不同管片內襯加固方案對盾構管片力學性能影響研究

陳云飛

(紹興市柯橋區軌道交通集團有限公司,浙江紹興 312030)

1 概述

近年來,隨著城市軌道交通的高速發展,大城市中既有地鐵隧道不可避免受鄰近建筑物施工的影響,如覆土開挖、樁基施工等。過大的變形可能引起盾構隧道結構開裂、管片接頭漏水、軌面高程變化超限等問題,進而對地鐵線路正常運營產生影響。

為此,科研人員針對鄰近施工條件下既有地鐵盾構隧道穩定性保護技術展開大量研究。黃宏偉等對基坑開挖過程中土體加固和堆載工況分組進行模擬,研究基坑開挖對隧道產生的影響[1];隆文武分別采用不同的分析模型對某地鐵區間盾構隧道管片進行結構受力計算[2];劉德軍等提出一種纖維編織網增強混凝土控制方法,以研究隧道橫向變形和頂拱接頭張開量的響應規律[3];楊勇對運營地鐵隧道管片鋼環加固工法展開詳細介紹[4];顧春華分析隧道受損原因及其破壞形式,并著重闡述用于隧道內鋼環支護的新型安裝設備及其工藝流程[5];畢湘利等以某通縫拼裝盾構隧道結構為研究對象,考察內張鋼圈加固方法對于提高結構受力性能的作用[6];柳獻等以內張鋼圈半環、整環加固盾構隧道為對象,采用足尺試驗方法對整環加固工法下單環隧道襯砌的極限承載性能進行研究[7-8];胡俊楠介紹一種采用改裝機械手內襯鋼環進行隧道管片加固治理的技術[9]。此外,國內外學者還進行大量的隧道襯砌整環試驗研究[10-16]。

目前,實際工程案例中,常采用在管片內部設置整環或半環鋼圈對既有地鐵隧道進行(預)加固,但盾構隧道結構受力復雜,鋼圈加固盾構隧道的效果并不明確。因此,對不同加固方案下盾構管片的抗變形能力及相關力學性能進行研究很有必要。

2 工程背景

杭州至紹興城際鐵路起自杭州地鐵5號線香樟路站,終至紹興市柯橋笛揚路站,并預留與紹興軌道交通1號線接軌貫通運營條件,地下線長9.87km,采用盾構法施工。線路走向示意見圖1。

圖1 杭紹線方案示意

其中,香樟路站—衙前站區間需穿越部分高架道路改造段。隧道上方既有覆土的開挖、高架橋樁基施工將在以下幾個方面對杭紹線盾構工程可能產生影響。

(1)高架橋橋墩樁基、咬合樁等與杭紹線盾構區間距離較近(根據地鐵保護要求,樁基礎與地鐵隧道間距≥5m),樁基施工可能造成既有盾構結構的變形、開裂、漏水等。

(2)杭紹線區間上方需要進行開挖卸載、加載等,同時存在重型機械碾壓。土體卸載、加載等地面活動可能造成杭紹線區間隧道結構隆起和下沉,變形過大將導致盾構隧道管片接頭漏水、結構開裂、軌面高程超限等問題。

為有效保護杭紹鐵路線區間盾構隧道,減小高架橋樁基施工對杭紹線的影響,需要對該高架橋樁基距離較近的線路區間(5m范圍內)的盾構管片結構進行加固處理。

3 盾構內襯加固方案

根據加固構件截面形式的不同,主要可分為鋼板加固、工形鋼加固和槽鋼加固。

3.1 鋼板加固

采用850mm(寬)×20mm(厚)截面規格的鋼板,每延米質量為170kg,加固形式見圖2。

圖2 鋼板加固形式

鋼板加固方案適用于襯砌局部掉塊或襯砌混凝土強度、厚度不足,隧道凈空富余量較小,原襯砌混凝土強度等級不低于C20的隧道結構。該方案的加固機理是通過粘貼鋼板法增強混凝土一部分受拉鋼筋,來提高結構承載能力。其中,錨栓應滿足最小間距和邊距的要求,而且鉆孔需避開鋼筋,以避免基材混凝土破壞。

3.2 工形鋼加固

選用I20a型鋼,每延米質量為27.9kg,其橫截面及加固形式見圖3。

圖3 工形鋼截面及加固形式(單位:mm)

工形鋼拱架加固方案適用于隧道結構裂損嚴重或襯砌大面積劣化、剝落時的襯砌加固。其加固機理是沿原襯砌表面增設拱形結構,使其與原襯砌形成共同承載體。工形鋼具有較大抗彎剛度,可以極大提高隧道的承載能力,但其截面高度較大,在加固空間較小的工程中,會存在侵入建筑界限的問題。

3.3 槽鋼加固

選用[25a型鋼,每延米質量為27.4kg,槽鋼橫截面及加固形式見圖4。

圖4 槽鋼截面及加固形式(單位:mm)

槽鋼加固方案適用范圍和加固機理與工形鋼比較接近,二者均屬于鋼拱架加固法。槽鋼在滿足一定的抗彎剛度要求的同時,截面高度較低。因此,在加固空間較小的工程中可以靈活應用,避免加固結構侵入建筑界限。

4 有限元數值計算

為檢驗盾構管片內襯加固不同方案對盾構管片的加固效果,應用有限元分析軟件分別建立不同加固方案所對應的盾構隧道管片數值模型,并對盾構管片的抗變形能力進行計算和對比分析。

4.1 建立數值模型

該地鐵盾構隧道內徑5.9m,外徑6.6m,建筑界限2.8m(半徑),襯砌管片厚0.35m,單環管片寬1.2m,管片由C55混凝土預制加工,幾何尺寸示意見圖5。

圖5 盾構隧道幾何尺寸示意

數值模型中,盾構混凝土管片采用C3D8R單元進行模擬,賦予C55混凝土材料參數;鋼板、工形鋼及槽鋼均采用Q235鋼材料參數,其中加固構件的截面規格已在第2章節中說明;加固材料和襯砌管片之間假定粘結強度足夠,不發生相互錯動,用tie約束接觸面以模擬螺栓錨固、植筋、焊接等實際復雜工藝。數值模型中盾構管片加固的縱向布置形式見圖6(以工形鋼加固為例)。

圖6 盾構管片加固鋼圈縱向布置形式

4.2 計算分析

分別對盾構模型施加軸向荷載和土壓力堆載,以分析對比不同加固方案的加固效果。盾構管片抗軸向變形能力的評價指標為

(1) 施加軸向荷載

主要針對不同加固設計方案抗軸向變形的加固效果進行研究,為簡化模型,不考慮實際土體邊界條件和基坑開挖等復雜受力行為。模型施加荷載情況見圖7。

圖7 模型施加軸向外荷載

分別對加固前后盾構模型(中間幾環)施加相同外荷載,可得到相應的盾構管片變形量。為方便對該加固方法的加固效果進行研究,選取加固前后管片相同位置處的變形進行對比,盾構加固前后(以鋼板加固為例),在相同外荷載作用下的結構軸向變形云圖見圖8。

圖8 盾構加固前后軸向變形

選取3種加固方案對應的數值模型盾構拱頂相同點位的實際軸向變形值進行對比分析,結果見表1。

表1 軸向外荷載作用下盾構管片變形

(2)施加土壓力堆載

為深入研究盾構管片在實際工況中的變形行為,進一步考慮土壓力堆載情況和土體邊界條件,并考慮土體自重。土體計算參數參考文獻[1],模型施加荷載情況見圖9。

圖9 盾構土壓力堆載模型

圖10 為盾構模型在土壓力荷載作用下的軸向變形云圖。

圖10 盾構管片軸向變形

選取3種加固方案盾構拱頂相同點位在土壓力堆載作用下的實際變形值,對比分析結果見表2。

表2 土壓力堆載作用下不同加固方案管片變形

4.3 加固構件截面選型研究

為進一步研究加固構件的截面規格對加固效果的影響,以工形鋼拱架為例,分別選用規格為I20b、I22b、I25b等常見的截面類型,規格尺寸見表3。

表3 工形鋼規格 mm

鋼拱架縱向間距取0.6m,荷載采用上文提到的軸向荷載,分別計算鋼拱環縱向無連接和有綴板(肋板)連接2種加固形式(見圖11)。其中,綴板高14 cm,厚2cm,采用12塊綴板全環均勻布置。

圖11 盾構縱向加固布置形式

不同截面規格及縱向連接形式下盾構管片變形的計算結果見表4。

由表4可知,截面規格越大,工形鋼拱環的加固效果越明顯,但實際提升的加固能力有限。正常情況下,宜采用較小的截面規格(20b),縱向連接對盾構管片環(軸)向加固效果略有提升,但影響較小。

表4 不同截面規格及縱向連接下盾構管片變形

4.4 小結

綜上所述,采用鋼板加固方案的盾構管片抗變形能力提升22.9%～25.4%;工形鋼(20a)拱架加固方法抗變形能力提升13.8%～16.7%(0.6m間隔)或9.7%～11.8%(1.2m間隔);槽鋼(25a)結構加固方法盾構管片抗變形能力提升12.5%～14.4%(0.6m間隔)或8.4%～9.7%(1.2m間隔)。

此外,縱向鋼圈在有連接時,對盾構管片的環(軸)向加固效果略有提升,但影響有限。即采用綴板(肋板)進行縱向連接時,不能有效提升盾構的抗軸(環)向變形能力,但實質上能提高隧道結構的縱向結構剛度。

5 結論

(1)鋼板加固方案對盾構管片的加固效果明顯好于鋼拱架加固方案,可以有效提高盾構管片的抗軸(環)向變形能力,但鋼板加固的用材量明顯高于鋼拱架加固方案。

(2)鋼拱架結構加固時,鋼拱環縱向布置間距對加固效果有一定影響,0.6m間距較1.2m間距的加固效果提升4%～5%,但0.6m間隔布置的用材量是1.2m布置的2倍,工程造價提高較多。

(3)工形鋼拱環的加固效果略好于槽鋼環,這是因為工形鋼的截面抗彎能力要強于槽鋼,但工形鋼可能導致“侵限”問題的發生。

(4)加固構件截面越大,加固效果越好,但是加固效果提升有限。因此,盲目采用大規格型號的鋼材并不經濟。

(5)采用綴板(肋板)進行縱向連接時,不能提升盾構的抗軸(環)向變形能力,但能提高縱向結構剛度。