曲線頂管頂進管節應力特征試驗研究

張斌梁，王翔宇，高海東，劉應亮，范旭陽，汪國賢

(1.中鐵十八局集團有限公司，天津　300222；2.中國地質大學(武漢)，武漢　430074)

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曲線頂管頂進管節應力特征試驗研究

張斌梁1，王翔宇2，高海東1，劉應亮1，范旭陽1，汪國賢1

(1.中鐵十八局集團有限公司，天津300222；2.中國地質大學(武漢)，武漢430074)

摘要：拱北隧道暗挖段綜合考慮周圍建筑和地質條件等因素，采用曲線頂管管幕施工工法施工。由于曲線頂進方式，管節應力特征較之于普通直線頂管有所不同。加之暗挖段工程頂管管節接頭構造特殊，更加大管節應力分布的復雜性。依托中國地質大學(武漢)非開挖工程實驗室所研發鋼頂管管節應力試驗系統，模擬拱北隧道管幕曲線頂管頂進實驗，研究管節應力與頂力大小的規律。結果表明：管節應力與頂力正相關的現象，應力在監測斷面內水平位置兩側出現應力集中，管道軸線方向應力集中存在接頭附近。

關鍵詞：拱北隧道；曲線頂管；管節應力；模擬試驗

1概述

港珠澳大橋珠海連接線工程是港珠澳大橋的關鍵組成部分，連接了港珠澳大橋海中橋隧的主體工程。拱北隧道為港珠澳大橋珠海連接線的控制工程。該工程暗挖段下穿拱北口岸，周圍地表建筑密集且安全級別較高，且需要穿越高壓縮性、高觸變性、高靈敏度、高含水量、大孔隙比、低強度的軟土地層?？紤]到施工環境的敏感性和地質條件的復雜性，設計采用了雙層管幕暗挖法通過該限定區域。暗挖段長255 m，由緩和曲線段和圓曲線段組成。采用36根直徑1 620 mm管幕均勻布置在隧道周圍提供超前支護[1]。

拱北隧道暗挖段管幕施工采用曲線頂管技術[2-4]。頂進過程中的管節應力特征不同于直線頂管。加之設計中管節的局部加筋構造，更加大了管節應力分布的復雜性。因此，對曲線頂管頂進過程中管節應力特征的研究也就顯得尤為重要。

目前對于頂管管節應力的分析主要采用理論模型分析、現場監測分析和數值模擬分析[5-12]。為更有效而直觀地獲得曲線頂管頂進力作用下管節應力特征，本文依托中國地質大學(武漢)非開挖實驗室研發的一套室內鋼頂管管節應力試驗系統，模擬了拱北隧道曲線管幕頂管施工，系統研究了該工程中的管節應力與頂力大小的關系及其分布特征。

2頂管試驗系統及測點布置

本試驗采用的鋼頂管管節應力試驗系統如圖1所示，由MTS加載系統、試驗管節以及應變監測系統3個子系統組成。MTS加載系統能夠按照試驗需要提供特定的頂推力，最大可輸出1 000 kN頂力。反力由剪力墻和反力支架提供。試驗管節為3節長2.2 m，直徑1.62 m，壁厚2 cm的Q235鋼管，結構與現場采用的管節一致，僅長度方面由4 m縮短為2.2 m。管節之間采用承插接頭，管端設加筋構造，接觸面安裝4塊木墊片。

圖1　室內頂模擬試驗系統

應變監測系統采用雙向應變花作為應變傳感器，利用電阻式應變儀在頂推過程中實時監測試驗管節測點位置的軸向應力與環向應變。本頂管應力試驗系統采用楔塊造斜方法造斜。根據墊片厚度差可使水平方向上管節造斜角度為0.18°。頂推力荷載采用分級線性遞增的方式施加，每級增加200 kN，直到800 kN。

應變監測斷面布置如圖2所示，共設置8個監測斷面，依次編號為1～8，每個接頭兩側各有2個斷面。1、2斷面距離接頭1分別為500 mm和330 mm，3、4斷面距離接頭1分別為230 mm和400 mm，5～8斷面距接頭2距離與1～4斷面相同。為簡化描述，取頂推方向左側水平位置為0°，右側為270°，如圖3所示，以順時針按角度定位同一斷面不同測點。

圖2　頂管管道監測斷面示意

3試驗結果及分析

管節材料為Q235鋼材，彈性模量E取210 GPa；泊松比 取0.30，以管壁環向為x軸，軸線為y軸，徑向為z軸建立坐標系，根據廣義胡克定律式(1)將應變監測值換算為對應軸向與環向應力值。管道環向和軸向應力如圖3所示。

(1)

圖3　管道軸向和環向應力示意

式中，E為管節彈性模量，MPa；μ為管材泊松比；σx、σy分別為管節軸向、環向應力，MPa；εx、εy分別為管節軸向、環向應變。

各級荷載的保持階段屬于靜態加載過程，管節應力很快趨于穩定。試驗所測得最大應力遠小于鋼材屈服極限200 MPa。因此，試驗過程中管節處于彈性變形階段。

(1)頂力與管節應力大小關系

接頭1附近(1、2、3、4斷面)大部分測點軸向應力和環向應力均隨著頂力增大而增大，部分呈現出一定線性特征。這與管材在試驗中處于彈性階段的分析一致。以斷面2為例，該斷面各測點應力隨頂力增大的變化情況如圖4和圖5所示。從圖4、圖5可以看出，除90°、126°和270°的3個測點外，其余測點的應力值均隨著頂力增大而增大。在靠近0°或180°的位置上應力-頂力曲線近似于一條直線。其余斷面上大部分測點應力隨頂力增大而增大，但曲線斜率整體上沒有明顯規律性。

圖4　斷面2軸向應力與頂力曲線

圖5　斷面2環向應力與頂力曲線

(2)斷面應力分布規律

在相同頂力作用條件下，管節同一監測斷面內接頭1附近斷面的測點應力均在左右兩側木墊片覆蓋的區域出現應力最大值；90°和270°附近區域則出現應力最小值。隨著頂力增大，大小分異愈發明顯。這是由于本試驗采用楔塊造斜，不同厚度墊片使得管節接頭頂部與底部由于出現一定縫隙，從而導致了0°與180°附近區域受到木墊片擠壓，應力較大，而90°與270°附近區域則由于未受到完全擠壓，應力較小。此外，在接頭2附近(5、6、7、8斷面)應力重新分布，變得更加均勻，沒有明顯的大小分異現象。

如圖6和圖7所示，以600 kN頂力作用下各監測斷面內軸向應力分布為例，接頭1附近各斷面上軸向應力雖絕對大小有所不同，但均出現了左右起拱線相對較大，管頂管底相對較小的分布規律；接頭2附近的斷面測點分布則較為均勻。

圖6　600 kN頂力接頭1軸向應力分布曲線

(3)沿軸線方向應力分布規律

在同一頂力作用下，接頭1附近斷面左右起拱線附近位置的應力在距離接頭200～300 mm區域有明顯集中，其余位置應力則無明顯集中現象。同時，接頭2附近應力分布大部分處于較均勻的狀態。如圖8和圖9所示，以600 kN作用下管節軸向應力沿管道軸線分布為例，接頭1附近斷面的0°、144°、180°、216°位置的應力在距離接頭200～300 mm區域有明顯應力集中。接頭2附近斷面的應力集中現象減弱，規律性不明顯。

圖7　600 kN頂力接頭2軸向應力分布曲線

圖8　600 kN頂力接頭1應力軸向分布曲線

圖9　600 kN頂力接頭2應力軸向分布曲線

4結論

本文依托頂管管節應力試驗系統，對曲線頂管管節應力分布特征進行了一系列試驗研究。研究結論如下。

(1)試驗過程中管節測得最大應力遠小于管節彈性極限，處于彈性變形狀態。管節在同一位置、同一頂力作用下，軸向受壓，環向受拉，符合本試驗中管節僅受頂力的特點。

(2)鋼頂管管節應力與頂力的關系總體上成正相關。同一斷面上管節應力分布受木墊片造斜影響較大。在完全壓緊的左右起拱線附近管節應力較大，墊片未完全壓緊的管頂和管底應力較小。而接頭2附近應力則出現重分布而較為均勻。

(3)由于管節接頭偏轉，沿管道軸線方向應力在接頭1附近左右起拱線周圍出現明顯應力集中，隨著距離增加，接頭2應力集中不明顯。

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[12]馬保松，D.stein，蔣國盛，等.頂管和微型隧道技術[M].北京:人民交通出版社，2004.

Experimental Study on Pipe Stress Characteristics of Curved Pipe-jacking

ZHANG Bin-liang1， WANG Xiang-yu2， GAO Hai-dong1， LIU Ying-liang1， FAN Xu-yang1， WANG Guo-xian1

(1.China Railway 18 Bureau Group Co.， Ltd.， Tianjin 300222， China; 2.China University of Geosciences (Wuhan)， Wuhan， 430074， China)

Abstract：Gongbei Tunnel is constructed with curved jacking pipe roof method in comprehensive consideration of surrounding buildings and geological conditions. The pipe stress characteristic of this jacking method is different from that of linear pipe jacking due to different jacking method. Besides， the special structure of the pipe joint increases the complexity of pipe stress distribution. Based on a laboratory test system of steel pipe jacking stress produced by Trenchless Lab of CUG， a curved pipe jacking experiment is simulated for Gongbei tunnel to study the relationship between stress characteristic and thrusts magnitude. The results show that pipe stress is positively correlated to jacking force. The stress concentration of the monitored section occurs horizontally on both side of the pipe and the stress concentration is located near the pipe joint in the pipe axis direction．

Key words：Gongbei tunnel; Curved pipe jacking; Stress of pipe section; Simulation test

文章編號：1004-2954(2016)05-0095-03

收稿日期：2015-09-28； 修回日期：2015-10-13

基金項目：中國地質大學(武漢)科研開發計劃課題(2014056002)

作者簡介：張斌梁( 1967—) ，男，教授級高級工程師，E-mail:cr18gzhbl@sohu.com。

中圖分類號：U451

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.020