螺栓直徑對管片錯臺的影響分析

馬珺 深圳市寶安區水務局

陳小衛 中國水利水電第七工程局有限公司

程顯皓 深圳海油工程水下技術有限公司

盾構隧道拼裝管片的錯臺一直是困擾盾構隧道施工的技術問題。錯臺引起的破裂破壞了管片結構，給隧道的防水帶來隱患，盾構隧道拼裝管片錯臺的因素很多，如管片的頂力、尺寸誤差、拼裝不當、注漿不均及盾構姿態控制等。

工程經驗表明，管片接頭的軸向剛度對于管片受力和錯臺的影響很小，本文基于單個螺栓在錯臺彈性變形發生過程中的狀態并得出相應控制變量，通過在鐵崗-石巖水庫水質保障工程隧洞施工中控制該變量，分析螺栓直徑選型對管片錯臺的影響。

1.錯臺發生過程螺栓狀態分析

盾構法隧道是由多塊預制管片拼裝而成，管片之間可以做成各種形狀的接頭，并以螺栓相連，本節研究單個螺栓在錯臺發生過程中的狀態變化，得到影響錯臺的相關參數。

（1）管片錯臺發生前。

如圖1（a）所示。由于螺栓與與螺桿孔內表面存在間隙d，當管片所受法向外力F很小時，不發生相對滑移，管片間不產生錯臺。

（2）滑動摩擦階段。

隨著法向外力逐步增大，管片間發生滑動摩擦，螺栓內的間隙逐漸減小，但滑動摩擦引起的相對位移小于螺栓間隙，螺栓不受力，螺栓與管片均未發生剪切變形。

f—管片間滑動摩擦力、W—外力做的功

（3）螺栓傳力階段。

當管片間的相對位移大于等于其內表面與螺栓間距離時，如圖1（c）所示，即螺栓碰到管片內表面，螺栓管片間的相對位移而發生剪切變形，同時管片內表面發生剪切變形。此時外力，彈性范圍內的管片相對位移。

圖1 錯臺發生過程螺栓狀態

KB—螺栓的變形剛度，KP—螺栓孔孔壁的變形剛度。

螺栓的變形剛度 由彎矩引起的彎曲變形和剪力引起的剪切變形組成。

KB—螺栓的抗彎剛度，KS—螺栓的剪切剛度。

由于螺栓孔孔壁的壓縮而導致管片與螺栓接觸部位的螺栓孔發生變形為KP。

圖2 相對位移量的力學模型

假定錯臺在彈性變形范圍內，在錯臺發生前及管片滑動摩擦階段，管片間相對位移量與螺栓拉緊力N負相關；在錯臺發生的螺栓傳力階段，外力由管片間滑動摩擦力、螺栓抗力等共同抵抗，螺栓與螺栓孔發生彎曲變形和剪切變形，在螺栓與管片材料力學性能確定的情況下，管片間相對位移量與螺栓拉緊力N、螺栓直徑D負相關。由此，在實際工程應用時，可通過改變螺栓拉緊力N、螺栓直徑D來控制管片錯臺量。

表1 環內錯臺測量結果統計

圖3 環內錯臺量發生次數統計圖

2.工程概況

鐵崗-石巖水庫位于深圳市寶安區，v因其周圍建成區密集導致入庫水質不穩定，為充分保障飲用水庫水質，水質保障工程采用“隧洞+生態庫”理念，將不滿足入庫標準的水體在生態庫調蓄，并可將水體排放至下游河道進行生態補水，保障了水庫水質安全。

其中，連通管涵工程區域內出露地層主要有奧陶系、白堊系燕山侵入巖和第四系地層，大地構造位置位于華南褶皺系的紫金-惠陽凹褶斷束中。連通管涵全長約5117.24m，為淺層排水轉輸系統，隧洞最大洪峰流量為24.5m3/s，內空尺寸為D=5.0m。采用復合式土壓平衡盾構機施工，洞內管片厚度0.3m，外徑為6.0m，管片襯砌厚度為0.3m，內襯厚0.2m，管片結構采用預制鋼筋混凝土，混凝土強度等級為C50，螺栓孔直徑30mm，緩沖材料橡膠板摩擦因數0.8。

3.管片錯臺單變量參數控制

由于在實際施工過程中，管片錯臺收到諸多因素影響，為對比螺栓直徑對管片錯臺的影響，本次對比選擇了在同一型號盾構機海瑞克S902、同一地層環境（殘積土層）下，施工過程中分別記錄了100環直徑24mm和直徑27mm的螺栓連接管片錯臺量，施工過程中嚴格執《盾構法隧道施工及驗收規范行》（GB 50446-2017）相關要求，統計基本同一作業環境下，不同螺栓直徑最大錯臺量及不同錯臺量的統計對比，得到螺栓直徑與管片錯臺存在相關影響。

連通管涵里程YPD4+657～YPD4+807，共100環，采用螺栓直徑24mm。本次拼裝質量控制參數為環內最大錯臺2mm，環間最大錯臺3mm。連通管涵里程YPD4+507～YPD4+657，共100環，采用螺栓直徑27mm。本次拼裝質量控制參數為環內最大錯臺2mm，環間最大錯臺3mm。

成型后隧道管片錯臺情況統計如表1和圖3：

現場實際施工后現場錯臺驗收結果顯示，采用直徑24mm螺栓，6mm范圍內錯臺數量為346個，占全部400個測量點的86.5%。采用直徑27mm螺栓，3mm范圍內錯臺數量為363個，占全部400個測量點的90.75%。

根據上述結果，螺栓同管片預留孔洞的間隙仍為管片錯臺的主要成因，為控制管片錯臺，應在確保螺栓通過的情況下，盡量增大螺栓直徑，以確保管片拼裝質量。但是采用大螺栓會降低管片螺栓安裝效率，對管片拼裝掘進進度有一定影響。

4.結語

本文立足于螺栓直徑對管片間相對位移進行了單個螺栓孔變形分析，并結合實際工程，得到如下結論：錯臺在螺栓及管片彈性變形范圍內時，當管片所受外力較小時，管片間相對位移量與螺栓拉緊力N負相關；隨著外力增大，外力由管片間滑動摩擦力、螺栓抗剪力等共同抵抗，在螺栓與管片材料力學性能確定的情況下，管片間相對位移量與螺栓拉緊力N、螺栓直徑D負相關。實際工程應用時，在確保螺栓拼裝可行的情況下，盡量選擇較大的螺栓直徑，可有效控制管片錯臺量。