豎向頂升作用下水工隧道結構響應研究

賀回德

(江西省水利水電開發有限公司，江西 南昌 330000)

頂升排水立管的研究可以解決工程中變形較大和應力集中的問題，目前，大量的專家學者對此進行了研究。董勝憲等[1]等對頂升排水立管的施工進程作了較為詳盡的介紹；尤雪娣[2]以三門核電工程為研究對象，分析了其盾構法取水隧道施工過程中的施工工藝和工藝流程；蘇戰軍[3]以閑林水庫樞紐某泵站工程為研究對象，分析了垂直頂升法施工的經濟性和高效性；李濤[4]以江蘇常熟發電有限公司的發電工程為研究對象。闡述了垂直頂升法施工的施工過程和工藝流程；陳閩等[5]指出了垂直頂升法施工排水立管與傳統施工方法相比較，受到外界環境因素的影響小，并以某實際工程為例進行分析；余永明等[6]以上海青草沙原水過江管工程為研究對象，為了解決長盾構法隧洞施工過程中測量的問題，提出了利用垂直頂升法施工工藝；王壽生等[7]以實際工程為例，分析了垂直頂管頂力的計算方法以及頂力的組成；王云飛等[8]以上海長江隧道工程為研究對象，將垂直頂升方法利用在跨江隧道的貫通測量的實際應用中。本研究采用對比分析的方法，將監測數據和數值模擬結果進行對比，分析了在不同施工階段管片環向應力、縱縫接頭變形和環縫接頭錯臺的變化趨勢[9-10]。

1 工程概況

本文以某水工盾構隧道工程為研究對象，該工程采用盾構法施工，其中，隧道排水管采用垂直頂升法施工，排水管布置如圖1所示，共有7根排水立管，本文以③號排水立管為研究對象，對排水立管的變形進行監測和數值模擬。

1.1 監測內容

根據現場施工段的實際情況，對③號排水立管在垂直頂升法施工進行監測，由于頂升過程中排水立管主要是管片和接頭的變形，因而監測方案主要對以下內容進行監測：

(1)排水立管管口位置處以及管口附近管片的環向應變；

(2)排水立管管口位置處以及管口附近管片的張開變形；

(3)排水立管管口位置處以及管口附近管片縱向接頭位置處的錯位變形。

1.2 數值模型的建立

對圖1所示的排水管布置方案建立ABAQUS數值分析模型，排水立管管口位置處以及管口附近管片的數值模型圖如圖2所示。運用C3D8R單元模擬隧道結構，運用B31單元模擬隧道管片間的螺栓結構，對于數值分析模型中采用的參數見表1。模擬對象得到的數據參數與檢測內容相同。

圖2 數值模型圖

表1 材料參數的選取

圖1 排水管布置圖

1.3 施工階段和管片位置劃分

垂直頂升過程如圖3所示，為了便于對比監測結果和模擬結果，將監測與模擬過程依據施工方案的進程分成三個施工階段，見表2，階段1和2為排水立管豎向頂升階段以及到達設計高度階段。

圖3 垂直頂升過程

表2 施工階段劃分表

1.4 監測點布置

管片環向應變監測布置在圖4(a)所示的四個截面上，每個截面上左右兩側布置兩個監測點，如圖4(b)所示；管片環向接頭張開變形C監測布置在圖4(a)所示的O1、N1兩個截面上，每個截面設置4個監測點，如圖4(c)所示；管片縱向接頭錯開變形監測布置在圖4(d)所示的D1、D2截面上。

圖4 監測點布置圖

2 監測數據與模擬數據對比分析

2.1 管片環向應力對比研究

圖5為左側監測點管片環向應力監測結果和模擬結果對比圖，圖6為右側監測點管片環向應力監測結果和模擬結果對比圖。對于N1—N3環監測結果與模擬結果較為吻合，但O1環監測結果與模擬結果吻合性較低，尤其在P3階段，分析其原因，是由于模擬過程為靜態模擬，而O1環的P3階段為動態施工過程，因而模擬不能反映其變化效果。分析其差別，其誤差小于25%，模擬結果的變化趨勢仍然相同，所以模擬效果仍較好。

圖5 左側監測點管片環向應力

圖6 右側監測點管片環向應力

在P1階段O1環的封頂被頂出，O1環頂部此時的約束減小，因而，左側管片和右側管片監測點的環向應力減小。在P1階段由于頂力為一個變化的值，因而監測到的環向應力會不斷變化，但變化幅度較小。P1—P2階段，排水管管節被頂升至設計的高度，此時千斤頂的支撐作用消失，左右兩側的環向應力值有較小幅度的增加，管片的左右兩邊內側受到拉應力。

對比圖5和圖6，O1、N1—N3環左側和右側壓應力的變化規律在不同的施工階段表現相同，距離頂升作用點越遠，O1、N1—N3環受到的頂升作用力越小，環向應力越小，頂升作用對環向應力的影響主要分布在開口環以及臨近的兩個環作用最為明顯。

2.2 縱縫接頭變形作用

圖7為開口環(O1)縱縫接頭在P1—P3施工階段的監測數據和數值模擬結果對比分析。對比數據圖可以發現，監測數據和數值模擬結果在P1和P3階段有所不同。分析其原因，是由于模擬過程簡化為靜態施工過程，整個P1階段的受力為靜態不變的受力過程，而P3階段為動態施工過程，因而與實際監測數值有所差別。對比分析模擬結果與監測結果，在P1階段，兩結果的誤差為20.4%，在P3階段，兩結果的誤差為20.4%，總的誤差小于25%，模擬結果的變化趨勢與監測數據仍然相同，所以模擬效果仍較好，可以較好的反映現場的實際受力。

圖7(b)和(c)分別為O1-A和O1-D兩側縱縫接頭變形隨著施工階段進展的變化趨勢圖，當變形為張開變形時值大于0，當變形為閉合變形時值小于0，O1-A和O1-D變化趨勢基本一樣。在P1階段，由于O1環的封頂被頂出，O1環頂部此時的約束減小，O1-A和O1-D的變形值為負，發生了閉合變形。在P1階段，監測數據波動的原因為，在頂起過程中，管節同時被頂起，每個管節的作用力不同，所以監測數據會發生不同程度的波動。在P2階段，管節頂升的高度為設計高度，千斤頂沒有作用力，因而O1-A和O1-D的變形值為正，發生了張開變形。在P3階段，在螺栓作用下，土壓力作用恢復，O1-A和O1-D的變形值逐漸增大，發生了張開的程度不斷增大。

圖7 O1環縱縫接頭變形圖

圖7(b)和(c)分別為O1-B和O1-C兩側縱縫接頭變形隨著施工階段進展的變化趨勢圖，O1-B在P1—P3階段變形值均為負，發生了閉合變形，O1-C在P1—P3階段變形值均為正，發生了張開變形。

相比較于初始階段，O1-A、O1-B和O1-D在P1頂升施工階段變形值均為負，發生了閉合變形，而O1-C變形值均為正，發生了張開變形。

2.3 環縫接頭錯臺作用

圖8為環縫接頭在不同階段數值模擬的分析結果，在初始階段，直接作用于隧道上的作用力只有土壓力作用，屬于沿隧道周圍的均勻作用力，作用力保持恒定，因而環縫接頭未出現錯臺的效果，在P1階段，在千斤頂頂升作用反力的作用下，接頭處發生錯臺的效果，D2的錯臺效果最明顯，在P2階段，千斤頂頂升作用形消失，開口處的土體的土壓力也隨之消失，隧道上的作用力僅有下部土體向上的作用力，因而，隧道出現了不同程度的上浮，使得接頭D1與D2出現與前述相反方向的錯臺效果，D1錯臺作用的效果明顯小于在P1階段的錯臺作用，但D2的錯臺效果較為明顯，與P1階段的錯臺作用相比，有所增加。在P3階段，相比于P2階段，僅僅是螺栓作用下使得隧道于豎向排水立管固定，所以在此階段，隧道錯臺作用變化不明顯。

圖8 環縫接頭錯臺模擬結果

圖9為D1和D2兩個環縫接頭錯臺變形隨著施工階段進展的監測數據和數值模擬結果對比分析變化趨勢圖，監測數據和數值模擬結果具有較好的吻合效果。對于D2環縫接頭最大錯臺作用發生在P1階段，其原因為在頂升過程中，由于千斤頂頂升作用的作用反力全部由隧道D1周邊管節承擔，因而在頂升反力作用下，出現較大程度的正值變形，在P2階段，由于頂升作用消失，所以D1環向接頭的錯臺作用減小。對于D2環縫接頭最大錯臺作用發生在P2階段，這是由于千斤頂作用力消失，上部土體的作用力也隨之減小，管節在下部土體不均勻作用力的作用下出現上浮，因而錯臺值為負值。

圖9 D1和D2環縫接頭錯臺變形圖

3 結論

本文通過對比監測和數值模擬結果數據，分析了在不同施工階段管片環向應力、縱縫接頭變形和環縫接頭錯臺的變化趨勢，得到了以下結論：

(1)數值模擬結果與現場監測結果吻合性較好，能夠較好的反映現場的力和變形的效果。

(2)對于管片的環向接頭，頂升作用對環向應力的影響主要分布在開口環以及臨近的兩個環。

(3)對于管片的縱向接頭，在施工的全過程中，上部和下部左側的接頭為閉合狀態，右下部接頭為張開狀態。

(4)對于管片環縫接頭錯臺作用，在頂升P1階段，錯臺作用最大值發生在施工平臺左下方的D2監測點，在P2階段，錯臺作用最大值發生在施工平臺正下方的D1監測點。