豎向頂升作用下水工隧道結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究

賀回德

(江西省水利水電開發(fā)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(yīng)力集中的問題，目前，大量的專家學(xué)者對此進(jìn)行了研究。董勝憲等[1]等對頂升排水立管的施工進(jìn)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(gòu)法取水隧道施工過程中的施工工藝和工藝流程；蘇戰(zhàn)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(jīng)濟(jì)性和高效性；李濤[4]以江蘇常熟發(fā)電有限公司的發(fā)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(tǒng)施工方法相比較，受到外界環(huán)境因素的影響小，并以某實(shí)際工程為例進(jìn)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(gòu)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(shí)際工程為例，分析了垂直頂管頂力的計(jì)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(shí)際應(yīng)用中。本研究采用對比分析的方法，將監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，分析了在不同施工階段管片環(huán)向應(yīng)力、縱縫接頭變形和環(huán)縫接頭錯(cuò)臺的變化趨勢[9-10]。

1 工程概況

本文以某水工盾構(gòu)隧道工程為研究對象，該工程采用盾構(gòu)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(jìn)行監(jiān)測和數(shù)值模擬。

1.1 監(jiān)測內(nèi)容

根據(jù)現(xiàn)場施工段的實(shí)際情況，對③號排水立管在垂直頂升法施工進(jìn)行監(jiān)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(jiān)測方案主要對以下內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)測：

(1)排水立管管口位置處以及管口附近管片的環(huán)向應(yīng)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(cuò)位變形。

1.2 數(shù)值模型的建立

對圖1所示的排水管布置方案建立ABAQUS數(shù)值分析模型，排水立管管口位置處以及管口附近管片的數(shù)值模型圖如圖2所示。運(yùn)用C3D8R單元模擬隧道結(jié)構(gòu)，運(yùn)用B31單元模擬隧道管片間的螺栓結(jié)構(gòu)，對于數(shù)值分析模型中采用的參數(shù)見表1。模擬對象得到的數(shù)據(jù)參數(shù)與檢測內(nèi)容相同。

圖2 數(shù)值模型圖

表1 材料參數(shù)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(jiān)測結(jié)果和模擬結(jié)果，將監(jiān)測與模擬過程依據(jù)施工方案的進(jìn)程分成三個(gè)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(dá)設(shè)計(jì)高度階段。

圖3 垂直頂升過程

表2 施工階段劃分表

1.4 監(jiān)測點(diǎn)布置

管片環(huán)向應(yīng)變監(jiān)測布置在圖4(a)所示的四個(gè)截面上，每個(gè)截面上左右兩側(cè)布置兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，如圖4(b)所示；管片環(huán)向接頭張開變形C監(jiān)測布置在圖4(a)所示的O1、N1兩個(gè)截面上，每個(gè)截面設(shè)置4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，如圖4(c)所示；管片縱向接頭錯(cuò)開變形監(jiān)測布置在圖4(d)所示的D1、D2截面上。

圖4 監(jiān)測點(diǎn)布置圖

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比分析

2.1 管片環(huán)向應(yīng)力對比研究

圖5為左側(cè)監(jiān)測點(diǎn)管片環(huán)向應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果和模擬結(jié)果對比圖，圖6為右側(cè)監(jiān)測點(diǎn)管片環(huán)向應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果和模擬結(jié)果對比圖。對于N1—N3環(huán)監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果較為吻合，但O1環(huán)監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)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(tài)模擬，而O1環(huán)的P3階段為動(dòng)態(tài)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(jié)果的變化趨勢仍然相同，所以模擬效果仍較好。

圖5 左側(cè)監(jiān)測點(diǎn)管片環(huán)向應(yīng)力

圖6 右側(cè)監(jiān)測點(diǎn)管片環(huán)向應(yīng)力

在P1階段O1環(huán)的封頂被頂出，O1環(huán)頂部此時(shí)的約束減小，因而，左側(cè)管片和右側(cè)管片監(jiān)測點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)力減小。在P1階段由于頂力為一個(gè)變化的值，因而監(jiān)測到的環(huán)向應(yīng)力會不斷變化，但變化幅度較小。P1—P2階段，排水管管節(jié)被頂升至設(shè)計(jì)的高度，此時(shí)千斤頂?shù)闹巫饔孟В笥覂蓚?cè)的環(huán)向應(yīng)力值有較小幅度的增加，管片的左右兩邊內(nèi)側(cè)受到拉應(yīng)力。

對比圖5和圖6，O1、N1—N3環(huán)左側(cè)和右側(cè)壓應(yīng)力的變化規(guī)律在不同的施工階段表現(xiàn)相同，距離頂升作用點(diǎn)越遠(yuǎn)，O1、N1—N3環(huán)受到的頂升作用力越小，環(huán)向應(yīng)力越小，頂升作用對環(huán)向應(yīng)力的影響主要分布在開口環(huán)以及臨近的兩個(gè)環(huán)作用最為明顯。

2.2 縱縫接頭變形作用

圖7為開口環(huán)(O1)縱縫接頭在P1—P3施工階段的監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果對比分析。對比數(shù)據(jù)圖可以發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)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(tài)施工過程，整個(gè)P1階段的受力為靜態(tài)不變的受力過程，而P3階段為動(dòng)態(tài)施工過程，因而與實(shí)際監(jiān)測數(shù)值有所差別。對比分析模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果，在P1階段，兩結(jié)果的誤差為20.4%，在P3階段，兩結(jié)果的誤差為20.4%，總的誤差小于25%，模擬結(jié)果的變化趨勢與監(jiān)測數(shù)據(jù)仍然相同，所以模擬效果仍較好，可以較好的反映現(xiàn)場的實(shí)際受力。

圖7(b)和(c)分別為O1-A和O1-D兩側(cè)縱縫接頭變形隨著施工階段進(jìn)展的變化趨勢圖，當(dāng)變形為張開變形時(shí)值大于0，當(dāng)變形為閉合變形時(shí)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(huán)的封頂被頂出，O1環(huán)頂部此時(shí)的約束減小，O1-A和O1-D的變形值為負(fù)，發(fā)生了閉合變形。在P1階段，監(jiān)測數(shù)據(jù)波動(dòng)的原因?yàn)椋陧斊疬^程中，管節(jié)同時(shí)被頂起，每個(gè)管節(jié)的作用力不同，所以監(jiān)測數(shù)據(jù)會發(fā)生不同程度的波動(dòng)。在P2階段，管節(jié)頂升的高度為設(shè)計(jì)高度，千斤頂沒有作用力，因而O1-A和O1-D的變形值為正，發(fā)生了張開變形。在P3階段，在螺栓作用下，土壓力作用恢復(fù)，O1-A和O1-D的變形值逐漸增大，發(fā)生了張開的程度不斷增大。

圖7 O1環(huán)縱縫接頭變形圖

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

2.3 環(huán)縫接頭錯(cuò)臺作用

圖8為環(huán)縫接頭在不同階段數(shù)值模擬的分析結(jié)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(huán)縫接頭未出現(xiàn)錯(cuò)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(fā)生錯(cuò)臺的效果，D2的錯(cuò)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(xiàn)了不同程度的上浮，使得接頭D1與D2出現(xiàn)與前述相反方向的錯(cuò)臺效果，D1錯(cuò)臺作用的效果明顯小于在P1階段的錯(cuò)臺作用，但D2的錯(cuò)臺效果較為明顯，與P1階段的錯(cuò)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(cuò)臺作用變化不明顯。

圖8 環(huán)縫接頭錯(cuò)臺模擬結(jié)果

圖9為D1和D2兩個(gè)環(huán)縫接頭錯(cuò)臺變形隨著施工階段進(jìn)展的監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果對比分析變化趨勢圖，監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果具有較好的吻合效果。對于D2環(huán)縫接頭最大錯(cuò)臺作用發(fā)生在P1階段，其原因?yàn)樵陧斏^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(jié)承擔(dān)，因而在頂升反力作用下，出現(xiàn)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(huán)向接頭的錯(cuò)臺作用減小。對于D2環(huán)縫接頭最大錯(cuò)臺作用發(fā)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(jié)在下部土體不均勻作用力的作用下出現(xiàn)上浮，因而錯(cuò)臺值為負(fù)值。

圖9 D1和D2環(huán)縫接頭錯(cuò)臺變形圖

3 結(jié)論

本文通過對比監(jiān)測和數(shù)值模擬結(jié)果數(shù)據(jù)，分析了在不同施工階段管片環(huán)向應(yīng)力、縱縫接頭變形和環(huán)縫接頭錯(cuò)臺的變化趨勢，得到了以下結(jié)論：

(1)數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果吻合性較好，能夠較好的反映現(xiàn)場的力和變形的效果。

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

(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(cè)的接頭為閉合狀態(tài)，右下部接頭為張開狀態(tài)。

(4)對于管片環(huán)縫接頭錯(cuò)臺作用，在頂升P1階段，錯(cuò)臺作用最大值發(fā)生在施工平臺左下方的D2監(jiān)測點(diǎn)，在P2階段，錯(cuò)臺作用最大值發(fā)生在施工平臺正下方的D1監(jiān)測點(diǎn)。