大断面越江盾构隧道管片接头选型研究

第４２卷第６期２００５年１２月
现代隧道技术
ＭｏｄｅｍＴｕｎｎｅｌｌｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏ盯
Ｖ０１．４２Ｎｏ．６
Ｄｅｃ．２００５
文章编号：１∞９∞８２（２（ｘ）５）【）６—０叭４一【】６
大断面越江盾构隧道管片接头选型研究
何川１曾东洋１唐志诚１’２吴兰婷’
（１西南交通大学地下工程系，成都６１００３ｌ；２中铁二局集团有限公司，成都６１００３１）
摘要文章针对越江水下盾构隧道管片接头设计，采用二维有限』二对典型接头方案中不同螺栓位置和土水压力计算控制点下的接头抗弯刚度、接缝张开度和张开高度、螺栓应力等进行了数值汁算和对比分析，研究分析了手孔和螺栓数量及布设位置、Ｒ寸等对大断面越江盾构隧道管片接头选型及设计参数的影响。

研究结果表明，工程设ｔ１中此类接头应在满足接头抗弯刚度和接缝张开度的前提下采取减少手孔数量、均布手扎位置、调整螺栓中心位置和尺寸、施加螺柃顶紧力等措施，以达到提高结构防水性和整体承载能力的目的。

关键词盾构隧道管片接头有限元分析选型
中图分类号：Ｕ４５１文献标识码：Ａ
１引言２工程概况
由于盾构法隧道具有目标工期及工程造价可控性好、风险相对其它方法较小、施工期不影响江河通航及不易受河床变迁影响等优点而在国内外越江（河）工程中被广为采用，如已建成的日本东京湾横断公路隧道…、国内上海延安东路公路隧道、翔殷黄浦江隧道、重庆长江排水隧道等以及拟建中的武汉长江公路隧道、南京长江公路隧道、崇明岛越江公路隧道等工程均为盾构法隧道工程。

越江（河）盾构隧道承载和防水设计的重点在于对其管片接头型式的选扦，选取具有可靠防水性的管片接头型式对越江（河）盾构法隧道具有至关苇要的意义。

目前，国内外对Ｊ‘盾构法隧道管片接头性能的研究”“１还主要局限于管片接头抗弯刚度和变形规律，而对管片接头抗弯刚度、防水和衬砌环整体刚度的影响因素及其相互影响性研究甚少。

鉴于此，本文以拟建中的武汉长江公路隧道盾构区间为例，在对管片接头抗弯刚度研究的基础”１上，运用能对管片接头进行局部三维有限元模拟计算的梁－弹簧模型法，对影响工程结构设计中管片接头型式选择的重要参数，如管片接头抗弯刚度、接缝张开度和张开高度、螺栓应力、衬砌环变形和内力等进行深入研究，以期为类似条件下的越江（河）盾构隧道衬砌结构设计提供借鉴和参考。

修改稿返回日期：２００５—０７—０５
作者筒介：何川，男，教授，博Ｌ生导师
・１４・２１工程地质概况
武汉长江公路隧道为双孔四车道市政公路隧道，穿越长江段采用盾构法施丁。

盾构隧道区间全长约２２００ｍ，埋深在９．５０～３０．０ｍ之间，局部最大埋深４０．Ｏｍ，河床水深１０．Ｏ～”．６４ｍ，主要位于富含地下水的砂土层中，两岸段承受较高承压水，江中段承受高水压潜水，穿越地层包括中密粉细砂、密实粉细砂，底部为卵石层及强风化泥质粉砂岩夹砂岩、页岩，局部见中密中粗砂、密实中粗砂、可塑粉质粘土层。

沿线土体力学指标如表１所示。

２．２管片特征参数
结合隧道远期交通流量和使用净空要求，通过对不同衬砌结构方案比选，确定盾构隧道衬砌环选用通用环型式，外直径Ｄ，＝１１ｏｏｍ，内直径Ｄ：＝１０．００ｍ，管片厚＾＝ｏ．５０ｍ，幅宽６＝２．ｏｍ。

管片环采用９等分型式，即选用１个封顶块＋２个邻接块＋６个标准块构筑衬砌环，单块管片圆心角均为４０。

管片环纵向接头３６处，按照ｌＯ。

等分布置，如图１所示。

３管片接头型式比选
综合考虑武汉长江公路隧道盾构区间所处地
　万方数据
大断面越江盾构隧道管片接头选型研究图１衬砌环结构示意
Ｆｉｇｌｓｋｅｔｃｈ０ｆ
１ｉｎｌｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
¨、琏块
层、工程地质、隧道埋深等条件，管片问宜采用螺栓连接：直螺栓施工方便，接头部位能承担较大荷载，但手孔较火，易削弱管片接头承载能力；曲螺栓手ｆＬ较小，对截面削弱少，但易变形，在螺栓预紧力作用下将对管片接缝端头混凝土形成挤压，造成混凝土破坏，不利于结构长期安全性。

经分析并参考日本东京湾横断公路隧道、翔殷黄浦江隧道等越海、江隧道工程的管片接头设计，设计选用直螺栓连接方式，但还应对管片接头连接螺栓数目、尺寸和布设位置等细部构造进行设计，以满足接头抗弯刚度、螺栓应力、接缝张开度和张开高度等没计参数要求，以达到结构安全性和工程经济性目的。

３．１计算假定及单元选用
管片接头计算及三维建模过程中主婴引入了如下主要假定：
（１）小变形假设
管片红外荷载作用下接头端面所形成的变形和转动‘ｊ构件几何尺寸相比较而言非常微小，属于小变形范畴。

（２）平截面假设
除管片接触端面｜ｔｌ于受螺栓预紧力和拉力、混凝土挤压等作用而形成曲面外，管片其余断面在变形前后均为甲截面。

（３）材料均匀性似设
忽略管片材料、几何尺寸制造等所形成的差异，假定计算管片为均质各向同性材料。

基于上述各项假定，计算过程中主要选用了如下材料单元：
（１）为了保证计算结果的精确度，管片选用高精度三维实体单元进行模拟。

（２）为更好地模拟连接螺栓的受力特性及萁与丁－孔壁、螺栓孔壁间的相互作用和手孔对管片接缝截面的削弱作用，螺栓选用高精度实体单元模拟，且在计算过程中考虑了螺栓预紧力，同时分别在连接螺杆与螺栓孔内壁、螺帽１ｊ手孔内壁间改置面一面接触单元以模拟其滑移效果。

（３）弹性密封垫和防水衬挚抗变形能力远低于管片结构，计算中应重点号虑其受力变形特征，计算中选用衬垫单元模拟上述密封材料。

不同单元相关材料参数分别为：
（１）管片结构采用ｃ５０混凝土，弹性模量为３５ｃＰａ，泊松比０２０；
（２）连接螺栓的弹性模量为２１０ＧＰａ，泊松比为Ｏ．３０；
（３）接缝衬垫的材料应力一应变非线陀关系如图２所示。

／
图２衬垫材料应力一应变关系曲线
Ｆ呜．２Ｓｔｒｅｓｓ—ｓｔ附ｉｎｃｕｒｖｅ０ｆｇａｓｋｅ【ｍａ【ｅｒｔａｌ
３．２比选方案及计算模型
管片接头选型主要包括对手孔数量以及螺栓数
・１５・
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［．ｆ匕
　万方数据
现代隧道技术
日、尺寸及布设位置、管片接头抗弯刚度、接缝张开度和张开高度等誊要设计参数进行比选。

其中手孔尺寸主要根据螺栓尺寸、单孔螺栓布设数量等决定。

根据不宜过大削弱管片接头承载能力的原则提出如下两个比选方案，并建立不同方案下的管片接头汁算模型，如图３所示。

①－¨叫管”技琏接螺柞
②管¨接缝端Ｌ【Ｌｆ州格划分
（ａ）方案
①单侧币管＂及连接蠓朴
②管”接缝端叫Ｉ删｝再划丹
（ｂ）方案．
图３管片接头计算模型
ＦＩｇ３Ｃｏ。

Ⅱｐｕｔａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆａｓ。

舯ｅｎ【Ｊ０Ｉｎｔ
方案一：沿管片幅宽方向设置３个手孔，分别放置ｌ颗Ｍ６０螺栓，共设置３颗螺栓。

方案二：沿管片幅宽方向设置２个手孔，分别放置２颗Ｍ４５螺栓，共设置４颗螺栓。

３．３荷载及约束
管片接头抗弯刚度等力学行为反映的是接缝抵抗弯矩作用而产生变形的能力，仅与按缝自身构造（包括衬垫材料、尺寸、螺栓位置等）相关“。

计算选用整体笛卡儿坐标系对平板直接头管片体进行三－１６－维建模分析。

考虑到盾构管片的承载、变形及其相关影响因素，对通过螺栓连接而成的管片结构进行简支梁约束。

计算荷载与约束如图４所示。

ｆｒ管¨曙度：ｆ连接蝶栓距管¨山删的距离
图４计算荷载与约束示意
Ｆｉｇ．４Ｓｋｅｔｃｈｏｆ１０ａｄｉｏｇａｎｄｃｏｎｓｔｒａＩｎｔｓ
３．４方案比选计算流程
管片接头型式比选汁算流程如图５所示。

其
中，』ｖ，Ｍ分别为盾构隧道比选断面控制设计的轴力
和弯矩；ｉ为计算循环次数（ｉ≥１）；“、口均为相关容
许误差。

Ｎ
图５管片接头型式比选流程
Ｆ１９．５
Ｒ０ｕｔｉ雎ｏｆｓ６９ｍｅｎｔ埘ｎｔｓｅｋｃｔ】ｏｎ
４计算结果与分析
混凝土管片结构在轴力、弯矩和连接螺栓的共
｜一Ｊ作用下将产生类似于简支梁的变形和挠曲，两侧
管片存接头端面处产生分离，形成局部受压区和局
部受拉区。

接触端面螺栓位置附近受连接螺栓影响
形成局部突起㈨。

为分析简便起见，简化管片接头　万方数据
大断面越江盾构隧道管片接头选型研究
力学模型”…，取螺栓所处位置代表接头端面的管片变形，简化结果如图６所示。

图６简化管片接头变形
Ｆｉｇ．６ｓｉｍｐｌｌｎｅｄｓ８９ｍｅｎｌＪ而ｎｔｄｅｆｏｒｍａｔｉｎｎ４．１比选方案计算结果与分析
将各比选方案中管片环轴力最大点（，ｖ。

）、弯矩最大点（Ｍ。

）和轴力最小点（Ⅳ…）作为计算控制点，分别设为工况１、Ｔ况２和Ｔ况３。

各比选方案中不『刊螺栓布设位置和工况下的计算结果分别如表２和表３所示。

通过对方案一和方案二中不同手孔数目、螺栓数量、螺栓布设位置以及不同荷载工况控制点的接头抗弯刚度、螺栓应力、接缝张开度和张开高度计算结果比较可以看出：相同外荷载作用下计算所得管片接头抗弯刚度、接缝最大张开度和张开高度相近，但螺栓应力差别较犬，其主要原因在于：相同外荷载
表２方案一计算结果
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