螺栓直径对管片错台的影响分析

马珺 深圳市宝安区水务局

陈小卫 中国水利水电第七工程局有限公司

程显皓 深圳海油工程水下技术有限公司

盾构隧道拼装管片的错台一直是困扰盾构隧道施工的技术问题。错台引起的破裂破坏了管片结构，给隧道的防水带来隐患，盾构隧道拼装管片错台的因素很多，如管片的顶力、尺寸误差、拼装不当、注浆不均及盾构姿态控制等。

工程经验表明，管片接头的轴向刚度对于管片受力和错台的影响很小，本文基于单个螺栓在错台弹性变形发生过程中的状态并得出相应控制变量，通过在铁岗-石岩水库水质保障工程隧洞施工中控制该变量，分析螺栓直径选型对管片错台的影响。

1.错台发生过程螺栓状态分析

盾构法隧道是由多块预制管片拼装而成，管片之间可以做成各种形状的接头，并以螺栓相连，本节研究单个螺栓在错台发生过程中的状态变化，得到影响错台的相关参数。

（1）管片错台发生前。

如图1（a）所示。由于螺栓与与螺杆孔内表面存在间隙d，当管片所受法向外力F很小时，不发生相对滑移，管片间不产生错台。

（2）滑动摩擦阶段。

随着法向外力逐步增大，管片间发生滑动摩擦，螺栓内的间隙逐渐减小，但滑动摩擦引起的相对位移小于螺栓间隙，螺栓不受力，螺栓与管片均未发生剪切变形。

f—管片间滑动摩擦力、W—外力做的功

（3）螺栓传力阶段。

当管片间的相对位移大于等于其内表面与螺栓间距离时，如图1（c）所示，即螺栓碰到管片内表面，螺栓管片间的相对位移而发生剪切变形，同时管片内表面发生剪切变形。此时外力，弹性范围内的管片相对位移。

图1 错台发生过程螺栓状态

KB—螺栓的变形刚度，KP—螺栓孔孔壁的变形刚度。

螺栓的变形刚度 由弯矩引起的弯曲变形和剪力引起的剪切变形组成。

KB—螺栓的抗弯刚度，KS—螺栓的剪切刚度。

由于螺栓孔孔壁的压缩而导致管片与螺栓接触部位的螺栓孔发生变形为KP。

图2 相对位移量的力学模型

假定错台在弹性变形范围内，在错台发生前及管片滑动摩擦阶段，管片间相对位移量与螺栓拉紧力N负相关；在错台发生的螺栓传力阶段，外力由管片间滑动摩擦力、螺栓抗力等共同抵抗，螺栓与螺栓孔发生弯曲变形和剪切变形，在螺栓与管片材料力学性能确定的情况下，管片间相对位移量与螺栓拉紧力N、螺栓直径D负相关。由此，在实际工程应用时，可通过改变螺栓拉紧力N、螺栓直径D来控制管片错台量。

表1 环内错台测量结果统计

图3 环内错台量发生次数统计图

2.工程概况

铁岗-石岩水库位于深圳市宝安区，v因其周围建成区密集导致入库水质不稳定，为充分保障饮用水库水质，水质保障工程采用“隧洞+生态库”理念，将不满足入库标准的水体在生态库调蓄，并可将水体排放至下游河道进行生态补水，保障了水库水质安全。

其中，连通管涵工程区域内出露地层主要有奥陶系、白垩系燕山侵入岩和第四系地层，大地构造位置位于华南褶皱系的紫金-惠阳凹褶断束中。连通管涵全长约5117.24m，为浅层排水转输系统，隧洞最大洪峰流量为24.5m3/s，内空尺寸为D=5.0m。采用复合式土压平衡盾构机施工，洞内管片厚度0.3m，外径为6.0m，管片衬砌厚度为0.3m，内衬厚0.2m，管片结构采用预制钢筋混凝土，混凝土强度等级为C50，螺栓孔直径30mm，缓冲材料橡胶板摩擦因数0.8。

3.管片错台单变量参数控制

由于在实际施工过程中，管片错台收到诸多因素影响，为对比螺栓直径对管片错台的影响，本次对比选择了在同一型号盾构机海瑞克S902、同一地层环境（残积土层）下，施工过程中分别记录了100环直径24mm和直径27mm的螺栓连接管片错台量，施工过程中严格执《盾构法隧道施工及验收规范行》（GB 50446-2017）相关要求，统计基本同一作业环境下，不同螺栓直径最大错台量及不同错台量的统计对比，得到螺栓直径与管片错台存在相关影响。

连通管涵里程YPD4+657～YPD4+807，共100环，采用螺栓直径24mm。本次拼装质量控制参数为环内最大错台2mm，环间最大错台3mm。连通管涵里程YPD4+507～YPD4+657，共100环，采用螺栓直径27mm。本次拼装质量控制参数为环内最大错台2mm，环间最大错台3mm。

成型后隧道管片错台情况统计如表1和图3：

现场实际施工后现场错台验收结果显示，采用直径24mm螺栓，6mm范围内错台数量为346个，占全部400个测量点的86.5%。采用直径27mm螺栓，3mm范围内错台数量为363个，占全部400个测量点的90.75%。

根据上述结果，螺栓同管片预留孔洞的间隙仍为管片错台的主要成因，为控制管片错台，应在确保螺栓通过的情况下，尽量增大螺栓直径，以确保管片拼装质量。但是采用大螺栓会降低管片螺栓安装效率，对管片拼装掘进进度有一定影响。

4.结语

本文立足于螺栓直径对管片间相对位移进行了单个螺栓孔变形分析，并结合实际工程，得到如下结论：错台在螺栓及管片弹性变形范围内时，当管片所受外力较小时，管片间相对位移量与螺栓拉紧力N负相关；随着外力增大，外力由管片间滑动摩擦力、螺栓抗剪力等共同抵抗，在螺栓与管片材料力学性能确定的情况下，管片间相对位移量与螺栓拉紧力N、螺栓直径D负相关。实际工程应用时，在确保螺栓拼装可行的情况下，尽量选择较大的螺栓直径，可有效控制管片错台量。