基于工程影響的盾構(gòu)管片錯(cuò)臺(tái)因素探討

趙　京　陳雅昕　凌云鵬

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京　100055；2.北京工業(yè)大學(xué)，北京　100124)

Discussion of the Key Factors that Affect the Shield Dislocation

ZHAO Jing1　CHEN Yaxin2　LING Yunpeng1

基于工程影響的盾構(gòu)管片錯(cuò)臺(tái)因素探討

趙京1陳雅昕2凌云鵬1

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京100055；2.北京工業(yè)大學(xué)，北京100124)

Discussion of the Key Factors that Affect the Shield Dislocation

ZHAO Jing1CHEN Yaxin2LING Yunpeng1

摘要依托實(shí)際工程背景，應(yīng)用有限元軟件ANSYS模擬現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)管片受力情況，分別對(duì)盾構(gòu)錯(cuò)臺(tái)的關(guān)鍵影響因素：盾構(gòu)機(jī)頂力、盾構(gòu)螺栓半徑、盾構(gòu)管片間摩擦系數(shù)、注漿壓力進(jìn)行討論分析。

關(guān)鍵詞盾構(gòu)隧道管片受力盾構(gòu)機(jī)頂力螺栓半徑摩擦系數(shù)注漿壓力

在盾構(gòu)施工過(guò)程中，出現(xiàn)不同程度的管片破損和錯(cuò)臺(tái)是一種較常見(jiàn)的現(xiàn)象，較嚴(yán)重的破損和較大的錯(cuò)臺(tái)往往共生[1-3]。防止管片受到此類(lèi)傷害，對(duì)延長(zhǎng)隧道永久結(jié)構(gòu)的使用壽命有積極作用。但目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有對(duì)盾構(gòu)相關(guān)參數(shù)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

以“河北第一盾”曹妃甸工業(yè)區(qū)綜合管廊工程為依托，利用ansys軟件采用現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行仿真模擬，在證明模型正確的基礎(chǔ)上，分別對(duì)比分析盾構(gòu)不同頂力、不同螺栓半徑，以及不同預(yù)緊力、不同注漿壓力、不同摩擦系數(shù)等關(guān)鍵因素的影響，提出相應(yīng)的參考值。

1工程概況

唐山曹妃甸工業(yè)區(qū)跨納潮河綜合管廊工程位于一號(hào)路橋西側(cè)80 m，采用盾構(gòu)法施工，由2條平行的DN5500 mm單圓隧道構(gòu)成，建成后主要容納工業(yè)區(qū)內(nèi)通向島內(nèi)的給水、電力、排水、暖通、通信等管線。

納潮河為規(guī)劃河道，需在現(xiàn)狀地面的基礎(chǔ)上開(kāi)鑿而成。概況為：1號(hào)路為現(xiàn)狀道路，1號(hào)路西側(cè)有約80 m寬的填海區(qū)，填海區(qū)以西即為渤海。項(xiàng)目區(qū)原為淺海，現(xiàn)已填海造地，地勢(shì)平坦，隧道單線長(zhǎng)度1 046.422 m，隧道平面為直線，V形縱坡，最大坡度為4.5%，豎曲線半徑3 500 m。施工最大覆土厚度為28.2 m，最小覆土厚度5.5 m，全線穿越納潮河(如圖1所示)。區(qū)間通過(guò)的地層主要以粉砂、粉黏土、淤泥質(zhì)黏土為主。

盾構(gòu)管片設(shè)計(jì)參數(shù)：采用直線環(huán)(無(wú)楔形量)，每環(huán)管片分為一個(gè)拱底塊(TD)、兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊(TB1、TB2)、兩個(gè)鄰接塊(TL1、TL2)和一個(gè)封頂塊(TF)，共6小塊；襯砌環(huán)構(gòu)造尺寸為：內(nèi)徑5 500 mm，外徑6 200 mm，壁厚350 mm，環(huán)寬1 200 mm；襯砌環(huán)縫設(shè)置凹凸榫，由17根螺桿連接；襯砌縱縫為平縫，由12根螺桿連接；設(shè)計(jì)采用通縫拼裝，豎曲線段采用低壓石棉橡膠板襯墊調(diào)整管片姿態(tài)。

本工程中的管片無(wú)楔形量，線路坡度大，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)不易調(diào)整，且通縫拼裝的管片受力狀況不佳，在隧道施工過(guò)程中，常有管片錯(cuò)臺(tái)的現(xiàn)象發(fā)生。管片錯(cuò)臺(tái)會(huì)導(dǎo)致隧道滲水、漏漿，影響工程的使用，堵漏工作需要相當(dāng)大的投入。而本工程在海面下長(zhǎng)距離穿越，地下水豐富、且水壓較大，所以管片錯(cuò)臺(tái)是本工程重點(diǎn)防治工作之一。

圖1　隧道地質(zhì)剖面

2數(shù)值模擬

2.1　程序簡(jiǎn)介

ANSYS是一款功能強(qiáng)大的工程軟件，可以進(jìn)行靜力、動(dòng)力、溫度場(chǎng)分析，其中結(jié)構(gòu)靜力分析是最常用的一種分析。靜力分析可分為線性靜力分析和非線性靜力分析，管片是鋼筋混凝土，屬于非線性材料，因此此次分析采用非線性靜力分析。

2.2　假定條件

為了便于分析和數(shù)值模擬的實(shí)現(xiàn)，建立有限元模型之前，先做如下假設(shè)簡(jiǎn)化[4-5]:

①不考慮隧道縱坡的影響。

②忽略螺栓孔對(duì)管片剛度的影響。

③把管片環(huán)與環(huán)之間的接觸面看做一個(gè)平面，忽略接觸面處的彈性密封槽、嵌縫槽。

④注漿壓力和周?chē)馏w的重力作用，對(duì)管片分塊的作用假設(shè)均勻作用在其上面；且采用注漿壓力和周?chē)馏w壓力合算的方式，對(duì)其表面施加作用力。

⑤管片受到千斤頂頂力的均勻作用且大小保持不變，其大小采用監(jiān)測(cè)區(qū)間內(nèi)頂力的平均值。

⑥考慮到注漿漿液需要一定的時(shí)間才能凝固，而此次量測(cè)錯(cuò)臺(tái)的時(shí)間僅為20 h左右，故忽略漿液對(duì)管片的影響和周?chē)馏w對(duì)管片的摩擦作用。

⑦本次計(jì)算選取4環(huán)管片進(jìn)行計(jì)算模擬。

2.3　計(jì)算模型及物理力學(xué)參數(shù)

(1)計(jì)算模型

計(jì)算模型如圖2所示。

圖2　管片模型(整體)

(2)參數(shù)

管片各個(gè)參數(shù)如表1所示。

表1　管片參數(shù)

備注：封頂塊×1、鄰接塊×2、標(biāo)準(zhǔn)塊×2、拱底塊×1。

選用solid65實(shí)體單元進(jìn)行模擬，采用D-P模型;螺栓選用桿單元link8單元進(jìn)行模擬，并施加預(yù)緊力;管片接觸采用target170和contal73接觸單元來(lái)實(shí)現(xiàn)，接觸類(lèi)型為面一面接觸[6]。

不同管片的頂力作用(根據(jù)觀測(cè)結(jié)果取平均值后)如表2所示。

表2　管片頂力

數(shù)值模擬各單元屬性如表3所示。

表3　單元屬性

2.4　計(jì)算結(jié)果及分析

(1)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)得到計(jì)算結(jié)果如圖3～圖8所示。

圖3　管片等效應(yīng)力

圖4　管片應(yīng)變

圖5　Z方向位移

圖6　螺栓應(yīng)力

圖7　螺栓等效位移

圖8　管片錯(cuò)臺(tái)狀況

結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)接近，可進(jìn)行下一步討論。

(2)影響因素計(jì)算分析

為進(jìn)一步得到工程中各個(gè)施工因素對(duì)盾構(gòu)的影響，從不同頂力、不同覆土厚度、不同摩擦系數(shù)、不同螺栓半徑等方面進(jìn)行模擬計(jì)算分析。

不同頂力作用：

管片錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象是在管片拼裝完成后，在頂力的作用下，向后壓縮彈性密封墊，由于盾構(gòu)機(jī)千斤頂?shù)氖┝ξ恢貌辉谡行模蛊湓谌h(huán)不同位置所受頂力不同，導(dǎo)致密封墊的差異性壓縮變形，進(jìn)而致使管片間出現(xiàn)差異性的縱向位移(即錯(cuò)臺(tái))[7]。伴隨頂力的持續(xù)作用，管片隨之持續(xù)壓縮密封墊，進(jìn)而管片的錯(cuò)臺(tái)量不斷積累，從而表現(xiàn)為錯(cuò)臺(tái)總量不斷增大。但由于密封墊的壓縮性能有限，當(dāng)密封墊的壓縮變形趨于極限時(shí)，且在環(huán)向螺栓的作用下，錯(cuò)臺(tái)在達(dá)到一定程度后，一般是管片脫出盾構(gòu)機(jī)尾后，錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象將慢慢趨于停止。不同頂力作用見(jiàn)表4。

表4　不同頂力作用

通過(guò)表4數(shù)據(jù)可以得到：千斤頂頂力越大，盾構(gòu)管片的等效拉應(yīng)力越大，應(yīng)變也越大 ，但不同工況下，最大的應(yīng)力和最大等效應(yīng)力都發(fā)生在4∶30方向的第三環(huán)與第四環(huán)的環(huán)縫內(nèi)表面。千斤頂頂力越大，螺栓應(yīng)力越大，并出現(xiàn)在相同位置，均為管片的上部第二環(huán)和第三環(huán)螺栓。千斤頂頂力越大，管片最大錯(cuò)臺(tái)量越大，位置都發(fā)生在5∶00方向。

注漿壓力的影響：

為方便討論，注漿壓力分別取0.12 MPa、0.3 MPa、0.42 MPa情況下對(duì)管片的影響(如表5)。

表5　注漿壓力影響

通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)可知，注漿壓力增大，盾構(gòu)管片的等效拉應(yīng)力和應(yīng)變基本無(wú)變化，這是由于注漿壓力對(duì)管片是環(huán)向均布作用的。

比較螺栓半徑的大小：

螺栓半徑越大，其表面與管片接觸越大，相對(duì)其承受的壓強(qiáng)就越小，且其發(fā)揮的作用越充分，但是若太大，會(huì)導(dǎo)致螺栓成本上升，且管片螺栓孔位置就越大，其周?chē)芷馁|(zhì)就越少，相對(duì)孔周?chē)目估箟嚎辜舻饶芰蜁?huì)下降。因此，對(duì)于一定厚度的管片，合理的螺栓半徑選擇十分有必要(如表6)。

表6　螺栓半徑選擇

隨著螺栓半徑的增大，盾構(gòu)管片的等效應(yīng)力增長(zhǎng)，應(yīng)變?cè)龃螅畲蟮膽?yīng)力出現(xiàn)在第二環(huán)與第三環(huán)的環(huán)縫附近。螺栓應(yīng)力隨其增大而減小，塊間螺栓應(yīng)力隨其增大而減小;最大錯(cuò)臺(tái)量基本保持不變，都在45 mm左右，發(fā)生在第四環(huán)管片，點(diǎn)位都在5：00方向。這是由于隨著螺栓半徑的增大，其與管片的有效接觸面積增加，那么相對(duì)螺栓的承受應(yīng)力減小，管片承受應(yīng)力增加，導(dǎo)致以上變化。

不同摩擦系數(shù)的大小及管片彈性模量的比較：

本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的管片間的摩擦為0.2，以下分別取0.15和0.25與其進(jìn)行對(duì)比論證(如表7)。

表7　摩擦系數(shù)與應(yīng)力關(guān)系

隨著摩擦系數(shù)的增大，管片的所受有效應(yīng)力在減小，但是幅度并不大；隨著摩擦系數(shù)的增大，管片的最大錯(cuò)臺(tái)量有少量的降低，幾乎可以忽略不計(jì)，看做無(wú)影響。

3結(jié)論

千斤頂推力對(duì)等效拉應(yīng)力影響較大，最大變化差值達(dá)1 MPa，當(dāng)頂力變化66%時(shí)，對(duì)塊間螺栓應(yīng)力變化幅度達(dá)60%左右，對(duì)錯(cuò)臺(tái)影響達(dá)到55%。因此，當(dāng)遇到掘進(jìn)困難時(shí)，對(duì)調(diào)整頂進(jìn)壓力需慎重。

改變注漿壓力影響不明顯，但是過(guò)大的注漿壓力和過(guò)多的漿液會(huì)導(dǎo)致管片產(chǎn)生上浮，而過(guò)小的注漿壓力明顯不能發(fā)揮其作用，合理的注漿壓力和注漿量有利于錯(cuò)臺(tái)的減小而且還能避免管片上浮。

螺栓半徑對(duì)管片應(yīng)力影響比較大，最大變化差值達(dá)141 900 Pa，對(duì)螺栓的影響也較大，最大變化差值達(dá)592 340 Pa，說(shuō)明對(duì)螺栓有顯著的影響但對(duì)錯(cuò)臺(tái)的影響比較小。因此，從防止錯(cuò)臺(tái)的角度看，增加螺栓半徑的必要性是很低的。

通過(guò)改變摩擦系數(shù)發(fā)現(xiàn)，摩擦系數(shù)再增大已經(jīng)沒(méi)有很大影響，但實(shí)際中若把管片表面處理得過(guò)于粗糙，對(duì)于管片防水等方面的要求和相應(yīng)成本都會(huì)增加。因此，綜合考慮到成本等因素，對(duì)管片的接口進(jìn)行粗糙度處理是不經(jīng)濟(jì)的，不建議通過(guò)改變材料屬性或采取相關(guān)措施來(lái)改變摩擦系數(shù)，從而達(dá)到防治管片和螺栓破損的目的。

本文僅僅給出有限的討論參數(shù)，有待于通過(guò)大量計(jì)算求解出一系列參數(shù)，從而為今后類(lèi)似工程提供更為直觀的參考。

對(duì)于各種工況，有待進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

[1]武凡，劉洪震.大斷面泥水盾構(gòu)地表沉降控制及監(jiān)測(cè)信息反饋技術(shù)[J].鐵道勘察，2011(1)：104-107

[2]田寧. 地鐵盾構(gòu)穿越斷層施工力學(xué)響應(yīng)研究[J].鐵道勘察，2012(2):38-41

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.43

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7479(2015)03-0111-04

作者簡(jiǎn)介：第一趙京(1988—)，助理工程師，E-mail：604793140@qq.com。

收稿日期：2015-03-04