基于U型盾构施工的装配式综合管廊防水橡胶和预应力筋应力分析

周玉生， 汪 鹏

(中铁四局集团有限公司设计研究院，安徽 合肥 230023)

0 引 言

近年来，国家大力推进城市地下综合管廊建设，相继出台了一系列政策支持文件，保障地下综合管廊建设加快实施。海口市是全国首批36个地下综合管廊建设试点城市之一，中铁四局在海南省海口市椰海大道西延段地下综合管廊项目施工中，为提高装配式综合管廊施工效率，联合中铁装备研制了一种用于兼作明挖支护的敞口式U型盾构，通过将明挖法开挖与管廊管节预制拼装相结合,利用始发井和拼装完成的管廊传递反力进行掘进，实现了明挖法管廊施工的机械化、标准化和规范化[1]。

装配式综合管廊采取U型盾构法施工时，管廊防水是依靠节间预应力筋拉紧防水橡胶并使其达到一定的界面应力实现的。张拉方案的确定与顶进过程中防水橡胶的应力变化直接影响管廊节间防水效果[2]，因此,有必要就张拉方案及顶进过程中防水橡胶的应力做深入研究。

1 U型盾构施工工艺

U型盾构施工工艺是协同发挥明挖法和盾构法的技术优势，采用挖掘机明挖施工的同时，盾构机作为可移动的临时支护向前推进，并将预制管节在盾构机开挖成形的空间内依次吊入、定位、拼装。由于盾构机顶部是敞口的，两侧和底板的三面插板构成移动式支挡结构，所以叫U型盾构。如图1所示，U型盾构分为刀片，盾身以及盾尾三部分。U型盾构工作时，先将管廊放置于盾构尾部，其后盾构千斤顶将管廊顶紧，盾构刀片向前切土，使用挖机将盾构所切土清除，并依靠千斤顶使盾构向前顶进，然后张拉相邻管节间的预应力筋，松弛千斤顶并循环进行下一节管廊施工。

图1 U型盾构施工工艺示意图

2 管廊节间预应力筋张拉应力分析

使用三维建模软件对预制管廊进行建模，具体尺寸根据图2确定，其材料属性见表1。管廊之间采用双层防水橡胶防水，全断面设置12个孔进行预应力筋对管廊进行张拉，压紧防水橡胶使其达到防水效果，张拉孔布置如图3所示，有限元实体模型如图4所示。

图2 管廊横断面图

表1 材料属性表

图3 张拉孔布置示意图

图4 有限元实体模型

根据《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838-2015)8．5．7条规定，预制拼装综合管廊拼缝防水应采用预制成型弹性密封垫为主要防水措施，弹性密封垫的界面应力不应低于1.5 MPa[3,4]。此界面应力由预应力筋提供，在有限元软件中为预应力筋施加预应力时，有两种加载方式，一种为直接施加拉力，不论预应力筋如何形变其拉力不变[5]；另一种为施加初始位移，在初始步时对预应力筋施加一定变形量，由软件计算其变形协调并计算出各部件应力。两种加载适用于不同情况，本文中所研究的是顶推过程中预应力筋与防水橡胶之间应力以及变形协调关系，因此采用初始位移方式给预应力筋施加预应力。

在预应力筋两侧施加初始位移荷载。初始位移荷载从3 mm开始递增，至15 mm，由表2中结果可知，当预拉位移为7 mm时，防水橡胶最大应力为3.35 MPa，最小应力达到1.53 MPa，管廊边界条件如图5所示，防水橡胶应力结果如图6所示。

表2 预拉位移与防水橡胶应力表

图5 管廊边界条件

图6 管廊防水橡胶应力情况

3 后置节管廊顶推对初始节段管廊应力影响

海口市椰海西延路段地下综合管廊项目敞口式U型盾构施工进行了首节预制管节试推。试推管节重600 kN，当顶推力达到228 kN时管廊开始平稳移动，盾构设备自重3 200 kN，当顶推力达到1 500 kN时盾构机开始平稳移动。因此，每节管廊摩擦力为228 kN，U型盾构顶推力为1 500 kN。

建立三节管廊模型，模拟第三节管廊顶推过程，如图7所示。在第三节管廊上施加1 500 kN顶推力，并在第三节管廊底部施加摩擦力228 kN，其方向顶推力反方向，由此可算出第三节管廊顶推时，第一二两节管廊之间预应力筋拉应力以及防水橡胶界面应力(图8～图10)。

图7 第三节管廊顶推工况

图8 第三节管廊顶推时一二节间防水橡胶应力

类似的在顶推第四节时，在第四节施加1 500 kN顶推力，并分别在第三节第四节管廊施加228 kN摩擦力，其方向与顶推力方向相反。直至第九节管廊顶推时，第一二节管廊节间预应力筋和防水橡胶不再受到影响(表3)。

表3 多节拼装过程对第一二节管廊节间影响结果

图9 第一节防水橡胶最小应力曲线

图10 第一节预应力筋最大应力曲线

将第三至九节管廊顶推过程中第一二节管廊之间防水橡胶界面应力与预应力筋张拉力值进行统计，可知第三节顶推时对第一二节管廊的影响最大，顶推时防水橡胶应力从1.53 MPa增加到1.7 MPa，增加了11.1%；预应力筋应力从545.32 MPa减小到483.35 MPa，减小了11.4%。而后顶推力对第一二节间的影响逐渐减小，直至第九节后彻底无影响。

4 结 论

(1) 通过建立有限元模型，对第一二节间张拉模拟，得出防水橡胶界面应力达到满足《城市综合管廊工程技术规范》要求1.5 MPa时，预应力筋需预拉7 mm。

(2) 后置管节的顶推会对前置管节防水橡胶和预应力筋应力造成影响，其中防水橡胶的应力增大，因此在顶推完成后无须进行补张拉。

(3) 第三节管廊顶推时对第一二节间防水橡胶和预应力筋应力影响最大，分别为11.1%和11.4%，此后管节逐节减小直至第九节完全消失。

(4) 在实际施工过程中，管廊间顶推力和摩擦力虽然会降低预应力筋应力，但对管廊间防水橡胶的防水效果有利，实际施工过程中可不必考虑顶推力及摩擦力的负面影响。