基于工程影響的盾構管片錯臺因素探討

趙　京　陳雅昕　凌云鵬

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055；2.北京工業大學，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管片錯臺因素探討

趙京1陳雅昕2凌云鵬1

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055；2.北京工業大學，北京100124)

Discussion of the Key Factors that Affect the Shield Dislocation

ZHAO Jing1CHEN Yaxin2LING Yunpeng1

摘要依托實際工程背景，應用有限元軟件ANSYS模擬現場盾構管片受力情況，分別對盾構錯臺的關鍵影響因素：盾構機頂力、盾構螺栓半徑、盾構管片間摩擦系數、注漿壓力進行討論分析。

關鍵詞盾構隧道管片受力盾構機頂力螺栓半徑摩擦系數注漿壓力

在盾構施工過程中，出現不同程度的管片破損和錯臺是一種較常見的現象，較嚴重的破損和較大的錯臺往往共生[1-3]。防止管片受到此類傷害，對延長隧道永久結構的使用壽命有積極作用。但目前國內還沒有對盾構相關參數有一個統一的標準。

以“河北第一盾”曹妃甸工業區綜合管廊工程為依托，利用ansys軟件采用現場參數進行仿真模擬，在證明模型正確的基礎上，分別對比分析盾構不同頂力、不同螺栓半徑，以及不同預緊力、不同注漿壓力、不同摩擦系數等關鍵因素的影響，提出相應的參考值。

1工程概況

唐山曹妃甸工業區跨納潮河綜合管廊工程位于一號路橋西側80 m，采用盾構法施工，由2條平行的DN5500 mm單圓隧道構成，建成后主要容納工業區內通向島內的給水、電力、排水、暖通、通信等管線。

納潮河為規劃河道，需在現狀地面的基礎上開鑿而成。概況為：1號路為現狀道路，1號路西側有約80 m寬的填海區，填海區以西即為渤海。項目區原為淺海，現已填海造地，地勢平坦，隧道單線長度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)。區間通過的地層主要以粉砂、粉黏土、淤泥質黏土為主。

盾構管片設計參數：采用直線環(無楔形量)，每環管片分為一個拱底塊(TD)、兩個標準塊(TB1、TB2)、兩個鄰接塊(TL1、TL2)和一個封頂塊(TF)，共6小塊；襯砌環構造尺寸為：內徑5 500 mm，外徑6 200 mm，壁厚350 mm，環寬1 200 mm；襯砌環縫設置凹凸榫，由17根螺桿連接；襯砌縱縫為平縫，由12根螺桿連接；設計采用通縫拼裝，豎曲線段采用低壓石棉橡膠板襯墊調整管片姿態。

本工程中的管片無楔形量，線路坡度大，盾構機姿態不易調整，且通縫拼裝的管片受力狀況不佳，在隧道施工過程中，常有管片錯臺的現象發生。管片錯臺會導致隧道滲水、漏漿，影響工程的使用，堵漏工作需要相當大的投入。而本工程在海面下長距離穿越，地下水豐富、且水壓較大，所以管片錯臺是本工程重點防治工作之一。

圖1　隧道地質剖面

2數值模擬

2.1　程序簡介

ANSYS是一款功能強大的工程軟件，可以進行靜力、動力、溫度場分析，其中結構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

為了便于分析和數值模擬的實現，建立有限元模型之前，先做如下假設簡化[4-5]:

①不考慮隧道縱坡的影響。

②忽略螺栓孔對管片剛度的影響。

③把管片環與環之間的接觸面看做一個平面，忽略接觸面處的彈性密封槽、嵌縫槽。

④注漿壓力和周圍土體的重力作用，對管片分塊的作用假設均勻作用在其上面；且采用注漿壓力和周圍土體壓力合算的方式，對其表面施加作用力。

⑤管片受到千斤頂頂力的均勻作用且大小保持不變，其大小采用監測區間內頂力的平均值。

⑥考慮到注漿漿液需要一定的時間才能凝固，而此次量測錯臺的時間僅為20 h左右，故忽略漿液對管片的影響和周圍土體對管片的摩擦作用。

⑦本次計算選取4環管片進行計算模擬。

2.3　計算模型及物理力學參數

(1)計算模型

計算模型如圖2所示。

圖2　管片模型(整體)

(2)參數

管片各個參數如表1所示。

表1　管片參數

備注：封頂塊×1、鄰接塊×2、標準塊×2、拱底塊×1。

選用solid65實體單元進行模擬，采用D-P模型;螺栓選用桿單元link8單元進行模擬，并施加預緊力;管片接觸采用target170和contal73接觸單元來實現，接觸類型為面一面接觸[6]。

不同管片的頂力作用(根據觀測結果取平均值后)如表2所示。

表2　管片頂力

數值模擬各單元屬性如表3所示。

表3　單元屬性

2.4　計算結果及分析

(1)現場結果

根據現場參數得到計算結果如圖3～圖8所示。

圖3　管片等效應力

圖4　管片應變

圖5　Z方向位移

圖6　螺栓應力

圖7　螺栓等效位移

圖8　管片錯臺狀況

結果與實測數據接近，可進行下一步討論。

(2)影響因素計算分析

為進一步得到工程中各個施工因素對盾構的影響，從不同頂力、不同覆土厚度、不同摩擦系數、不同螺栓半徑等方面進行模擬計算分析。

不同頂力作用：

管片錯臺現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，由于盾構機千斤頂的施力位置不在正中心，使其在全環不同位置所受頂力不同，導致密封墊的差異性壓縮變形，進而致使管片間出現差異性的縱向位移(即錯臺)[7]。伴隨頂力的持續作用，管片隨之持續壓縮密封墊，進而管片的錯臺量不斷積累，從而表現為錯臺總量不斷增大。但由于密封墊的壓縮性能有限，當密封墊的壓縮變形趨于極限時，且在環向螺栓的作用下，錯臺在達到一定程度后，一般是管片脫出盾構機尾后，錯臺現象將慢慢趨于停止。不同頂力作用見表4。

表4　不同頂力作用

通過表4數據可以得到：千斤頂頂力越大，盾構管片的等效拉應力越大，應變也越大 ，但不同工況下，最大的應力和最大等效應力都發生在4∶30方向的第三環與第四環的環縫內表面。千斤頂頂力越大，螺栓應力越大，并出現在相同位置，均為管片的上部第二環和第三環螺栓。千斤頂頂力越大，管片最大錯臺量越大，位置都發生在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情況下對管片的影響(如表5)。

表5　注漿壓力影響

通過計算數據可知，注漿壓力增大，盾構管片的等效拉應力和應變基本無變化，這是由于注漿壓力對管片是環向均布作用的。

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，相對其承受的壓強就越小，且其發揮的作用越充分，但是若太大，會導致螺栓成本上升，且管片螺栓孔位置就越大，其周圍管片材質就越少，相對孔周圍的抗拉抗壓抗剪等能力就會下降。因此，對于一定厚度的管片，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，盾構管片的等效應力增長，應變增大，最大的應力出現在第二環與第三環的環縫附近。螺栓應力隨其增大而減小，塊間螺栓應力隨其增大而減小;最大錯臺量基本保持不變，都在45 mm左右，發生在第四環管片，點位都在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，那么相對螺栓的承受應力減小，管片承受應力增加，導致以上變化。

不同摩擦系數的大小及管片彈性模量的比較：

本次現場測得的管片間的摩擦為0.2，以下分別取0.15和0.25與其進行對比論證(如表7)。

表7　摩擦系數與應力關系

隨著摩擦系數的增大，管片的所受有效應力在減小，但是幅度并不大；隨著摩擦系數的增大，管片的最大錯臺量有少量的降低，幾乎可以忽略不計，看做無影響。

3結論

千斤頂推力對等效拉應力影響較大，最大變化差值達1 MPa，當頂力變化66%時，對塊間螺栓應力變化幅度達60%左右，對錯臺影響達到55%。因此，當遇到掘進困難時，對調整頂進壓力需慎重。

改變注漿壓力影響不明顯，但是過大的注漿壓力和過多的漿液會導致管片產生上浮，而過小的注漿壓力明顯不能發揮其作用，合理的注漿壓力和注漿量有利于錯臺的減小而且還能避免管片上浮。

螺栓半徑對管片應力影響比較大，最大變化差值達141 900 Pa，對螺栓的影響也較大，最大變化差值達592 340 Pa，說明對螺栓有顯著的影響但對錯臺的影響比較小。因此，從防止錯臺的角度看，增加螺栓半徑的必要性是很低的。

通過改變摩擦系數發現，摩擦系數再增大已經沒有很大影響，但實際中若把管片表面處理得過于粗糙，對于管片防水等方面的要求和相應成本都會增加。因此，綜合考慮到成本等因素，對管片的接口進行粗糙度處理是不經濟的，不建議通過改變材料屬性或采取相關措施來改變摩擦系數，從而達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，有待于通過大量計算求解出一系列參數，從而為今后類似工程提供更為直觀的參考。

對于各種工況，有待進行現場和實驗驗證。

參考文獻

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

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

中圖分類號：U455.43

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)03-0111-04

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

收稿日期：2015-03-04