F型钢承口矩形顶管在不均匀土体沉降下的管节张开量研究

2021-09-14孟小伟赵平刘鸿陈歆余云翔

建筑施工 2021年12期

孟小伟赵平刘鸿陈歆余云翔

1. 中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司云南昆明 650200；

2. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室四川成都 610031

随着城市发展的日益完善，地上空间已略显拥挤，因此，对地下空间进行合理开发成为了城市建设的一大热点。近年来，顶管隧道凭借其对周围扰动小、不影响地面交通、自动化程度高等特点而被广泛运用于城市人行通道中[1-5]。然而，地下建（构）筑物由于埋置于土层之中，将不可避免地受到土体和地下水环境的影响，国内地铁站台、地下人行通道等地下构筑物渗漏水现象屡见不鲜。拼装式衬砌主要防水措施为设置橡胶止水带，但在地面荷载变化、下卧软土地层、下方新建地下结构等情况下，管节接头处纵向抗弯刚度较弱，顶管将在纵向荷载作用下出现张开、错台等较大变形，弹性橡胶止水带因此丧失防水功能，使隧道出现渗漏水等病害。

目前国内外学者对弹性密封橡胶的防水性能以及拼装式衬砌接缝张开量做了大量研究，王泓颖等[6]对管片张开情况下弹性密封橡胶的防水性能进行了研究，揭示弹性密封橡胶两侧张开量达到2 mm时，管片间存在渗漏水的风险；李长俊等[7]对不同地层组合下盾构管片接缝张开度进行监测和数值模拟，揭示了接缝张开度随水位、温度的线性规律；郑永来等[8]以等效轴向刚度模型为基础，建立顶管隧道纵向变形曲率与隧道管片接头环缝张开量之间的关系。

上述学者主要是对盾构管片接缝张开量进行研究。然而，相较于盾构管片之间螺栓的紧密连接，顶管法隧道管节间的连接更为薄弱，管节接头处更易产生张缝。目前业界针对顶管管节张开量的研究较少，鉴于此，本文以某工程为依托对象，对矩形断面F型钢承口顶管隧道在不均匀土体沉降下的变形特征进行研究。通过数值模拟的方式，研究不均匀沉降下顶管接口的变形特征，建立下卧土体最大沉降量与接缝张开量之间的关系，提出该工况下保证接头防水的下卧土体沉降量控制指标，以期为后续管节防水措施设计提供指导。

1 顶管接口结构

常见的顶管接口形式包括平口、企口，以及F型钢承口，其中F型钢承口具有以下优点：

1）F型钢承口管材在施工顶进的过程中，可以实现对管道中线偏差的修正。

2）顶管的可靠性高，适用范围可扩大至砂砾土。

3）由于钢套环埋在混凝土管中，提高了混凝土管节的刚度和整体性，增加了管端抵抗不平衡顶推力约束的保护作用，适合于长距离顶管施工。

4）增大了纠偏时的最大张角，在偏转角3°范围内，不易出现接口渗漏，避免泥沙进入，适于曲线顶管。

F型钢承口处防水措施主要包括：防水密封垫；压浆止水。其结构形式如图1所示：在前侧顶管尾部外侧固接一圈钢壳，后侧顶管接口上方设置一圈防水橡胶，在钢壳的保护下通过木衬垫与前侧顶管接触，当顶进过程结束后，向钢壳与接头缝隙内压浆止水。

图1 F型钢承接口结构形式

2 顶管接口张开量理论分析

顶管管节在纵向上的管节张开量主要由相邻管节之间的偏转角差值造成，而管节的整体偏转可视为结构对纵向不均匀土体沉降的响应：土体不均匀沉降引起管节纵向间存在竖向位移差∆y，接头处具有一定的抗弯刚度以保持结构的连续性，因此，顶管管节会产生一定的偏转量来协调竖向位移差，从而使接口处缝隙张开（图2）。

图2 管节整体偏转示意

若只考虑顶管的整体偏角，可将管节整体视为刚性，顶管偏转角θ可由前后竖向位移差∆y与顶管长度L近似解出，同时再利用顶管高度d与偏转角θ的几何关系，可以近似推导出接缝处张开量∆x，具体见式（1）、式（2）。

3 数值模型

3.1建模思路

利用ANSYS有限元软件进行数值分析，本模型旨在研究不均匀沉降下顶管接口缝隙张开量，综合考虑采用荷载-结构模型分析顶管在荷载作用下的力学行为以及位移（图3）。模型分析后期运营过程中外荷载对顶管管节的影响，故对结构本身自重不加以考虑。为消除边界效应对模型计算结果的影响，对16节管节进行建模分析。管节内净空尺寸为6.0 m×4.0 m×1.5 m，管节混凝土厚0.45 m，其具体模拟如下：

图3 模型示意

1）采用实体模型模拟顶管管节。

2）采用壳单元模拟F型钢接口钢板。

3）采用只受压链杆模拟管节间传力木衬垫。

4）采用只受压链杆模拟管节周围土体对管节的约束。

5）模拟钢板的壳单元一端通过MPC方法与管节实体单元进行固接，另一端与相邻另一管节的接触通过在壳单元和实体单元间设置摩擦接触面的方式进行模拟。

3.2材料参数

现场施工中顶管管节为预制混凝土管节，强度等级为C50，采用中硬材质的木质胶合板作为顶管间的传力衬垫。以实际工程为依据，模拟过程中采用的材料参数具体如表1所示。

表1 模型材料参数

3.3边界约束

模型建立时管节个数足够多，可以有效消除边界效应，因此对两端管节端面处施加纵向位移约束。为模拟因下卧软土地层、新建地下结构等因素引起顶管沿纵向的不均匀沉降（图4），将结构及地层考虑为弹性地基梁模型，对地层链杆远离结构端的结点施加强制位移边界条件，用于模拟土体的沉降，顶管管节在土体发生沉降后，由于受到土压力的改变而产生变形。

图4 土体沉降示意

考虑顶管隧道下方由于进行其他隧道的施工而产生施工沉降的情况，当土体下方新建隧道时，上方土体沉降值可利用peck地层沉降公式拟算，具体见式（3），根据拟算得到的地层沉降曲线设置沿纵向强制位移。在本次模拟中沉降槽宽度为4 m，沉降槽中心最大沉降为7 mm。

4 不均匀沉降下接口张开量数值分析

不均匀土体沉降下顶管的纵向（z）位移云图如图5所示。顶管纵向位移云图表明，不均匀土体沉降下，第8、第9管节（中间两管节）底部之间z向位移突变最明显。这是由于管节下方土体沉降后，管节顶板上方土压力无法被下方土体平衡，以荷载形式作用在管节顶板上，导致土体沉降最大处纵向弯矩最大，管节接缝产生最大张角。除此之外，第3、第4管节间与第13、第14管节顶部出现沉降的反弯点，其顶板部分也存在接头张开的现象，由于在第3、第4管节间与第13、第14管节间，管节张开量相对较小，因此本文以第8管节和第9管节处接口结构为对象，对其在不均匀沉降作用下的力学行为以及变形开展研究。

图5 顶管z向位移云图

4.1接触滑移与钢壳受力分析

F型钢接头结构特点包括接口外层覆盖1层钢壳，钢壳与管节之间的接触状况以及钢壳受力情况能直接反映接口处防水性能。图6给出了钢壳与管节之间接触状态，从图中可以得知，模型中底板与顶板处的钢壳-管节接触产生了滑移，而两侧接触几乎无滑移。

图6 管节-钢壳接触状态示意

为研究接触在顶、底板的滑移情况，图7给出钢壳与后侧管节之间的接触切向滑移量。

图7 钢壳接触滑移量

从图7中可以看出，主要是底板以及底板两侧的钢壳-管节接触产生了滑移，由于顶板部分管节与钢壳之间主要受压，接触处传递剪力并不大，因此滑移量较小。而底板处管节-钢壳间接触随着两侧管节的偏转产生滑移，滑移最大值位于底板两侧，为2.23 mm。

图8给出了钢壳的第1主应力云图和第3主应力云图。

图8 钢壳主应力云图

从图8中可以看出，结构第1主应力和第3主应力最大值均出现在两侧靠近底板处，第1主应力最大值为57.9 MPa，第3主应力最大值为36.8 MPa，顶板与底板位置第1主应力值与第3主应力值几乎为0。究其原因，管节接头顶部在管节发生偏转时受到压应力，该部分应力主要由木衬垫与管节混凝土承担，而底部接口已经张开，钢壳与管节混凝土接触已开始滑移，因此顶部和底部钢壳受力较小。另一方面，顶管管节发生偏转时，两侧钢壳在接触作用下受到垂直于侧面的弯矩，因此两侧钢壳受力较大。

4.2接口张开量分析

管节接口处张开量将直接影响管节的防水性能。根据测点纵向位移可计算得到相应位置处的接口张开量，表2列出了第8、第9管节间节点z向位移量以及接口张开量，并将其绘制成图9。从表2中的数据可以看出，在接口断面处，最大张开量出现在管节两侧，最大张开量可达2.24 mm，当测点靠近管节中部时，测点张开量开始逐渐减小，在断面中部（测点5）时达到最小，仅为1.5 mm，相较于两侧，其张开量降低了约30%。顶管管节底板张开量在不均匀沉降下呈现中间小、两侧大的分布形式。

表2 第8、第9管节间节点z向位移

图9 接头底部外侧张开量示意

4.3不同沉降下顶管张开量分析

上述研究仅对土体最大沉降值为7 mm时管节接口处的力学行为进行分析，旨在揭示土体沉降作用下管节接口的受力以及变形特征。后期运营期间土体可能出现的最大沉降值尚不可知，因此，本节对不同沉降下顶管接缝张开量进行探讨，以揭示土体沉降值与接缝张开量之间的关系。为此对土体最大沉降值为2～7 mm时的管节张开量进行模拟，并记录下其最大张开角。

从图10中可以看出，在沉降槽宽度为4 m情况下，管节接口最大张开量随土体最大沉降值的增加而增加，并且其关系近似线性关系。当下方新建工程引起的顶管下方土体沉降达2 cm时，对应的接口张开量约为6 mm，根据文献[6]中的研究，此时管节存在渗漏水风险。因此在实际工程中，笔者建议：顶管隧道下方新建隧道工程引起的顶管隧道下方土体沉降不宜超过2 cm。