基于U型盾構施工的裝配式綜合管廊防水橡膠和預應力筋應力分析

周玉生， 汪 鵬

(中鐵四局集團有限公司設計研究院，安徽 合肥 230023)

0 引 言

近年來，國家大力推進城市地下綜合管廊建設，相繼出臺了一系列政策支持文件，保障地下綜合管廊建設加快實施。海口市是全國首批36個地下綜合管廊建設試點城市之一，中鐵四局在海南省海口市椰海大道西延段地下綜合管廊項目施工中，為提高裝配式綜合管廊施工效率，聯合中鐵裝備研制了一種用于兼作明挖支護的敞口式U型盾構，通過將明挖法開挖與管廊管節預制拼裝相結合,利用始發井和拼裝完成的管廊傳遞反力進行掘進，實現了明挖法管廊施工的機械化、標準化和規范化[1]。

裝配式綜合管廊采取U型盾構法施工時，管廊防水是依靠節間預應力筋拉緊防水橡膠并使其達到一定的界面應力實現的。張拉方案的確定與頂進過程中防水橡膠的應力變化直接影響管廊節間防水效果[2]，因此,有必要就張拉方案及頂進過程中防水橡膠的應力做深入研究。

1 U型盾構施工工藝

U型盾構施工工藝是協同發揮明挖法和盾構法的技術優勢，采用挖掘機明挖施工的同時，盾構機作為可移動的臨時支護向前推進，并將預制管節在盾構機開挖成形的空間內依次吊入、定位、拼裝。由于盾構機頂部是敞口的，兩側和底板的三面插板構成移動式支擋結構，所以叫U型盾構。如圖1所示，U型盾構分為刀片，盾身以及盾尾三部分。U型盾構工作時，先將管廊放置于盾構尾部，其后盾構千斤頂將管廊頂緊，盾構刀片向前切土，使用挖機將盾構所切土清除，并依靠千斤頂使盾構向前頂進，然后張拉相鄰管節間的預應力筋，松弛千斤頂并循環進行下一節管廊施工。

圖1 U型盾構施工工藝示意圖

2 管廊節間預應力筋張拉應力分析

使用三維建模軟件對預制管廊進行建模，具體尺寸根據圖2確定，其材料屬性見表1。管廊之間采用雙層防水橡膠防水，全斷面設置12個孔進行預應力筋對管廊進行張拉，壓緊防水橡膠使其達到防水效果，張拉孔布置如圖3所示，有限元實體模型如圖4所示。

圖2 管廊橫斷面圖

表1 材料屬性表

圖3 張拉孔布置示意圖

圖4 有限元實體模型

根據《城市綜合管廊工程技術規范》(GB 50838-2015)8．5．7條規定，預制拼裝綜合管廊拼縫防水應采用預制成型彈性密封墊為主要防水措施，彈性密封墊的界面應力不應低于1.5 MPa[3,4]。此界面應力由預應力筋提供，在有限元軟件中為預應力筋施加預應力時，有兩種加載方式，一種為直接施加拉力，不論預應力筋如何形變其拉力不變[5]；另一種為施加初始位移，在初始步時對預應力筋施加一定變形量，由軟件計算其變形協調并計算出各部件應力。兩種加載適用于不同情況，本文中所研究的是頂推過程中預應力筋與防水橡膠之間應力以及變形協調關系，因此采用初始位移方式給預應力筋施加預應力。

在預應力筋兩側施加初始位移荷載。初始位移荷載從3 mm開始遞增，至15 mm，由表2中結果可知，當預拉位移為7 mm時，防水橡膠最大應力為3.35 MPa，最小應力達到1.53 MPa，管廊邊界條件如圖5所示，防水橡膠應力結果如圖6所示。

表2 預拉位移與防水橡膠應力表

圖5 管廊邊界條件

圖6 管廊防水橡膠應力情況

3 后置節管廊頂推對初始節段管廊應力影響

海口市椰海西延路段地下綜合管廊項目敞口式U型盾構施工進行了首節預制管節試推。試推管節重600 kN，當頂推力達到228 kN時管廊開始平穩移動，盾構設備自重3 200 kN，當頂推力達到1 500 kN時盾構機開始平穩移動。因此，每節管廊摩擦力為228 kN，U型盾構頂推力為1 500 kN。

建立三節管廊模型，模擬第三節管廊頂推過程，如圖7所示。在第三節管廊上施加1 500 kN頂推力，并在第三節管廊底部施加摩擦力228 kN，其方向頂推力反方向，由此可算出第三節管廊頂推時，第一二兩節管廊之間預應力筋拉應力以及防水橡膠界面應力(圖8～圖10)。

圖7 第三節管廊頂推工況

圖8 第三節管廊頂推時一二節間防水橡膠應力

類似的在頂推第四節時，在第四節施加1 500 kN頂推力，并分別在第三節第四節管廊施加228 kN摩擦力，其方向與頂推力方向相反。直至第九節管廊頂推時，第一二節管廊節間預應力筋和防水橡膠不再受到影響(表3)。

表3 多節拼裝過程對第一二節管廊節間影響結果

圖9 第一節防水橡膠最小應力曲線

圖10 第一節預應力筋最大應力曲線

將第三至九節管廊頂推過程中第一二節管廊之間防水橡膠界面應力與預應力筋張拉力值進行統計，可知第三節頂推時對第一二節管廊的影響最大，頂推時防水橡膠應力從1.53 MPa增加到1.7 MPa，增加了11.1%；預應力筋應力從545.32 MPa減小到483.35 MPa，減小了11.4%。而后頂推力對第一二節間的影響逐漸減小，直至第九節后徹底無影響。

4 結 論

(1) 通過建立有限元模型，對第一二節間張拉模擬，得出防水橡膠界面應力達到滿足《城市綜合管廊工程技術規范》要求1.5 MPa時，預應力筋需預拉7 mm。

(2) 后置管節的頂推會對前置管節防水橡膠和預應力筋應力造成影響，其中防水橡膠的應力增大，因此在頂推完成后無須進行補張拉。

(3) 第三節管廊頂推時對第一二節間防水橡膠和預應力筋應力影響最大，分別為11.1%和11.4%，此后管節逐節減小直至第九節完全消失。

(4) 在實際施工過程中，管廊間頂推力和摩擦力雖然會降低預應力筋應力，但對管廊間防水橡膠的防水效果有利，實際施工過程中可不必考慮頂推力及摩擦力的負面影響。