大直徑雙護盾TBM公路隧道管片分塊設(shè)計探討

陳煒韜，姜志毅，董宇蒼，方霖

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大直徑雙護盾TBM公路隧道管片分塊設(shè)計探討

陳煒韜1，姜志毅2，董宇蒼2，方霖2

(1. 中國電建集團 成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072；2. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

雙護盾TBM預(yù)制管片分塊方案設(shè)計是管片設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到隧道結(jié)構(gòu)的安全性和施工速度。采用數(shù)值模擬的研究手段，以青藏高原地區(qū)某條大直徑公路隧道為背景，對管片分塊設(shè)計方案進行研究。研究結(jié)果表明：在分塊總數(shù)相同情況下，采用“+1”分塊模式的管片結(jié)構(gòu)受力性能優(yōu)于“等分”分塊模式的管片結(jié)構(gòu)；不同管片分塊模式所引起的管片結(jié)構(gòu)變形位移量值差異為2.724 mm。管片總數(shù)目的改變對管片結(jié)構(gòu)的受力和變形特性影響很小，差值占總量的6%。本工程最終采用分塊總數(shù)為7塊，分塊模式為“6+1”的分塊形式，單環(huán)拼裝時間為40 min，工程單月最大進尺為500 m。

雙護盾TBM；管片結(jié)構(gòu)；分塊設(shè)計；數(shù)值模擬

近年來，隨著我國隧道建設(shè)水平的逐步提高，機械化、自動化程度較高的雙護盾TBM施工技術(shù)得到了推廣和運用[1?2]。管片結(jié)構(gòu)作為隧道襯砌的永久支護，其設(shè)計的合理性直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性[3?4]。管片結(jié)構(gòu)分塊方案是管片結(jié)構(gòu)設(shè)計中極為重要的一個環(huán)節(jié)。管片分塊總數(shù)過多，使管片結(jié)構(gòu)接縫增多，造成管片結(jié)構(gòu)防水耐久性降低、施工拼裝工序繁雜，影響施工進度；管片分塊總數(shù)較少，造成單塊管片重量大，對管片拼裝機和運輸能力的要求較高。目前，對于管片分塊方案的研究，趙國旭等[5]提出通過減小拱底塊及改變接頭位置、采用錯縫拼裝等手段優(yōu)化管片結(jié)構(gòu)整體受力性能。黃鐘暉等[6]的研究表明管片厚度和結(jié)構(gòu)抗彎剛度正相關(guān)，管片厚度增加會使接頭間相對剛度增大。李圍等[7]通過對我國地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧洞管片結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)針對城市雙車道盾構(gòu)隧道，采用9塊等分模式的管片結(jié)構(gòu)可以滿足結(jié)構(gòu)安全要求，但對拼裝水平要求較高。以上研究成果主要集中在城市地鐵采用盾構(gòu)法開挖的隧道工程。對于深埋山嶺隧道采用雙護盾TBM開挖的隧道管片分塊方案，通常參照《鐵路隧道全斷面巖石掘進機法技術(shù)指南》中給出的建議分塊數(shù)目范圍，如表1所示。根據(jù)工程經(jīng)驗進行確定。針對深埋情況下不同管片分塊數(shù)目、分塊形式對于結(jié)構(gòu)受力、變形特征影響的研究還不充分。

表1 管片外徑及分塊數(shù)

因此，本文依托高海拔大直徑某公路隧道，對管片分塊方案進行研究。采用數(shù)值模擬的研究手段，對不同分塊總數(shù)、分塊模式對管片結(jié)構(gòu)受力、變形的影響規(guī)律進行分析，確定了本工程的管片分塊方案。研究結(jié)論以期對以后的管片分塊方案設(shè)計提供經(jīng)驗參考。

1 工程概況

某公路隧道全長約4 km，隧道斷面內(nèi)徑為8.11 m，開挖半徑為9.13 m，采用一臺雙護盾TBM掘進機單向施工，工程位于青藏高原地區(qū)，地形起伏大，河谷深切，屬典型的高山峽谷地貌。隧道全長范圍內(nèi)最大埋深達800 m以上，具有埋深大和地應(yīng)力高的工程難點。

隧道區(qū)地層以混合片麻巖為主，巖石總體屬中硬巖~堅硬巖為主，極堅硬巖較少，受片麻理影響巖石強度各項異性較明顯。經(jīng)現(xiàn)場試驗得出：垂直片麻理方向濕抗壓強度為71.6~140 MPa，平均值112.2 MPa；平行片麻理方向濕抗壓強度為55.5~90 MPa，平均值74.2 MPa；兩方向的抗壓強度相差近1倍?，F(xiàn)場地質(zhì)勘探結(jié)果顯示：隧道洞身圍巖級別主要以Ш級圍巖為主，洞口段及小型破碎帶段圍巖級別為IV級圍巖，主構(gòu)造應(yīng)力與隧道夾角呈68°，量值約為18 MPa。

由于該工程屬于青藏高原地區(qū)少有的大直徑雙護盾TBM公路隧道，國內(nèi)鮮有相關(guān)研究成果，類似的設(shè)計經(jīng)驗匱乏。

2 管片分塊方案

針對本工程的大直徑和埋深大的工程重難點，對國內(nèi)外管片分塊設(shè)計工程實例進行調(diào)研[8?11]，如表2所示。根據(jù)工程調(diào)研，本文對6種管片分塊方式進行研究，管片分塊模擬方式示意圖，如圖1所示，詳細工況如表3所示。

表2 管片選型工程實例調(diào)研

圖1 模擬分塊模式

表3 管片分塊方式模擬工況

3 管片分塊方式數(shù)值模擬

3.1 管片分塊計算模型

本文運用ANSYS有限元計算軟件，建立荷載?結(jié)構(gòu)模型，對6種分塊方式進行研究。以“6+1”分塊方式為例，對管片結(jié)構(gòu)計算模型進行闡述。管片斷面形式為圓形，直徑為9.13 m，管片結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬。彈簧單元參數(shù)選取，根據(jù)郭瑞等[12]對管片結(jié)構(gòu)抗彎剛度取值的研究成果，進行經(jīng)驗取值。圍巖抗力作用以彈簧單元模擬，圍巖豎直、水平荷載通過施加在相應(yīng)節(jié)點的集中力形式實現(xiàn)。并對相應(yīng)的分塊位置進行約束來模擬管片不同的分塊形式。荷載?結(jié)構(gòu)計算模型圖，如圖2所示。

3.2 計算參數(shù)選取

根據(jù)地質(zhì)資料，洞身段圍巖主要以III級圍巖為主，根據(jù)現(xiàn)場單軸、直剪實驗數(shù)據(jù)，并結(jié)合《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[13]，進行圍巖參數(shù)的取值，如表4所示。管片厚度為35 cm，采用C50和C55等級混凝土，計算時按C50等級混凝土材料取值，依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[14]，進行混凝土材料的取值，如表4所示。

圖2 荷載?結(jié)果計算模型

3.3 數(shù)值模擬計算結(jié)果

本文對模擬工況分別進行計算，提取拱頂、左拱肩、右拱肩、左拱腳、右拱腳和仰拱等6個監(jiān)測點處的內(nèi)力、變形值進行分析。各工況計算結(jié)果中彎矩云圖、軸力云圖分布情況基本一致，這里以“6+1”分塊模式計算結(jié)果為例，進行詳細分析，其余工況不再贅述。采用“6+1”分塊模式的管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力云圖，如圖3所示。不同分塊模式、管片數(shù)目下結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵點計算結(jié)果匯總，如表5所示。不同分塊模式、管片數(shù)目下結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力、變形值，如表6所示。

圖3 “6+1”模式下管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力云圖

由圖3可知：“6+1”分塊模式下，管片結(jié)構(gòu)所受彎矩、軸力呈左右對稱形式，彎矩全環(huán)分布形式如“貓耳狀”，其中管片結(jié)構(gòu)在左拱肩位置產(chǎn)生最大負彎矩；拱頂位置的正彎矩值最大；結(jié)構(gòu)拱肩位置以下的彎矩值較小。管片結(jié)構(gòu)各處所受軸力均為壓應(yīng)力，受力分布形式較為均勻，其中邊墻部位的軸力值最大，拱頂位置次之，仰拱位置較小。

由表5~6可知：“6+1”分塊模式下，管片結(jié)構(gòu)在左拱肩位置產(chǎn)生最大負彎矩，為?76 792 N·m；拱頂位置正彎矩值達到最大，為84 358 N·m；管片所受最大軸力為816 890 N，位于左邊墻位置。管片所受最大剪力為68 779 N，管片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大變形量為9.96 mm，位于拱頂處。

表4 數(shù)值模擬材料參數(shù)取值表

表5 不同分塊模式各關(guān)鍵點彎矩、軸力匯總表

表6 不同分塊模式下管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移最大值匯總表

4 不同分塊模式下管片結(jié)構(gòu)受力、變性特征

4.1 管片結(jié)構(gòu)受力特征

由圖4分析可知：在分塊總數(shù)相同條件下，采用2種分塊形式的管片結(jié)構(gòu)受力都較為均勻，沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

采用“+1”分塊模式的管片結(jié)構(gòu)最大彎矩值相比等分模式的管片結(jié)構(gòu)最大彎矩值要小20%~40%；“+1”分塊模式下管片結(jié)構(gòu)的最大剪力值要比等分模式下管片結(jié)構(gòu)的最大剪力值小10%；而“+1”分塊模式和“等分”模式下的管片結(jié)構(gòu)的最大軸力量值相差不大，差異值僅占總量的2%。

圖4 不同分塊模式的管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖

因此，可以認為：在管片總數(shù)相同的條件下，“+1”分塊模式比“等分”分塊模式的管片結(jié)構(gòu)受力性能更好。

圖5 不同分塊模式的管片結(jié)構(gòu)變形圖

5 不同分塊數(shù)目結(jié)構(gòu)受力、變性特征

5.1 管片結(jié)構(gòu)受力特征

由圖6可以看出：在管片分塊模式相同的情況下，3種管片總數(shù)的管片結(jié)構(gòu)受力都較為均勻，沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

當管片分塊總數(shù)為7塊時，結(jié)構(gòu)所受的正負彎矩值最大，最大正彎矩值為84 358 N?m；最大負彎矩值為76 792 N?m；當管片分塊總數(shù)為8塊時，結(jié)構(gòu)所受的正負彎矩值最小，最大正彎矩值為82 221 N?m；最大負彎矩值為71 543 N?m。最大正彎矩的差值占總量的2.5%，最大負彎矩的差值占總量的6.8%。管片總數(shù)為8塊的結(jié)構(gòu)所受軸力值最大，為825.9 kN；管片總數(shù)為7塊的結(jié)構(gòu)所受軸力值最小，為816.89 kN，差值僅占總量的1.1%。因此，分塊總數(shù)的改變不會對管片結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生明顯影響。

5.2 管片結(jié)構(gòu)變形特征

由圖7可以看出：管片結(jié)構(gòu)變形量與管片分塊總數(shù)呈負相關(guān)。管片總數(shù)為7塊時，結(jié)構(gòu)的變形位移量最大，為9.96 mm；管片總數(shù)為9塊時，結(jié)構(gòu)變形位移量值最小，為9.36 mm。但兩者差異量很小，僅占總量的6%。

因此，分塊總數(shù)的改變不會對管片結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生明顯影響。

圖6 不同分塊總數(shù)的管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力

圖7 不同分塊總數(shù)的管片結(jié)構(gòu)變形圖

6 工程應(yīng)用

根據(jù)前文的研究成果，考慮本工程埋深大、高地應(yīng)力的工程重難點，工程最終選定的管片分塊方案為“+1”分塊模式。并針對本工程位于青藏高原地區(qū)，含氧量低，施工機械、人員效率低等特點，確定管片總數(shù)為7塊。管片分塊模式，如圖8所示。

管片分塊形式的不同，影響著施工拼裝進度及拼裝質(zhì)量，本文通過調(diào)研類似工程管片拼裝時間及工程進度，如表7所示。

圖8 管片分塊圖

表7 不同隧道管片單環(huán)拼裝時間及進度表

由表7可知：對于大直徑管片來說，單環(huán)拼裝時間一般均大于60 min，而本工程選擇管片總數(shù)為7塊，減少了拼裝工序，縮短了拼裝時間，使單環(huán)拼裝時間僅為40 min左右，極大地提高了施工進度，工程單月最大進尺為500 m；確定了“6+1”的分塊模式，管片結(jié)構(gòu)受力更小，管片結(jié)構(gòu)能夠正常工作，保證隧道安全。

7 結(jié)論

1) 單環(huán)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形特征為：“6+1”分塊模式的管片結(jié)構(gòu)所受彎矩、軸力呈左右對稱形式，彎矩全環(huán)分布形式如“貓耳狀”，其中管片結(jié)構(gòu)在左拱肩位置產(chǎn)生最大負彎矩為，?76 792 N·m；拱頂位置的正彎矩值最大，為84 358 N·m；結(jié)構(gòu)拱肩位置以下的彎矩值較小。管片結(jié)構(gòu)各處所受軸力均為壓應(yīng)力，受力分布形式較為均勻，其中邊墻部位的軸力值最大，為816 890 N，拱頂位置次之，仰拱位置較?。还芷Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大變形量為9.96 mm，位于拱頂處。

2) 對于不同分塊模式，采用“+1”分塊模式所計算得到的彎矩值相比“等分”模式得到的彎矩值要小20%~40%?！?1”分塊模式的管片結(jié)構(gòu)受力性能優(yōu)于“等分”分塊模式的管片結(jié)構(gòu)。

3) 采用“+1”分塊模式的管片結(jié)構(gòu)，由于分塊形式的不均勻，造成管片結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的變形較大，最大變形量為9.96 mm，相比于等分模式的管片結(jié)構(gòu)的7.236 mm，兩者變形量差異為2.724 mm。但由于變形量的總體量值很小，差異的量值也小于一個數(shù)量級。因此，在分塊總數(shù)相同的情況下，不同的分塊模式對于管片結(jié)構(gòu)變形的影響較小。

4) 對于不同分塊總數(shù)，管片分塊總數(shù)為7塊時，結(jié)構(gòu)所受的正負彎矩值最大；管片總數(shù)為8塊的結(jié)構(gòu)所受軸力值最大，但差異量值很小，僅占總量的6.8%。管片結(jié)構(gòu)變形量與管片分塊總數(shù)呈負相關(guān)。管片總數(shù)為7塊時，結(jié)構(gòu)的變形位移量最大，為9.96 mm；管片總數(shù)為9塊時，結(jié)構(gòu)變形位移量值最小，為9.36 mm。但兩者差異量很小，僅占總量的6%。因此，分塊總數(shù)改變不會對管片結(jié)構(gòu)受力、變形產(chǎn)生明顯影響。

5) 本工程最終確定管片分塊總數(shù)為7塊，分塊模式為：“6+1”分塊模式，使管片結(jié)構(gòu)受力更小，保證隧道安全，同時縮短了拼裝時間，使單環(huán)拼裝時間僅為40 min左右，極大地提高了施工進度，工程單月最大進尺為500 m。

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Discussion on the partition design of large diameter double-shield tbm tunnel segments

CHEN Weitao1, JIANG Zhiyi2, DONG Yucang2, FANG Lin2

(1. Power China Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, China; 2. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The design of precast segment is an important part of the tunnel design, which is directly related to the safety of tunnel structure. Based on the transportation tunnel in the rural area of high altitude plateau, numerical simulation method is used to study the design of precast segments. The research implied that In the condition that the same total number of segments, the mechanical properties of the segment structure in the “+1” mode are better than the one in the “equal parts” mode. The deformation displacement value of segment structure caused by block model of different segments is 2.724 mm. The change of the total number of segments has little influence on the stress and deformation characteristics of the segment structure, and the difference is 6% of the total. This project adopts the block for a total of 7 blocks, block mode to “block 6+1”, single ring assembly time is 40 minutes, the largest single month footage is 500 m per month.

double shield TBM; segment structure; partition design; numerical simulation

U451+.4

A

1672 ? 7029(2018)01 ? 0170 ? 08

2016?12?25

國家自然科學(xué)基金面上資助項目(51578458)；中國電建成都院科研基金資助項目(P315)

董宇蒼(1990?)，男，河北石家莊人，博士研究生，從事隧道及地下工程研究；E?mail：727076802@qq.com