盾构隧道负环管片自重变形工况下结构受力分析及应对措施.pdf

盾构隧道负环管片自重变・隧道／地下工程・形工况下结构受力分析及应对措施邹佳光（中铁十四局集团有限公司山东济南２５００１４）摘要大直径盾构隧道负环管片放置在管片拼装基座上，在自重作用下，管片易发生较大变形，由于管片局部支撑。管片易发生应力集中，管片外围无水土压力，管片内部相当于无预应力状态（轴力较小且分布不均匀），所以此时位于管片底部区域的接头应力较大，易张开，影响结构正常使用。结合南京长江隧道工程实际，通过力学模型，研究隧道负环结构受力状态，并通过提出施工措施来保证结构安全。关键词盾构隧道负环管片自重变形力学模型结构受力施工措施中图分类号Ｕ４５５．３文献标识码Ｂ———文章编号１００９４５３９（２０１６）０８００７５０３ＳｔｒｕｃｔｕｒｅＳｔｒｅｓｓＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＭｅａｓｕｒｅｓｉｎｔｈｅＣｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆＤｅａｄｗｅｉｇｈｔＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆＳｈｉｅｌｄＴｕｎｎｅｌＰａｒｔｉａｌＳｅｇｍｅｎｔＺｏｕＪｉａｇｕａｎｇ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ１４山ＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐＣｏ．ｈｄ．，ＪｉｎａｎＳｈａｎｄｏｎｇ２５００１４，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｐａｒｔｉａｌｓｅｇｍｅｎｔｏｆｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌＣｆｌｌｌｅａｓｉｌｙｃａｕｓｅｍａｊｏｒｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｉｔｓｏｗｎｗｅｉｇｈｔｗｈｉｌｅｐｌａｃｉｎｇｏｎｔｈｅｓｅｇｍｅｎｔａｓｓｅｍｂｌｉｎｇｂａｓｅ．Ｄｕｅｔｏｌｏｃａｌｓｕｐｐｏｒｔ，ｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｓｅａｓｉｌｙｃａｕｓｅｄｔｏｔｈｅｓｅｇｍｅｎｔ．Ｔｈｅｓｅｇｍｅｎｔｉｎｔｅ－ｒｉｏｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｓｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄａｓｎｏｎ－ｐｒｅｓｔｒｅｓｓ（ｗｉｔｈｓｍａｌｌａｘｉａｌｆｏｒｃｅｕｎｅｖｅｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ）ａｓｔｈｅｒｅｉｓｎｏｗａｔｅｒａｎｄｓｏｉｌｐｒｅｓ－ｓｕｒｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｔｈｅｓｅｇｍｅｎｔ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅｔｈｅｊｏｉｎｔｓｔｒｅｓｓａｔｔｈｅｓｅｇｍｅｎｔｂｏｔｔｏｍｉｓｈｉｇｈａｎｄ—ｏｐｅｎｐｒｏｎｅ，ｗｈｉｃｈａｆｆｅｃｔｓｎｏｒｍａｌｕｓｅｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．ＣｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆＮａｎｊｉｎｇＹａｎｇｔｚｅＲｉｖｅｒＴｕｎｎｅｌ，ｔｈｅｐａｐｅｒｓｔｕｄｉｅｓｓｔｒｅｓｓｓｔａｔｅｏｆｔｕｎｎｅｌｓｅｇｍｅｎｔｒｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｎｂａｓｉｓｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌ，ａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｓｔｏｇｕａｒａｎｔｅｅｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓａｆｅｔｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌ；０ａａｉａｌｓｅｇｍｅｎｔ；ｄｅａｄｗｅｉｇｈｔｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｔｒｅｓｓ；ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｒＩ麟ｕｒｅ１引言随着近年来盾构隧道工程发展势头迅猛，新型复杂工程结构的大量涌现，对结构施工期的安全控“制研究也愈发重要。南京长江隧道工程作为南京”“”市城市总体规划确定的五桥一隧过江通道中的重要项目，对盾构隧道负环管片在施工工况下进行结构受力机制研究分析，并采取有针对性的控制措——收稿Ｅｔ期：２０１６０６０４基金项目：南京长江隧道科技创新项目（ＫＪ０８－７）施预防结构破坏，是盾构隧道能否顺利始发的重要前提，同时也为南京长江隧道的施工工况结构设计和功能设计提供基础数据和技术支持。２负环管片自重变形工况下结构受力计算分析２．１自重变形工况管片结构计算分析（１）修正惯用法简介¨。３１考虑到圆形衬砌环的承载特性及其对隧道建造成本的重大影响，世界各国对衬砌环结构的设计铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（０８ｌ７５万方数据・隧道／地下工程・理论和计算模型进行了大量的研究，逐渐发展形成—了各自实用的衬砌设计计算模型［４７］。不同的计算模型，得到的内力分布亦不完全相同旧Ｊ。根据南京长江隧道埋设在软土地层中的情况和错缝拼装工艺特点，自重变形工况计算模型拟选用修正惯用法∽计算模型Ｊ，采用修正惯用法计算衬砌环的内力及变形时，衬砌环的抗弯刚度有效系数和错缝拼装时的弯矩传递系数是关键的设计参数。①抗弯刚度有效系数：引入由于管片间接缝存在使得整体刚度降低的折减参数叼（抗弯刚度有效≤系数），衬砌环的等价刚度为ｎＥＩ（Ｏ＜７１１）。通过试验测得的变形，与叼取不同值时的理论变形值进行比较，可以确定等效刚度。根据整环试验不同工况的实测值与理论值进行对比，可推算试验环不同受力工况下的卵。②弯矩传递系数：在错缝拼装情况下，相邻环间弯矩、轴力均有纵向传递。为考虑相邻衬砌环间的弯矩、轴力传递作用，引入弯矩传递系数ｆ和轴力传递系数亭７，孝定义以邻接纵缝接头传递产生的弯矩（轴力）与按均质圆环法计算得到的弯矩（轴力）’之比为ｆ（ｆ）。根据试验得到的弯矩、轴力，反算弯矩传递系’数ｆ、轴力传递系数ｆ。亭＝［Ｍｍ一（Ｍｕ＋Ｍｄ）］／［Ｍｍ＋（Ｍｕ＋Ｍｄ）］（１）’ｆ＝［Ｎｍ一（舭＋Ｎｄ）］／［Ｎｍ＋（Ｎｕ＋Ｎｄ）］（２）式中，Ｍｍ、Ｎｍ为试验得到的中全环错接缝位置的弯矩、轴力；Ｍｕ、Ｎｕ为上半环对应接头处弯矩、轴力，取接缝两边弯矩、轴力的平均值；Ｍｄ、Ｎｄ为下半环对应接头处弯矩、轴力，取接缝两边弯矩、轴力的平均值。根据错缝夹片接头试验结果可推算出截面弯矩与轴力值。将试验得到的不同位置处的弯矩值’与轴力值带入式（１）与式（２），即可计算出ｆ与孝。（２）模型简介基座支点假设为铰支，载荷为实际自重载荷，采用修正惯用法计算。弯矩调整系数ｆ设为１．５，刚度折减系数叼取为０．５。（３）计算结果南京长江隧道管片在自重应力作用下，管片在７６钐｝道建翁技术盾构机内的状态及受力情况见图１；管片的整体变形、内力以及接头的变形计算结果见图２和图３。ａ．管片在盾构机内状态ｂ．受力情况图１自重变形荷载工况示意图”…●…………●●ｍｍ一～Ｌ～●…“Ⅲ……“一｜｜Ｏ一～～一－ｗａ．水平方向ｂ．竖直方向图２整环变形等刚度模型变形计算结果群Ｕ塞Ｕ——。，。。，，／、、———。。。。＿＼、∞－ｍ…’……………●…Ⅲ～一，．＇－ｂ．弯矩分布图图３等刚度模型内力计算结果２．２自重变形工况管片结构复核验算（１）隧道整体变形的验算表ｌ给出了隧道代表位置的变形量计算结果，表２给出了隧道最大收敛变形量的验算结果。从收敛变形量的计算结果表明：在实际自重荷载作用下管片的水平方向收敛变形量（横鸭蛋）为２３．４ｍｍ，纵向收敛变形量（竖鸭蛋）为２０．８ｍｍ，其收敛变形量均小于隧道外径的２．Ｏ％ｃＤ，因此，由实际自重荷载引起的变形量能满足设计要求。表１自重变形工况隧道代表位置的变形计算结果位置Ｏｏ９００１８００２７００ｘ向位移／ｍｍ０．０一１１．７０．Ｏ１１．７Ｙ向位移／ｍｍ一１８．４—７．０２．４—７．０ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（０６Ｊ万方数据・隧道／地下工程・表２自重变形工况隧道最大收敛变形量的验算表４自重变形工况管片内力计算结果及裂缝宽度验算计算值‰允许值１（１０）‰允许值２（２．０Ｄ）水平方向／ｍｍ２３．４１４．５２９．Ｏ竖直方向／ｍｍ２０．８注：表中Ｄ为隧道的直径，取１４．５ｍ。（２）管片结构裂缝宽度验算表３给出了浅埋段管片标准配筋，将该种管片用于工作井内作为负环管片时，因受力工况起了根本性的变化，管片最大内力发生位置的裂缝宽度验算结果见表４。验算结果表明：在外弧面受拉最大弯矩位置处的计算裂缝宽度为０．５ｍｍ，内弧面受拉最大弯矩位置处的计算裂缝宽度为０．６ｍｍ，均超出设计允许裂缝宽度０．２ｍｍ的要求。因此，需要对工作井内负环管片采取结构加固等措施，以避免管片产生有害的裂缝。表３浅埋段管片标准配筋量内容项目计算条件备注ＨＲＢ３３５（聊＝３３５ＭＰａ）钢筋材质及内侧主筋：４＆２８＋管片配筋１２４，２５＋４＆２２横断面外侧主筋：１２ｑｂ２０＋２由１６浅埋段标准混凝土标号Ｃ６０配筋（Ｒ２配筋类型）管片宽度２０００ｍｍ管片厚度６００ｍｉｌｌ混凝土保护层５０ｍｍ项目最大正弯矩最大负弯矩最小轴力弯矩计算值／（ｋＮ・ｍ）６３６—８６５—５３ｌ发生位置９４０／２６６０基座处００∈弯矩调整系数１．５１．５１．５验算弯矩值／（ｋＮ・ｍ）９５４．０一ｌ２９７．５—７９６．５对应轴力值／ｋＮ一３７６—３６００裂缝宽度计算值／ｒａｍＯ．５Ｏ．６０．２３裂缝宽度允许值／咖Ｏ．２Ｏ．２０．２０验算结果不满足不满足不满足注：轴力受压为正，受拉为负；弯矩外侧受拉为正，内侧受拉为负。（３）管片接头变形量的验算自重工况接头变形量的计算结果与验算结果在表５中给出，接头计算最大变形量为２．２ｒａｉｎ，而设计允许值为４．０ｍｍ，故接头变形量满足设计要求。３施工技术及构造措施效果预测分析为控制由于管片自重引起过大的裂缝宽度，盾构工作井内拼装好的负环的纵缝接头用钢板焊接，以提高接头的刚度，减小位于接头相邻环上的弯矩传递¨¨１２］，即提高弯矩调整系数ｆ。表６中给出了负环管片纵缝接头完全刚性连接后的裂缝宽度验算结果。表５环向接头变形量计算结果（自重工况）环向螺栓位置９．３０４７．４。８４．７０１２３．７０１６０．Ｏｏ２００．Ｏｏ２３６．３０２７５．３。３１２．６０３５０．７０弯矩计算值／（ｋＮ・ｍ）一５２ｌ４４６０５２３８—３８０一３８０２３８６０５４４—５２１弯矩调整系数ｆ＝Ｏ．５弯矩验算值／（ｋＮ・ｍ）一２６１２２３０３１１９—１９０一１９０１１９３０３２２—２６１轴力／ｋＮ２８一１３３４—３４１—４１９—４６０—４６０—４１９—３４１—１３３４２８最大变形量／ｎｕｎ２．２Ｏ．０２１．６０．０７０．４对称计算略允许值／ｍｍ４．０４．０验算结果０Ｋ０Ｋ０ＫＯＫ０Ｋ０Ｋ表６自重变形工况管片内力及裂缝宽度验算（管片刚性连接后）项目最大正弯矩最大负弯矩最小轴力弯矩计算值／（ｋＮ・１１１）６３６—８６５—５３ｌ发生位置９４０／２６６０基座处Ｏｏ∈弯矩调整系数１．０１．０１．Ｏ验算弯矩值／（ｋＮ・ｎ１）６３６—８６５—５３ｌ对应轴力值／ｋＮ一３７６—３６０Ｏ裂缝宽度计算值／ｎｕｎＯ．１３Ｏ．２００．１０裂缝宽度允许值／ｒａｉｎ０．２００．２００．２０验算结果满足满足满足４结束语计算表明，通过用钢板焊接，结构整体刚度提高，局部应力集中现象减少，管片裂缝宽度验算满足，推荐实际负环管片设计中，接头处设置预埋件，施工过程中，将负环管片块与块之间，环与环之间接头利用钢板焊接。注：轴力受压为正，受拉为负；弯矩外侧受拉为正，内侧受拉为负。铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹｃＯＮｓＴＲＵＣＴｌＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（ｏａｌ（下转第１０３页）万方数据・轨道工程・装时必须准确无误。（５）轨排精调使用的测量基准孔必须满足设计要求，以便于精调顺利实施。（６）轨排精调完成后要利用弦线检测轨道的线形，误差相吻合后安装连接板和轨排连接线，将轨排牢固连接，以免轨道发生错位。（７）轨排精调过程中不得踩踏轨排，以免因人或重物施压导致轨道调整数据发生变化，影响精调效果。６结束语研制的专用精调测量工装、精调软件，结合轨排支撑架三维调整功能，整体形成了一套完整的轨排精调测量体系控制技术，成功解决了Ｆ型轨排精调精度如何快速精准满足设计要求的难题，结论如下：（１）研发的精调工装设计合理，轻巧简单方便，满足精调要求。（２）研发的精调软件界面设计合理，使用方便，反应灵活，简化了计算过程，可快速准确计算出结果，加快了施工进度，达到精调精准目的。（３）形成的精调测量体系控制技术能够快速精准测量，精调测量后数据显示，精度均能控制在０．５ｍｍ范围内。（４）磁浮轨排精调技术的创新，为今后同类磁浮轨道的安装精调提供了技术支持和保证。—・＋－＋一＋一＋一＋一＋＋．－＋－－＋一＋－＋－＋－－４－（上接第７７页）参考文献［１］黄正荣，朱伟，梁精华．修正惯用法管片环弯曲刚度有效率１１和弯矩提高率专的研究［Ｊ］．工业建筑，２００６—（２）：４５４９．［２］彭益成，丁文其，闫治国，等．修正惯用法中弯曲刚度有效率的影响因素分析及计算方法［Ｊ］．岩土工程学—报，２０１３（Ｓ１）：４９５５００．［３］张银屏．地面出入式盾构隧道修正惯用法计算参数研—究［Ｊ］．铁道建设，２０１４（２）：１０１１０６．［４］张鹏．地铁盾构隧道管片接头的理论分析及应用研究［Ｄ］．北京：北京交通大学，２０１１．［５］李宇杰，何平，秦东平．地铁盾构隧道管片受力分析铁道建筠技术只Ａ『ＬＩ，以ｙＣＯＮＳ丁ＲＬＪＣ丁ｆ０～丁￡＿ｃＨ￣Ｏｌ０Ｇｙ参考文献［１］Ｑ／Ｂ４３００００００１－２０１５规定［Ｓ］．［２］Ｑ／Ｂ—４３００００００２２０１５收暂行规定［Ｓ］．长沙磁浮交通工程设计暂行长沙磁浮交通工程施工及验［３］杨其振，刘道通，于春华．中低速磁浮交通轨道工程研—究与设计［Ｊ］．铁道标准设计，２０１０（１０）：３５３９．［４］罗小强，金立军，王与娟．地铁轨道工程铺轨基标及ｃＰⅢ轨道控制网应用讨论［Ｊ］．中小企业管理与科技，—２０１４（８）：１１０１１２．［５］杨春．高铁测量控制网及无砟轨道精调施工［Ｊ］．交通—环保，２０１５（１２）：１４９１５０．［６］郝亚东，周建郑，孙请娟，等．高铁无砟轨道ｃＰｍ控制网测量［Ｊ］．轨道工程学报，２０ｌＯ（１１）：３８－４２．［７］王厚涛．轨排架法施工无砟轨道精调测量技术［Ｊ］．山—西建筑，２０１２（３）：２２０２２２．［８］周文武，吴峻，李中秀，等．低速磁浮轨道几何参数测—量系统［Ｊ］．国防科技大学学报，２０１３（４）：５１５５．［９］长沙市规划勘测设计研究院．长沙市高铁南站至黄花机场中低速磁浮工程基础测量技术设计书［ｚ］．２０１４．［１０］中铁第四勘察设计院．长沙市火车南站至黄花机场中低速磁浮工程精密测量控制网复测及ｃＰｌｌｌ测量技术方案［ｚ］．２０１５．［１１］耿文燕．无砟轨道ＣＰＩＨ控制网精算方法及数据处理研究［Ｄ］．兰州：兰州交通大学，２０１４（４）：７７．［１２］李书亮．高速铁路轨道基准网测量及其数据处理方法—的研究［Ｊ］．交通环保，２０１１（５）：１４９１５０．——————’－＋一・Ｐ一＋＋一＋一＋－＋－・＋－一Ｆ＿一＋－＋－＋－－４－・—［Ｊ］．土木工程学报，２０１１（Ｓ２）：１３１１３４．［６］李鹏程．盾构隧道管片受力与变形研究［Ｊ］．安徽建—筑，２００８（５）：１２２１２４．［７］陈中，喻渝．修正惯用设计法在盾构管片结构计算中—的应用和体会［Ｊ］．四川建筑，２００２（增）：１４９１５４．［８］李新星．输水管道盾构隧道衬砌结构内力计算比较分—析［Ｊ］．地下工程与隧道，２０１０（１）：５９．［９］张贤文．两种计算方法在盾构隧道管片设计中的比较—研究［Ｊ］．湖南交通科技，２０１０（１）：１１７１２０．［１０］赵香萍．狮子洋隧道泥水盾构始发的风险控制［Ｊ］．铁—道建筑技术，２００９（１）：１３７１３９．［１１］宋艳玲．超大直径盾构管片拼装技术［Ｊ］．铁道建筑技—术，２０１ｌ（２）：５１５２．［１２］胡俊楠．盾构隧道管片钢环加固技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１５（３）：８一ｌＯ．２０１６阳Ｊ１０３万方数据