基于工程影响的盾构管片错台因素探讨

赵　京　陈雅昕　凌云鹏

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055；2.北京工业大学，北京　100124)

Discussion of the Key Factors that Affect the Shield Dislocation

ZHAO Jing1　CHEN Yaxin2　LING Yunpeng1

基于工程影响的盾构管片错台因素探讨

赵京1陈雅昕2凌云鹏1

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055；2.北京工业大学，北京100124)

Discussion of the Key Factors that Affect the Shield Dislocation

ZHAO Jing1CHEN Yaxin2LING Yunpeng1

摘要依托实际工程背景，应用有限元软件ANSYS模拟现场盾构管片受力情况，分别对盾构错台的关键影响因素：盾构机顶力、盾构螺栓半径、盾构管片间摩擦系数、注浆压力进行讨论分析。

关键词盾构隧道管片受力盾构机顶力螺栓半径摩擦系数注浆压力

在盾构施工过程中，出现不同程度的管片破损和错台是一种较常见的现象，较严重的破损和较大的错台往往共生[1-3]。防止管片受到此类伤害，对延长隧道永久结构的使用寿命有积极作用。但目前国内还没有对盾构相关参数有一个统一的标准。

以“河北第一盾”曹妃甸工业区综合管廊工程为依托，利用ansys软件采用现场参数进行仿真模拟，在证明模型正确的基础上，分别对比分析盾构不同顶力、不同螺栓半径，以及不同预紧力、不同注浆压力、不同摩擦系数等关键因素的影响，提出相应的参考值。

1工程概况

唐山曹妃甸工业区跨纳潮河综合管廊工程位于一号路桥西侧80 m，采用盾构法施工，由2条平行的DN5500 mm单圆隧道构成，建成后主要容纳工业区内通向岛内的给水、电力、排水、暖通、通信等管线。

纳潮河为规划河道，需在现状地面的基础上开凿而成。概况为：1号路为现状道路，1号路西侧有约80 m宽的填海区，填海区以西即为渤海。项目区原为浅海，现已填海造地，地势平坦，隧道单线长度1 046.422 m，隧道平面为直线，V形纵坡，最大坡度为4.5%，竖曲线半径3 500 m。施工最大覆土厚度为28.2 m，最小覆土厚度5.5 m，全线穿越纳潮河(如图1所示)。区间通过的地层主要以粉砂、粉黏土、淤泥质黏土为主。

盾构管片设计参数：采用直线环(无楔形量)，每环管片分为一个拱底块(TD)、两个标准块(TB1、TB2)、两个邻接块(TL1、TL2)和一个封顶块(TF)，共6小块；衬砌环构造尺寸为：内径5 500 mm，外径6 200 mm，壁厚350 mm，环宽1 200 mm；衬砌环缝设置凹凸榫，由17根螺杆连接；衬砌纵缝为平缝，由12根螺杆连接；设计采用通缝拼装，竖曲线段采用低压石棉橡胶板衬垫调整管片姿态。

本工程中的管片无楔形量，线路坡度大，盾构机姿态不易调整，且通缝拼装的管片受力状况不佳，在隧道施工过程中，常有管片错台的现象发生。管片错台会导致隧道渗水、漏浆，影响工程的使用，堵漏工作需要相当大的投入。而本工程在海面下长距离穿越，地下水丰富、且水压较大，所以管片错台是本工程重点防治工作之一。

图1　隧道地质剖面

2数值模拟

2.1　程序简介

ANSYS是一款功能强大的工程软件，可以进行静力、动力、温度场分析，其中结构静力分析是最常用的一种分析。静力分析可分为线性静力分析和非线性静力分析，管片是钢筋混凝土，属于非线性材料，因此此次分析采用非线性静力分析。

2.2　假定条件

为了便于分析和数值模拟的实现，建立有限元模型之前，先做如下假设简化[4-5]:

①不考虑隧道纵坡的影响。

②忽略螺栓孔对管片刚度的影响。

③把管片环与环之间的接触面看做一个平面，忽略接触面处的弹性密封槽、嵌缝槽。

④注浆压力和周围土体的重力作用，对管片分块的作用假设均匀作用在其上面；且采用注浆压力和周围土体压力合算的方式，对其表面施加作用力。

⑤管片受到千斤顶顶力的均匀作用且大小保持不变，其大小采用监测区间内顶力的平均值。

⑥考虑到注浆浆液需要一定的时间才能凝固，而此次量测错台的时间仅为20 h左右，故忽略浆液对管片的影响和周围土体对管片的摩擦作用。

⑦本次计算选取4环管片进行计算模拟。

2.3　计算模型及物理力学参数

(1)计算模型

计算模型如图2所示。

图2　管片模型(整体)

(2)参数

管片各个参数如表1所示。

表1　管片参数

备注：封顶块×1、邻接块×2、标准块×2、拱底块×1。

选用solid65实体单元进行模拟，采用D-P模型;螺栓选用杆单元link8单元进行模拟，并施加预紧力;管片接触采用target170和contal73接触单元来实现，接触类型为面一面接触[6]。

不同管片的顶力作用(根据观测结果取平均值后)如表2所示。

表2　管片顶力

数值模拟各单元属性如表3所示。

表3　单元属性

2.4　计算结果及分析

(1)现场结果

根据现场参数得到计算结果如图3～图8所示。

图3　管片等效应力

图4　管片应变

图5　Z方向位移

图6　螺栓应力

图7　螺栓等效位移

图8　管片错台状况

结果与实测数据接近，可进行下一步讨论。

(2)影响因素计算分析

为进一步得到工程中各个施工因素对盾构的影响，从不同顶力、不同覆土厚度、不同摩擦系数、不同螺栓半径等方面进行模拟计算分析。

不同顶力作用：

管片错台现象是在管片拼装完成后，在顶力的作用下，向后压缩弹性密封垫，由于盾构机千斤顶的施力位置不在正中心，使其在全环不同位置所受顶力不同，导致密封垫的差异性压缩变形，进而致使管片间出现差异性的纵向位移(即错台)[7]。伴随顶力的持续作用，管片随之持续压缩密封垫，进而管片的错台量不断积累，从而表现为错台总量不断增大。但由于密封垫的压缩性能有限，当密封垫的压缩变形趋于极限时，且在环向螺栓的作用下，错台在达到一定程度后，一般是管片脱出盾构机尾后，错台现象将慢慢趋于停止。不同顶力作用见表4。

表4　不同顶力作用

通过表4数据可以得到：千斤顶顶力越大，盾构管片的等效拉应力越大，应变也越大 ，但不同工况下，最大的应力和最大等效应力都发生在4∶30方向的第三环与第四环的环缝内表面。千斤顶顶力越大，螺栓应力越大，并出现在相同位置，均为管片的上部第二环和第三环螺栓。千斤顶顶力越大，管片最大错台量越大，位置都发生在5∶00方向。

注浆压力的影响：

为方便讨论，注浆压力分别取0.12 MPa、0.3 MPa、0.42 MPa情况下对管片的影响(如表5)。

表5　注浆压力影响

通过计算数据可知，注浆压力增大，盾构管片的等效拉应力和应变基本无变化，这是由于注浆压力对管片是环向均布作用的。

比较螺栓半径的大小：

螺栓半径越大，其表面与管片接触越大，相对其承受的压强就越小，且其发挥的作用越充分，但是若太大，会导致螺栓成本上升，且管片螺栓孔位置就越大，其周围管片材质就越少，相对孔周围的抗拉抗压抗剪等能力就会下降。因此，对于一定厚度的管片，合理的螺栓半径选择十分有必要(如表6)。

表6　螺栓半径选择

随着螺栓半径的增大，盾构管片的等效应力增长，应变增大，最大的应力出现在第二环与第三环的环缝附近。螺栓应力随其增大而减小，块间螺栓应力随其增大而减小;最大错台量基本保持不变，都在45 mm左右，发生在第四环管片，点位都在5：00方向。这是由于随着螺栓半径的增大，其与管片的有效接触面积增加，那么相对螺栓的承受应力减小，管片承受应力增加，导致以上变化。

不同摩擦系数的大小及管片弹性模量的比较：

本次现场测得的管片间的摩擦为0.2，以下分别取0.15和0.25与其进行对比论证(如表7)。

表7　摩擦系数与应力关系

随着摩擦系数的增大，管片的所受有效应力在减小，但是幅度并不大；随着摩擦系数的增大，管片的最大错台量有少量的降低，几乎可以忽略不计，看做无影响。

3结论

千斤顶推力对等效拉应力影响较大，最大变化差值达1 MPa，当顶力变化66%时，对块间螺栓应力变化幅度达60%左右，对错台影响达到55%。因此，当遇到掘进困难时，对调整顶进压力需慎重。

改变注浆压力影响不明显，但是过大的注浆压力和过多的浆液会导致管片产生上浮，而过小的注浆压力明显不能发挥其作用，合理的注浆压力和注浆量有利于错台的减小而且还能避免管片上浮。

螺栓半径对管片应力影响比较大，最大变化差值达141 900 Pa，对螺栓的影响也较大，最大变化差值达592 340 Pa，说明对螺栓有显著的影响但对错台的影响比较小。因此，从防止错台的角度看，增加螺栓半径的必要性是很低的。

通过改变摩擦系数发现，摩擦系数再增大已经没有很大影响，但实际中若把管片表面处理得过于粗糙，对于管片防水等方面的要求和相应成本都会增加。因此，综合考虑到成本等因素，对管片的接口进行粗糙度处理是不经济的，不建议通过改变材料属性或采取相关措施来改变摩擦系数，从而达到防治管片和螺栓破损的目的。

本文仅仅给出有限的讨论参数，有待于通过大量计算求解出一系列参数，从而为今后类似工程提供更为直观的参考。

对于各种工况，有待进行现场和实验验证。

参考文献

[1]武凡，刘洪震.大断面泥水盾构地表沉降控制及监测信息反馈技术[J].铁道勘察，2011(1)：104-107

[2]田宁. 地铁盾构穿越断层施工力学响应研究[J].铁道勘察，2012(2):38-41

中图分类号：U455.43

文献标识码：A

文章编号：1672-7479(2015)03-0111-04

作者简介：第一赵京(1988—)，助理工程师，E-mail：604793140@qq.com。

收稿日期：2015-03-04