不同管片内衬加固方案对盾构管片力学性能影响研究

陈云飞

(绍兴市柯桥区轨道交通集团有限公司,浙江绍兴 312030)

1 概述

近年来,随着城市轨道交通的高速发展,大城市中既有地铁隧道不可避免受邻近建筑物施工的影响,如覆土开挖、桩基施工等。过大的变形可能引起盾构隧道结构开裂、管片接头漏水、轨面高程变化超限等问题,进而对地铁线路正常运营产生影响。

为此,科研人员针对邻近施工条件下既有地铁盾构隧道稳定性保护技术展开大量研究。黄宏伟等对基坑开挖过程中土体加固和堆载工况分组进行模拟,研究基坑开挖对隧道产生的影响[1];隆文武分别采用不同的分析模型对某地铁区间盾构隧道管片进行结构受力计算[2];刘德军等提出一种纤维编织网增强混凝土控制方法,以研究隧道横向变形和顶拱接头张开量的响应规律[3];杨勇对运营地铁隧道管片钢环加固工法展开详细介绍[4];顾春华分析隧道受损原因及其破坏形式,并着重阐述用于隧道内钢环支护的新型安装设备及其工艺流程[5];毕湘利等以某通缝拼装盾构隧道结构为研究对象,考察内张钢圈加固方法对于提高结构受力性能的作用[6];柳献等以内张钢圈半环、整环加固盾构隧道为对象,采用足尺试验方法对整环加固工法下单环隧道衬砌的极限承载性能进行研究[7-8];胡俊楠介绍一种采用改装机械手内衬钢环进行隧道管片加固治理的技术[9]。此外,国内外学者还进行大量的隧道衬砌整环试验研究[10-16]。

目前,实际工程案例中,常采用在管片内部设置整环或半环钢圈对既有地铁隧道进行(预)加固,但盾构隧道结构受力复杂,钢圈加固盾构隧道的效果并不明确。因此,对不同加固方案下盾构管片的抗变形能力及相关力学性能进行研究很有必要。

2 工程背景

杭州至绍兴城际铁路起自杭州地铁5号线香樟路站,终至绍兴市柯桥笛扬路站,并预留与绍兴轨道交通1号线接轨贯通运营条件,地下线长9.87km,采用盾构法施工。线路走向示意见图1。

图1 杭绍线方案示意

其中,香樟路站—衙前站区间需穿越部分高架道路改造段。隧道上方既有覆土的开挖、高架桥桩基施工将在以下几个方面对杭绍线盾构工程可能产生影响。

(1)高架桥桥墩桩基、咬合桩等与杭绍线盾构区间距离较近(根据地铁保护要求,桩基础与地铁隧道间距≥5m),桩基施工可能造成既有盾构结构的变形、开裂、漏水等。

(2)杭绍线区间上方需要进行开挖卸载、加载等,同时存在重型机械碾压。土体卸载、加载等地面活动可能造成杭绍线区间隧道结构隆起和下沉,变形过大将导致盾构隧道管片接头漏水、结构开裂、轨面高程超限等问题。

为有效保护杭绍铁路线区间盾构隧道,减小高架桥桩基施工对杭绍线的影响,需要对该高架桥桩基距离较近的线路区间(5m范围内)的盾构管片结构进行加固处理。

3 盾构内衬加固方案

根据加固构件截面形式的不同,主要可分为钢板加固、工形钢加固和槽钢加固。

3.1 钢板加固

采用850mm(宽)×20mm(厚)截面规格的钢板,每延米质量为170kg,加固形式见图2。

图2 钢板加固形式

钢板加固方案适用于衬砌局部掉块或衬砌混凝土强度、厚度不足,隧道净空富余量较小,原衬砌混凝土强度等级不低于C20的隧道结构。该方案的加固机理是通过粘贴钢板法增强混凝土一部分受拉钢筋,来提高结构承载能力。其中,锚栓应满足最小间距和边距的要求,而且钻孔需避开钢筋,以避免基材混凝土破坏。

3.2 工形钢加固

选用I20a型钢,每延米质量为27.9kg,其横截面及加固形式见图3。

图3 工形钢截面及加固形式(单位:mm)

工形钢拱架加固方案适用于隧道结构裂损严重或衬砌大面积劣化、剥落时的衬砌加固。其加固机理是沿原衬砌表面增设拱形结构,使其与原衬砌形成共同承载体。工形钢具有较大抗弯刚度,可以极大提高隧道的承载能力,但其截面高度较大,在加固空间较小的工程中,会存在侵入建筑界限的问题。

3.3 槽钢加固

选用[25a型钢,每延米质量为27.4kg,槽钢横截面及加固形式见图4。

图4 槽钢截面及加固形式(单位:mm)

槽钢加固方案适用范围和加固机理与工形钢比较接近,二者均属于钢拱架加固法。槽钢在满足一定的抗弯刚度要求的同时,截面高度较低。因此,在加固空间较小的工程中可以灵活应用,避免加固结构侵入建筑界限。

4 有限元数值计算

为检验盾构管片内衬加固不同方案对盾构管片的加固效果,应用有限元分析软件分别建立不同加固方案所对应的盾构隧道管片数值模型,并对盾构管片的抗变形能力进行计算和对比分析。

4.1 建立数值模型

该地铁盾构隧道内径5.9m,外径6.6m,建筑界限2.8m(半径),衬砌管片厚0.35m,单环管片宽1.2m,管片由C55混凝土预制加工,几何尺寸示意见图5。

图5 盾构隧道几何尺寸示意

数值模型中,盾构混凝土管片采用C3D8R单元进行模拟,赋予C55混凝土材料参数;钢板、工形钢及槽钢均采用Q235钢材料参数,其中加固构件的截面规格已在第2章节中说明;加固材料和衬砌管片之间假定粘结强度足够,不发生相互错动,用tie约束接触面以模拟螺栓锚固、植筋、焊接等实际复杂工艺。数值模型中盾构管片加固的纵向布置形式见图6(以工形钢加固为例)。

图6 盾构管片加固钢圈纵向布置形式

4.2 计算分析

分别对盾构模型施加轴向荷载和土压力堆载,以分析对比不同加固方案的加固效果。盾构管片抗轴向变形能力的评价指标为

(1) 施加轴向荷载

主要针对不同加固设计方案抗轴向变形的加固效果进行研究,为简化模型,不考虑实际土体边界条件和基坑开挖等复杂受力行为。模型施加荷载情况见图7。

图7 模型施加轴向外荷载

分别对加固前后盾构模型(中间几环)施加相同外荷载,可得到相应的盾构管片变形量。为方便对该加固方法的加固效果进行研究,选取加固前后管片相同位置处的变形进行对比,盾构加固前后(以钢板加固为例),在相同外荷载作用下的结构轴向变形云图见图8。

图8 盾构加固前后轴向变形

选取3种加固方案对应的数值模型盾构拱顶相同点位的实际轴向变形值进行对比分析,结果见表1。

表1 轴向外荷载作用下盾构管片变形

(2)施加土压力堆载

为深入研究盾构管片在实际工况中的变形行为,进一步考虑土压力堆载情况和土体边界条件,并考虑土体自重。土体计算参数参考文献[1],模型施加荷载情况见图9。

图9 盾构土压力堆载模型

图10 为盾构模型在土压力荷载作用下的轴向变形云图。

图10 盾构管片轴向变形

选取3种加固方案盾构拱顶相同点位在土压力堆载作用下的实际变形值,对比分析结果见表2。

表2 土压力堆载作用下不同加固方案管片变形

4.3 加固构件截面选型研究

为进一步研究加固构件的截面规格对加固效果的影响,以工形钢拱架为例,分别选用规格为I20b、I22b、I25b等常见的截面类型,规格尺寸见表3。

表3 工形钢规格 mm

钢拱架纵向间距取0.6m,荷载采用上文提到的轴向荷载,分别计算钢拱环纵向无连接和有缀板(肋板)连接2种加固形式(见图11)。其中,缀板高14 cm,厚2cm,采用12块缀板全环均匀布置。

图11 盾构纵向加固布置形式

不同截面规格及纵向连接形式下盾构管片变形的计算结果见表4。

由表4可知,截面规格越大,工形钢拱环的加固效果越明显,但实际提升的加固能力有限。正常情况下,宜采用较小的截面规格(20b),纵向连接对盾构管片环(轴)向加固效果略有提升,但影响较小。

表4 不同截面规格及纵向连接下盾构管片变形

4.4 小结

综上所述,采用钢板加固方案的盾构管片抗变形能力提升22.9%～25.4%;工形钢(20a)拱架加固方法抗变形能力提升13.8%～16.7%(0.6m间隔)或9.7%～11.8%(1.2m间隔);槽钢(25a)结构加固方法盾构管片抗变形能力提升12.5%～14.4%(0.6m间隔)或8.4%～9.7%(1.2m间隔)。

此外,纵向钢圈在有连接时,对盾构管片的环(轴)向加固效果略有提升,但影响有限。即采用缀板(肋板)进行纵向连接时,不能有效提升盾构的抗轴(环)向变形能力,但实质上能提高隧道结构的纵向结构刚度。

5 结论

(1)钢板加固方案对盾构管片的加固效果明显好于钢拱架加固方案,可以有效提高盾构管片的抗轴(环)向变形能力,但钢板加固的用材量明显高于钢拱架加固方案。

(2)钢拱架结构加固时,钢拱环纵向布置间距对加固效果有一定影响,0.6m间距较1.2m间距的加固效果提升4%～5%,但0.6m间隔布置的用材量是1.2m布置的2倍,工程造价提高较多。

(3)工形钢拱环的加固效果略好于槽钢环,这是因为工形钢的截面抗弯能力要强于槽钢,但工形钢可能导致“侵限”问题的发生。

(4)加固构件截面越大,加固效果越好,但是加固效果提升有限。因此,盲目采用大规格型号的钢材并不经济。

(5)采用缀板(肋板)进行纵向连接时,不能提升盾构的抗轴(环)向变形能力,但能提高纵向结构刚度。