軟土地區通縫拼裝地鐵盾構隧道管片縱縫接頭的優化

黃大維，周順華，馮青松，羅文俊，張鵬飛

(1.華東交通大學 鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心，江西 南昌　330013；2.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海　201804)

地鐵盾構隧道承受的荷載主要為周圍地層壓力，當地層的豎向土壓力大于水平向土壓力時，將導致盾構隧道發生橫橢圓變形。在軟土地區，盾構隧道完成施工后，若在隧道正上方地面進行堆土、堆放材料設備或其他工程活動導致地表超載時，極易使盾構隧道橫橢圓變形超限，從而引發管片縱縫接頭破損，嚴重時會出現滲漏水或漏泥漏砂，影響隧道結構的安全。

在盾構隧道橫向剛度的選擇過程中，為了減小隧道結構的內力以減少管片配筋，通常采用減小盾構隧道的橫向剛度，但這會加大隧道結構的橫向變形，最終使盾構隧道獲得較大的水平地層抗力，即所謂的“柔性襯砌”設計理念[1]；同時為了標準化施工，對于同一環管片，所有的管片縱縫接頭采用近似相同的設計。然而，該襯砌設計理念應用于軟土地區盾構隧道是否合理有待進一步探討。

對于軟土地區地鐵盾構隧道，在地表超載時將導致隧道發生橫橢圓變形超限。本文分析因盾構隧道橫橢圓變形超限導致的管片縱縫接頭處的病害特征，提出軟土地區盾構隧道橫向剛度的設計理念，研究盾構隧道管片縱縫接頭的優化措施和優化效果，為軟土地區盾構隧道管片縱縫接頭設計提供理論參考。

1　管片縱縫接頭病害分析

1.1　運營期盾構隧道管片縱縫接頭病害的特征

某軟土地區絕大部分的盾構隧道采用通縫拼裝，其管片幅寬為1.2 m，其結構參數如圖1所示。其中某隧道因地表堆土的高度約為5～6 m，堆土范圍在線路方向長度約為86.4 m，垂直線路方向長度約為50 m，導致隧道結構發生病害，病害位置如圖2所示。同時，對該軟土地區其他同類的運營期地鐵盾構隧道結構變形與服役狀態的調研與分析表明，在地表堆土作用下隧道極易發生橫橢圓變形超限，并由此引發隧道結構破損與滲漏水。類似的工程問題在以往研究中也有報道[2-6]。隧道結構的內力和變形是由隧道的結構特性及其所處地層特性共同決定的，因此，該軟土地區盾構隧道結構病害呈現如下主要特征。

(1)當橫橢圓變形超限達到一定量時，盾構隧道拱頂部縱縫接頭易出現螺栓外露，如圖3(a)所示；當橫橢圓變形進一步增加時，將導致封頂塊發生管片棱角破損，如圖3(b)所示，并同時發生結構滲漏水。

(2)當橫橢圓變形超限達到一定量時，盾構隧道拱腰部縱縫接頭極易發生滲漏水，如圖4所示；當橫橢圓變形進一步增加時，拱腰部的縱縫接頭將發生內側混凝土碎裂。

圖1　盾構隧道結構參數示意圖(單位：mm)

圖2　結構病害位置示意圖

圖3　盾構隧道頂部縱縫張開與結構棱角破損

圖4　盾構隧道側部發生結構滲漏水

(3)盾構隧道拱底部縱縫接頭在隧道橫橢圓變形過程中極少發生結構破損與滲漏水，是結構保存最好的縱縫接頭。

1.2　盾構隧道管片縱縫接頭病害的原因分析

盾構隧道管片環縱縫接頭部位的截面與管片其他主截面比較可知，管片縱縫接頭位置僅2個螺栓可承受拉力，管片縱縫接頭連接螺栓的截面面積比主截面受拉鋼筋的截面面積小得多，加上縱縫接頭連接螺栓端部需要借助螺紋受力，使得管片縱縫接頭在受力過程中極易發生螺紋拉流。此外，在管片縱縫接頭位置設置了防水密封墊槽、嵌縫槽、定位棒槽、傳力橡膠襯墊等，管片縱縫接頭在承受彎矩時，其有效的混凝土受壓區面積遠小于管片主截面的混凝土受壓區面積，加上管片縱縫接頭位置混凝土受壓時極易發生應力集中，由此導致管片縱縫接頭易發生受壓區混凝土碎裂，如圖5所示。因此，在接頭彎矩增長過程內，當接頭內側受拉時，易發生縱縫張開導致螺栓外露，如圖3(a)所示；拱頂部塊為封頂塊，在變形過程中棱角易出現應力過大，導致在頂部塊管片上易發生管片結構棱角破損，如圖3(b)所示。當接頭外側受拉時，位于外側的防水密封墊有易發生壓緊力松弛，從而導致接頭發生滲漏水，如圖4所示。

然而，在現有的計算理論和設計規范中，均將地表超載視為隧道原有的上覆土層，導致所計算的隧道的豎向土壓力要小于實際的豎向土壓力，而計算的水平土壓力要大于實際的水平土壓力，從而導致理論計算的隧道橫向變形要小于實際的隧道橫向變形[7]。此外，軟土地層的水平地層抗力系數較小[8-11]，所以在隧道水平直徑增大過程中導致側向地層抗力也較小。為此，在軟土地區盾構隧道橫向剛度設計時，建議加大隧道結構的剛度和強度，即采用“剛性襯砌”的設計理念。

在盾構隧道發生橫橢圓變形過程中，管片縱縫接頭是盾構隧道結構的最薄弱部位。為了提高盾構隧道的橫向變形剛度，應優化盾構隧道管片的縱縫接頭，并加強縱縫接頭的強度和防水能力。

2　盾構隧道管片縱縫接頭優化分析

首先，采用參考文獻[12—13]中的計算方法(以下簡稱為文獻[12]的計算方法)計算管片縱縫接頭的抗彎剛度。上述軟土地區盾構隧道管片縱縫接頭構造如圖6所示。根據管片環足尺試驗得到管片縱縫接頭的彎矩M和軸力N[14-15]，分析計算管片縱縫接頭的受力狀態可知，管片縱縫接頭均處于“截面部分受壓、螺栓受拉”的受力狀態。螺栓的總有效截面積A1=1 413.7 mm2，有效長度lb=40 cm，彈性模量ES=2.0×105MPa，預緊力T0=100 kN(根據單環足尺試驗結果反分析所得[9])；管片的彈性模量Ec=3.55×104MPa。根據足尺試驗得到第7級荷載條件下縱縫接頭的彎矩M和軸力N[14-16]。

圖6　管片縱縫接頭示意圖(單位：mm)

然后，采用PLAXIS有限元軟件數值仿真管片縱縫接頭優化對盾構隧道管片環的彎矩和變形的影響，彎矩為正表示管片外側受拉，變形為正表示隧道直徑增大。隧道穿越土層為④層淤泥質黏土，其壓縮模量為2.5 MPa；隧道頂部埋深為1.5D(D為隧道外直徑，為6.2 m)，即隧道上覆土層厚度為9.3 m；隧道下臥土層厚度為5D，即隧道下臥土層厚度為31 m；各土層的相關參數見表1。

表1　土體參數

因盾構隧道為細長結構，隧道縱向長度的取值對計算結果基本無影響，為此，在盾構隧道縱向取10環管片環，即12 m；橫向的兩側均取5D，即31 m；隧道上覆土層厚度取為9.3 m；隧道下臥土層厚度取為31 m。

在有限元模型中：管片采用板單元，管片縱縫接頭的抗彎剛度首先按照文獻[12]的方法計算，然后采用文獻[16]中的局部抗彎剛度折減法予以折減；管片與土的接觸面設置界面虛擬厚度，取δinter=0.1 m，強度折減因子Rinter=0.66(剛性時強度折減因子Rinter=1)。

仿真時：首先生成隧道的下臥土層、穿越土層和上覆土層；接著生成盾構隧道；然后將隧道變形歸零；再生成地表超載的土層，每次激活0.25D(即1.55 m)，直至地表堆土的厚度為1.25D(即7.75 m)。

2.1　接頭部位管片厚度的增加

接頭部位管片厚度(以下簡稱管片厚度)H分別取0.35，0.45，0.55 m，并且假設在管片厚度為0.45和0.55 m時，其有效接觸高度與管片厚度的比例、螺栓孔到管片內側的距離與管片厚度的比例均與管片厚度為350 mm時保持近似比例關系。73°與287°位置為外張接頭，其余均為內張接頭。采用文獻[12]的方法計算不同管片厚度H下管片縱縫接頭的抗彎剛度kθ，結果見表2。由表2可知：通過增加管片厚度，可以顯著增加管片縱縫接頭的抗彎剛度。

在滿足隧道限界要求的前提下，增加管片接頭部位厚度有管片整體加厚和管片局部加厚2個方案，其中整體加厚是指保持管片環的內徑不變，通過增加管片環的外徑來實現，如圖7(a)所示；局部加厚是指在管片內側接頭處局部加厚，如圖7(b)所示。針對這2種管片加厚方案，仿真模擬盾構隧道管片環的彎矩和收斂變形，結果見表3，由表3可得如下結論。

(1)當管片整體加厚時，管片環的水平變形與豎向變形均有明顯減小，但同時管片環的彎矩均有不同程度的加大，如管片厚度由0.35 m增加到0.45 m時，水平與豎向收斂變形均減小約47%，而拱頂部與拱底部的彎矩增大約12%，拱腰部的彎矩增大約19%；當管片厚度由0.45 m增加大0.55 m時，管片環的收斂變形減小約25%，拱頂部與拱腰部的彎矩分別增大約為15%與11%，而拱底部的彎矩基本未變。

表2　接頭部位不同厚度時管片縱縫接頭的抗彎剛度

圖7　管片厚度加大方案

管片狀態管片厚度/m最大彎矩/(kN·m)變形/mm0°180°90°和270°水平豎向正常0 35-1687 2-2625 61632 0148-156整體加厚0 450 55-1876 8-2156 4-2985 6-2984 41941 62160 07858-82-62局部加厚0 450 55-1868 4-2044 8-2560 8-2485 21900 82012 411294-118-99

(2)當管片局部加厚時，即僅增大管片縱縫接頭的抗彎剛度，管片環的收斂變形減小量要小于管片整體加厚時，同時管片環的彎矩增大量也要小于管片整體加厚時，且拱底部出現了彎矩減小的現象。

由此可知，在相同量的地表堆土作用下，管片加厚對減小管片環變形的影響很大，而對管片環的彎矩增大影響相對要小。

在此需要補充說明的是，當對管片整體加厚時，因盾構隧道外徑增加，盾構機的刀盤直徑、盾殼直徑等均需要增大，且管片的材料成本增加較多；當對管片局部加厚時，盾構機基本無需進行改進，僅在管片模筑時設計好即可，管片的材料成本增加很少，但需要根據地鐵列車類型所要求的盾構隧道限界進行合理設計。

2.2　外張管片縱縫接頭連接螺栓的位置優化

進行盾構隧道管片設計時，為了方便標準化施工，將縱縫接頭連接螺栓的位置設置在靠近隧道內側。然而，對外張接頭(既拱腰部接頭)而言，由于螺栓靠近混凝土受壓側，對接頭抗彎不利。由表2也可以看出，在同一狀態下，外張接頭的抗彎剛度要小于內張接頭的抗彎剛度。為此，分析將縱縫連接螺栓的位置外移對外張縱縫接頭剛度和隧道變形的影響。如圖8所示，原螺栓位置為1，分別將其外移到位置2和位置3，采用文獻[12]的方法計算不同螺栓位置時外張縱縫接頭抗彎剛度，再數值模擬管片環的彎矩與變形，結果見表4和表5。

圖8　外張接頭的3種螺栓位置

方案螺栓至受壓區外緣的距離d′/m軸力N/kN彎矩M/(kN·m)抗彎剛度kθ/(MN·m·rad-1)10 10285 5084 6315 0820 15285 5084 6335 9430 20285 5084 6366 92

表5　不同螺栓位置時隧道管片環的彎矩和變形

由表4可知：方案2相比方案1，接頭抗彎剛度提高了約140%；方案3相比方案1，接頭抗彎剛度提高了約347%。說明將外張縱縫接頭的連接螺栓向外移動，能有效地提高外張接頭的抗彎剛度。

由表5可知：通過對外張接頭連接螺栓位置的優化，管片環的變形明顯減小；同時拱頂的彎矩減小，拱底的彎矩稍有減小，而拱腰的彎矩明顯增大。

2.3　管片縱縫接頭位置優化

對于圖1所示的某軟土地區盾構隧道，采用上述方法模擬管片環受力時其彎矩分布總體趨勢，如圖9所示。從圖9可以看出：拱底部接頭的位置剛好位于彎矩為0處，所以拱底部的接頭所承受的彎矩最小；拱頂部和拱腰部接頭的位置均位于彎矩較大處，導致接頭所承受的彎矩較大。由此設想，可否改變接頭的位置，即改變管片環的分塊方式，從而減小管片縱縫接頭的內力。

圖9　管片環彎矩總體分布圖

為此提出3種不同的管片環分塊方案，見表6，其中方案1主要考慮使封頂塊兩端接頭位于彎矩較小的位置，同時使鄰接塊與標準塊的連接接頭也位于彎矩較小的位置，方案3是使拱底塊兩端的接頭位于彎矩較大的位置，方案2介于方案1與方案3之間。

本文主要針對IoT平臺中存在的數據安全性差和傳輸驗證效率低的問題展開了研究和分析，并提出使用區塊鏈技術來解決上述問題。體域網作為IoT的一部分，將其與區塊鏈技術相結合實現身份認證，是本文的研究重點。通過研究發現：數據能夠有效地實現防惡意用戶或者服務器的篡改，保證數據的分散性，符合現實生活對數據存儲的需求；數據間的傳輸、加密、驗證過程不再需要過于冗雜的計算，提高了數據操作過程中的計算效率，節約了計算開銷。與此同時，如何保護在公共信道中的公鑰不被他人用于共謀攻擊等問題，仍需要日后解決。此外，隨著IoT平臺的進一步發展，區塊鏈技術實際應用于智能醫療、智能家居等實際場景中將是未來發展方向。

表6　管片環的分塊方案　(°)

采用上述相同的方法數值仿真管片環的彎矩和變形，結果見表7。由表7可知：采用方案1時，管片環的變形減小，同時彎矩的分布形狀有所改變；采用方案2時，管片環的變形總體稍大于實際方案，而彎矩的分布狀也有所改變；對于方案3，管片環的變形最大。由此說明，管片環的分塊方式對管片環的變形影響很大，管片環分塊時應盡量將縱縫接頭設計在彎矩較小的位置，同時在滿足施工的條件下，盡量減少管片環的分塊數量。在盾構隧道實際設計過程中，應結合盾構機的工作性能及隧道內部的空間情況進行分塊優化。

表7　不同分塊方案時隧道管片環的彎矩和變形

3　管片縱縫接頭破損與滲漏水的預防措施

3.1　管片縱縫接頭破損預防措施

在管片縱縫接頭抗彎剛度計算過程中，將管片縱縫接頭位置處近似地視為各向同性的連續性材料，且假設材料處于彈性變形階段。然而在實際中，由于管片環屬于螺栓連接構件，加上管片縱縫接頭位置防水密封墊槽、嵌縫槽、定位棒槽、傳力橡膠襯墊等對管片縱縫接頭斷面平整性的影響，使管片縱縫接頭在承受彎矩時管片間界面應力分布不均，導致接頭受壓區混凝土出現局部集中等問題。因此，為了提高管片接頭抗破損的能力，應采用以下措施對管片的棱角進行局部加強，尤其是受壓區的棱角。

(1)在管片棱角上合理地配制鋼筋，減小局部受壓時對管片棱角的影響。

因混凝土材料抗拉能力差，在復雜應力狀態下當拉應力過大時易發生開裂，建議在局壓影響區盡可能同時配置3類間接鋼筋，包括提高局壓承載力用的間接鋼筋、控制劈裂裂縫用的間接鋼筋、控制端面裂縫用的間接鋼筋[17]，或采用鋼筋網片對管片棱角進行加強。

(2)采用型鋼對管片棱角進行處理，減小應力集中。

管片縱縫接頭承受彎矩時，受壓區混凝土易發生應力集中。為將管片間受到的壓力合理地擴散出去，可考慮采用型鋼對管片棱角進行處理。當型鋼用量受限時，可以用角鋼對混凝土棱邊進行加強，如圖10(a)所示；當型鋼用量不太受限時時，可對整個管片端頭進行加固，如圖10(b)所示。

圖10　型鋼加強管片棱角示意圖

(3)增加管片縱縫接頭連接螺栓的數量。

管片縱縫接頭通常采用2個連接螺栓，在結構內力較大且管片受壓區應力分布不均勻時，為了改善管片縱縫接頭的應力，尤其對幅寬較大的管片，建議適當增加連接螺栓的數量。在每個管片縱縫連接螺栓在預緊力不變的情況下，通過增加螺栓，相當于增加了管片縱縫接頭的總預緊力。表8為單個螺栓預緊力為100 kN時，計算得到不同連接螺栓數量時管片縱縫接頭的抗彎剛度。由表8可知，增加管片縱縫接頭連接螺栓的數量，可以較大地增加管片縱縫接頭的抗彎剛度。

表8　不同螺栓數量時管片縱縫接頭的抗彎剛度　MN·m·rad-1

3.2　管片縱縫接頭滲漏水預防措施

由接頭受力可知，拱腰部接頭屬于外張接頭，而管片防水密封墊槽也剛好設置在管片偏外側，因此，在管片環承受彎矩時，拱腰部接頭最容易發生滲漏水。為了提高管片縱縫接頭的防水能力，應將外張管片縱縫接頭位置的防水密封墊槽改至內側，而內張縱縫接頭的防水密封墊槽仍在外側。但在設計時應將每塊管片的防水密封墊設計成封閉的防水密封墊圈，且與相鄰管片的防水密封墊能形成對壓狀態。因此，當某塊管片一端為內張接頭，另一端為外張接頭時，防水密封墊槽應在管片的環縫位置實現從外側到內側的過渡[18]。

(2)合理地設計管片防水密封墊的斷面形式，提高管片接頭的抗水壓能力。

圖11所示的現有防水密封墊，經對壓后形成凹槽，在高水壓作用下極易發生防水密封墊被水擊穿。為此提出如圖12所示的改進型防水密封墊的斷面形式[19]，從而合理地利用水壓力，使防水密封墊與管片間，以及防水密封墊與防水密封墊之間均在水壓力作用下越壓越緊。

圖11現有防水密封墊的斷面圖及其承受水壓作用示意圖

圖12改進型防水密封墊的斷面及其安裝于管片接縫之間的示意圖

(3)適當地加大管片防水密封墊的寬度，增加防水密封墊間的接觸面積。

在管片發生錯臺時，防水密封墊之間的接觸面積減小，導致防水密封墊之間的接觸應力也減小，從而降低了管片之間的防水能力。因此建議適當加大管片防水密封墊的寬度，從而加大管片防水密封墊之間的接觸面積，提高管片的防滲漏能力。

4　結　論

(1)軟土地層的水平地層抗力系數小，在隧道發生橫向變形過程中水平抗力增加不多。在地表堆載超載時，軟土地區盾構隧道極易發生橫橢圓變形超限，并引發結構破損與滲漏水等病害。為此，軟土地區盾構隧道設計時，建議加大隧道結構的剛度與強度，即采用“剛性襯砌”設計理念。管片縱縫接頭是管片環中的最薄弱部位，在隧道橫向變形剛度加大與結構強度加強過程中，應重點對管片縱縫接頭進行優化。

(2)通過局部或整體增加管片的厚度，可以增加管片縱縫接頭抗彎剛度，從而使盾構隧道管片環的收斂變形明顯減小，雖然管片環的彎矩總體上有所增大，但管片環收斂變形減小的幅度遠大于彎矩增大的幅度。

(3)螺栓位置的優化分析表明，將外張縱縫接頭的連接螺栓向外移動，能有效地提高外張接頭的抗彎剛度。為此，建議外張縱縫接頭與內張縱縫接頭的連接螺栓位置要區別化設計，外張縱縫接頭的連接螺栓應靠近外側，而內張縱縫接頭的連接螺栓應靠近內側。

(4)管片縱縫接頭位置對盾構隧道管片環的變形影響較大，在管片環分塊時應盡量將接頭設計在彎矩較小的位置，同時在滿足施工的條件下，盡量減少管片環的分塊數量。

(5)針對隧道結構縱縫接頭的破損與滲漏水問題，提出通過局部加強縱縫接頭位置的管片棱角，以預防管片接頭棱角破損；通過合理設計防水密封墊的位置及斷面形式，加強盾構隧道管片縱縫接頭的防水能力。

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