小曲率隧道盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀

高明忠

(1. 深圳大學(xué) 土木工程學(xué)院 深地科學(xué)與綠色能源研究院, 廣東 深圳 518060; 2. 四川大學(xué) 水利水電學(xué)院, 四川 成都 610065)

隨著現(xiàn)代化城市進程的加快,人口膨脹、交通擁擠、大氣污染、噪聲等一系列城市問題凸顯,特別是地面交通問題,嚴重制約了現(xiàn)代城市的健康發(fā)展,而地下軌道交通系統(tǒng)具有安全、高效、舒適、快捷、占用地面資源少等優(yōu)點,是緩解現(xiàn)代城市綜合病的最佳方法之一.歐美等發(fā)達國家早在19世紀就開始發(fā)展地下軌道交通系統(tǒng),英國1863年建成世界上首條地下鐵路系統(tǒng)——倫敦大都會鐵路(Metropolitan railway)[1],我國自1971年北京開通了國內(nèi)首條地鐵以來,地下軌道設(shè)施建設(shè)在我國迅猛發(fā)展,由一線城市逐漸向二、三線城市擴展,到2020年國內(nèi)地下軌道交通運營總里程預(yù)計將達到6 000 km[1].可以預(yù)見,隨著國內(nèi)外城市人口壓力的增大以及地面車流量的持續(xù)上升,新建地鐵里程將持續(xù)增加.

由于地下軌道系統(tǒng)的隧道盾構(gòu)法施工具有自動化程度高、掘進速度快、地面沉降可控、對周圍環(huán)境影響小、施工精度高等優(yōu)點,在當(dāng)前地下鐵路隧道的修建中被普遍采用.盾構(gòu)設(shè)備總長度從幾十米到上百米不等,對直線型隧道掘進效率尤為突出,但其掘進隧道的曲率半徑一定程度受到限制.然而,地下軌道線路規(guī)劃通常需要按照城市整體規(guī)劃設(shè)計,難以保持直線延伸,更難免會遇到大量地下市政管線、高樓地下樁基、已有或規(guī)劃中的地下設(shè)施等干擾因素,這使得傳統(tǒng)直線型盾構(gòu)隧道已不能滿足其地下空間發(fā)展建設(shè)需求,小曲率半徑隧道必將在未來城市地下開發(fā)中扮演越來越重要的角色.

雖然曲線型隧道具有較強的路線適應(yīng)性,但是與直線型隧道相比,曲線隧道管片設(shè)計具有明顯不確定性以及典型的三維力學(xué)行為特性,且曲線型隧道姿態(tài)糾偏復(fù)雜,極易產(chǎn)生較大的偏心力,致使小曲率盾構(gòu)區(qū)管片出現(xiàn)錯臺、滲水、管片破損等問題,極大威脅著盾構(gòu)施工的安全性與后期運營的穩(wěn)定性.因此,施工荷載作用下小曲率半徑盾構(gòu)掘進區(qū)管片破壞機理及全生命周期管片力學(xué)特性已成為亟待探索的關(guān)鍵科學(xué)問題.

1 盾構(gòu)管片力學(xué)特性理論計算模型及試驗方法研究進展

盾構(gòu)隧道的穩(wěn)定運營主要靠管片支護,管片通常采用預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu).在幾何結(jié)構(gòu)上,管片環(huán)向成一定弧度,縱向(隧道軸向)長約1 m,依據(jù)設(shè)計有一定差異；總體上,管片拼接可分為通縫拼接與錯縫拼接,環(huán)向上多塊管片拼接為一整環(huán),軸向環(huán)環(huán)相連構(gòu)成隧道整體,內(nèi)部隧道即是地鐵運行空間.管片的安全穩(wěn)定直接影響地鐵的高效運行.

1.1 盾構(gòu)管片受力特性分析理論模型盾構(gòu)管片拼接后由于接頭的存在,是一種典型的組合結(jié)構(gòu),管片受力較為復(fù)雜.國內(nèi)外現(xiàn)有管片設(shè)計理論模型,從最早的均質(zhì)圓環(huán)模型、多鉸圓環(huán)模型,逐步發(fā)展到梁-彈簧模型、殼-彈簧模型等.隨著計算理論的發(fā)展,近年來又出現(xiàn)了更為復(fù)雜的塊體模型.以上方法屬于荷載-結(jié)構(gòu)模型的范疇.除此外還有考慮地層與管片結(jié)構(gòu)共同作用的地層-結(jié)構(gòu)模型.這一系列理論模型的發(fā)展,使得盾構(gòu)管片襯砌結(jié)構(gòu)計算結(jié)果越來越可靠、接近真實工程狀態(tài).然而,由于管片襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)特性及地層環(huán)境的復(fù)雜性,這些計算方法各有其適用范圍與局限性.

1.1.1均質(zhì)圓環(huán)模型 均質(zhì)圓環(huán)模型假設(shè)管片為一個均質(zhì)體,沒有考慮管片接頭的非線性特點,或接頭處乘以折減系數(shù)進行修正,依據(jù)是否進行修正可以分為完全剛度均質(zhì)圓環(huán)計算模型和等效剛度均質(zhì)圓環(huán)計算模型.完全剛度均質(zhì)圓環(huán)模型是最早運用于盾構(gòu)隧道的設(shè)計方法,其特點是沒有考慮管片環(huán)內(nèi)接頭和環(huán)間接頭的作用[2],認為管片接頭與環(huán)片整體剛度相同,并假定地層抗力在與水平方向成正負45°范圍內(nèi)按三角形規(guī)律分布.但由于該方法沒有考慮接頭作用,而接頭的轉(zhuǎn)動剛度卻是影響盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)受力特性的重要因素之一[3-13].因此,此方法在管片結(jié)構(gòu)設(shè)計中逐漸被淘汰.等效剛度均質(zhì)圓環(huán)模型則是通過引入彎曲剛度有效率來折減隧道在縱向和環(huán)向剛度,其優(yōu)越性在于充分考慮了管片環(huán)內(nèi)接頭及環(huán)間接頭對管片結(jié)構(gòu)的變形和彎矩影響.但該方法需要大量的工程實踐數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出折減系數(shù),而且至今還沒有相關(guān)理論計算體系建立,大大限制了其推廣與應(yīng)用前景[14-17].

1.1.2多鉸圓環(huán)計算模型 多鉸圓環(huán)模型將管片接頭假設(shè)為完全鉸接結(jié)構(gòu),即管片接頭處完全不能傳遞力矩,其中鉸接頭又分為自由鉸和彈性鉸兩類.對于圍巖條件良好且相對穩(wěn)定的地層,通常采用自由鉸結(jié)構(gòu)進行考慮,該方法符合柔性襯砌的力學(xué)原理,但計算結(jié)果普遍偏小.在我國地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計中[2],管片結(jié)構(gòu)設(shè)計常采用理想的彈性鉸模型,故多絞圓環(huán)計算法又被稱為“彈性鉸圓環(huán)計算方法”,該方法多用于通縫拼裝的管片結(jié)構(gòu)[18-19].多鉸圓環(huán)計算模型無法考慮管片縱向接頭力學(xué)效應(yīng),不能充分體現(xiàn)管片之間的相互作用,對錯縫式拼裝工況管片實體彎矩增大以及接縫處螺栓彎矩減小現(xiàn)象無法給予充分解釋,導(dǎo)致適用范圍較窄,當(dāng)?shù)貙有再|(zhì)較差時,計算結(jié)果誤差較大.

1.1.3梁-彈簧模型 梁-彈簧管片結(jié)構(gòu)計算模型是建立在卡氏第二定理和接頭連續(xù)變形的基礎(chǔ)上,將管片截面假定為直梁單元或者曲梁單元,并采用彈簧單元模擬管片接頭效應(yīng),從而充分考慮了管片旋轉(zhuǎn)剛度以及剪切剛度.此方法中彈簧單元不同于理想化線彈性鉸,其多具有非線性性質(zhì),是上述均質(zhì)圓環(huán)法與多鉸圓環(huán)法的合理發(fā)展.此外,梁-彈簧模型可通過數(shù)值求解,與上述兩類模型相比其計算過程得到了極大的提高.日本學(xué)者將該模型編制于盾構(gòu)專用計算程序MOLEMAN中[20],管片接頭抗彎剛度可通過該程序輸入不同正負抗彎剛度參數(shù)以及不同大小偏心抗彎剛度,地層抗力彈簧可按拉壓和剪切不同分別設(shè)定[21-23].而我國常采用將地層抗力考慮為徑向受壓、管片接頭考慮正負不同的彎曲剛度、環(huán)間接頭設(shè)為帶有剪切剛度的彈簧單元、管片外載荷設(shè)為上下荷載矩形分布而兩側(cè)荷載呈梯形狀態(tài)分布的模型[24-29].但該模型無法得到兩相鄰管片接頭間的相對不連續(xù)變形量,而且連接螺栓的內(nèi)力、剪力無法精確給出,接頭轉(zhuǎn)動剛度的非線性效應(yīng)不能得以有效的模擬[30].為了彌補梁-彈簧模型存在的不足,朱合華等[31]在梁-彈簧模型的基礎(chǔ)上提出了梁-接頭不連續(xù)模型,可以很好地模擬接頭變形的非線性行為,與接頭受力實際情況較貼近[30].

1.1.4殼-彈簧模型 Koizumi[16]在1992年提出了殼-彈簧模型設(shè)想,采用三維殼體單元模擬管片結(jié)構(gòu),管片環(huán)向接頭與縱向接頭分別采用能考慮環(huán)間抗彎效應(yīng)和抗剪效應(yīng)的彈簧單元來模擬.該模型的優(yōu)點在于既能實現(xiàn)盾構(gòu)隧道環(huán)向力學(xué)模型分析,又能覆蓋隧道縱向力學(xué)效應(yīng),故而殼-彈簧模型已成為研究盾構(gòu)隧道三維空間力學(xué)特性的重要方法,特別是近年來隨著盾構(gòu)隧道管片幅寬的增加,更促進了殼-彈簧計算模型的高速發(fā)展[32-35].蘇宗賢等[36]則釆用厚殼、彈簧、空間實體和接觸單元建立了荷載-結(jié)構(gòu)法形式的殼-彈簧-接觸模型,可對管片接縫的擠壓、螺栓接頭的咬合及地層的徑向、環(huán)向約束作用進行模擬,并考慮了環(huán)向接頭抗彎剛度的各向異性以及K塊的楔入角等因素.朱葉艇等[37]基于原型整環(huán)管片力學(xué)試驗建立了異型盾構(gòu)管片殼-彈簧計算模型.殼-彈簧模型雖然在計算盾構(gòu)隧道沿縱向的力學(xué)特性時具有一定優(yōu)勢,但彈簧單元(彈性鉸)無法真實全面地模擬接頭力學(xué)性態(tài),其剛度的取值也依賴于試驗或工程實踐.2013年，彭益成等[38]提出了殼-接頭模型,在反映接頭剪切時的滑動摩擦特性和彎矩傳遞特性具有一定優(yōu)勢,一定程度上彌補了殼-彈簧模型在接頭處不夠真實的短板.

1.1.5塊體模型 塊體模型是將管片結(jié)構(gòu)及其細部構(gòu)造(如管片接頭螺栓、嵌縫、止水條等)均采用實體單元,按照實際尺寸建模.模型中各部件間均采用接觸模型建立相互關(guān)系,是目前最接近實際結(jié)構(gòu)體系的模型,可同時對接頭密封墊的力學(xué)性能和防水效應(yīng)進行分析,是盾構(gòu)管片模擬的主要發(fā)展方向.然而該模型單元數(shù)目多,計算效率低,對接頭和管片的精細化模擬和計算能力容易受計算機本身計算能力的限制[30].

除了上述幾種計算模型以外,還有大量的針對襯砌結(jié)構(gòu)計算模型的研究,各種計算模型都有各自的適用條件,但均屬直線隧道管片力學(xué)技術(shù)范疇.未來管片計算模型的研究預(yù)計將在充分考慮地層條件、接頭非線性條件以及考慮隧道曲率的基礎(chǔ)上科學(xué)發(fā)展.

1.2 盾構(gòu)管片力學(xué)特性試驗方法理論模型可定性分析管片力學(xué)特性,但定量研究最有效的方法依然是試驗測試與分析.目前針對隧道主體結(jié)構(gòu)力學(xué)特性及安全的試驗方法主要集中在現(xiàn)場原位試驗、室內(nèi)模型試驗和數(shù)值模擬3個方面.其中現(xiàn)場原位試驗最能反映現(xiàn)場真實情況,但受限于現(xiàn)場試驗周期長、測試費用高、現(xiàn)場限制操作條件因素多等方面,只能選擇有限斷面進行測試.室內(nèi)模型試驗則是在室內(nèi)模擬現(xiàn)場施工方法,并測定所需試驗參數(shù).由于室內(nèi)試驗方法費用適中、結(jié)果直觀、周期短且不影響現(xiàn)場施工等優(yōu)點,故在各類工程規(guī)律探索中發(fā)揮重要作用.數(shù)值模擬是利用計算機建立計算模型,并依據(jù)現(xiàn)場勘測數(shù)據(jù),分析模擬結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài).其過程經(jīng)濟,結(jié)果直觀,是目前普遍采用的一種試驗分析方法.

1.2.1盾構(gòu)隧道管片力學(xué)特性的現(xiàn)場試驗研究 現(xiàn)場原位試驗是目前解決隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)問題的最有效手段.盾構(gòu)隧道襯砌現(xiàn)場試驗是對施工以及運營期間管片結(jié)構(gòu)的實際受力狀況以及圍巖體的穩(wěn)定性進行原位測試,從而建立隧道結(jié)構(gòu)的實體計算模型并進行長期安全性評價.謝紅強等[39]通過對重慶過江排水隧道施工期管片的現(xiàn)場監(jiān)測,得到了作用在盾構(gòu)管片上的外水壓力隨盾構(gòu)掘進狀態(tài)的變化規(guī)律.邱志強[40]依托成都地鐵1號線對盾構(gòu)機施工荷載數(shù)據(jù)進行采集,并分析了各類荷載綜合作用下管片應(yīng)變及環(huán)間縫隙量演化規(guī)律.Arnau等[41]通過現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬,對襯砌施工過程和周圍巖土體相互作用機制進行了分析,獲得了連續(xù)施工過程中蠕變影響下管片結(jié)構(gòu)力學(xué)特征.季昌等[42]針對盾構(gòu)掘進施工時常面臨的管片局部或整體性上浮問題,結(jié)合試驗段監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了不同單一因素對施工期管片上浮的影響規(guī)律；張君祿等[43]對湛江灣跨海隧道管片結(jié)構(gòu)應(yīng)力進行了監(jiān)測分析,為及時了解工程結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)、指導(dǎo)安全施工提供實測參數(shù).陽軍生等[44]以臺山核電站海底取水盾構(gòu)隧道為工程背景,對雙層襯砌結(jié)構(gòu)受力進行現(xiàn)場監(jiān)測,并基于現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)提出一種能計算軟土地層海底盾構(gòu)隧道設(shè)計荷載的方法.

當(dāng)前盾構(gòu)管片現(xiàn)場試驗多集中在施工階段,缺乏基于長期連續(xù)監(jiān)測的相關(guān)研究.且監(jiān)測手段也往往是應(yīng)力計、應(yīng)變計、測縫計等針對某一點的傳統(tǒng)測量方法,后期可以考慮采用如光纖等高精度技術(shù)手段對管片全斷面進行長期連續(xù)監(jiān)測.

1.2.2室內(nèi)相似模型試驗研究 室內(nèi)相似力學(xué)模型試驗是按照原型結(jié)構(gòu)與室內(nèi)模型結(jié)構(gòu)間的物理、幾何關(guān)系建立物理模型,對復(fù)雜、難以準確建立數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)力學(xué)行為進行探究.通過室內(nèi)模型試驗可以對隧道結(jié)構(gòu)受力初始階段直至破壞時的形變以及應(yīng)力分布狀態(tài)進行探索,以此對隧道結(jié)構(gòu)長期安全性評價提供可靠依據(jù)[45].

國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)研究目的不同研制了一系列試驗系統(tǒng),進而開展了大量盾構(gòu)隧道主體結(jié)構(gòu)力學(xué)特性試驗.邱志強[41]設(shè)計了“側(cè)V”型混凝土組合體,根據(jù)不同傾斜角混凝土試樣組合模擬研究了施工荷載作用下不同推進階段(直線段、入曲線段、全曲線段、出曲線段)及不同曲率半徑管片結(jié)構(gòu)受力破壞特征.Abdoun等[46]通過用高密度聚乙烯(HDPE)管道模擬襯砌管片,采用離心機試驗,研究了土壤含水量、斷層偏移率、管道相對埋藏深度和管道直徑對埋地管道跨越走滑斷層力學(xué)行為的影響.郭瑞等[47]等通過對南京長江盾構(gòu)隧道環(huán)向管片接頭進行的三組原型抗剪(無螺栓剪切、有螺栓逆剪和有螺栓順剪)加載試驗,分析研究了管片接頭在剪力作用下的受力、變形和破壞特征.韓兵[48]針對盾構(gòu)斜井管片力學(xué)性能試驗的需要,設(shè)計制作了集加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)于一體的整環(huán)管片力學(xué)性能試驗平臺,利用張拉鋼絞線對管片施加環(huán)箍力模擬水壓力,利用貝雷架和液壓千斤頂施加集中荷載模擬土壓力,利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量管片加載過程中的受力和變形情況.王士民等[49]依托廣深港客運專線獅子洋盾構(gòu)隧道工程,采用模型試驗的方法,比較分析了3種不同水壓條件下管片襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形、聲發(fā)射數(shù)據(jù)及裂紋產(chǎn)生發(fā)展等試驗數(shù)據(jù)信息,探討水壓對盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)及破壞特征的影響規(guī)律.

綜上,關(guān)于管片力學(xué)特征的室內(nèi)相似模型試驗主要針對管片接頭或僅考慮管片結(jié)構(gòu)本身的條件下展開,少有涉及綜合考慮地層因素的管片力學(xué)特征室內(nèi)相似模型試驗研究.如何準確確定物理模型與原位環(huán)境條件、原位結(jié)構(gòu)的物理、幾何相似比,尤其是材料的選擇與配比,也應(yīng)是未來關(guān)注的重點之一.

1.2.3盾構(gòu)管片數(shù)值模擬分析 隨著計算硬件及技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬方法在盾構(gòu)研究中越來越普遍.數(shù)值模擬是將現(xiàn)場原型數(shù)值化,利用高速計算機并依據(jù)相關(guān)理論計算模型和現(xiàn)場勘測數(shù)據(jù),分析模擬結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài).主要有基于連續(xù)介質(zhì)理論的數(shù)值模擬和基于離散介質(zhì)的數(shù)值模擬兩大類,其中基于連續(xù)介質(zhì)的數(shù)值模擬最為常見.廣泛用于巖土工程的有限元方法主要有有限單元法(FEM)、邊界元法(BEM)、有限差分法(FDM)等.關(guān)于盾構(gòu)管片力學(xué)特性理論計算模型中的多數(shù)模型,例如“梁-彈簧模型”“殼-接頭模型”等,都是結(jié)合數(shù)值模擬的方法建立起來的.

宋克志等[50]構(gòu)建了施工階段的管片力學(xué)模型,并以某盾構(gòu)工程施工參數(shù)為例,運用有限元方法實現(xiàn)該力學(xué)模型,按不同工況對其進行了數(shù)值模擬,并與現(xiàn)場實測結(jié)果進行了對比分析.邱志強[41]依托成都地鐵1號線,建立了管片—注漿層—地層圍巖相互作用數(shù)值模型,獲得了不同曲率半徑管片各項力學(xué)參數(shù)特征差異.葛世平等[51]根據(jù)管片接頭受力特點及其構(gòu)造,考慮對管片接頭及其附近區(qū)域進行剛度修正,而管片其余區(qū)域保持原剛度不變,提出管片接頭簡化數(shù)值模擬方法—局部剛度修正法.梁敏飛等[52]依托武漢地鐵8號線越江隧道工程進行建模計算分析,在已有雙層襯砌梁-彈簧模型的基礎(chǔ)上,提出了改進的雙層襯砌盾構(gòu)隧道三維殼-彈簧力學(xué)分析模型.

雖然數(shù)值模擬的方法在經(jīng)濟性、可操作性方面具有很大優(yōu)勢,但本構(gòu)模型本身的不完善、模型構(gòu)建過程中對條件的簡化,都使其得出的結(jié)果與實際狀況有所差異.

可以看出,現(xiàn)有管片力學(xué)特性相關(guān)試驗研究主要集中在直線型隧道管片的宏觀破壞型式或管片接頭的探討,針對荷載作用下小曲率半徑盾構(gòu)隧道管片力學(xué)響應(yīng)鮮有報道,且研究尚未涉及曲線型隧道管片室內(nèi)模型的建立.

2 小曲率隧道盾構(gòu)管片力學(xué)特性及關(guān)鍵技術(shù)

對于小曲率半徑隧道的定義目前尚無統(tǒng)一的定論標準,部分專家認為盾構(gòu)掘進所能實現(xiàn)最小曲率半徑是根據(jù)盾構(gòu)機長度以及盾構(gòu)機一次推進距離所確定的,其判斷標準[53]為

R=(l2-s2)/4δ>(30～40)×D，

(1)

其中，l為盾構(gòu)機長度(m)，s為盾構(gòu)一次的推進長度(m)，δ為盾尾間隙(m)，D為盾構(gòu)機外徑(m).

而也有相關(guān)學(xué)者提出,盾構(gòu)施工最小曲率半徑應(yīng)與盾構(gòu)外徑直接相關(guān),并通過對已有施工實例進行了統(tǒng)計得出盾構(gòu)外徑與最小曲率半徑的關(guān)系[54].

目前盾構(gòu)管片的設(shè)計理論大多是以直線隧道正常使用階段受力情況建立起來的,曲線隧道管片受力特性在正常使用期間和施工階段均有很大不同,特別小曲率半徑隧道盾構(gòu)在施工階段管片極易破損.當(dāng)前施工的盾構(gòu)隧道中最小曲率半徑已達100 m左右,這無疑給盾構(gòu)隧道建設(shè)帶來了巨大挑戰(zhàn).

葉飛[55]等認為盾構(gòu)管片在正常使用階段,其受力特性常被簡化為平面應(yīng)變問題,對應(yīng)的研究也較為成熟；而對于施工階段,由于其復(fù)雜的約束條件,襯砌結(jié)構(gòu)的受力為典型的三維問題,況且存在諸多的不確定因素.盾構(gòu)隧道在施工過程中管片襯砌受到的主要荷載有千斤頂推力、注漿壓力、上浮力、盾構(gòu)機外殼作用力、拼裝荷載等.而這些各種施工荷載的組合作用,通常會引起管片各種形式的破壞,諸如外弧面破裂、邊角損壞、螺栓孔及定位孔處混凝土崩裂、管片局部淺層裂縫、管片整體貫通,以及管片滲漏水等危害.Milligan等[56]在現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上,提出曲線段隧道呈波動狀的管片與地層相互作用宏觀模型和理論微觀模型,給出了一種適用于計算曲線型隧道頂進力的理論方法.趙運臣[57]從設(shè)計、施工等方面,認為隧道設(shè)計半徑與管片設(shè)計長度不相適應(yīng)、背襯注漿量不足及漿液填充不均勻、工人安裝不熟練等是盾構(gòu)隧道曲線段管片破損的主要原因.蒙曉蓮[58]采用地層-結(jié)構(gòu)計算模型,對大坡度、小曲線半徑工況下盾構(gòu)隧道管片襯砌的受力特征進行了研究,分析了曲線半徑、注漿方式、坡度大小等因素對管片受力響應(yīng)的影響.蘇文淵[59]基于現(xiàn)場原位試驗,對盾構(gòu)隧道施工引起的小曲率半徑隧道管片軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力的變化規(guī)律進行了總結(jié)分析.謝遠堃[60]針對大坡度、小半徑曲線盾構(gòu)施工時的管片破損及上浮問題,結(jié)合盾構(gòu)姿態(tài)、盾尾間隙、千斤頂狀態(tài)、相鄰管片的約束等方面對管片進行受力分析,討論了引起管片破損及上浮的原因,并提出了相應(yīng)的技術(shù)控制措施.由于小曲率半徑盾構(gòu)在施工時典型的三維力學(xué)特征,所以當(dāng)前研究主要針對小曲率半徑盾構(gòu)施工過程中的施工荷載、施工工藝及不同工況對管片力學(xué)特征的影響展開,而關(guān)于小曲率情況下的管片力學(xué)特征理論計算模型研究較少.

可以看出,施工荷載在當(dāng)今管片設(shè)計中越來越被重視,在進行小曲率隧道盾構(gòu)設(shè)計時,要充分考慮施工階段千斤頂推力、注漿壓力、密封油脂壓力、盾殼及盾尾密封刷擠壓等各種施工組合荷載對管片的影響.針對小曲率隧道盾構(gòu),需要解決關(guān)鍵技術(shù)主要包括：

1) 盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎時,千斤頂偏心推力過大,產(chǎn)生的推力作用于管片環(huán),導(dǎo)致千斤頂撐靴一側(cè)與管片形成較小的角度,與管片接觸面積減小,這勢必會在管片邊角處產(chǎn)生應(yīng)力集中,從而使混凝土管片邊角處出現(xiàn)受壓破壞,如圖1所示[40].所以對于小曲率管片的荷載集中區(qū)域在管片制作時可考慮加密配筋,提高混凝土強度等措施.

(a)管片螺孔受拉破壞

(b)管片邊角受壓破壞

2) 在進行管片壁后注漿時,注漿壓力應(yīng)略大于該地層位置的靜止水土壓力,且應(yīng)避免注漿漿液進入盾構(gòu)機土倉[61].考慮到不同注漿點位水土壓力的差別以及防止管片大幅度沉降或上浮,各注漿點可設(shè)置不同注漿壓力,并應(yīng)保持合適的壓差,控制注漿速率,確保漿液填充均勻,從而達到最佳注漿效果.

3) 當(dāng)盾構(gòu)機進行曲線施工時,盾構(gòu)機機頭發(fā)生偏轉(zhuǎn),尤其在小曲率半徑盾構(gòu)隧道施工時,如若盾構(gòu)機糾偏與隧道設(shè)計曲線不匹配,使盾構(gòu)機機頭偏轉(zhuǎn)量超過盾尾間隙,更會造成盾尾與管片之間相互擠壓,從而造成管片損傷,如圖2所示[40].所以,在施工過程中應(yīng)對推進速度、刀盤扭矩、千斤頂推力、注漿壓力進行實時監(jiān)測,隨時優(yōu)化掘進參數(shù),調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，并且設(shè)置開挖參數(shù)時要考慮不同地質(zhì)、水文條件的影響.

圖 2 盾構(gòu)機外殼擠壓管片示意圖

4) 由于隧道轉(zhuǎn)彎,管片間除沿軸向有力外,還存在徑向力的分量,使得管片間極易產(chǎn)生錯臺和破裂,所以盾構(gòu)管片設(shè)計時長度要與隧道半徑相適應(yīng),減小裝配應(yīng)力；在施工開始前,也應(yīng)對施工人員預(yù)先進行培訓(xùn),確保熟練安裝.

3 結(jié)論與展望

地下鐵路軌道交通系統(tǒng)是緩解現(xiàn)代城市綜合病的最佳方法.隨著國內(nèi)外城市人口壓力的增大以及地面車流量的持續(xù)上升,新建地鐵里程將持續(xù)增加.而盾構(gòu)法是目前地下鐵路隧道修建的主要方法.本文主要分析了目前盾構(gòu)管片力學(xué)特性理論計算模型與試驗方法研究進展,提出小曲率隧道盾構(gòu)管片力學(xué)特性與關(guān)鍵技術(shù),得出結(jié)論如下：

1) 由于接頭的存在,盾構(gòu)管片是一種典型的組合結(jié)構(gòu),受力較為復(fù)雜.目前盾構(gòu)管片理論計算模型大都是在著重考慮管片接頭非線性特征的基礎(chǔ)上建立起來,綜合考慮地層條件的模型比較少,主要有均質(zhì)圓環(huán)模型、多鉸圓環(huán)模型、梁-彈簧模型、殼-彈簧模型、塊體模型等.我國地鐵設(shè)計中多采用多鉸圓環(huán)模型.

2) 目前針對隧道主體結(jié)構(gòu)力學(xué)特性及安全的研究方法多元化,如現(xiàn)場原位試驗、室內(nèi)模型試驗、數(shù)值模擬等,主要集中在直線型隧道管片的宏觀破壞型式或管片接頭的探討,尤其是室內(nèi)模型試驗,對曲線型隧道管片的研究更是少有涉及.

3) 隨著地下構(gòu)筑物越來越多,地質(zhì)條件越來越復(fù)雜,小曲率半徑盾構(gòu)因其很強的適應(yīng)性得到廣泛應(yīng)用.而小曲率半徑隧道盾構(gòu)極易造成施工階段管片破損,其關(guān)鍵技術(shù)在于千斤頂壓力、注漿壓力、盾構(gòu)姿態(tài)的控制.設(shè)計時也要保證盾構(gòu)管片長度要與隧道半徑相適應(yīng).

未來盾構(gòu)管片力學(xué)特性模型的發(fā)展應(yīng)該在充分考慮管片非線性條件的基礎(chǔ)上結(jié)合地質(zhì)條件綜合分析,尋求更加接近原位實際工況的計算模型.而針對環(huán)境適應(yīng)性更強的小曲率盾構(gòu)隧道管片,還應(yīng)考慮施工荷載的影響,建立與施工階段相適應(yīng)的小曲率管片力學(xué)特性模型.同時,如何真正獲得現(xiàn)場小曲率半徑隧道管片施工期、運營期變形、受力分布特征與演化規(guī)律是解決小曲率管片的關(guān)鍵.