特大斷面矩形頂管管節(jié)受力分析與設(shè)計

袁森林

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團(tuán))有限公司 200092)

引言

矩形頂管技術(shù)指掘進(jìn)斷面形狀為圓角矩形或復(fù)合圓形的隧道掘進(jìn)技術(shù)， 是異形斷面隧道掘進(jìn)技術(shù)的一種。 目前矩形頂管技術(shù)主要適用于人行地道、 地下空間開發(fā)、 地鐵出入口連通道等[1，2]，也有較大斷面的矩形頂管用于人非通道、 兩車道地下道路等。 由于其斷面屬性和暗挖特性， 具備空間利用率高、 覆土淺、 施工速度快、 環(huán)境影響小及社會效益好等優(yōu)勢[3]， 在城市建設(shè)中逐步得以推廣應(yīng)用。

根據(jù)國內(nèi)外矩形頂管機(jī)械技術(shù)以及頂進(jìn)技術(shù)的發(fā)展[4-7]， 目前國內(nèi)矩形頂管單跨最大斷面為10.12m ×7.27m， 日本最大斷面尺寸為11.96m×8.24m， 盡管斷面尺寸已經(jīng)相當(dāng)可觀， 但在應(yīng)用于交通領(lǐng)域時也僅可滿足兩車道設(shè)計規(guī)模。 而隨著城市規(guī)模的發(fā)展， 對交通能力的需求越來越大， 研發(fā)適用于三車道的矩形頂管相關(guān)技術(shù)， 對于超大斷面矩形頂管的應(yīng)用具有較為深遠(yuǎn)的市場前景意義[8]。 因此， 研究和優(yōu)化三車道矩形頂管管節(jié)受力理論與設(shè)計方法， 對超大斷面矩形頂管的設(shè)計和改進(jìn)具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

嘉興市市區(qū)快速路環(huán)線工程， 主線設(shè)計為雙向六車道， 包括長約2km 地下道路。 在下穿南湖大道節(jié)點設(shè)計中， 經(jīng)過前期研究與專項論證， 推薦采用特大斷面矩形頂管實施， 頂進(jìn)斷面14.8m×9.426m， 分離式頂進(jìn)， 平縱布置見圖1、 圖2。每側(cè)頂進(jìn)長度100m， 凈距1.2m， 頂管頂部覆土厚度約5.85m ～6.50m， 頂管管節(jié)長度1.5m， 共計134 環(huán)， 穿越土層主要為粉質(zhì)粘土和粉砂層等軟土地層， 土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 工程平面布置Fig.1 Layout plan of engineering

圖2 頂進(jìn)縱斷面布置Fig.2 Vertical section of pipe jacking

表1 主要土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil strata

2 管節(jié)內(nèi)輪廓構(gòu)形研究

2.1 基本橫斷面分析

隧道管節(jié)內(nèi)輪廓應(yīng)滿足交通功能性需要， 即滿足建筑限界條件， 并為通風(fēng)排煙、 給排水、 消防、 照明監(jiān)控及內(nèi)裝飾等配套附屬設(shè)施提供安裝空間。 根據(jù)地下道路機(jī)動車道規(guī)范要求， 三車道交通的橫斷面應(yīng)滿足如下要求:

0.5(單側(cè)管線及裝飾層) +0.25m(余寬) +0.5m(側(cè)向?qū)挾? +3.75 +2 ×3.5m(機(jī)動車道) +0.5m(側(cè)向?qū)挾? +0.25(余寬) +0.2(裝飾層) ＝12.95m(凈寬)。 假設(shè)管節(jié)橫斷面內(nèi)輪廓凈寬為B， 取B＝13m。

根據(jù)現(xiàn)行《城市地下道路工程設(shè)計規(guī)范》(CJJ 221 -2015)[9]， 車行隧道凈高一般不小于4.5m，考慮管線和照明監(jiān)控等整合空間約0.3m， 同時考慮道路橫坡2%以及瀝青路面等設(shè)置空間， 內(nèi)輪廓凈高為H， 取H＝5.2m， 隧道輪廓最小幾何尺寸布置見圖3。

圖3 橫斷面內(nèi)輪廓簡圖Fig.3 Sketch of cross-sectional outline

2.2 頂部矢高分析

結(jié)合目前大跨度矩形頂管或矩形盾構(gòu)成功經(jīng)驗， 最小覆土厚度取(0.5 ～0.6)B， 即選取7.5m厚度。 在此覆土荷載作用下， 應(yīng)對矩形橫斷面大跨進(jìn)行起拱設(shè)計。

根據(jù)圖3 所示頂部拱形幾何關(guān)系， 起拱圓半徑與橫斷面寬度以及矢跨比關(guān)系如下:

式中:R為頂部圓拱半徑；B為內(nèi)輪廓凈寬；δ為矢跨比。

軟土地層中頂部和底部受力基本均勻分布，將橫斷面設(shè)計為對稱分布形式， 如圖4 所示。 與頂板水平設(shè)計相比， 頂部拱形以及與側(cè)墻處的弧形連接有利于泥漿套漿液流動和補(bǔ)充。

在矩形頂管施工頂推方面， 矩形頂管掌子面的面積A以及周長c為限制其長距離頂進(jìn)實施的兩個主要方面。 根據(jù)幾何關(guān)系推導(dǎo)可知內(nèi)輪廓橫斷面面積A及周長c與矢跨比關(guān)系如下:

式中:B為內(nèi)輪廓凈寬；H為內(nèi)輪廓凈高；L為單向頂推總長度；R為拱部圓半徑；δ為矢跨比。

根據(jù)頂進(jìn)計算理論， 頂推力N主要由掌子面荷載以及管節(jié)周邊摩阻力組成。

式中:p為掌子面計算中心水土壓力， 根據(jù)頂管規(guī)范取用掌子面中心點處被動水土壓力；f為土體對管節(jié)的摩阻力， 結(jié)合上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《頂管工程施工規(guī)程》(DG/TJ08 -2049 -2016)， 摩阻力取值范圍2kPa ～7kPa， 取最不利值7kPa；γ為土體重度，取19kN/m3；h為掌子面中心埋深， 取h＝10.3m；L＝100.5m； 經(jīng)計算被動土壓力系數(shù)取kp＝3.0。

當(dāng)矢跨比較大時， 內(nèi)輪廓接近圓形， 其結(jié)構(gòu)受力將最小， 但其頂推荷載也將最大。 綜合頂推力及管節(jié)正彎矩與矢跨比的變化曲線(圖4)， 可知隨著矢跨比的減小， 彎矩逐步增大， 頂推力減小， 因此， 本工程管節(jié)設(shè)計時選用兩曲線交點處對亢的矢跨比0.14， 斷面內(nèi)輪廓凈高8.9m， 寬度13m。 矢跨比選取與頂推力、 頂進(jìn)距離以及所處地層等因素有關(guān)， 在具體工程中可根據(jù)實際情況選取合適數(shù)值。

圖4 頂推力和管節(jié)正彎矩與矢跨比的關(guān)系Fig.4 Relationship between jacking force and bending moment with rise span ratio

根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)靜力計算手冊， 對拱形結(jié)構(gòu)頂部最大彎矩以矢跨比解析式表達(dá)，M＝f(δ)。

2.3 管節(jié)長度分析

結(jié)合矩形頂管管節(jié)橫斷面設(shè)計， 初選壁厚0.8m， 延米管節(jié)重量已接近85t， 結(jié)合目前龍門吊以及其他吊裝機(jī)械吊裝能力及吊點布置難易程度， 采用單節(jié)重量控制在150t 以內(nèi)較為合理， 因此管節(jié)長度設(shè)計為1.5m， 單節(jié)重量考慮預(yù)埋件等， 暫取G＝135t。

3 管節(jié)階段受力分析

3.1 預(yù)制與吊裝階段

特大斷面管節(jié)在頂推前進(jìn)行預(yù)制， 再通過吊裝運(yùn)輸至工作井內(nèi)。 由于頂管管節(jié)單節(jié)自重較大，斷面尺寸大， 其平面外剛度偏弱， 因此， 合理的吊裝方案對管節(jié)受力影響不容忽視， 尤其須對管節(jié)起吊和翻轉(zhuǎn)進(jìn)行驗算， 計算模型如圖5 所示。

圖5 起吊+翻轉(zhuǎn)模型簡圖Fig.5 Model of lifting and turning over

特大斷面矩形頂管管節(jié)在頂推前應(yīng)至少包括如下環(huán)節(jié): 預(yù)制→平吊→翻身→平面移動→豎向吊放等。 以上所有環(huán)節(jié)管節(jié)的受力不盡相同， 并存在受力轉(zhuǎn)換過程。

在起吊階段， 管節(jié)經(jīng)預(yù)制養(yǎng)護(hù)達(dá)到設(shè)計要求后， 須將管節(jié)整體抬升， 管節(jié)設(shè)置10 個吊裝點，其中F2 吊點位于拱形長邊， 上下各2 個， F1 吊點設(shè)置于側(cè)邊， 根據(jù)管節(jié)吊裝最不利荷載驗算每邊設(shè)置3 個吊點。

吊裝作業(yè)時應(yīng)盡可能簡化， 在平吊階段采用水平吊具與4 個F2 吊點連接， 將養(yǎng)護(hù)達(dá)到強(qiáng)度的管節(jié)運(yùn)至翻身架。 安裝垂直吊具并與翻身平臺通過吊銷連接， 隨后利用側(cè)邊F1 吊點(每側(cè)3個)進(jìn)行翻身并垂直起吊至工作井內(nèi)。

為精細(xì)掌握吊裝階段管節(jié)受力情況， 采用有限元軟件ABAQUS 進(jìn)行模擬分析， 對管節(jié)起吊和翻轉(zhuǎn)進(jìn)行受力分析。 管節(jié)采用六面體實體單元，管節(jié)混凝土為C50， 吊點處采用鋼套環(huán)， 鋼套環(huán)采用Q345， 構(gòu)件尺寸設(shè)計為外徑150mm 鋼管，壁厚12mm， 沿管節(jié)徑向深度350mm， 吊銷與吊環(huán)之間采用接觸單元并施加支座進(jìn)行模擬， 數(shù)值模擬模型見圖6。 其中接觸單元切向設(shè)計為rough模擬: 即吊銷和吊環(huán)接觸時， 接觸面上無相對位移， 未接觸時， 物體間無相互作用； 徑向采用hard 模擬: 即吊銷和吊環(huán)接觸時， 接觸面上不可互相侵入， 未接觸時， 物體間無相互作用。

圖6 吊點分析模型Fig.6 Analysis model of hanging point

綜合兩階段不利工況進(jìn)行模擬計算， 管節(jié)主位移、 應(yīng)力云圖計算結(jié)果見圖7、 圖8， 將最大位移與應(yīng)力計算結(jié)果統(tǒng)計為表2。 由計算結(jié)果可知， 管節(jié)局部等效應(yīng)力最大約17MPa。 在翻轉(zhuǎn)階段， 管節(jié)環(huán)向中部承擔(dān)較大彎矩， 須增配4 根直徑25mm 的頂進(jìn)端面部鋼筋。 吊點局部根據(jù)受力計算， 每處吊點采用雙層螺旋箍筋， 直徑12mm，螺距50mm。

圖7 主位移云圖(單位： mm)Fig.7 Principal displacement in(unit: mm)

圖8 管節(jié)應(yīng)力云圖(單位： MPa)Fig.8 Pipe joint stress(unit: MPa)

表2 起吊+翻身計算結(jié)果Tab.2 Computational results of lifting and turning over

3.2 頂進(jìn)過程階段

由于特大斷面矩形頂管在交通工程設(shè)計時一般為并行兩條隧道， 且先后施工， 后頂推施工對先行施工的管節(jié)結(jié)構(gòu)具有一定影響[10，11]。

頂管管節(jié)結(jié)構(gòu)采用荷載結(jié)構(gòu)模型， 即梁-彈簧模型進(jìn)行計算， 計算模型見圖9。 除常規(guī)荷載外， 在管節(jié)單側(cè)施加均布荷載Δe， 模擬頂進(jìn)過程中兩相鄰隧道管節(jié)因施工擾動及注漿引起的相互受力影響。 根據(jù)日本盾構(gòu)隧道設(shè)計規(guī)范， 注漿壓力一般較掌子面泥土壓力大50kPa～100kPa， 借鑒此研究并征求相關(guān)施工經(jīng)驗，考慮本工程中間土體厚度僅1.2m， 假設(shè)Δe選取-100kPa ～100kPa， 分別模擬后頂推施工對先行施工的管節(jié)結(jié)構(gòu)從注漿擠壓作用到松弛作用的過程。

根據(jù)不同Δe模擬結(jié)果， 選取管節(jié)頂部最大彎矩進(jìn)行分析。 從圖10 可知， 不同注漿壓力影響下， 管節(jié)受到擠壓或松弛作用， 管節(jié)受力相較于正常使用工況(Δe＝0)時增減最大變化量約20%。 在管節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計時， 應(yīng)予以考慮。

圖9 考慮后頂進(jìn)影響計算模型Fig.9 Computational model considering the effect of post-jacking

圖10 不同Δe 荷載效應(yīng)下管節(jié)受力變化情況Fig.10 Stress variation of tubular segment under different Δe

3.3 正常使用階段

在正常使用階段， 類矩形管節(jié)所受的荷載主要為豎向土壓力、 底部地基反力、 自重、 襯砌水平水土壓力等。 管節(jié)一般按延米計算， 采用荷載結(jié)構(gòu)模型， 即梁-彈簧模型[9]， 根據(jù)所處地層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)對荷載進(jìn)行組合計算， 采用有限元軟件Midas Civil 進(jìn)行內(nèi)力分析， 計算結(jié)果見圖11。

圖11 管節(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值Fig.11 Stress of the tube segment (standard value)

由圖11 可知， 管片最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值1400.4kN·m， 最大剪力標(biāo)準(zhǔn)值570.2kN， 最不利結(jié)構(gòu)部位為頂部拱腰處， 管節(jié)呈彎剪組合受力，結(jié)合管節(jié)各部位最大效應(yīng)按承載力及裂縫控制最不利組合進(jìn)行鋼筋配置。

4 管節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 受力主筋設(shè)計

結(jié)合第3 節(jié)受力分析， 選取最不利工況對管節(jié)進(jìn)行鋼筋配置， 管節(jié)主筋采用普通鋼筋， 跨中及拱肩配置直徑28mm、 平均間距約100mm， 雙層布置， 其余部位配置直徑28mm、 平均間距100mm， 計算最大開展裂縫寬度為0.18mm， 承載能力極限狀態(tài)安全度為1.69， 滿足設(shè)計要求。

4.2 管節(jié)預(yù)留孔口設(shè)計

特大斷面矩形頂管相較于常規(guī)矩形頂管管節(jié)， 應(yīng)適當(dāng)加密注漿孔布置間距， 布置間距0.8m， 其中1 型注漿孔為觸變泥漿孔， 2 型為置換漿液孔。 設(shè)計為兩種管節(jié)模板， 將上述1、 2型孔進(jìn)行對調(diào)， 將管節(jié)設(shè)計為A 型、 B 型， 預(yù)留孔布置見圖12， 交叉均勻分布的注漿孔有利于泥漿潤滑作用。

圖12 管節(jié)預(yù)留孔口設(shè)計Fig.12 Design of reserved hole for pipe section

4.3 管節(jié)縱向連接設(shè)計

考慮到14.5m 級別特大斷面的特性， 在較大厚度尺寸的管節(jié)中部設(shè)置剪力凸榫構(gòu)造， 并采用縱向螺栓進(jìn)一步加強(qiáng)管節(jié)之間的整體性以及抵抗不均勻沉降的能力， 管節(jié)接頭設(shè)計見圖13。

圖13 管節(jié)接頭設(shè)計Fig.13 Design of the pipe joint

榫槽與縱向螺栓配套使用， 單節(jié)斷面布置8處， 其中6 處位于拱頂和拱底， 2 處位于側(cè)墻。在實際工程施工過程中， 縱向螺栓視頂進(jìn)工況進(jìn)行施加， 最終貫通后將全部螺栓安裝到位。

借鑒常規(guī)矩形頂管縱縫防水設(shè)計經(jīng)驗， 分別采納承插鋼環(huán)、 氯丁橡膠等措施[12]， 承插口防水設(shè)計見圖14。 鋼套環(huán)下部對應(yīng)設(shè)置兩道防水環(huán)， 靠近管節(jié)內(nèi)部設(shè)置聚硫密封膏凹槽， 靠近鋼套環(huán)尾端設(shè)置觸變泥漿注漿孔， 在注漿孔環(huán)向設(shè)置50mm 寬度的環(huán)形凹槽， 有利于觸變泥漿橫向流通。

圖14 承插口防水設(shè)計Fig.14 Design of water proof for bell and spigot joint

5 結(jié)論

1. 特大斷面矩形頂管管節(jié)頂部應(yīng)適當(dāng)起拱，拱部高度根據(jù)矢跨比和頂部荷載綜合考慮， 選用合理的覆土厚度以加強(qiáng)其實用性， 頂部設(shè)計為拱形表面也更有利于泥漿套成型與流通。

2. 特大斷面管節(jié)自重較大， 對施工吊裝、 翻轉(zhuǎn)、 吊點轉(zhuǎn)換等均有較高要求。 管節(jié)設(shè)計應(yīng)加強(qiáng)吊裝工況分析， 適當(dāng)增設(shè)管節(jié)環(huán)向端部鋼筋配置， 滿足吊裝受力工況， 并加強(qiáng)吊點附加鋼筋設(shè)置。

3. 特大斷面矩形管節(jié)掘進(jìn)實施時， 后實施管節(jié)對已施工管節(jié)影響較大， 根據(jù)計算模擬， 結(jié)構(gòu)受力變幅20%左右。 在工程實施過程中需進(jìn)行現(xiàn)場試驗， 通過實測數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析與研究。