盾构隧道管片结构错台分析

盾构隧道管片结构错台分析

1盾构隧道管片错台形成原因分析预制混凝土隧道的连接技术一直是施工和维护的技术问题，长期以来一直没有得到充分重视。随着盾构法隧道施工技术的发展和技术标准的提高,错台引起的管片开裂、拼装困难和防水隐患等问题对施工和运营的影响开始凸显出来。盾构隧道管片发生错台的因素很多,如管片的顶力不均匀、制造尺寸有误、拼装不当、注浆不均及盾构姿态控制等。其中主要的原因是在管片拼装后直接受到盾构千斤顶不均匀顶力的作用迫使其向后压缩弹性密封垫,而由于全环的不均匀的顶力作用,造成了密封垫的差异性压缩变形,从而进一步造成了管片间的有差异的纵向位移,即错台的发生。随着顶力的持续作用,密封垫将继续被压缩直至压缩性能完全的发挥,在此过程中管片错台将继续发展累积下来,最终造成了错台总量的增大。2工程完成后的错误记录和错误2.1工程地质及结构上海轨道交通2号线西延伸工程(Ⅵ标)包括出入段线区间盾构隧道(含一个旁通道和一个盾构工作井)、暗埋段和敞开段。本标段虹桥临空园站—北翟路工作井区间隧道工程,入段线全长1257.937m,出段线全长1241.55m。隧道最大覆土厚度约为15.5m,隧道水平曲线最小转弯半径为399.851m,最大纵坡为37‰。隧道外径为6200mm,衬砌为环宽1200mm,厚度350mm的通缝管片,环纵向均设有凹凸槽。管片采用通缝拼装,M30双头直螺栓联接;环缝及纵缝间防水材料采用三元乙丙弹性密封垫。本区段隧道埋深中间深,两端浅,隧道所在场地地层分布较稳定,分层界限明显,土层起伏变化不大。整个区间隧道穿越土层主要为④层灰色淤泥质粘土层,由于其压缩性高、含水量高、孔隙比大、强度低、稳定时间长,在动力作用下极易产生流变、触变现象。本场地浅部地下水属潜水类型,补给来源主要为大气降水与地表径流,水位动态为气象型地下水埋深0.5～0.7m。本标段施工区域微承压含水层分布于⑤2粉细砂层中。2.2顶力发展性造成的错台在盾构施工过程中,管片受到盾构机千斤顶的顶力作用向后压缩弹性密封垫并产生一定纵向位移。具有差异性的顶力势必造成弹性密封垫的压缩变形的不均匀,使得同环的各块管片产生的位移也不相同,它们之间发生相对的错动,从而形成了错台。错台的发生也与其它诸如管片尺寸、拼装、周围土层特性等因素有关,但是施工过程中的不均匀顶力因素占主导的地位。3三维开元模型的构建3.1简化管片的坡度和管片面的确定①本次错台分析仅限于接缝的纵向相对位移,不考虑竖直方向的位移;②由于同步注浆采用的惰性浆液的凝固需要数天时间,而此次量测错台的时间仅为20h左右,故忽略浆液对管片的影响;③将隧道的坡度简化为平坡;④把接头面看作是一个纯平面,不考虑接头面处的弹性密封槽、嵌缝槽以及用于定位的凹凸榫;⑤不考虑螺栓孔;⑥一块管片受到的不同千斤顶的顶力均匀作用于该管片。⑦盾构隧道和周围土体的接触边界条件对管片错台有一定影响,但在错台发生期间,管片结构外侧主要被还未凝固的同步注浆浆液包围,摩擦作用较小,故本次模拟暂不考虑。3.2单元参数及其本构关系如图1所示,模型管片外径为6200mm,内径为5500mm,环宽1200mm,依据管片错台现场监测结果,管片拼装10环后,错台量就基本不再发展。因此本次计算模型沿纵向取20环,长度为24m。每环有六块模型管片,分别为1块弧长817mm的封顶块,2块弧长3318mm的邻接块,2块弧长3318mm的标准块和1块弧长4288mm的拱底块,管片块与块之间设螺栓连接。表1列出了与模型相关的单元参数及其本构关系。其中管片选用solid65混凝土单元进行模拟;环向和纵向的螺栓选用link8单元,并施加预紧力;弹性密封垫用link8单元模拟;管片之间的摩擦用targe170和conta173接触单元来实现,接触类型为面-面接触。在模型的端部,即图1中管片模型在X-Y面上所有结点进行固定约束,而另一端则施加沿Z轴反方向的千斤顶顶力,不同管片上的顶力各不相同。图2中显示了管片的土压力分布情况。管片左右两侧为梯形分布荷载,上下侧为矩形分布荷载。在重力场的作用下,管片的受力平衡。3.3顶力及顶力分析数值模拟的过程同盾构推进一致,在每拼装一环管片后即施加不均匀的千斤顶顶力,对当时的工况进行计算,得出该工况下的错台值。本次模拟采用的不均匀顶力依据盾构机现场监测结果计算得到,封顶块的顶力均值542kN;邻接块的顶力均值1407kN;标准块的顶力均值1484kN;拱底块的顶力均值4696kN。由此,可以得到拱底块和邻接块之间的顶力差约为1882kN。图3表示了错台主要产生的位置,错台主要发生在邻接块和标准快,以及标准块和拱底块的接缝处。接触面上具有相同坐标的两节点的纵向位移的差值即是该情况下的错台。4错台距离的变化图4显示了错台模拟和实测结果的比较。模拟所用的顶力是实测若干环管片的平均顶力值。黑点表示实测的若干环管片平均错台量随管片到盾尾距离的变化,而曲线表示的是模拟错台量随管片到盾尾距离的变化。从模拟的结果可以看出,管片从脱离盾尾开始出现错台,并随着盾构的推进,随着到盾尾的距离增大而增大。在错台发展的过程中,由于数值模拟对现场的诸多因素进行了简化,所以使其与实测值稍有差异。但是由两种方法得到的错台量均在到盾尾距离约8.4m之后逐渐稳定在12mm左右。图4中错台模拟曲线的切线斜率还表征了错台速率大小。从图5可知,错台速率随着到盾尾的距离的增大而减小。错台曲线的切线斜率在管片到盾尾4.8～6.0m这段区间出现较大减小,在管片到盾尾约7.2m之后错台速率趋于零,即错台趋于停止。5错误平台的影响因素分析5.1片错台更直接的原因影响错台的因素很多,其中不均匀顶力就是一个重要因素。同环管片上不同区域的顶力差值则是造成管片错台更直接的原因。表2中列出了732～736环管片的不同块体上作用的顶力大小。从表2可见,即使同一环管片上不同的块体作用的顶力也是不同的。封顶块作用的顶力最小,拱底块最大,之间的顶力差可达1000kN以上。由于顶力差的存在,造成通缝拼装盾构隧道管片的位移差异,形成错台。5.2螺栓的预紧力同一环的不同管片块之间由环向螺栓连接,任何块体的纵向位移都会受到与其连接块体的摩擦影响。相连接的块体之间的摩擦由摩擦系数、土压力和螺栓预紧力等因素有关。由于摩擦系数和土压力相对稳定,在此仅对不同的环向螺栓预紧力进行讨论。现场采用的环向螺栓直径30mm,机械性能为5.8级。根据其机械性能和公式(1)可以计算得出预紧力的设计值约为151kN。P=0.675fyAe(1)Ρ=0.675fyAe(1)式中,fy为高强度螺栓的屈服强度;Ae为高强度螺栓的有效截面面积。图7显示了预紧力分别为50、100、151、300和400kN,共5条不同的错台曲线。最终的错台量从随预紧力减小而增大,由8mm增加至14mm左右。这表明螺栓的预紧力变化使得相连块体之间的摩擦变化,影响错台的发展及最后的错台量。在盾构推进过程中,高强度螺栓完全由人工安装,螺栓的预紧力由于受到现场环境和工作人员的影响较大,其值也较离散,所以螺栓预紧力对错台的影响也较明显。6顶力差对错台速率的影响(1)管片的错台从脱离盾尾开始发生,错台量逐渐增大,在离盾尾约8.4m以后趋于稳定,最终达到12mm左右。(2)错台速率随着管片到盾尾的距离增大而逐渐减小趋于零。(3)顶力差对错台的影响十分明显,错台随顶力差增大而增大,错台速率随管片到盾尾距离增大而减小。(4)环向螺栓的预紧力变化使得相连块体之间的摩擦变化,对错台的发展及最后的错台量有一定影响,并随预紧力的减小而增大。图6显示了拱底块与邻接块之间顶力差在1500～2300kN之间5个不同级别的错台曲线,封