垂直頂升法中的盾構(gòu)隧道鋼管片受力研究

吳鑫林

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

垂直頂升法是在已建隧道頂部開口，利用千斤頂將預(yù)制管節(jié)采用“悶頂”的方式向上頂出的施工方法[1-3]。垂直頂升法施工區(qū)域位于水平盾構(gòu)隧道中，頂升施工會需在管片上進行局部開口，導(dǎo)致管片整體結(jié)構(gòu)性能發(fā)生變化，同時頂升施工過程中管片會受到朝下的頂升反力、豎向管節(jié)的重力等特殊力的作用[4]。因此，垂直頂升法中的水平盾構(gòu)隧道管片受力與一般的盾構(gòu)隧道管片設(shè)計有較大的不同，對水平盾構(gòu)隧道的受力計算方法進行研究非常有必要。

目前，對于管片設(shè)計計算，國內(nèi)常用的方法為荷載結(jié)構(gòu)法，用荷載結(jié)構(gòu)法計算盾構(gòu)管片內(nèi)力，其關(guān)鍵在于管片受力模型的確定[5]。針對管片受力模型，目前常用的勻質(zhì)圓環(huán)法和梁彈簧模型，上述模型的建立均需要對管片截面合理簡化為梁單元，對于混凝土管片，其截面均勻，可直接簡化為環(huán)狀的矩形截面梁，而對于鋼管片，其截面形狀怪異，其計算模型建立則存在一定的難題，需進行進一步研究。

本文結(jié)合具體工程案例，對垂直頂升法中的鋼管片設(shè)計進行研究，針對鋼管片計算模型簡化、垂直頂升各階段管片受力進行分析，最終基于計算結(jié)果對鋼管片設(shè)計進行指導(dǎo)，相應(yīng)成果可為垂直頂升法相關(guān)工程的設(shè)計提供參考。

1 工程背景

廣東太平嶺核電規(guī)劃6臺百萬千瓦級核電機組，其海工工程采用“明取暗排”方式建設(shè)，6臺機組共用一條取水明渠，溫排水通過6條排水隧洞排放至外海，排水隧洞分三期建設(shè)，每期建設(shè)兩條排水隧洞。排水隧洞平面軸線為直線，以253 m中心線間距直線向海域延伸，排水口采用多點式排水頭結(jié)構(gòu)形式，采用垂直頂升工藝施工[6-7]。

隧洞過水?dāng)嗝鏋閳A形，內(nèi)徑為5.8 m，5+1管片襯砌，管片厚度為350 mm，內(nèi)襯厚度為250 mm，隧洞外徑為7.0 m，管片環(huán)寬1.5 m，其橫斷面如圖1所示。隧道排水口部位采用全環(huán)鋼管片設(shè)計，以利用鋼制管片良好的強度及韌性來承受頂升口位置的集中力。在頂升口位置，利用相鄰兩環(huán)管片的鄰接塊預(yù)留頂升塊，頂升塊與管片通過螺栓相連，頂升過程中頂出，頂管與鋼管片連接示意如圖2所示。

2 管片設(shè)計計算

2.1 計算模型簡化

基于上述論述，管片設(shè)計計算需將管片簡化為梁單元，結(jié)合鋼管片設(shè)計，對鋼管片環(huán)向剛度有影響的主要是環(huán)向肋板、環(huán)向主梁、背板和環(huán)向端板。因此，管片的梁單元截面應(yīng)考慮為如圖3所示的截面。

考慮到圖3所示截面較為復(fù)雜，難以建模，筆者考慮從以下兩方面進行截面簡化：

1)考慮到管片內(nèi)力計算主要受截面環(huán)向剛度影響，筆者將上述管片簡化為抗彎剛度、抗剪剛度、軸向剛度一致的I型截面梁(見圖4)。具體將管片背板作為I型截面梁的上翼緣，環(huán)向肋板、端板組合一起形成I型截面梁的腹板，將環(huán)向主梁合并形成I形截面梁的下翼緣，如此可保證簡化的I型截面梁與原管片的抗彎剛度、抗壓剛度及抗剪剛度均保持一致。

2)結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，考慮到不同的管片環(huán)向剛度主要對管片彎矩產(chǎn)生影響，因此，將上述管片簡化為抗彎剛度一致的矩形截面梁，如圖5所示。值得注意的是，簡化為矩形截面梁其截面面積會明顯增大，導(dǎo)致矩形截面梁模型計算重力偏大，為保證計算可靠性，建模過程中應(yīng)將矩形截面梁的重力折減至與原始截面一致。

為探討上述三種簡化模型對管片內(nèi)力計算的影響，筆者建立正常段水平盾構(gòu)管片受力模型進行驗算，受力模型選用常用的勻質(zhì)圓環(huán)法，驗算結(jié)果如圖6～圖8所示。

基于上述計算發(fā)現(xiàn)，三種計算模型的計算結(jié)果較為接近，表明上述模型簡化是合理的，而矩形截面梁計算結(jié)果相對差別較大，且計算結(jié)果偏小，而采用工字鋼簡化模型計算結(jié)果與原模型基本一致，且工字鋼簡化模型截面相對原始截面更加簡潔，建模相對容易，因此設(shè)計過程中可考慮采用工字鋼截面模型進行計算(見圖9)。

2.2 不同工況模擬計算

垂直頂升段隧道施工流程為：盾構(gòu)機掘進，拼裝頂部留有頂升口的全環(huán)鋼管片→在隧道底部安裝反力架，進行頂管頂出作業(yè)→頂升完成，利用螺栓將頂管與管片進行可靠連接?；谏鲜鍪┕み^程，頂升段鋼管片設(shè)計應(yīng)含有以下設(shè)計內(nèi)容：

1)普通環(huán)：管片拼裝和運營過程中承受外側(cè)水土壓力，頂管頂升過程中承受外側(cè)水土荷載和隧道底部反力架傳來的頂升反力。

2)開口環(huán)：在管片拼裝頂升過程中，開口環(huán)管片承受外側(cè)水土壓力，其受力模式與普通環(huán)一致；頂升階段，開口環(huán)底部承受頂升反力架作用在隧道底部的頂升反力，未開口部位承受外側(cè)水土壓力；運營階段，開口環(huán)開口部位承受頂管傳遞過來的集中力，未開口部位承受外側(cè)水土壓力。

3)鄰近環(huán)：頂升階段，鄰近環(huán)承受頂升反力架頂升反力、開口環(huán)傳力來的荷載和外側(cè)水土壓力；運營階段，鄰近環(huán)承受外側(cè)水土壓力和開口環(huán)傳遞來的荷載。

2.2.1 普通環(huán)受力計算

基于上述分析，普通環(huán)受力存在兩種受力工況：1)管片正常拼裝與運營階段，此時管片主要承受外側(cè)水土壓力，其受力簡圖如圖10(a)所示；2)頂管頂升階段，此時頂升反力架影響，管片同時承受外側(cè)水土壓力和頂升反力，其荷載簡圖如圖10(b)所示。

基于上述荷載工況，計算可得普通環(huán)不同工況下受力如圖11所示?；谟嬎憬Y(jié)果可知，頂升階段管片受力與其他工況明顯不同，其頂升部位受力明顯偏大，實際施工過程中應(yīng)對頂升階段隧道底部采取一定措施以確保底部受力安全。

2.2.2 開口環(huán)受力計算

立管頂升過程中，開口環(huán)頂部鋼管片敞開，頂管頂升過程中承受的頂升阻力作用于隧道底部頂升反力區(qū)，管片未開口部位承受外側(cè)水土壓力，隧道頂升反力區(qū)承受頂管頂升反力，其荷載作用簡圖如圖12所示。

開口環(huán)頂升完成后，頂管通過螺栓與開口環(huán)管片相連，頂管承受的水土壓力和頂管自重由螺栓傳遞至開口環(huán)管片，管片未開口區(qū)域承受的外側(cè)水土壓力，其荷載簡圖如圖12所示。結(jié)合實際計算分析，頂管由于內(nèi)部為空腔，頂管自重常小于其體積范圍內(nèi)的水土荷載，頂管承受的外側(cè)水土壓力與頂管本身自重之和通常會小于開口位置水土壓力，此處可以偏安全考慮，取開口處受到的外力為外側(cè)水土壓力，其荷載簡圖如圖13所示?；谏鲜龇治觯\營過程中和頂管頂升過程中開口環(huán)受力如圖14所示?；谟嬎憧砂l(fā)現(xiàn)，由于開口環(huán)頂部的削弱影響，開口環(huán)頂部彎矩明顯減小，正常運營工況下彎矩由86.13 kN·m 降低至47.37 kN·m，頂管頂升工況下彎矩由65.49 kN·m降低至29.69 kN·m，彎矩值降低為普通環(huán)頂部彎矩的1/2～1/3，而頂部軸力基本維持不變。由此可知，開口環(huán)的局部削弱對管片所受彎矩的降低較為明顯，而對軸力的影響較小。

2.2.3 鄰近環(huán)管片受力計算

受開口環(huán)開口處削弱影響，開口環(huán)鄰近管片較普通環(huán)鋼管片而言，需承受開口環(huán)傳遞的內(nèi)力，其不同工況下受力簡圖如圖15所示。在忽略開口環(huán)對鄰近環(huán)的影響條件下，對比上述普通環(huán)與開口環(huán)各工況的受荷載情況，可以發(fā)現(xiàn)，兩環(huán)連續(xù)普通環(huán)與開口環(huán)+鄰近環(huán)所承受的荷載是基本一致的，其所受的約束也是一致的，在剛度一致的情況下，二者所產(chǎn)生的內(nèi)力應(yīng)是一致的。

實際計算對比發(fā)現(xiàn)，開口環(huán)的剛度削弱導(dǎo)致其承受的彎矩變小，而產(chǎn)生的變形則相對較大(見圖16)，而軸力基本未發(fā)生變化，由于鄰近環(huán)與開口環(huán)通過螺栓連接，需滿足變形協(xié)調(diào)條件，變小的那一部分彎矩應(yīng)由鄰近鋼管片承擔(dān)。

基于上述分析，鄰近鋼管片承受的彎矩應(yīng)為開口環(huán)剛度削弱傳遞至鄰近環(huán)的彎矩加上普通環(huán)承受的彎矩，考慮到管片局部開口而減小的彎矩存在不確定性，此處為偏安全考慮，臨近環(huán)承受的彎矩考慮為普通環(huán)彎矩的2倍，而鄰近環(huán)承受的軸力則與普通環(huán)一致。

3 討論

1)本文鋼管片計算僅討論了鋼管片受力情況，而實際工程運營過程中鋼管片還存在內(nèi)襯，運營過程中內(nèi)襯與鋼管片協(xié)同受力，其計算還需進一步考慮。筆者認為，由于鋼管片在運營階段會在鋼管片空腔內(nèi)充填混凝土，在設(shè)計過程中，可將充填混凝土后的鋼管片考慮成混凝土管片，與內(nèi)襯形成疊合結(jié)構(gòu)共同受力，因此內(nèi)襯計算可考慮為疊合板受力計算，內(nèi)襯配筋需滿足疊合結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)受力要求，而鋼管片受力則需滿足管片外側(cè)受力要求。

2)本文建模計算考慮的是鋼管片完整工況，而實際工程中，鋼管片在長期海水腐蝕作用下，鋼管片外表面存在一定的腐蝕情況，因此，實際設(shè)計計算過程中應(yīng)考慮鋼管片腐蝕后的剩余厚度進行相應(yīng)計算，保證管片設(shè)計安全可靠。

3)頂管頂升過程中對隧道底部產(chǎn)生較大的頂升反力，會導(dǎo)致隧道底部的受力變大。因此，實際設(shè)計施工過程中應(yīng)考慮采取隧道底部內(nèi)表面設(shè)置反力區(qū)，反力區(qū)應(yīng)盡量保證隧道底部受力均勻，隧道底部范圍進行土層加固以確保隧道受力滿足要求。

4 結(jié)論

1)本文通過對鋼管片不同受力模型的簡化計算結(jié)果進行對比發(fā)現(xiàn)，將鋼管片簡化為同截面高、寬的工字鋼其計算結(jié)果與原始截面計算結(jié)果相近，因此，設(shè)計計算過程中可將鋼管片截面簡化為工字鋼模型。

2)本文通過對開口環(huán)、鄰近環(huán)、普通環(huán)進行荷載分析和受力計算發(fā)現(xiàn)，開口環(huán)的截面削弱會對管片所受彎矩產(chǎn)生明顯影響，彎矩減小至普通環(huán)的1/2～1/3，減小的彎矩由鄰近環(huán)承受，導(dǎo)致鄰近環(huán)的彎矩增大?；诖耍O(shè)計計算過程中鄰近環(huán)的彎矩可考慮取普通環(huán)彎矩的2倍，軸力與普通環(huán)彎矩保持一致。

3)頂升過程中頂升反力會導(dǎo)致隧道底部受力陡增，設(shè)計施工過程中應(yīng)采取合理的措施削弱頂升反力對隧道底部受力的影響。