盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)錯(cuò)臺(tái)分析

盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)錯(cuò)臺(tái)分析

1盾構(gòu)隧道管片錯(cuò)臺(tái)形成原因分析預(yù)制混凝土隧道的連接技術(shù)一直是施工和維護(hù)的技術(shù)問(wèn)題，長(zhǎng)期以來(lái)一直沒(méi)有得到充分重視。隨著盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)的發(fā)展和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的提高,錯(cuò)臺(tái)引起的管片開(kāi)裂、拼裝困難和防水隱患等問(wèn)題對(duì)施工和運(yùn)營(yíng)的影響開(kāi)始凸顯出來(lái)。盾構(gòu)隧道管片發(fā)生錯(cuò)臺(tái)的因素很多,如管片的頂力不均勻、制造尺寸有誤、拼裝不當(dāng)、注漿不均及盾構(gòu)姿態(tài)控制等。其中主要的原因是在管片拼裝后直接受到盾構(gòu)千斤頂不均勻頂力的作用迫使其向后壓縮彈性密封墊,而由于全環(huán)的不均勻的頂力作用,造成了密封墊的差異性壓縮變形,從而進(jìn)一步造成了管片間的有差異的縱向位移,即錯(cuò)臺(tái)的發(fā)生。隨著頂力的持續(xù)作用,密封墊將繼續(xù)被壓縮直至壓縮性能完全的發(fā)揮,在此過(guò)程中管片錯(cuò)臺(tái)將繼續(xù)發(fā)展累積下來(lái),最終造成了錯(cuò)臺(tái)總量的增大。2工程完成后的錯(cuò)誤記錄和錯(cuò)誤2.1工程地質(zhì)及結(jié)構(gòu)上海軌道交通2號(hào)線西延伸工程(Ⅵ標(biāo))包括出入段線區(qū)間盾構(gòu)隧道(含一個(gè)旁通道和一個(gè)盾構(gòu)工作井)、暗埋段和敞開(kāi)段。本標(biāo)段虹橋臨空?qǐng)@站—北翟路工作井區(qū)間隧道工程,入段線全長(zhǎng)1257.937m,出段線全長(zhǎng)1241.55m。隧道最大覆土厚度約為15.5m,隧道水平曲線最小轉(zhuǎn)彎半徑為399.851m,最大縱坡為37‰。隧道外徑為6200mm,襯砌為環(huán)寬1200mm,厚度350mm的通縫管片,環(huán)縱向均設(shè)有凹凸槽。管片采用通縫拼裝,M30雙頭直螺栓聯(lián)接;環(huán)縫及縱縫間防水材料采用三元乙丙彈性密封墊。本區(qū)段隧道埋深中間深,兩端淺,隧道所在場(chǎng)地地層分布較穩(wěn)定,分層界限明顯,土層起伏變化不大。整個(gè)區(qū)間隧道穿越土層主要為④層灰色淤泥質(zhì)粘土層,由于其壓縮性高、含水量高、孔隙比大、強(qiáng)度低、穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng),在動(dòng)力作用下極易產(chǎn)生流變、觸變現(xiàn)象。本場(chǎng)地淺部地下水屬潛水類(lèi)型,補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水與地表徑流,水位動(dòng)態(tài)為氣象型地下水埋深0.5～0.7m。本標(biāo)段施工區(qū)域微承壓含水層分布于⑤2粉細(xì)砂層中。2.2頂力發(fā)展性造成的錯(cuò)臺(tái)在盾構(gòu)施工過(guò)程中,管片受到盾構(gòu)機(jī)千斤頂?shù)捻斄ψ饔孟蚝髩嚎s彈性密封墊并產(chǎn)生一定縱向位移。具有差異性的頂力勢(shì)必造成彈性密封墊的壓縮變形的不均勻,使得同環(huán)的各塊管片產(chǎn)生的位移也不相同,它們之間發(fā)生相對(duì)的錯(cuò)動(dòng),從而形成了錯(cuò)臺(tái)。錯(cuò)臺(tái)的發(fā)生也與其它諸如管片尺寸、拼裝、周?chē)翆犹匦缘纫蛩赜嘘P(guān),但是施工過(guò)程中的不均勻頂力因素占主導(dǎo)的地位。3三維開(kāi)元模型的構(gòu)建3.1簡(jiǎn)化管片的坡度和管片面的確定①本次錯(cuò)臺(tái)分析僅限于接縫的縱向相對(duì)位移,不考慮豎直方向的位移;②由于同步注漿采用的惰性漿液的凝固需要數(shù)天時(shí)間,而此次量測(cè)錯(cuò)臺(tái)的時(shí)間僅為20h左右,故忽略漿液對(duì)管片的影響;③將隧道的坡度簡(jiǎn)化為平坡;④把接頭面看作是一個(gè)純平面,不考慮接頭面處的彈性密封槽、嵌縫槽以及用于定位的凹凸榫;⑤不考慮螺栓孔;⑥一塊管片受到的不同千斤頂?shù)捻斄鶆蜃饔糜谠摴芷?。⑦盾?gòu)隧道和周?chē)馏w的接觸邊界條件對(duì)管片錯(cuò)臺(tái)有一定影響,但在錯(cuò)臺(tái)發(fā)生期間,管片結(jié)構(gòu)外側(cè)主要被還未凝固的同步注漿漿液包圍,摩擦作用較小,故本次模擬暫不考慮。3.2單元參數(shù)及其本構(gòu)關(guān)系如圖1所示,模型管片外徑為6200mm,內(nèi)徑為5500mm,環(huán)寬1200mm,依據(jù)管片錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果,管片拼裝10環(huán)后,錯(cuò)臺(tái)量就基本不再發(fā)展。因此本次計(jì)算模型沿縱向取20環(huán),長(zhǎng)度為24m。每環(huán)有六塊模型管片,分別為1塊弧長(zhǎng)817mm的封頂塊,2塊弧長(zhǎng)3318mm的鄰接塊,2塊弧長(zhǎng)3318mm的標(biāo)準(zhǔn)塊和1塊弧長(zhǎng)4288mm的拱底塊,管片塊與塊之間設(shè)螺栓連接。表1列出了與模型相關(guān)的單元參數(shù)及其本構(gòu)關(guān)系。其中管片選用solid65混凝土單元進(jìn)行模擬;環(huán)向和縱向的螺栓選用link8單元,并施加預(yù)緊力;彈性密封墊用link8單元模擬;管片之間的摩擦用targe170和conta173接觸單元來(lái)實(shí)現(xiàn),接觸類(lèi)型為面-面接觸。在模型的端部,即圖1中管片模型在X-Y面上所有結(jié)點(diǎn)進(jìn)行固定約束,而另一端則施加沿Z軸反方向的千斤頂頂力,不同管片上的頂力各不相同。圖2中顯示了管片的土壓力分布情況。管片左右兩側(cè)為梯形分布荷載,上下側(cè)為矩形分布荷載。在重力場(chǎng)的作用下,管片的受力平衡。3.3頂力及頂力分析數(shù)值模擬的過(guò)程同盾構(gòu)推進(jìn)一致,在每拼裝一環(huán)管片后即施加不均勻的千斤頂頂力,對(duì)當(dāng)時(shí)的工況進(jìn)行計(jì)算,得出該工況下的錯(cuò)臺(tái)值。本次模擬采用的不均勻頂力依據(jù)盾構(gòu)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果計(jì)算得到,封頂塊的頂力均值542kN;鄰接塊的頂力均值1407kN;標(biāo)準(zhǔn)塊的頂力均值1484kN;拱底塊的頂力均值4696kN。由此,可以得到拱底塊和鄰接塊之間的頂力差約為1882kN。圖3表示了錯(cuò)臺(tái)主要產(chǎn)生的位置,錯(cuò)臺(tái)主要發(fā)生在鄰接塊和標(biāo)準(zhǔn)快,以及標(biāo)準(zhǔn)塊和拱底塊的接縫處。接觸面上具有相同坐標(biāo)的兩節(jié)點(diǎn)的縱向位移的差值即是該情況下的錯(cuò)臺(tái)。4錯(cuò)臺(tái)距離的變化圖4顯示了錯(cuò)臺(tái)模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果的比較。模擬所用的頂力是實(shí)測(cè)若干環(huán)管片的平均頂力值。黑點(diǎn)表示實(shí)測(cè)的若干環(huán)管片平均錯(cuò)臺(tái)量隨管片到盾尾距離的變化,而曲線表示的是模擬錯(cuò)臺(tái)量隨管片到盾尾距離的變化。從模擬的結(jié)果可以看出,管片從脫離盾尾開(kāi)始出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái),并隨著盾構(gòu)的推進(jìn),隨著到盾尾的距離增大而增大。在錯(cuò)臺(tái)發(fā)展的過(guò)程中,由于數(shù)值模擬對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的諸多因素進(jìn)行了簡(jiǎn)化,所以使其與實(shí)測(cè)值稍有差異。但是由兩種方法得到的錯(cuò)臺(tái)量均在到盾尾距離約8.4m之后逐漸穩(wěn)定在12mm左右。圖4中錯(cuò)臺(tái)模擬曲線的切線斜率還表征了錯(cuò)臺(tái)速率大小。從圖5可知,錯(cuò)臺(tái)速率隨著到盾尾的距離的增大而減小。錯(cuò)臺(tái)曲線的切線斜率在管片到盾尾4.8～6.0m這段區(qū)間出現(xiàn)較大減小,在管片到盾尾約7.2m之后錯(cuò)臺(tái)速率趨于零,即錯(cuò)臺(tái)趨于停止。5錯(cuò)誤平臺(tái)的影響因素分析5.1片錯(cuò)臺(tái)更直接的原因影響錯(cuò)臺(tái)的因素很多,其中不均勻頂力就是一個(gè)重要因素。同環(huán)管片上不同區(qū)域的頂力差值則是造成管片錯(cuò)臺(tái)更直接的原因。表2中列出了732～736環(huán)管片的不同塊體上作用的頂力大小。從表2可見(jiàn),即使同一環(huán)管片上不同的塊體作用的頂力也是不同的。封頂塊作用的頂力最小,拱底塊最大,之間的頂力差可達(dá)1000kN以上。由于頂力差的存在,造成通縫拼裝盾構(gòu)隧道管片的位移差異,形成錯(cuò)臺(tái)。5.2螺栓的預(yù)緊力同一環(huán)的不同管片塊之間由環(huán)向螺栓連接,任何塊體的縱向位移都會(huì)受到與其連接塊體的摩擦影響。相連接的塊體之間的摩擦由摩擦系數(shù)、土壓力和螺栓預(yù)緊力等因素有關(guān)。由于摩擦系數(shù)和土壓力相對(duì)穩(wěn)定,在此僅對(duì)不同的環(huán)向螺栓預(yù)緊力進(jìn)行討論。現(xiàn)場(chǎng)采用的環(huán)向螺栓直徑30mm,機(jī)械性能為5.8級(jí)。根據(jù)其機(jī)械性能和公式(1)可以計(jì)算得出預(yù)緊力的設(shè)計(jì)值約為151kN。P=0.675fyAe(1)Ρ=0.675fyAe(1)式中,fy為高強(qiáng)度螺栓的屈服強(qiáng)度;Ae為高強(qiáng)度螺栓的有效截面面積。圖7顯示了預(yù)緊力分別為50、100、151、300和400kN,共5條不同的錯(cuò)臺(tái)曲線。最終的錯(cuò)臺(tái)量從隨預(yù)緊力減小而增大,由8mm增加至14mm左右。這表明螺栓的預(yù)緊力變化使得相連塊體之間的摩擦變化,影響錯(cuò)臺(tái)的發(fā)展及最后的錯(cuò)臺(tái)量。在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中,高強(qiáng)度螺栓完全由人工安裝,螺栓的預(yù)緊力由于受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和工作人員的影響較大,其值也較離散,所以螺栓預(yù)緊力對(duì)錯(cuò)臺(tái)的影響也較明顯。6頂力差對(duì)錯(cuò)臺(tái)速率的影響(1)管片的錯(cuò)臺(tái)從脫離盾尾開(kāi)始發(fā)生,錯(cuò)臺(tái)量逐漸增大,在離盾尾約8.4m以后趨于穩(wěn)定,最終達(dá)到12mm左右。(2)錯(cuò)臺(tái)速率隨著管片到盾尾的距離增大而逐漸減小趨于零。(3)頂力差對(duì)錯(cuò)臺(tái)的影響十分明顯,錯(cuò)臺(tái)隨頂力差增大而增大,錯(cuò)臺(tái)速率隨管片到盾尾距離增大而減小。(4)環(huán)向螺栓的預(yù)緊力變化使得相連塊體之間的摩擦變化,對(duì)錯(cuò)臺(tái)的發(fā)展及最后的錯(cuò)臺(tái)量有一定影響,并隨預(yù)緊力的減小而增大。圖6顯示了拱底塊與鄰接塊之間頂力差在1500～2300kN之間5個(gè)不同級(jí)別的錯(cuò)臺(tái)曲線,封