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

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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。

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图２衬垫材料应力一应变关系曲线

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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

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