

(4) Модель оболочка-пружина с добавочным напряжением при продольной деформации Модель оболочка-пружина с добавочным напряжением при продольной деформации построена на основе конечных элементов, а для анализа дополнительных внутренних сил и деформаций в трехмерной структуре туннеля щита после возникновения продольных деформаций используется метод вынужденного перемещения. Данная модель была разработана с использованием блоков оболочки, блоков пружины сжатия, блоков пружины сдвига, блоков вращающейся пружины и блоков контакта, следуя идее модели оболочка-пружина с добавочным напряжением при продольной деформации для анализа поперечных внутренних сил щитовых туннелей.