大直徑空間C型曲線隧道頂管受力特性研究

高勝雷 王凱麗 劉 贊 張 咪 董曉鵬

(1.北京市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 北京 100089； 2.北京城建八建設(shè)發(fā)展有限責(zé)任公司， 北京 100012)

近年來，隨著地下空間技術(shù)的快速發(fā)展，我國已是世界上隧道及地下工程規(guī)模最大、數(shù)量最多、結(jié)構(gòu)形式最復(fù)雜、修建技術(shù)發(fā)展速度最快的國家，各種城市管線的鋪設(shè)、更換、修復(fù)工程大量涌現(xiàn)。頂管法是一種非開挖地下通道施工方法，它能夠很好地解決傳統(tǒng)開挖施工所產(chǎn)生的諸多弊端，從而促使頂管隧道朝著長距離、大直徑、空間曲線的方向深入發(fā)展[1-2]。

國內(nèi)外的研究者已在管道內(nèi)力、管土作用力等方面做了大量研究。Cheng等認(rèn)為漿體頂管作業(yè)中影響頂管承載的因素是超挖環(huán)空和注入潤滑劑量、停工、地質(zhì)、錯位[3]。葉藝超等在頂管頂進(jìn)過程中考慮管、土“固-液”接觸狀態(tài)，推導(dǎo)了考慮泥漿觸變性的頂管頂力的計算方法[4]。Shou等利用摩擦特性，對直線頂管和曲線頂管的頂管力進(jìn)行了估算和土-管相互作用的數(shù)值分析[5]。黃宏偉等對頂管施工過程引起的力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了討論[6]。魏剛等對頂進(jìn)過程中管道縱向與環(huán)向鋼筋應(yīng)力及管土接觸壓力進(jìn)行了現(xiàn)場測試[7]。文獻(xiàn)[8-9]介紹了采用現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對大直徑鋼筋混凝土頂管管道的受力特性進(jìn)行了分析。黃吉龍等通過數(shù)值模擬方法分析了頂管頂進(jìn)施工過程中應(yīng)力-應(yīng)變及其影響和發(fā)展變化規(guī)律[10]。但對于大直徑空間曲線頂管的縱向和環(huán)向受力以及管土相互作用機(jī)制的研究案例較少，對管土接觸壓力的影響因素尚缺乏研究。

因此，以寧波市220 kV潘橋變遷建工程為研究背景，通過現(xiàn)場試驗研究和數(shù)值模擬，研究大直徑空間曲線頂管在施工中縱、環(huán)向鋼筋應(yīng)力的變化規(guī)律及管土接觸壓力的受力特性，為管節(jié)的設(shè)計和頂管施工優(yōu)化提供參考。

1 工程概況

寧波潘橋變遷建工程隧道長為997.294 m，呈空間曲線，選取區(qū)間起止點A到達(dá)點B，長160 m，隧道埋深為10.7～17.6 m，從A點出發(fā)以2.63%上坡，平曲線半徑為700 m，豎曲線半徑為2 000 m。該區(qū)間隧道采用頂管法施工，隧道內(nèi)徑為4.0 m，外徑為4.64 m，洞門直徑為5.140 m，中心標(biāo)高-11.723 m。擬建電力隧道工程位置的平面圖和縱斷面圖如圖1所示。

a—平面； b—縱斷面。圖1 隧道工程段的平面與縱斷面 mFig.1 The plan and profile of the range for the tunnel project

根據(jù)地下水空間介質(zhì)和水文、水動力特征及賦存條件，擬建工程沿線地下水主要為第四系松散巖類孔隙潛水、孔隙承壓水以及基巖裂隙水。淺層孔隙潛水賦存于場地淺部的填土、黏性土和淤泥質(zhì)黏性土層中，其富水性和透水性較差，水量貧乏?？辈炱陂g，實測地下水位埋深為 0.40～2.00 m，標(biāo)高為1.110～2.140 m。

圖2 頂管隧道地層示意 mmFig.2 The profile of stratum passed through by the tunnel of jacked pipes

2 試驗測點布置

在特制管節(jié)的4個方位預(yù)制安裝鋼筋應(yīng)力計和土壓力盒對管道的內(nèi)力和管土接觸壓力進(jìn)行測試，特制管節(jié)安放在第4節(jié)的位置，管節(jié)外直徑為4.64 m，內(nèi)直徑為4 m，管節(jié)長為2.5 m，管節(jié)隨機(jī)頭一并頂進(jìn)。

管道內(nèi)力測試包括管道縱向和環(huán)向內(nèi)力測試，通過綁扎在鋼筋籠上的JTM-V1000型振弦式傳感器測出鋼筋受力頻率。將直徑為20 mm的應(yīng)力計兩端拉桿焊接在縱向鋼筋上，把直徑為12 mm的應(yīng)力計兩端拉桿焊接在環(huán)向鋼筋上。在試驗管節(jié)中端四周安裝JTM-V2000A(C)型振弦式土壓力計，把土壓力盒的鋼套筒焊接在鋼筋籠上，并保證土壓力盒的表面與澆筑的混凝土表面在同一面上，澆筑混凝土?xí)r將所有的感應(yīng)器導(dǎo)線匯集在4個方位引出，方便數(shù)據(jù)采集工作。

試驗選取距管節(jié)首端和尾端30 cm的兩個截面布設(shè)內(nèi)力傳感器，中間端布設(shè)土壓力盒，在4個方位內(nèi)、外側(cè)都布設(shè)，一個方位的內(nèi)、外側(cè)同時布設(shè)間距為10 cm的縱向和環(huán)向感應(yīng)器各2個，一個截面共16個感應(yīng)器，兩端共32個感應(yīng)器，中部布設(shè)4個土壓力盒。感應(yīng)器編號為H1～H16和Z1～Z16，土壓力盒編號為TY1～TY4，位置如圖3所示。在頂進(jìn)施工過程中因未知因素，實測時發(fā)現(xiàn)感應(yīng)器H13、H16、Z3、Z13、Z15和土壓力盒TY4已損壞。

圖3 感應(yīng)器和土壓力盒位置布設(shè)示意 mFig.3 The schematic arrangements of sensors and earth pressure cells

3 施工過程分析

圖4為總推力隨累計頂進(jìn)距離的變化規(guī)律?？梢姡弘S著頂進(jìn)距離的變化，總推力開始增加，在頂進(jìn)至25 m時，處加入兩節(jié)中繼節(jié)段以增加頂力并調(diào)整機(jī)身姿態(tài)，總推力達(dá)到峰值7 875 kN，隨著累計頂進(jìn)，總推力逐漸增大到7 312 kN后保持穩(wěn)定。頂進(jìn)至70 m以后，同步注漿量由3.5 m3增加到4.2 m3，并形成了一個良好的泥漿套，注漿壓力和主頂速度都沒改變，分別為0.25 MPa和50 mm/min。增加同步注漿量相當(dāng)于減小側(cè)摩阻力，注漿減阻效果十分顯著，從而保持了總推力不變。泥漿質(zhì)量配合比為膨潤土∶純堿∶羧甲基纖維素∶水為100∶5∶12∶550。

圖4 總推力與累計頂進(jìn)距離的關(guān)系Fig.4 Relations between total thrust and cumulative jacked distances

刀盤在平面上和高程上的糾偏過程如圖5所示。

圖5 平面和高程刀盤姿態(tài)偏差Fig.5 Deviation of the cutter head posture in the plane and elevation

可知：由于工況原因，試頂進(jìn)階段刀盤姿態(tài)偏差較大，及時調(diào)整刀盤姿態(tài)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，整個糾偏方法及時有效，頂進(jìn)方向控制良好。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 管土接觸壓力測試結(jié)果及分析

圖6為管土接觸壓力與頂進(jìn)距離的關(guān)系。在現(xiàn)場試驗中，管壁受力主要為孔隙水壓力、土壓力、注漿壓力，隨機(jī)頭頂進(jìn)20 m后增加中繼間并開始注漿，可見，管壁受注漿壓力的影響最大。管節(jié)頂進(jìn)到35 m時進(jìn)入曲線半徑為700 m的線段，35～50 m階段調(diào)整機(jī)頭姿態(tài)，同步注漿量由原來的3 m3增加到3.2 m3，注漿壓力由原來的0.15 MPa增加到0.25 MPa，隨后加速頂進(jìn)，管土接觸壓力增加。頂過60 m后，注漿量由3.75 m3增加至4 m3，注漿壓力為0.25 MPa且不再增加，頂進(jìn)軸線為2.63%的上坡。隨著頂進(jìn)距離的增加，頂管埋深逐漸減小，所以管土接觸壓力逐漸減小。通過從45°、135°、225°、315°四個注漿孔注漿，注入的減摩泥漿由于重力作用滑至底部，隨后填充至兩端和頂部，注漿對底部的接觸壓力影響最大，兩側(cè)次之，對頂部的影響最小。當(dāng)試驗管節(jié)進(jìn)入測試端段時，彎曲軸線內(nèi)側(cè)的壓力值明顯增加[11]。試驗結(jié)果表明：管節(jié)在良好的減摩泥漿中頂進(jìn)，管土接觸壓力值雖有波動，但基本穩(wěn)定；對管土接觸壓力影響由大至小的順序為：注漿壓力、土壓力、孔隙水壓力。而注漿壓力對管壁壓力的影響由大至小的順序為：底部、兩側(cè)、頂部。結(jié)合施工工況分析，管土接觸壓力出現(xiàn)波動主要受注漿壓力和糾偏的影響。

圖6 管土接觸壓力與頂進(jìn)距離的關(guān)系Fig.6 Relations between contact pressure between the pipe and earth and jacked distances

4.2 管道內(nèi)力測試結(jié)果及分析

圖7為管道環(huán)向應(yīng)力與累計頂進(jìn)距離的關(guān)系?？梢姡汗艿理斶M(jìn)過程中受上覆土壓力、地下水壓力、注漿壓力、動荷載等多種因素影響，管道環(huán)向鋼筋應(yīng)力的大小在一定程度上反映了管道的橫向受力狀態(tài)。由于右側(cè)布置的感應(yīng)器已損壞，選取規(guī)律性比較強的管節(jié)頂部、左部、底部后端的內(nèi)外側(cè)作分析。從試驗結(jié)果來看，管節(jié)內(nèi)、外側(cè)的應(yīng)力雖然大小不相同，但是變化規(guī)律和趨勢大致相同，其環(huán)向正應(yīng)力主要集中在-20～20 MPa，鋼筋以受壓為主，管道頂部、左部、底部三個測點的數(shù)據(jù)均表示管節(jié)內(nèi)側(cè)為壓應(yīng)力、外側(cè)為拉應(yīng)力，管節(jié)兩端口直徑縮小，呈現(xiàn)出“橢球狀”。

圖7 管道環(huán)向應(yīng)力與累計頂進(jìn)距離的關(guān)系Fig.7 Relations between circumferential stress and cumulative jacked distances of pipelines

圖8為管道縱向正應(yīng)力與累計頂進(jìn)距離的關(guān)系。可見：試驗管節(jié)吊裝拼接完成后受力頂進(jìn)，40 m前為試頂進(jìn)階段，各個測點數(shù)據(jù)均為負(fù)值，表明管節(jié)受壓；隨著頂力突增，管道縱向應(yīng)力值也急劇變化，在90 m處更換管節(jié)，千斤頂回收，管節(jié)縱向卸載，大多數(shù)傳感器檢測值接近于零。當(dāng)頂管機(jī)進(jìn)入曲線段，機(jī)頭開始偏轉(zhuǎn)，按設(shè)計軸線向上向左偏轉(zhuǎn)，管節(jié)鋼筋呈現(xiàn)出左部受壓，右部受拉，上部受壓，底部受拉的狀態(tài)，管節(jié)發(fā)生撓曲變形，呈現(xiàn)出如圖9所示，可見管節(jié)為柔性管。

圖8 管道縱向正應(yīng)力與累計頂進(jìn)距離的關(guān)系Fig.8 Relations between longitudinally normal stress of the pipeline and cumulative jacked distances

圖9 管節(jié)形變示意Fig.9 The schematic diagram of deformation for pipes

綜上所述，管節(jié)在頂進(jìn)過程中出現(xiàn)形變位移，由于混凝土的抗壓性能強，抗拉、抗彎性較差，綜合該地區(qū)黏土層中管道環(huán)向、縱向鋼筋受力情況，應(yīng)合理布設(shè)配筋和并增大鋼筋預(yù)應(yīng)力值，以優(yōu)化管道設(shè)計，提高管道性能，提高經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)束語

通過實測數(shù)據(jù)分析了大直徑曲線段隧道施工中頂管頂進(jìn)過程管道內(nèi)力和管土接觸壓力，主要形成以下結(jié)論：

1)隨著頂進(jìn)距的增大，總推力隨著增大。但對于埋深不同的總推力，只要保證管道與泥漿處于全接觸狀態(tài)，其總推力的增長幅度就不大。所以在長距離頂進(jìn)時，科學(xué)合理地選取減摩泥漿并使管壁與泥漿充分接觸，有利于減小總推力。

2)管節(jié)在良好的減摩泥漿中頂進(jìn)，管土接觸壓力受注漿壓力和糾偏的影響，注漿壓力對管土接觸壓力受影響很大。其中注漿壓力對管壁壓力的影響由大至小依次為：底部、兩側(cè)、頂部。

3)頂管機(jī)進(jìn)入曲線段后，環(huán)向鋼筋應(yīng)力主要集中在-20～20 MPa，鋼筋以受壓為主，管道頂部、左部、底部內(nèi)側(cè)受壓、外側(cè)為受拉，呈現(xiàn)出“橢球狀”；縱向鋼筋應(yīng)力呈現(xiàn)出左部受壓，右部受拉，上部受壓，底部受拉的狀態(tài)，管節(jié)發(fā)生撓曲變形。由于混凝土的抗壓性能強，抗拉、抗彎性較差，因此，宜合理布設(shè)配筋并增大預(yù)應(yīng)力鋼筋，以優(yōu)化管道設(shè)計，提高管道性能，改善經(jīng)濟(jì)效益。