不同管片內(nèi)襯加固方案對盾構(gòu)管片力學(xué)性能影響研究

陳云飛

(紹興市柯橋區(qū)軌道交通集團有限公司,浙江紹興 312030)

1 概述

近年來,隨著城市軌道交通的高速發(fā)展,大城市中既有地鐵隧道不可避免受鄰近建筑物施工的影響,如覆土開挖、樁基施工等。過大的變形可能引起盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)開裂、管片接頭漏水、軌面高程變化超限等問題,進而對地鐵線路正常運營產(chǎn)生影響。

為此,科研人員針對鄰近施工條件下既有地鐵盾構(gòu)隧道穩(wěn)定性保護技術(shù)展開大量研究。黃宏偉等對基坑開挖過程中土體加固和堆載工況分組進行模擬,研究基坑開挖對隧道產(chǎn)生的影響[1];隆文武分別采用不同的分析模型對某地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道管片進行結(jié)構(gòu)受力計算[2];劉德軍等提出一種纖維編織網(wǎng)增強混凝土控制方法,以研究隧道橫向變形和頂拱接頭張開量的響應(yīng)規(guī)律[3];楊勇對運營地鐵隧道管片鋼環(huán)加固工法展開詳細介紹[4];顧春華分析隧道受損原因及其破壞形式,并著重闡述用于隧道內(nèi)鋼環(huán)支護的新型安裝設(shè)備及其工藝流程[5];畢湘利等以某通縫拼裝盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)為研究對象,考察內(nèi)張鋼圈加固方法對于提高結(jié)構(gòu)受力性能的作用[6];柳獻等以內(nèi)張鋼圈半環(huán)、整環(huán)加固盾構(gòu)隧道為對象,采用足尺試驗方法對整環(huán)加固工法下單環(huán)隧道襯砌的極限承載性能進行研究[7-8];胡俊楠介紹一種采用改裝機械手內(nèi)襯鋼環(huán)進行隧道管片加固治理的技術(shù)[9]。此外,國內(nèi)外學(xué)者還進行大量的隧道襯砌整環(huán)試驗研究[10-16]。

目前,實際工程案例中,常采用在管片內(nèi)部設(shè)置整環(huán)或半環(huán)鋼圈對既有地鐵隧道進行(預(yù))加固,但盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,鋼圈加固盾構(gòu)隧道的效果并不明確。因此,對不同加固方案下盾構(gòu)管片的抗變形能力及相關(guān)力學(xué)性能進行研究很有必要。

2 工程背景

杭州至紹興城際鐵路起自杭州地鐵5號線香樟路站,終至紹興市柯橋笛揚路站,并預(yù)留與紹興軌道交通1號線接軌貫通運營條件,地下線長9.87km,采用盾構(gòu)法施工。線路走向示意見圖1。

圖1 杭紹線方案示意

其中,香樟路站—衙前站區(qū)間需穿越部分高架道路改造段。隧道上方既有覆土的開挖、高架橋樁基施工將在以下幾個方面對杭紹線盾構(gòu)工程可能產(chǎn)生影響。

(1)高架橋橋墩樁基、咬合樁等與杭紹線盾構(gòu)區(qū)間距離較近(根據(jù)地鐵保護要求,樁基礎(chǔ)與地鐵隧道間距≥5m),樁基施工可能造成既有盾構(gòu)結(jié)構(gòu)的變形、開裂、漏水等。

(2)杭紹線區(qū)間上方需要進行開挖卸載、加載等,同時存在重型機械碾壓。土體卸載、加載等地面活動可能造成杭紹線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)隆起和下沉,變形過大將導(dǎo)致盾構(gòu)隧道管片接頭漏水、結(jié)構(gòu)開裂、軌面高程超限等問題。

為有效保護杭紹鐵路線區(qū)間盾構(gòu)隧道,減小高架橋樁基施工對杭紹線的影響,需要對該高架橋樁基距離較近的線路區(qū)間(5m范圍內(nèi))的盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)進行加固處理。

3 盾構(gòu)內(nèi)襯加固方案

根據(jù)加固構(gòu)件截面形式的不同,主要可分為鋼板加固、工形鋼加固和槽鋼加固。

3.1 鋼板加固

采用850mm(寬)×20mm(厚)截面規(guī)格的鋼板,每延米質(zhì)量為170kg,加固形式見圖2。

圖2 鋼板加固形式

鋼板加固方案適用于襯砌局部掉塊或襯砌混凝土強度、厚度不足,隧道凈空富余量較小,原襯砌混凝土強度等級不低于C20的隧道結(jié)構(gòu)。該方案的加固機理是通過粘貼鋼板法增強混凝土一部分受拉鋼筋,來提高結(jié)構(gòu)承載能力。其中,錨栓應(yīng)滿足最小間距和邊距的要求,而且鉆孔需避開鋼筋,以避免基材混凝土破壞。

3.2 工形鋼加固

選用I20a型鋼,每延米質(zhì)量為27.9kg,其橫截面及加固形式見圖3。

圖3 工形鋼截面及加固形式(單位:mm)

工形鋼拱架加固方案適用于隧道結(jié)構(gòu)裂損嚴重或襯砌大面積劣化、剝落時的襯砌加固。其加固機理是沿原襯砌表面增設(shè)拱形結(jié)構(gòu),使其與原襯砌形成共同承載體。工形鋼具有較大抗彎剛度,可以極大提高隧道的承載能力,但其截面高度較大,在加固空間較小的工程中,會存在侵入建筑界限的問題。

3.3 槽鋼加固

選用[25a型鋼,每延米質(zhì)量為27.4kg,槽鋼橫截面及加固形式見圖4。

圖4 槽鋼截面及加固形式(單位:mm)

槽鋼加固方案適用范圍和加固機理與工形鋼比較接近,二者均屬于鋼拱架加固法。槽鋼在滿足一定的抗彎剛度要求的同時,截面高度較低。因此,在加固空間較小的工程中可以靈活應(yīng)用,避免加固結(jié)構(gòu)侵入建筑界限。

4 有限元數(shù)值計算

為檢驗盾構(gòu)管片內(nèi)襯加固不同方案對盾構(gòu)管片的加固效果,應(yīng)用有限元分析軟件分別建立不同加固方案所對應(yīng)的盾構(gòu)隧道管片數(shù)值模型,并對盾構(gòu)管片的抗變形能力進行計算和對比分析。

4.1 建立數(shù)值模型

該地鐵盾構(gòu)隧道內(nèi)徑5.9m,外徑6.6m,建筑界限2.8m(半徑),襯砌管片厚0.35m,單環(huán)管片寬1.2m,管片由C55混凝土預(yù)制加工,幾何尺寸示意見圖5。

圖5 盾構(gòu)隧道幾何尺寸示意

數(shù)值模型中,盾構(gòu)混凝土管片采用C3D8R單元進行模擬,賦予C55混凝土材料參數(shù);鋼板、工形鋼及槽鋼均采用Q235鋼材料參數(shù),其中加固構(gòu)件的截面規(guī)格已在第2章節(jié)中說明;加固材料和襯砌管片之間假定粘結(jié)強度足夠,不發(fā)生相互錯動,用tie約束接觸面以模擬螺栓錨固、植筋、焊接等實際復(fù)雜工藝。數(shù)值模型中盾構(gòu)管片加固的縱向布置形式見圖6(以工形鋼加固為例)。

圖6 盾構(gòu)管片加固鋼圈縱向布置形式

4.2 計算分析

分別對盾構(gòu)模型施加軸向荷載和土壓力堆載,以分析對比不同加固方案的加固效果。盾構(gòu)管片抗軸向變形能力的評價指標(biāo)為

(1) 施加軸向荷載

主要針對不同加固設(shè)計方案抗軸向變形的加固效果進行研究,為簡化模型,不考慮實際土體邊界條件和基坑開挖等復(fù)雜受力行為。模型施加荷載情況見圖7。

圖7 模型施加軸向外荷載

分別對加固前后盾構(gòu)模型(中間幾環(huán))施加相同外荷載,可得到相應(yīng)的盾構(gòu)管片變形量。為方便對該加固方法的加固效果進行研究,選取加固前后管片相同位置處的變形進行對比,盾構(gòu)加固前后(以鋼板加固為例),在相同外荷載作用下的結(jié)構(gòu)軸向變形云圖見圖8。

圖8 盾構(gòu)加固前后軸向變形

選取3種加固方案對應(yīng)的數(shù)值模型盾構(gòu)拱頂相同點位的實際軸向變形值進行對比分析,結(jié)果見表1。

表1 軸向外荷載作用下盾構(gòu)管片變形

(2)施加土壓力堆載

為深入研究盾構(gòu)管片在實際工況中的變形行為,進一步考慮土壓力堆載情況和土體邊界條件,并考慮土體自重。土體計算參數(shù)參考文獻[1],模型施加荷載情況見圖9。

圖9 盾構(gòu)土壓力堆載模型

圖10 為盾構(gòu)模型在土壓力荷載作用下的軸向變形云圖。

圖10 盾構(gòu)管片軸向變形

選取3種加固方案盾構(gòu)拱頂相同點位在土壓力堆載作用下的實際變形值,對比分析結(jié)果見表2。

表2 土壓力堆載作用下不同加固方案管片變形

4.3 加固構(gòu)件截面選型研究

為進一步研究加固構(gòu)件的截面規(guī)格對加固效果的影響,以工形鋼拱架為例,分別選用規(guī)格為I20b、I22b、I25b等常見的截面類型,規(guī)格尺寸見表3。

表3 工形鋼規(guī)格 mm

鋼拱架縱向間距取0.6m,荷載采用上文提到的軸向荷載,分別計算鋼拱環(huán)縱向無連接和有綴板(肋板)連接2種加固形式(見圖11)。其中,綴板高14 cm,厚2cm,采用12塊綴板全環(huán)均勻布置。

圖11 盾構(gòu)縱向加固布置形式

不同截面規(guī)格及縱向連接形式下盾構(gòu)管片變形的計算結(jié)果見表4。

由表4可知,截面規(guī)格越大,工形鋼拱環(huán)的加固效果越明顯,但實際提升的加固能力有限。正常情況下,宜采用較小的截面規(guī)格(20b),縱向連接對盾構(gòu)管片環(huán)(軸)向加固效果略有提升,但影響較小。

表4 不同截面規(guī)格及縱向連接下盾構(gòu)管片變形

4.4 小結(jié)

綜上所述,采用鋼板加固方案的盾構(gòu)管片抗變形能力提升22.9%～25.4%;工形鋼(20a)拱架加固方法抗變形能力提升13.8%～16.7%(0.6m間隔)或9.7%～11.8%(1.2m間隔);槽鋼(25a)結(jié)構(gòu)加固方法盾構(gòu)管片抗變形能力提升12.5%～14.4%(0.6m間隔)或8.4%～9.7%(1.2m間隔)。

此外,縱向鋼圈在有連接時,對盾構(gòu)管片的環(huán)(軸)向加固效果略有提升,但影響有限。即采用綴板(肋板)進行縱向連接時,不能有效提升盾構(gòu)的抗軸(環(huán))向變形能力,但實質(zhì)上能提高隧道結(jié)構(gòu)的縱向結(jié)構(gòu)剛度。

5 結(jié)論

(1)鋼板加固方案對盾構(gòu)管片的加固效果明顯好于鋼拱架加固方案,可以有效提高盾構(gòu)管片的抗軸(環(huán))向變形能力,但鋼板加固的用材量明顯高于鋼拱架加固方案。

(2)鋼拱架結(jié)構(gòu)加固時,鋼拱環(huán)縱向布置間距對加固效果有一定影響,0.6m間距較1.2m間距的加固效果提升4%～5%,但0.6m間隔布置的用材量是1.2m布置的2倍,工程造價提高較多。

(3)工形鋼拱環(huán)的加固效果略好于槽鋼環(huán),這是因為工形鋼的截面抗彎能力要強于槽鋼,但工形鋼可能導(dǎo)致“侵限”問題的發(fā)生。

(4)加固構(gòu)件截面越大,加固效果越好,但是加固效果提升有限。因此,盲目采用大規(guī)格型號的鋼材并不經(jīng)濟。

(5)采用綴板(肋板)進行縱向連接時,不能提升盾構(gòu)的抗軸(環(huán))向變形能力,但能提高縱向結(jié)構(gòu)剛度。