孟小偉趙 平劉 鴻陳 歆余云翔

1. 中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 云南 昆明 650200；

2. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川 成都 610031

隨著城市發(fā)展的日益完善，地上空間已略顯擁擠，因此，對(duì)地下空間進(jìn)行合理開(kāi)發(fā)成為了城市建設(shè)的一大熱點(diǎn)。近年來(lái)，頂管隧道憑借其對(duì)周?chē)鷶_動(dòng)小、不影響地面交通、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)而被廣泛運(yùn)用于城市人行通道中[1-5]。然而，地下建（構(gòu)）筑物由于埋置于土層之中，將不可避免地受到土體和地下水環(huán)境的影響，國(guó)內(nèi)地鐵站臺(tái)、地下人行通道等地下構(gòu)筑物滲漏水現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮。拼裝式襯砌主要防水措施為設(shè)置橡膠止水帶，但在地面荷載變化、下臥軟土地層、下方新建地下結(jié)構(gòu)等情況下，管節(jié)接頭處縱向抗彎剛度較弱，頂管將在縱向荷載作用下出現(xiàn)張開(kāi)、錯(cuò)臺(tái)等較大變形，彈性橡膠止水帶因此喪失防水功能，使隧道出現(xiàn)滲漏水等病害。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)彈性密封橡膠的防水性能以及拼裝式襯砌接縫張開(kāi)量做了大量研究，王泓穎等[6]對(duì)管片張開(kāi)情況下彈性密封橡膠的防水性能進(jìn)行了研究，揭示彈性密封橡膠兩側(cè)張開(kāi)量達(dá)到2 mm時(shí)，管片間存在滲漏水的風(fēng)險(xiǎn)；李長(zhǎng)俊等[7]對(duì)不同地層組合下盾構(gòu)管片接縫張開(kāi)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬，揭示了接縫張開(kāi)度隨水位、溫度的線性規(guī)律；鄭永來(lái)等[8]以等效軸向剛度模型為基礎(chǔ)，建立頂管隧道縱向變形曲率與隧道管片接頭環(huán)縫張開(kāi)量之間的關(guān)系。

上述學(xué)者主要是對(duì)盾構(gòu)管片接縫張開(kāi)量進(jìn)行研究。然而，相較于盾構(gòu)管片之間螺栓的緊密連接，頂管法隧道管節(jié)間的連接更為薄弱，管節(jié)接頭處更易產(chǎn)生張縫。目前業(yè)界針對(duì)頂管管節(jié)張開(kāi)量的研究較少，鑒于此，本文以某工程為依托對(duì)象，對(duì)矩形斷面F型鋼承口頂管隧道在不均勻土體沉降下的變形特征進(jìn)行研究。通過(guò)數(shù)值模擬的方式，研究不均勻沉降下頂管接口的變形特征，建立下臥土體最大沉降量與接縫張開(kāi)量之間的關(guān)系，提出該工況下保證接頭防水的下臥土體沉降量控制指標(biāo)，以期為后續(xù)管節(jié)防水措施設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 頂管接口結(jié)構(gòu)

常見(jiàn)的頂管接口形式包括平口、企口，以及F型鋼承口，其中F型鋼承口具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）F型鋼承口管材在施工頂進(jìn)的過(guò)程中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道中線偏差的修正。

2）頂管的可靠性高，適用范圍可擴(kuò)大至砂礫土。

3）由于鋼套環(huán)埋在混凝土管中，提高了混凝土管節(jié)的剛度和整體性，增加了管端抵抗不平衡頂推力約束的保護(hù)作用，適合于長(zhǎng)距離頂管施工。

4）增大了糾偏時(shí)的最大張角，在偏轉(zhuǎn)角3°范圍內(nèi)，不易出現(xiàn)接口滲漏，避免泥沙進(jìn)入，適于曲線頂管。

F型鋼承口處防水措施主要包括：防水密封墊；壓漿止水。其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示：在前側(cè)頂管尾部外側(cè)固接一圈鋼殼，后側(cè)頂管接口上方設(shè)置一圈防水橡膠，在鋼殼的保護(hù)下通過(guò)木襯墊與前側(cè)頂管接觸，當(dāng)頂進(jìn)過(guò)程結(jié)束后，向鋼殼與接頭縫隙內(nèi)壓漿止水。

圖1 F型鋼承接口結(jié)構(gòu)形式

2 頂管接口張開(kāi)量理論分析

頂管管節(jié)在縱向上的管節(jié)張開(kāi)量主要由相鄰管節(jié)之間的偏轉(zhuǎn)角差值造成，而管節(jié)的整體偏轉(zhuǎn)可視為結(jié)構(gòu)對(duì)縱向不均勻土體沉降的響應(yīng)：土體不均勻沉降引起管節(jié)縱向間存在豎向位移差?y，接頭處具有一定的抗彎剛度以保持結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，因此，頂管管節(jié)會(huì)產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)量來(lái)協(xié)調(diào)豎向位移差，從而使接口處縫隙張開(kāi)（圖2）。

圖2 管節(jié)整體偏轉(zhuǎn)示意

若只考慮頂管的整體偏角，可將管節(jié)整體視為剛性，頂管偏轉(zhuǎn)角θ可由前后豎向位移差?y與頂管長(zhǎng)度L近似解出，同時(shí)再利用頂管高度d與偏轉(zhuǎn)角θ的幾何關(guān)系，可以近似推導(dǎo)出接縫處張開(kāi)量?x，具體見(jiàn)式（1）、式（2）。

3 數(shù)值模型

3.1建模思路

利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值分析，本模型旨在研究不均勻沉降下頂管接口縫隙張開(kāi)量，綜合考慮采用荷載-結(jié)構(gòu)模型分析頂管在荷載作用下的力學(xué)行為以及位移（圖3）。模型分析后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中外荷載對(duì)頂管管節(jié)的影響，故對(duì)結(jié)構(gòu)本身自重不加以考慮。為消除邊界效應(yīng)對(duì)模型計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)16節(jié)管節(jié)進(jìn)行建模分析。管節(jié)內(nèi)凈空尺寸為6.0 m×4.0 m×1.5 m，管節(jié)混凝土厚0.45 m，其具體模擬如下：

圖3 模型示意

1）采用實(shí)體模型模擬頂管管節(jié)。

2）采用殼單元模擬F型鋼接口鋼板。

3）采用只受壓鏈桿模擬管節(jié)間傳力木襯墊。

4）采用只受壓鏈桿模擬管節(jié)周?chē)馏w對(duì)管節(jié)的約束。

5）模擬鋼板的殼單元一端通過(guò)MPC方法與管節(jié)實(shí)體單元進(jìn)行固接，另一端與相鄰另一管節(jié)的接觸通過(guò)在殼單元和實(shí)體單元間設(shè)置摩擦接觸面的方式進(jìn)行模擬。

3.2材料參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)施工中頂管管節(jié)為預(yù)制混凝土管節(jié)，強(qiáng)度等級(jí)為C50，采用中硬材質(zhì)的木質(zhì)膠合板作為頂管間的傳力襯墊。以實(shí)際工程為依據(jù)，模擬過(guò)程中采用的材料參數(shù)具體如表1所示。

表1 模型材料參數(shù)

3.3邊界約束

模型建立時(shí)管節(jié)個(gè)數(shù)足夠多，可以有效消除邊界效應(yīng)，因此對(duì)兩端管節(jié)端面處施加縱向位移約束。為模擬因下臥軟土地層、新建地下結(jié)構(gòu)等因素引起頂管沿縱向的不均勻沉降（圖4），將結(jié)構(gòu)及地層考慮為彈性地基梁模型，對(duì)地層鏈桿遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)端的結(jié)點(diǎn)施加強(qiáng)制位移邊界條件，用于模擬土體的沉降，頂管管節(jié)在土體發(fā)生沉降后，由于受到土壓力的改變而產(chǎn)生變形。

圖4 土體沉降示意

考慮頂管隧道下方由于進(jìn)行其他隧道的施工而產(chǎn)生施工沉降的情況，當(dāng)土體下方新建隧道時(shí)，上方土體沉降值可利用peck地層沉降公式擬算，具體見(jiàn)式（3），根據(jù)擬算得到的地層沉降曲線設(shè)置沿縱向強(qiáng)制位移。在本次模擬中沉降槽寬度為4 m，沉降槽中心最大沉降為7 mm。

4 不均勻沉降下接口張開(kāi)量數(shù)值分析

不均勻土體沉降下頂管的縱向（z）位移云圖如圖5所示。頂管縱向位移云圖表明，不均勻土體沉降下，第8、第9管節(jié)（中間兩管節(jié)）底部之間z向位移突變最明顯。這是由于管節(jié)下方土體沉降后，管節(jié)頂板上方土壓力無(wú)法被下方土體平衡，以荷載形式作用在管節(jié)頂板上，導(dǎo)致土體沉降最大處縱向彎矩最大，管節(jié)接縫產(chǎn)生最大張角。除此之外，第3、第4管節(jié)間與第13、第14管節(jié)頂部出現(xiàn)沉降的反彎點(diǎn)，其頂板部分也存在接頭張開(kāi)的現(xiàn)象，由于在第3、第4管節(jié)間與第13、第14管節(jié)間，管節(jié)張開(kāi)量相對(duì)較小，因此本文以第8管節(jié)和第9管節(jié)處接口結(jié)構(gòu)為對(duì)象，對(duì)其在不均勻沉降作用下的力學(xué)行為以及變形開(kāi)展研究。

圖5 頂管z向位移云圖

4.1接觸滑移與鋼殼受力分析

F型鋼接頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)包括接口外層覆蓋1層鋼殼，鋼殼與管節(jié)之間的接觸狀況以及鋼殼受力情況能直接反映接口處防水性能。圖6給出了鋼殼與管節(jié)之間接觸狀態(tài)，從圖中可以得知，模型中底板與頂板處的鋼殼-管節(jié)接觸產(chǎn)生了滑移，而兩側(cè)接觸幾乎無(wú)滑移。

圖6 管節(jié)-鋼殼接觸狀態(tài)示意

為研究接觸在頂、底板的滑移情況，圖7給出鋼殼與后側(cè)管節(jié)之間的接觸切向滑移量。

圖7 鋼殼接觸滑移量

從圖7中可以看出，主要是底板以及底板兩側(cè)的鋼殼-管節(jié)接觸產(chǎn)生了滑移，由于頂板部分管節(jié)與鋼殼之間主要受壓，接觸處傳遞剪力并不大，因此滑移量較小。而底板處管節(jié)-鋼殼間接觸隨著兩側(cè)管節(jié)的偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生滑移，滑移最大值位于底板兩側(cè)，為2.23 mm。

圖8給出了鋼殼的第1主應(yīng)力云圖和第3主應(yīng)力云圖。

圖8 鋼殼主應(yīng)力云圖

從圖8中可以看出，結(jié)構(gòu)第1主應(yīng)力和第3主應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在兩側(cè)靠近底板處，第1主應(yīng)力最大值為57.9 MPa，第3主應(yīng)力最大值為36.8 MPa，頂板與底板位置第1主應(yīng)力值與第3主應(yīng)力值幾乎為0。究其原因，管節(jié)接頭頂部在管節(jié)發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)受到壓應(yīng)力，該部分應(yīng)力主要由木襯墊與管節(jié)混凝土承擔(dān)，而底部接口已經(jīng)張開(kāi)，鋼殼與管節(jié)混凝土接觸已開(kāi)始滑移，因此頂部和底部鋼殼受力較小。另一方面，頂管管節(jié)發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，兩側(cè)鋼殼在接觸作用下受到垂直于側(cè)面的彎矩，因此兩側(cè)鋼殼受力較大。

4.2接口張開(kāi)量分析

管節(jié)接口處張開(kāi)量將直接影響管節(jié)的防水性能。根據(jù)測(cè)點(diǎn)縱向位移可計(jì)算得到相應(yīng)位置處的接口張開(kāi)量，表2列出了第8、第9管節(jié)間節(jié)點(diǎn)z向位移量以及接口張開(kāi)量，并將其繪制成圖9。從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，在接口斷面處，最大張開(kāi)量出現(xiàn)在管節(jié)兩側(cè)，最大張開(kāi)量可達(dá)2.24 mm，當(dāng)測(cè)點(diǎn)靠近管節(jié)中部時(shí)，測(cè)點(diǎn)張開(kāi)量開(kāi)始逐漸減小，在斷面中部（測(cè)點(diǎn)5）時(shí)達(dá)到最小，僅為1.5 mm，相較于兩側(cè)，其張開(kāi)量降低了約30%。頂管管節(jié)底板張開(kāi)量在不均勻沉降下呈現(xiàn)中間小、兩側(cè)大的分布形式。

表2 第8、第9管節(jié)間節(jié)點(diǎn)z向位移

圖9 接頭底部外側(cè)張開(kāi)量示意

4.3不同沉降下頂管張開(kāi)量分析

上述研究?jī)H對(duì)土體最大沉降值為7 mm時(shí)管節(jié)接口處的力學(xué)行為進(jìn)行分析，旨在揭示土體沉降作用下管節(jié)接口的受力以及變形特征。后期運(yùn)營(yíng)期間土體可能出現(xiàn)的最大沉降值尚不可知，因此，本節(jié)對(duì)不同沉降下頂管接縫張開(kāi)量進(jìn)行探討，以揭示土體沉降值與接縫張開(kāi)量之間的關(guān)系。為此對(duì)土體最大沉降值為2～7 mm時(shí)的管節(jié)張開(kāi)量進(jìn)行模擬，并記錄下其最大張開(kāi)角。

從圖10中可以看出，在沉降槽寬度為4 m情況下，管節(jié)接口最大張開(kāi)量隨土體最大沉降值的增加而增加，并且其關(guān)系近似線性關(guān)系。當(dāng)下方新建工程引起的頂管下方土體沉降達(dá)2 cm時(shí)，對(duì)應(yīng)的接口張開(kāi)量約為6 mm，根據(jù)文獻(xiàn)[6]中的研究，此時(shí)管節(jié)存在滲漏水風(fēng)險(xiǎn)。因此在實(shí)際工程中，筆者建議：頂管隧道下方新建隧道工程引起的頂管隧道下方土體沉降不宜超過(guò)2 cm。

圖10 不同沉降下接縫最大張開(kāi)量

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)不均勻土體沉降情況下頂管管節(jié)接口的力學(xué)行為進(jìn)行分析，研究頂管接口處的變形特征，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）以peck公式模擬頂管下方土體沉降時(shí)，靠近土體沉降最顯著處，頂管接口的張開(kāi)量最大，在頂管接口處，最大張開(kāi)量隨土體沉降最大值的變化呈現(xiàn)近似線性增長(zhǎng)。

2）頂管下方土體最大沉降量為7 mm時(shí)，第8、第9鋼殼與管節(jié)接觸，在頂板與底板處均產(chǎn)生了切向滑移，在頂板處滑移量較小，底板處鋼殼滑移量最大，達(dá)2.23 mm。

3）頂管下方土體最大沉降量為7 mm時(shí)，管節(jié)在底板上接縫張開(kāi)量呈中間小、兩側(cè)大的分布狀態(tài)，在管節(jié)底板兩側(cè)有管節(jié)最大接口張開(kāi)量為2.24 mm，在管節(jié)底板中部接口張開(kāi)量最小為1.50 mm，在設(shè)置防水措施時(shí)應(yīng)注重底板兩側(cè)的防水。

4）通過(guò)對(duì)不同土體沉降量下管節(jié)接頭張開(kāi)量進(jìn)行分析，當(dāng)頂管下方土體沉降量超過(guò)2 cm時(shí)，管節(jié)張開(kāi)量約為6 mm，此時(shí)頂管管節(jié)張開(kāi)量較大，存在滲漏水風(fēng)險(xiǎn)。