盾構(gòu)管片接頭連接方式研究現(xiàn)狀

1、盾構(gòu)管片接頭連接方式研究現(xiàn)狀1.概述盾構(gòu)法1-3是暗挖法施工中的一種全機(jī)械化施工方法。它是將盾構(gòu)機(jī)械在地中推進(jìn)，通過盾構(gòu)外殼和管片支承四周圍巖防止發(fā)生往隧道內(nèi)的坍塌。同時(shí)在開挖面前方用切削裝置進(jìn)行土體開挖，通過出土機(jī)械運(yùn)出洞外，靠千斤頂在后部加壓頂進(jìn)，并拼裝預(yù)制混凝土管片，形成隧道結(jié)構(gòu)的一種機(jī)械化施工方法。通常采用盾構(gòu)法施工的隧道，一環(huán)管片襯砌由數(shù)塊管片組成，環(huán)與環(huán)之間采用通縫或者錯(cuò)縫拼裝形式。管片間的連接有沿隧道縱軸的縱向連接和與縱軸垂直的環(huán)向連接。連接方式有螺栓連接、無螺栓連接和一些其他的方式。由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，接頭在整個(gè)結(jié)構(gòu)之中具有非常關(guān)鍵的作用4,因此，對(duì)于盾構(gòu)法隧道的研究特別集中在關(guān)于

2、接頭的各個(gè)方面，不管是其宏觀計(jì)算模型，還是微觀接頭構(gòu)造，或者是各種因素對(duì)于接頭的性能影響以及接頭的防水構(gòu)造等等，都得到了各國學(xué)者的充分重視。相比較國外的盾構(gòu)工法發(fā)展，我國的盾構(gòu)工法盡管起步較晚，但其發(fā)展速度伴隨著我國城市建設(shè)腳步在不斷加快，盾構(gòu)工法以其噪聲低、環(huán)境影響小等諸多優(yōu)勢在國內(nèi)城市地鐵工程中已被廣泛使用，還有一些大型水利工程如南水北調(diào)穿黃隧洞工程同樣也采用盾構(gòu)工法進(jìn)行修筑，目前盾構(gòu)工法已在城市隧道施工技術(shù)中確立了穩(wěn)固的統(tǒng)治地位5。因此，有人將其稱為“城市隧道工法”。2 .管片接頭連接方式研究現(xiàn)狀2.1 常用構(gòu)造部分本段主要討論鋼筋混凝土管片的接頭，其一般分為9個(gè)構(gòu)造部分：連接件、定位裝

3、置（樺槽或定位棒）、傳力襯墊、密封墊和嵌縫，如圖1所示。圖1咕口憧頭樹部分2.2 接頭形式目前國內(nèi)盾構(gòu)隧道管片接頭常用形式以及盾構(gòu)擴(kuò)挖形成的特殊接頭形式如下2.2.1 柔性節(jié)點(diǎn)形式盾構(gòu)管片的連接有多種形式的接頭構(gòu)造類型。按螺栓形狀分，有直螺栓接頭和彎螺栓接頭按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分，有雙排也有單排按螺栓種類分，有用銷釘或不用按接觸面分，有平面接觸、樺槽接觸或球鍍。從受力角度，柔性要求相鄰管片間允許產(chǎn)生微小的轉(zhuǎn)動(dòng)與壓縮，使管片能產(chǎn)生一定的變形7。這種柔性接頭在國內(nèi)普遍采用的形式有：樟槽式接頭：當(dāng)隧道區(qū)間出現(xiàn)較大的縱向不均勻沉降時(shí)，凸起的樟槽塊可以提供較大的抗剪能力。但樺槽式連接的抗彎剛度很小，它不能抵抗外加

4、荷載引起的彎矩作用，必須依靠周圍圍巖的抗力達(dá)到自身的受力平衡。所以當(dāng)出現(xiàn)沿徑向的不均勻沉降等原因引起的彎矩時(shí)，樺槽式接頭會(huì)很快出現(xiàn)較大的張開量，對(duì)管片整體性和防水性不利。其優(yōu)點(diǎn)是安裝簡單，施工速度快而且造價(jià)低廉。目前樺槽式接頭在南京地鐵，上海金山隧道8采用。彎曲螺栓接頭，它與直螺栓相比造價(jià)高，接頭易變形，而且彎螺栓及管片鋼模在制作時(shí)若不能嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)弧度與精度加工，施工時(shí)螺栓穿孔將會(huì)比較困難，特別是錯(cuò)縫拼裝的時(shí)候，螺栓穿孔將會(huì)消耗大量的時(shí)間與人力。采用彎曲螺栓接頭，它被安置于由計(jì)算得到的彎曲最大的幾個(gè)環(huán)節(jié)，它通過幾層防水橡膠保證其密閉性，同時(shí)可以抵抗很大的彎矩，剪切位移，拉伸和壓縮。彎曲螺栓接

5、頭的柔性較好，應(yīng)用面廣，目前北京，卜海，南京等地鐵9普遍都在使用。直螺栓接頭，直螺栓在達(dá)到一定螺栓預(yù)緊力的條件下，同樣具有較好的抗彎剛度，工程使用效果好，制作簡單，用料省，經(jīng)濟(jì)合理。但還需要進(jìn)行螺栓頭的處理，現(xiàn)有方法是加上速凝混凝上和一個(gè)塑料密封蓋。其經(jīng)濟(jì)的造價(jià)，方便的安裝，現(xiàn)今仍得到廣泛的使用。圖為上海地鐵10采用的短直螺栓式接頭形式。國1.4好開蝶介式拔尖形式圖L5長汽螺櫛式接頭形式2.2.2 剛性節(jié)點(diǎn)形式多螺栓接頭，管片的剛性節(jié)點(diǎn)多是在柔性節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采取增加螺栓數(shù)量的手段增加接頭的抗彎抗剪剛度。剛度大，密封性好，在較大的地層應(yīng)力下不易變形。一般在深埋隧道或海底隧道中使用。下圖為上海打

6、浦路隧道的盾構(gòu)管片接頭形式。一彎一直兩根螺栓連接，結(jié)構(gòu)剛度高，但成本大大提高，而且必須使用二次襯砌。插入式接頭：這一種接頭廣泛應(yīng)用于日本的隧道管片環(huán)縫的連接11,分為鎖扣接頭和摩擦接頭，它們都是靠千斤頂丫接將雌雄接頭推牢，前者依靠鎖打的力量產(chǎn)生接頭需要的拉力，后者由其摩擦力、咬合力鎖住。它們安裝快捷方便，省掉了大量擰螺栓的人工及時(shí)間。如下圖所示。由于連接件相當(dāng)短，所以變形長度很小，剛度較大另外由于沒有手孔和海在外面的金屬件，不川削弱管少乍結(jié)構(gòu)，減少了滲水途徑，防水和防腐蝕的能力強(qiáng)，也無需二次襯砌，使用面很廣。銷插式接頭11,這樣的接頭抗剪、抗彎剛度大，連接便捷，沒有手孔，使用的材料有鋼的，也有

7、合成材料的.但由于插入安裝方便的考慮，往往楔形塊與塊之間有空隙，不利于防水，因此這一類接頭很多用于給排水工程，而且往往配合薄層的二次襯砌2.2.3 特殊節(jié)點(diǎn)形式TASRING接頭12,如圖所示，成功的應(yīng)用于日本的許多盾構(gòu)隧道縱縫的連接之中。它連接方便，配合各種插入式連接方式，可以僅靠千斤頂?shù)耐屏Π惭b就位。2.3 接頭研究現(xiàn)狀相鄰管片間的剛度，直接影響了襯砌結(jié)構(gòu)的整體剛度，它是襯砌結(jié)構(gòu)分析中的重點(diǎn)13。管片環(huán)的變形與內(nèi)力，與襯砌結(jié)構(gòu)的相對(duì)剛度息息相關(guān)。管片間接頭的力學(xué)性態(tài)的展開研究，多體現(xiàn)在理論分析、數(shù)值模擬以及模型試驗(yàn)等方面。隨著盾構(gòu)施工技術(shù)的愈發(fā)成熟，盾構(gòu)隧道管片的分塊數(shù)進(jìn)行了準(zhǔn)確的分類。一

8、般而言，更具隧道斷面和施工條件的不同，隧道管片的分塊數(shù)可分為6-10片。而分片數(shù)過多所帶來的拼裝方便的同時(shí)，會(huì)造成接頭處局部剛度減弱，使得整環(huán)的相對(duì)剛度變低，進(jìn)而對(duì)整環(huán)結(jié)構(gòu)受力變形產(chǎn)生影響。在錯(cuò)縫拼裝中，應(yīng)當(dāng)充分考慮由管片環(huán)環(huán)間錯(cuò)縫拼接引起的錯(cuò)縫拼接效應(yīng)即環(huán)間管片的剪力和變形的相互影響。接頭剛度，對(duì)于管片環(huán)的受力分析至關(guān)重要。接頭剛度可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得，而接頭剛度計(jì)算理論的發(fā)展，使得盾構(gòu)隧道管片的理論計(jì)算更加接近實(shí)際情況。針對(duì)管片接頭的課題，國內(nèi)外專家學(xué)者作了大量工作，并取得了一定的研究成果：萬岸林針對(duì)預(yù)應(yīng)力盾構(gòu)隧道管片18技術(shù)進(jìn)行大比例尺的接頭試驗(yàn)，通過數(shù)值模擬，并與試驗(yàn)據(jù)進(jìn)行比較，可以看

9、出，試驗(yàn)值與數(shù)值模擬值接頭張角的發(fā)展趨勢基本一致；并且，通過對(duì)預(yù)應(yīng)力為400kN的工況進(jìn)行模擬可以看出，提高預(yù)應(yīng)力，則接頭抗彎剛度也會(huì)相應(yīng)的提高。李周沛，歐陽娜通過建立管片接頭的精細(xì)三維有限元模型，對(duì)管片接頭進(jìn)行不同彎矩、軸力組合下的數(shù)值荷載試驗(yàn)，分析管片接頭的變形特征、剛度、管片應(yīng)力分布、裂縫分布及彎曲螺栓軸力。接頭的存在不僅降低了管片環(huán)的剛度，也降低了管片環(huán)的承載力。管片允許承受的正彎矩荷載應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程狀況、接頭防水構(gòu)造及應(yīng)力、裂縫分布計(jì)算結(jié)果綜合確定。王玉龍，李彬襯21研究得出砌管片縱向和環(huán)向的螺栓賦予了這種裝配式襯砌結(jié)構(gòu)介于連續(xù)和非連續(xù)介質(zhì)的特殊力學(xué)行為；管片環(huán)向受力分析中的梁-彈簧

10、模型法關(guān)鍵在于確定接頭抗彎剛度，結(jié)合有限元分析系統(tǒng)ANSYS的單元類型，提出相應(yīng)的接頭抗彎剛度數(shù)值試驗(yàn)方法及利用銷釘單元的梁-彈簧模型方法。鄭俊基于滲流及固結(jié)理論，推導(dǎo)了流固耦合的數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法；通過理論分析各種管片計(jì)算模型，引出梁彈簧模型計(jì)算，并對(duì)梁彈簧模型的有限元理論進(jìn)行介紹。通過理論上的分析和解析，為數(shù)值計(jì)算提供理論依據(jù)，并豐富了計(jì)算內(nèi)容。郭瑞,何川等大斷面水下鐵路盾構(gòu)隧道一獅子洋隧道工程為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元數(shù)值分析方法，并結(jié)合管片接頭原型抗彎試驗(yàn)，研究環(huán)向管片接頭抗彎剛度，并運(yùn)用梁一彈簧模型進(jìn)行接頭抗彎剛度對(duì)整環(huán)管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響的研究。在相同接頭彎矩條件下，接頭抗彎剛度隨軸力的增

11、加而增大；接頭抗彎剛度對(duì)管片軸力分布的影響微弱，對(duì)管片彎矩的影響顯著；隨接頭抗彎剛度的增大，整環(huán)管片的彎矩分布趨于均勻；在抗彎剛度取值范圍內(nèi)，極值彎矩相差最大達(dá)80左右，極值軸力最大減小5左右，變形最大減小20左右。封坤等闡述了大型水下盾構(gòu)隧道在設(shè)計(jì)階段、施工階段及長期運(yùn)營階段可能存在的結(jié)構(gòu)問題,董新平首先采用經(jīng)典彈性接觸理論與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在經(jīng)典彈性接觸理論的接觸面光滑、彈性假設(shè)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)生背離的背景下，提出了“接觸面缺陷”假設(shè)，并確定的參數(shù)進(jìn)行的反分析結(jié)果與實(shí)測的管片軸向位移以及彎矩轉(zhuǎn)角曲線非常吻合。蔡恒在盾構(gòu)法與淺埋暗挖法29-31結(jié)合建造地鐵車站綜合技術(shù)研究的課題基礎(chǔ)上,通過使用

12、大型分析軟件,采用數(shù)值模擬的方法,對(duì)照接頭模型試驗(yàn),對(duì)這一管片一結(jié)構(gòu)特殊節(jié)點(diǎn)的受力特性進(jìn)行了綜合分析，分析過程中考慮盾構(gòu)管片接頭類型和接頭結(jié)構(gòu)參數(shù)兩個(gè)主要因一素,重點(diǎn)分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整對(duì)管片一結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)力學(xué)行為的影響。同時(shí)本文作者所在課題組采用1:1的接頭原位模型試驗(yàn)對(duì)該暗挖塔柱式地鐵車站的結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行了驗(yàn)證。張鵬通過力學(xué)解析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)管片環(huán)向接頭性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究,并在兩種方法計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上,提出了環(huán)向接頭階段性剛度模型,為管片設(shè)計(jì)中環(huán)向接頭剛度的取用提供了一種計(jì)算模型;通過結(jié)合本文階段性剛度模型,系統(tǒng)比較了非連續(xù)介質(zhì)管片計(jì)算模型與連續(xù)介質(zhì)模型之間的差異。歐云龍?zhí)岢隽艘环N

13、盾構(gòu)隧道管片接頭的短期加固方法，即當(dāng)接頭張開量過大時(shí)，將預(yù)處理過的形狀記憶合金（ShapeMemoryAlloy,簡稱SMA）螺栓裝入相鄰管片的預(yù)留孔中并加熱，利用SMA的形狀記憶效應(yīng)為管片接頭提供一定的閉合回復(fù)力，促使接頭張開量減小從而為后續(xù)長期加固創(chuàng)造有利條件。3 管片接頭選擇及位置優(yōu)化接頭結(jié)構(gòu)形式的選擇在盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)中有著舉足輕重的作用在盾構(gòu)管片的設(shè)計(jì)中,管片的接頭剛度如果設(shè)計(jì)得太大,管片的應(yīng)力也隨之加大,這將使對(duì)管片的強(qiáng)度要求過高；而如果管片的接頭剛度設(shè)計(jì)得太小,則管片的接縫變形又太,止水問題又比較突出。因此，選擇適當(dāng)大小的接頭剛度,對(duì)于結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)的止水問題是至關(guān)重要的。而

14、在選擇接頭結(jié)構(gòu)形式時(shí),既要考慮到隧道承受的荷載、周圍的地質(zhì)情況及防水要求等,又要考慮到施工方便、經(jīng)濟(jì)合理、工期減短等方面進(jìn)行最優(yōu)化的組合設(shè)計(jì)。在接頭形式選擇中，還必須考慮到經(jīng)濟(jì)適用性的問題。這里的經(jīng)濟(jì)性需要考慮三個(gè)方面：材料加工成本，工期成本與人工費(fèi)，養(yǎng)護(hù)維修成本。一種安裝方便，自動(dòng)化程度高的接頭形式，可能會(huì)使材料和加工成本有所升高，但相應(yīng)的人工費(fèi)用和工期大幅度地減少，特別是另外涉及到的方面還包括生產(chǎn)工期減少帶來的附加效應(yīng)在現(xiàn)在工程實(shí)施中顯得意義巨大；線的生產(chǎn)精度，施工設(shè)備、人員素質(zhì)等，需要多方面考慮。國內(nèi)管片標(biāo)準(zhǔn)是由螺栓連接，在管片內(nèi)面有預(yù)留孔，因此露出的螺栓和接頭等有銹蝕的問題。國外總的趨

15、勢是將由螺栓緊固件的鋼筋混凝土管片更換為內(nèi)表面光滑的鋼筋混凝土塊，用定位銷等各種連接件連成管片襯砌環(huán)，自動(dòng)化程度相當(dāng)高，大大減少了隧道的建設(shè)成本和工期，是在國內(nèi)很有推廣前景的項(xiàng)目。在盾構(gòu)法裝配式管片隧道設(shè)計(jì)中,應(yīng)考慮接頭位置變化對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)剛度、內(nèi)力變形、隧道防水等方面的影響;可以通過改動(dòng)接頭位置,以獲得更加合理的內(nèi)力分布,從而使襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)合理。封底塊大小對(duì)襯砌剛度影響較大,通過減小封底塊可使結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布更加合理。接頭位置的變化不僅影響隧道周圍土層抗力的大小,而且也影響著抗力的分布形式,這在襯砌設(shè)計(jì)中應(yīng)加以考慮。綜合考慮內(nèi)力變形、防水、耐久等各方面的因素,并參照日本等國相近隧道的管片分塊形式,在上海某隧道工程現(xiàn)有管片分塊基礎(chǔ)上,本文試圖給出了接頭位置