盾构隧道负环管片拆除时机分析

2015-11-18赵小鹏徐国庆

山西建筑 2015年3期

赵小鹏徐国庆

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

负环管片拆除是盾构隧道施工过程中一道重要工序，在盾构始发期间，盾构需借助反力架与负环管片提供反力开始掘进。由于负环管片会占据竖井大部分的空间，大大制约了管片及其他材料的垂直运输速度，从而影响了盾构施工的进度。

因此，为满足盾构快速施工的需求，在盾构始发掘进一定距离后，需要拆除负环管片，负环管片拆除后盾构掘进所需的反力由已经拼装好的管片与周围土体之间的摩擦力来提供，问题是在盾构掘进多长距离时才可以拆除负环管片，目前大多是依靠经验来确定这一距离。本文通过建立管片与周围土体之间的摩擦力计算模型，在理论上计算管片与周围土体之间的摩擦力，从而得出负环管片拆除的时间，为现场施工提供理论支持。

1 工程概况

南京市纬三路过江通道是南京城市快速路系统跨江成网的最重要通道之一，也是沟通联系老城中心区、河西新城区和江北新市区的最直接便捷的快速通道。工程位于长江大桥与纬七路南京长江隧道之间，上游距纬七路过江隧道工程约4 km，下游距南京长江大桥约5 km，北接江北岸浦口区浦珠路，南接江南定淮门大街(S 线)和扬子江大道(N 线)。S 线隧道全长7.363 km，其中盾构段长度4.135 km，本文以S 线为例进行讨论。

隧道管片采用单层通用楔形(楔形量为48 mm)钢筋混凝土管片，混凝土强度等级为C60 级，抗渗等级为P12，每环管片共计10 块，分为7 块标准块，2 块邻接块，1 块封顶块。管片拼装采用错缝拼装方式，通过管片楔形量的旋转来满足隧道轴线线形。

盾构机采用日本隧道系统株式会社(石川岛)、日本三菱重工机电股份有限公司、中和物产株式会社联合生产的泥水加压平衡盾构机，盾构机在推进时的正常推力为80 000 kN，在计算中取1.4 的安全系数，也就是说管片与周围土体之间总的摩擦力要大于80 000 kN×1.4=112 000 kN 时才可以拆除负环。

2 建立理论计算模型

管片位置示意图见图1。负环管片拆除后盾构机前进所施加的反力由已拼装完成的管片与周围地层之间的摩擦力来承担，根据摩阻力的计算公式:摩擦力=正压力×摩擦因数，因此只要求得管片表面所受的正压力，即可求得摩阻力。由管片的受力状态可知作用于管片表面上的土压力可以分为两部分，一部分是土体作用于管片表面上的土压力，另一部分是由于管片自重引起的土体对管片的反作用力。图2 为土体作用于管片表面的土压力分布示意图，其中，图2a)为管片周围土体自重在管片表面产生的土压力;图2b)为管片自重引起反作用力;图2c)为土体自重在管片表面产生的土压力与管片自重引起反作用力两者之和。

由管片受力情况可知，在不考虑管片自重时，管片上部和下部表面的土压力是相等的。根据土力学理论，土体中某一位置的侧向土压力为该位置的垂直土压力乘以侧向土压力系数，由此可知，图1 中A 点和B 点的垂直土压力和侧向土压力大小相等。因此在不考虑管片自重的情况下管片所受的垂直土压力和侧向土压力上下对称、左右对称，如图2a)所示。

图1 管片位置示意图

图2 管片表面的土压力分布示意图

由图3 可知，α=0～π/2 范围内沿管片轴向单位长度上的垂直土压力N1计算如式(1)所示。

同理如图4 所示，在α=0～π/2 范围内管片轴向单位长度上侧向土压力计算如式(2)所示。

图3 垂直土压力图

图4 侧向土压力图

其中，Kα为主动土压力系数。

土体作用于管片上的土压力上下左右对称，因此其轴向单位长度上正压力之和N 为:

由式(1)～式(3)可以得到:

由图2 可知管片自重产生的土体作用于管片表面上的正压力的合力等于管片的自重。根据上述分析以及式(1)～式(4)，单位长度上管片与土体之间的摩擦阻力为:

其中，f 为管片与周围土体之间的摩擦系数;w 为管片单位长度自重。

3 计算工况

计算管片与周围土体之间的摩擦阻力需要根据盾构穿越地层的地质情况。根据地质资料图所显示的地质情况将不同里程区段内的地层做简单化的处理，不考虑平曲线和竖曲线的因素，均作为直线段考虑。取每个区段内比较有代表性土层的物理参数来近似代表该区段的地质情况，分别计算每一个区段内管片与周围土体之间的摩擦力，分段累加直到摩擦力大于盾构总推力时就认为可以拆除负环管片。

从地质资料图中可以看到，在SUK3 +550～SUK3 +630 之间主要为②2淤泥质粉质粘土层，以及大约0.8 m 厚的②1粘土层，大约3 m 厚的③1粉质粘土夹粉砂层，在这3 种土中，②2淤泥质粉质粘土层主动土压力系数的值最小，厚度最大，因此在SUK3 +550～SUK3 +630 中都采用②2淤泥质粉质粘土层来进行计算，管片与周围土体之间的摩擦系数采用混凝土在潮湿粘性土上的滑动摩擦系数，取0.2。计算数据见表1。