外嵌式槽道對(duì)盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)的影響研究

靳世鶴,孫紅斌,梁柱擎,余學(xué)嬌

(1.蘭州市軌道交通有限公司,甘肅 蘭州 730050;2.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

從2012年以來(lái),國(guó)內(nèi)地鐵盾構(gòu)管片預(yù)埋槽道技術(shù)逐漸替代了傳統(tǒng)的化學(xué)錨栓法,解決了化學(xué)錨栓法因打孔損傷管片結(jié)構(gòu)等一系列技術(shù)問(wèn)題。杜鋒[1]、曾斌[2]、鄧劍榮等[3]以深圳9號(hào)線為基礎(chǔ),從力學(xué)方面對(duì)盾構(gòu)管片預(yù)埋槽道的應(yīng)用情況做了研究;馬曉波[4]、靳世鶴等[5-6]、劉奇[7]以蘭州地鐵1號(hào)線一期工程為基礎(chǔ),對(duì)預(yù)埋槽道的抗堿性、防腐能力等進(jìn)行了研究。由于盾構(gòu)管片預(yù)埋槽道技術(shù)須全環(huán)預(yù)埋且不可更換等技術(shù)缺點(diǎn)無(wú)法大面積推廣使用。靳世鶴等[8]以蘭州地鐵2號(hào)線為基礎(chǔ),在國(guó)內(nèi)首次開(kāi)展了盾構(gòu)管片外嵌式槽道技術(shù)的應(yīng)用研究,外嵌式槽道技術(shù)可根據(jù)需要分段安裝且在隧道內(nèi)可更換,相比較預(yù)埋槽道技術(shù)可節(jié)省約40%的工程成本,應(yīng)用前景極為廣闊。但外嵌式槽道技術(shù)不僅要在盾構(gòu)管片上開(kāi)槽嵌入槽道,槽道也須在隧道貫通后才能嵌入,那么開(kāi)槽對(duì)單塊管片以及對(duì)成型隧道的結(jié)構(gòu)性能是否存在影響呢？即時(shí)開(kāi)展該課題的研究對(duì)外嵌式槽道技術(shù)的推廣應(yīng)用顯得非常關(guān)鍵和迫切。

1 外嵌式槽道技術(shù)

1.1 外嵌式槽道設(shè)計(jì)參數(shù)

由于外嵌式槽道是在隧道內(nèi)可更換的,因此其設(shè)計(jì)使用壽命為20～50 a。地鐵外嵌式槽道大樣圖見(jiàn)圖1。

圖1 槽道斷面大樣圖(單位:mm)

外嵌式槽道一次熱軋成型,其軸向力、剪切力的工作荷載不小于10 kN,設(shè)計(jì)荷載不小于14 kN,槽道能承受30 kN拉力下不發(fā)生任何屈服變形。槽口設(shè)計(jì)可以采用燕尾槽和平槽2種型式,α分別為70°和90°,槽道的高H、寬W和厚D等參數(shù)可以根據(jù)工程實(shí)際需要來(lái)確定。蘭州地鐵槽道的參數(shù)為:H=(20±1) mm,W=(30±1) mm,槽口C=(14.5±1) mm,D=(3.5±1) mm。槽道采用熱浸鋅+絕緣封閉層的防腐形式,其在中性鹽霧環(huán)境[9]下800 h無(wú)紅銹(使用壽命30 a)。

1.2 外嵌式槽道安裝方法

外嵌式槽道技術(shù)是在盾構(gòu)管片制作時(shí)通過(guò)在模具上設(shè)置高凸起槽體,在盾構(gòu)管片混凝土澆注時(shí)就可形成溝槽,不銹鋼錨桿通過(guò)與設(shè)有內(nèi)外絲扣的塑料保護(hù)帽與槽體的預(yù)留孔擰緊連接,不銹鋼錨桿以200～400 mm的等間距擰緊在槽體預(yù)留孔上,這樣就實(shí)現(xiàn)了錨桿的精準(zhǔn)固定預(yù)埋。塑料保護(hù)帽在管片蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)遇到50 ℃的溫度會(huì)軟化脫落,成型管片從模具中提出后,使用海綿橡膠條粘貼封閉溝槽,在盾構(gòu)隧道內(nèi)安裝機(jī)電設(shè)備時(shí),按照要求把海綿橡膠條截?cái)嗬?將槽道嵌入溝槽段中,再采用專用螺栓將嵌入的槽道與錨桿擰緊,見(jiàn)圖2。

圖2 外嵌式槽道安裝示意圖

2 溝槽對(duì)管片結(jié)構(gòu)的影響分析

計(jì)算盾構(gòu)隧道管片環(huán)受到的水土等組合作用力,在盾構(gòu)管片抗彎試驗(yàn)中,普通管片抗彎試驗(yàn)見(jiàn)圖3,開(kāi)槽管片抗彎試驗(yàn)見(jiàn)圖4。

通過(guò)理論換算對(duì)單塊管片(純彎構(gòu)件)進(jìn)行抗彎能力測(cè)試,建立位移曲線,統(tǒng)計(jì)裂縫數(shù)量和寬度來(lái)判斷管片的力學(xué)性能[10]。在試驗(yàn)階段,對(duì)蘭州地鐵預(yù)制的3環(huán)C型帶溝槽的管片,取其中的15塊管片進(jìn)行了抗彎試驗(yàn),其中B1、B2、B3、L1、L2各3塊,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

圖3 普通管片抗彎試驗(yàn)

圖4 開(kāi)槽管片抗彎試驗(yàn)

盾構(gòu)管片抗彎試驗(yàn)方法:采用分級(jí)加載,每級(jí)荷載持續(xù)時(shí)間為5 min,每級(jí)加載值應(yīng)符合盾構(gòu)管片抗彎試驗(yàn)加載值(見(jiàn)表1),同時(shí)記錄每級(jí)荷載下各測(cè)點(diǎn)的位移,并加載至下一荷載值;對(duì)15組開(kāi)槽和不開(kāi)槽的管片拱頂位移數(shù)據(jù)(單位精度:0.01 mm)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析,選取2組數(shù)據(jù)形成管片拱頂位移圖,見(jiàn)圖5和圖6。

表1 盾構(gòu)管片抗彎試驗(yàn)加載值

圖5 管片拱頂位移圖1

圖6 管片拱頂位移圖2

圖5中第1組數(shù)據(jù)(圖中橙色柱表示)為開(kāi)槽管片抗彎試驗(yàn)時(shí)拱頂位移值;第2組數(shù)據(jù)(圖中綠色柱表示)為未開(kāi)槽管片抗彎試驗(yàn)時(shí)拱頂位移值。從圖5可以看出,橙綠2組數(shù)據(jù)非常接近。圖6中第1組數(shù)據(jù)(圖中藍(lán)色柱表示)為開(kāi)槽管片抗彎試驗(yàn)時(shí)拱頂位移值,第2組數(shù)據(jù)(圖中紅色柱表示)為未開(kāi)槽管片抗彎試驗(yàn)時(shí)拱頂位移值。從圖6可以看出,藍(lán)紅2組數(shù)據(jù)非常接近。分析試驗(yàn)中選取的其余13組數(shù)據(jù)得出同樣的結(jié)論,同時(shí)在管片抗彎試驗(yàn)時(shí)并未發(fā)現(xiàn)開(kāi)槽管片表面出現(xiàn)裂縫,說(shuō)明隧道所處的水土壓力傳遞給管片的應(yīng)力小于管片混凝土的抗拉應(yīng)力,管片開(kāi)槽對(duì)其結(jié)構(gòu)性能影響在允許值范圍之內(nèi)。

3 溝槽對(duì)成型隧道結(jié)構(gòu)的影響分析

蘭州地鐵2號(hào)線一期工程主要穿行于砂卵石、強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化砂巖地層,地下水埋深7～10 m,區(qū)間隧道埋深為11～25 m,地層參數(shù)見(jiàn)表2。

3.1 隧道塌落拱的確定

根據(jù)隧道塌落拱的通用計(jì)算公式來(lái)計(jì)算紅砂巖地層隧道塌落拱高度(按照側(cè)壁不穩(wěn)定時(shí)計(jì)算塌落拱高度):

表2 巖土層參數(shù)

其中:H為隧道開(kāi)挖高度,取6.4 m;b為隧道開(kāi)挖半幅寬,取3.2 m;φ為內(nèi)摩擦角,取值31.0。計(jì)算可得:h=11.35 m。

3.2 隧道水土壓力的確定

盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算荷載圖式見(jiàn)圖7,其中隧道覆土厚取h=11.35 m。所處巖土層情況如表2所列,采用水土分算。側(cè)向土壓力根據(jù)太沙基松弛土壓力和靜止側(cè)壓力系數(shù)來(lái)計(jì)算[11]。常水位處于盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)頂板2.67 m。

(1) 拱頂土壓力:P=215.65 kN/m2。

(2) 側(cè)向土壓力:

圖7 隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算荷載圖式

隧道拱頂松弛土壓力:Ps=114.94 kN/m2。

側(cè)向土壓力:e1=0.27×108.94=31.03 kN/m2。

e2=31.03+0.27×127.1=65.35 kN/m2。

(3) 水壓力:隧道頂板處水壓力為26.7 kN/m2,拱底處水壓力為88.7 kN/m2。

(4) 地面超載:p0=20 kN/m2,超載側(cè)壓力e0=20×0.27=5.4 kN/m2。

(5) 底部反力為上部豎向荷載與管片襯砌自重(管片自重為8.33 kN/m2)之和:P2=312.68 kN/m2。

3.3 模型建立

盾構(gòu)管片的材料參數(shù):混凝土強(qiáng)度C50,鋼筋HPB300、HRB400,管片縱縫、環(huán)縫均采用8.8級(jí)M30螺栓。應(yīng)用軟件MIDS/GTS的圖形化用戶界面來(lái)建立管片結(jié)構(gòu)實(shí)體模型。通過(guò)自定義標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范接口技術(shù)和有限元模型進(jìn)行模型分析和設(shè)計(jì)計(jì)算,實(shí)現(xiàn)了精確的計(jì)算分析。建立整環(huán)管片三維模型,數(shù)值分析整體結(jié)構(gòu)施工重力,再施加實(shí)際荷載,采用彈簧邊界條件,管片采用實(shí)體單元,進(jìn)行模擬[12],內(nèi)弧面開(kāi)槽盾構(gòu)管片環(huán)三維模擬見(jiàn)圖8。

圖8 內(nèi)弧面開(kāi)槽盾構(gòu)管片環(huán)三維模擬

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

由于模型建立的局限性和模擬計(jì)算的偏差性,此次模擬計(jì)算僅對(duì)隧道變形進(jìn)行了計(jì)算,管片混凝土應(yīng)力、錨桿軸力通過(guò)試驗(yàn)更為準(zhǔn)確地反應(yīng)出來(lái)。

根據(jù)管片塊的抗彎試驗(yàn)和盾構(gòu)管片環(huán)的模擬計(jì)算結(jié)果可知:

(1) 開(kāi)槽盾構(gòu)隧道在最大荷載組合作用力下的最大豎向變形為:拱底處6.26 mm(見(jiàn)圖9);水平變形量1.62 mm(見(jiàn)圖10),均小于沉降控制標(biāo)準(zhǔn)10 mm,滿足沉降標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 對(duì)B1、B2、B3、L1、L2管片的抗彎試驗(yàn)未在混凝土表面發(fā)現(xiàn)裂縫,說(shuō)明開(kāi)槽對(duì)盾構(gòu)管片的力學(xué)性能影響在允許值以內(nèi)。

圖9 管片豎向變形(單位:m)

圖10 管片水平變形(單位:m)

(3) 預(yù)埋錨桿通過(guò)施加最大30 kN拉拔力未見(jiàn)松動(dòng)或脫落,錨桿周邊混凝土也未見(jiàn)開(kāi)裂等現(xiàn)象。

4 外嵌式槽道動(dòng)力影響分析

4.1 槽道疲勞試驗(yàn)

地鐵盾構(gòu)隧道在列車運(yùn)營(yíng)時(shí),長(zhǎng)期受動(dòng)荷載作用,為了使外嵌式槽道的使用壽命滿足設(shè)計(jì)要求,須對(duì)其進(jìn)行疲勞試驗(yàn),因外嵌式槽道是可更換的,因此,其使用壽命可根據(jù)工程實(shí)際需要來(lái)確定。當(dāng)設(shè)計(jì)壽命為30 a時(shí),要求槽道可滿足無(wú)預(yù)埋混凝土?xí)r疲勞試驗(yàn)為35萬(wàn)次,預(yù)埋混凝土?xí)r疲勞試驗(yàn)為100萬(wàn)次,且滿足疲勞頻率1～3 Hz,正弦波波形,荷載基準(zhǔn)及幅值為(10±3) kN。由于錨桿是預(yù)埋不可更換的,因此,要求錨桿具有100 a的使用壽命,錨桿要求可滿足無(wú)預(yù)埋混凝土?xí)r疲勞試驗(yàn)100萬(wàn)次,預(yù)埋混凝土?xí)r疲勞試驗(yàn)可達(dá)300萬(wàn)次。

4.2 專用螺母的防松設(shè)計(jì)

外嵌式槽道與預(yù)埋錨桿的連接采用專用螺母,且有專門的防松墊圈設(shè)計(jì),其設(shè)計(jì)與槽道的T型螺栓防松設(shè)計(jì)相同,在后期地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí),不管是預(yù)埋槽道還是外嵌式槽道都需要對(duì)T型螺栓進(jìn)行定期檢查并建立檔案。因此,外嵌式槽道專用螺母可以在T型螺栓檢查時(shí)一并檢查建立檔案,便于日后操作。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)單塊管片的抗彎試驗(yàn)和對(duì)成型盾構(gòu)隧道的數(shù)值模擬,證明了在盾構(gòu)管片內(nèi)弧面開(kāi)槽30 mm×20 mm對(duì)單塊管片以及成型盾構(gòu)隧道的力學(xué)性能的影響均在相關(guān)規(guī)范允許的范圍之內(nèi)。盾構(gòu)管片開(kāi)槽深度范圍為0～20 mm,具體開(kāi)槽深度根據(jù)隧道限界實(shí)際情況來(lái)確定。

外嵌式槽道的防腐層類型可根據(jù)其設(shè)計(jì)使用壽命來(lái)決定其型式,如設(shè)計(jì)30 a使用壽命時(shí)可采用熱浸鋅+絕緣封閉層型式;設(shè)計(jì)50 a使用壽命時(shí)防腐層采用多元合金共滲+絕緣封閉層型式。

分析蘭州地鐵工程水文地質(zhì)情況,結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果可知,開(kāi)槽對(duì)盾構(gòu)管片和隧道結(jié)構(gòu)并沒(méi)有什么實(shí)質(zhì)性的影響,是可以安全使用的。但是對(duì)于特殊的工程,因其所處的水文地質(zhì)環(huán)境的特殊性或者因盾構(gòu)管片開(kāi)槽的深度、寬度等參數(shù)發(fā)生變化,需通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定外嵌式槽道的可行性。