曲線頂管頂進(jìn)管節(jié)應(yīng)力特征試驗(yàn)研究

張斌梁，王翔宇，高海東，劉應(yīng)亮，范旭陽，汪國賢

(1.中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津　300222；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，武漢　430074)

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曲線頂管頂進(jìn)管節(jié)應(yīng)力特征試驗(yàn)研究

張斌梁1，王翔宇2，高海東1，劉應(yīng)亮1，范旭陽1，汪國賢1

(1.中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津300222；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，武漢430074)

摘要：拱北隧道暗挖段綜合考慮周圍建筑和地質(zhì)條件等因素，采用曲線頂管管幕施工工法施工。由于曲線頂進(jìn)方式，管節(jié)應(yīng)力特征較之于普通直線頂管有所不同。加之暗挖段工程頂管管節(jié)接頭構(gòu)造特殊，更加大管節(jié)應(yīng)力分布的復(fù)雜性。依托中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)非開挖工程實(shí)驗(yàn)室所研發(fā)鋼頂管管節(jié)應(yīng)力試驗(yàn)系統(tǒng)，模擬拱北隧道管幕曲線頂管頂進(jìn)實(shí)驗(yàn)，研究管節(jié)應(yīng)力與頂力大小的規(guī)律。結(jié)果表明：管節(jié)應(yīng)力與頂力正相關(guān)的現(xiàn)象，應(yīng)力在監(jiān)測斷面內(nèi)水平位置兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中，管道軸線方向應(yīng)力集中存在接頭附近。

關(guān)鍵詞：拱北隧道；曲線頂管；管節(jié)應(yīng)力；模擬試驗(yàn)

1概述

港珠澳大橋珠海連接線工程是港珠澳大橋的關(guān)鍵組成部分，連接了港珠澳大橋海中橋隧的主體工程。拱北隧道為港珠澳大橋珠海連接線的控制工程。該工程暗挖段下穿拱北口岸，周圍地表建筑密集且安全級別較高，且需要穿越高壓縮性、高觸變性、高靈敏度、高含水量、大孔隙比、低強(qiáng)度的軟土地層。考慮到施工環(huán)境的敏感性和地質(zhì)條件的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)采用了雙層管幕暗挖法通過該限定區(qū)域。暗挖段長255 m，由緩和曲線段和圓曲線段組成。采用36根直徑1 620 mm管幕均勻布置在隧道周圍提供超前支護(hù)[1]。

拱北隧道暗挖段管幕施工采用曲線頂管技術(shù)[2-4]。頂進(jìn)過程中的管節(jié)應(yīng)力特征不同于直線頂管。加之設(shè)計(jì)中管節(jié)的局部加筋構(gòu)造，更加大了管節(jié)應(yīng)力分布的復(fù)雜性。因此，對曲線頂管頂進(jìn)過程中管節(jié)應(yīng)力特征的研究也就顯得尤為重要。

目前對于頂管管節(jié)應(yīng)力的分析主要采用理論模型分析、現(xiàn)場監(jiān)測分析和數(shù)值模擬分析[5-12]。為更有效而直觀地獲得曲線頂管頂進(jìn)力作用下管節(jié)應(yīng)力特征，本文依托中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)非開挖實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的一套室內(nèi)鋼頂管管節(jié)應(yīng)力試驗(yàn)系統(tǒng)，模擬了拱北隧道曲線管幕頂管施工，系統(tǒng)研究了該工程中的管節(jié)應(yīng)力與頂力大小的關(guān)系及其分布特征。

2頂管試驗(yàn)系統(tǒng)及測點(diǎn)布置

本試驗(yàn)采用的鋼頂管管節(jié)應(yīng)力試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，由MTS加載系統(tǒng)、試驗(yàn)管節(jié)以及應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)3個子系統(tǒng)組成。MTS加載系統(tǒng)能夠按照試驗(yàn)需要提供特定的頂推力，最大可輸出1 000 kN頂力。反力由剪力墻和反力支架提供。試驗(yàn)管節(jié)為3節(jié)長2.2 m，直徑1.62 m，壁厚2 cm的Q235鋼管，結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場采用的管節(jié)一致，僅長度方面由4 m縮短為2.2 m。管節(jié)之間采用承插接頭，管端設(shè)加筋構(gòu)造，接觸面安裝4塊木墊片。

圖1　室內(nèi)頂模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)采用雙向應(yīng)變花作為應(yīng)變傳感器，利用電阻式應(yīng)變儀在頂推過程中實(shí)時監(jiān)測試驗(yàn)管節(jié)測點(diǎn)位置的軸向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)變。本頂管應(yīng)力試驗(yàn)系統(tǒng)采用楔塊造斜方法造斜。根據(jù)墊片厚度差可使水平方向上管節(jié)造斜角度為0.18°。頂推力荷載采用分級線性遞增的方式施加，每級增加200 kN，直到800 kN。

應(yīng)變監(jiān)測斷面布置如圖2所示，共設(shè)置8個監(jiān)測斷面，依次編號為1～8，每個接頭兩側(cè)各有2個斷面。1、2斷面距離接頭1分別為500 mm和330 mm，3、4斷面距離接頭1分別為230 mm和400 mm，5～8斷面距接頭2距離與1～4斷面相同。為簡化描述，取頂推方向左側(cè)水平位置為0°，右側(cè)為270°，如圖3所示，以順時針按角度定位同一斷面不同測點(diǎn)。

圖2　頂管管道監(jiān)測斷面示意

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

管節(jié)材料為Q235鋼材，彈性模量E取210 GPa；泊松比 取0.30，以管壁環(huán)向?yàn)閤軸，軸線為y軸，徑向?yàn)閦軸建立坐標(biāo)系，根據(jù)廣義胡克定律式(1)將應(yīng)變監(jiān)測值換算為對應(yīng)軸向與環(huán)向應(yīng)力值。管道環(huán)向和軸向應(yīng)力如圖3所示。

(1)

圖3　管道軸向和環(huán)向應(yīng)力示意

式中，E為管節(jié)彈性模量，MPa；μ為管材泊松比；σx、σy分別為管節(jié)軸向、環(huán)向應(yīng)力，MPa；εx、εy分別為管節(jié)軸向、環(huán)向應(yīng)變。

各級荷載的保持階段屬于靜態(tài)加載過程，管節(jié)應(yīng)力很快趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)所測得最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于鋼材屈服極限200 MPa。因此，試驗(yàn)過程中管節(jié)處于彈性變形階段。

(1)頂力與管節(jié)應(yīng)力大小關(guān)系

接頭1附近(1、2、3、4斷面)大部分測點(diǎn)軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力均隨著頂力增大而增大，部分呈現(xiàn)出一定線性特征。這與管材在試驗(yàn)中處于彈性階段的分析一致。以斷面2為例，該斷面各測點(diǎn)應(yīng)力隨頂力增大的變化情況如圖4和圖5所示。從圖4、圖5可以看出，除90°、126°和270°的3個測點(diǎn)外，其余測點(diǎn)的應(yīng)力值均隨著頂力增大而增大。在靠近0°或180°的位置上應(yīng)力-頂力曲線近似于一條直線。其余斷面上大部分測點(diǎn)應(yīng)力隨頂力增大而增大，但曲線斜率整體上沒有明顯規(guī)律性。

圖4　斷面2軸向應(yīng)力與頂力曲線

圖5　斷面2環(huán)向應(yīng)力與頂力曲線

(2)斷面應(yīng)力分布規(guī)律

在相同頂力作用條件下，管節(jié)同一監(jiān)測斷面內(nèi)接頭1附近斷面的測點(diǎn)應(yīng)力均在左右兩側(cè)木墊片覆蓋的區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力最大值；90°和270°附近區(qū)域則出現(xiàn)應(yīng)力最小值。隨著頂力增大，大小分異愈發(fā)明顯。這是由于本試驗(yàn)采用楔塊造斜，不同厚度墊片使得管節(jié)接頭頂部與底部由于出現(xiàn)一定縫隙，從而導(dǎo)致了0°與180°附近區(qū)域受到木墊片擠壓，應(yīng)力較大，而90°與270°附近區(qū)域則由于未受到完全擠壓，應(yīng)力較小。此外，在接頭2附近(5、6、7、8斷面)應(yīng)力重新分布，變得更加均勻，沒有明顯的大小分異現(xiàn)象。

如圖6和圖7所示，以600 kN頂力作用下各監(jiān)測斷面內(nèi)軸向應(yīng)力分布為例，接頭1附近各斷面上軸向應(yīng)力雖絕對大小有所不同，但均出現(xiàn)了左右起拱線相對較大，管頂管底相對較小的分布規(guī)律；接頭2附近的斷面測點(diǎn)分布則較為均勻。

圖6　600 kN頂力接頭1軸向應(yīng)力分布曲線

(3)沿軸線方向應(yīng)力分布規(guī)律

在同一頂力作用下，接頭1附近斷面左右起拱線附近位置的應(yīng)力在距離接頭200～300 mm區(qū)域有明顯集中，其余位置應(yīng)力則無明顯集中現(xiàn)象。同時，接頭2附近應(yīng)力分布大部分處于較均勻的狀態(tài)。如圖8和圖9所示，以600 kN作用下管節(jié)軸向應(yīng)力沿管道軸線分布為例，接頭1附近斷面的0°、144°、180°、216°位置的應(yīng)力在距離接頭200～300 mm區(qū)域有明顯應(yīng)力集中。接頭2附近斷面的應(yīng)力集中現(xiàn)象減弱，規(guī)律性不明顯。

圖7　600 kN頂力接頭2軸向應(yīng)力分布曲線

圖8　600 kN頂力接頭1應(yīng)力軸向分布曲線

圖9　600 kN頂力接頭2應(yīng)力軸向分布曲線

4結(jié)論

本文依托頂管管節(jié)應(yīng)力試驗(yàn)系統(tǒng)，對曲線頂管管節(jié)應(yīng)力分布特征進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究。研究結(jié)論如下。

(1)試驗(yàn)過程中管節(jié)測得最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于管節(jié)彈性極限，處于彈性變形狀態(tài)。管節(jié)在同一位置、同一頂力作用下，軸向受壓，環(huán)向受拉，符合本試驗(yàn)中管節(jié)僅受頂力的特點(diǎn)。

(2)鋼頂管管節(jié)應(yīng)力與頂力的關(guān)系總體上成正相關(guān)。同一斷面上管節(jié)應(yīng)力分布受木墊片造斜影響較大。在完全壓緊的左右起拱線附近管節(jié)應(yīng)力較大，墊片未完全壓緊的管頂和管底應(yīng)力較小。而接頭2附近應(yīng)力則出現(xiàn)重分布而較為均勻。

(3)由于管節(jié)接頭偏轉(zhuǎn)，沿管道軸線方向應(yīng)力在接頭1附近左右起拱線周圍出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中，隨著距離增加，接頭2應(yīng)力集中不明顯。

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Experimental Study on Pipe Stress Characteristics of Curved Pipe-jacking

ZHANG Bin-liang1， WANG Xiang-yu2， GAO Hai-dong1， LIU Ying-liang1， FAN Xu-yang1， WANG Guo-xian1

(1.China Railway 18 Bureau Group Co.， Ltd.， Tianjin 300222， China; 2.China University of Geosciences (Wuhan)， Wuhan， 430074， China)

Abstract：Gongbei Tunnel is constructed with curved jacking pipe roof method in comprehensive consideration of surrounding buildings and geological conditions. The pipe stress characteristic of this jacking method is different from that of linear pipe jacking due to different jacking method. Besides， the special structure of the pipe joint increases the complexity of pipe stress distribution. Based on a laboratory test system of steel pipe jacking stress produced by Trenchless Lab of CUG， a curved pipe jacking experiment is simulated for Gongbei tunnel to study the relationship between stress characteristic and thrusts magnitude. The results show that pipe stress is positively correlated to jacking force. The stress concentration of the monitored section occurs horizontally on both side of the pipe and the stress concentration is located near the pipe joint in the pipe axis direction．

Key words：Gongbei tunnel; Curved pipe jacking; Stress of pipe section; Simulation test

文章編號：1004-2954(2016)05-0095-03

收稿日期：2015-09-28； 修回日期：2015-10-13

基金項(xiàng)目：中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)科研開發(fā)計(jì)劃課題(2014056002)

作者簡介：張斌梁( 1967—) ，男，教授級高級工程師，E-mail:cr18gzhbl@sohu.com。

中圖分類號：U451

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.020