盾构管片接头连接方式研究现状资料讲解

盾构管片接头连接方式研究现状

1.概述

盾构法[1]-[3]是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法。它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌。同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。

通常采用盾构法施工的隧道,一环管片衬砌由数块管片组成,环与环之间采用通缝或者错缝拼装形式。管片间的连接有沿隧道纵轴的纵向连接和与纵轴垂直的环向连接。

连接方式有螺栓连接、无螺栓连接和一些其他的方式。由于其结构特点,接头在整个结构之中具有非常关键的作用[4],因此,对于盾构法隧道的研究特别集中在关于接头的各个方面,不管是其宏观计算模型,还是微观接头构造,或者是各种因素对于接头的性能影响,以及接头的防水构造等等,都得到了各国学者的充分重视。

相比较国外的盾构工法发展,我国的盾构工法尽管起步较晚,但其发展速度伴随着我国城市建设脚步在不断加快,盾构工法以其噪声低、环境影响小等诸多优势在国内城市地铁工程中已被广泛使用,还有一些大型水利工程如南水北调穿黄隧洞工程同样也采用盾构工法进行修筑,目前盾构工法已在城市隧道施工技术中确立了稳固的统治地位[5]。

因此,有人将其称为“城市隧道工法”。

2.管片接头连接方式研究现状

2.1 常用构造部分

本段主要讨论钢筋混凝土管片的接头，其一般分为9个构造部分[6]:连接件、定位装置(桦槽或定位棒)、传力衬垫、密封垫和嵌缝，如图1所示。

2.2接头形式

目前国内盾构隧道管片接头常用形式以及盾构扩挖形成的特殊接头形式如下:

2.2.1柔性节点形式

盾构管片的连接有多种形式的接头构造类型。按螺栓形状分,有直螺栓接头和弯螺栓接头按结构设计分,有双排也有单排按螺栓种类分,有用销钉或不用按接触面分,有平面接触、桦槽接触或球铰。从受力角度,柔性要求相邻管片间允许产生微小的转动与压缩,使管片能产生一定的变形[7]。这种柔性接头在国内普遍采用的形式有：

樟槽式接头:当隧道区间出现较大的纵向不均匀沉降时,凸起的樟槽块可以提供较大的抗剪能力。但桦槽式连接的抗弯刚度很小,它不能抵抗外加荷载引起的弯矩作用,必须依靠周围围岩的抗力达到自身的受力平衡。所以当出现沿径向的不均匀沉降等原因引起的弯矩时,桦槽式接头会很快出现较大的张开量,对管片整体性和防水性不利。其优点是安装简单,施工速度快而且造价低廉。目前桦槽式接头在南京地铁,上海金山隧道[8]采用。

弯曲螺栓接头，它与直螺栓相比造价高,接头易变形,而且弯螺栓及管片钢模在制作时若不能严格按照设计弧度与精度加工,施工时螺栓穿孔将会比较困难,特别是错缝拼装的时候,螺栓穿孔将会消耗大量的时间与人力。采用弯曲螺栓接头,它被安置于由计算得到的弯曲最大的几个环节,它通过几层防水橡胶保证其密闭性,同时可以抵抗很大的弯矩,剪切位移,拉伸和压缩。弯曲螺栓接头的柔性较好,应用面广,目前北京,卜海,南京等地铁[9]普遍都在使用。

直螺栓接头，直螺栓在达到一定螺栓预紧力的条件下,同样具有较好的抗弯刚度,工程使用效果好,制作简单,用料省,经济合理。但还需要进行螺栓头的处理,现有方法是加上速凝混凝上和一个塑料密封盖。其经济的造价,方便的安装,现今仍得到广泛的使用。图为上海地铁[10]采用的短直螺栓式接头形式。

2.2.2刚性节点形式

多螺栓接头，管片的刚性节点多是在柔性节点的基础上,采取增加螺栓数量的手段增加接头的抗弯抗剪刚度。刚度大,密封性好,在较大的地层应力下不易变形。一般在深埋隧道或海底隧道中使用。下图为上海打浦路隧道的盾构管片接头形式。一弯一直两根螺栓连接,结构刚度高,但成本大大提高,而且必须使用二次衬砌。

插入式接头:这一种接头广泛应用于日本的隧道管片环缝的连接[11],分为锁扣接头和摩擦接头,它们都是靠千斤顶丫〔接将雌雄接头推牢,前者依靠锁打的力量产生接头需要的拉力,后者由其摩擦力、咬合力锁住。它们安装快捷方便,省掉了大量拧螺栓的人工及时间。如下图所示。由于连接件相当短,所以变形长度很小,刚度较大另外由于没有手孔和海在外面的金属件,不川削弱管少乍结构,减少了渗水途径,防水和防腐蚀的能力强,也无需二次衬砌,使用面很广。

销插式接头[11], 这样的接头抗剪、抗弯刚度大,连接便捷,没有手孔,使用的材料有钢的,也有合成材料的. 但由于插入安装方便的考虑,往往楔形块与块之间有空隙,不利于防水,因此这一类接头很多用于给排水工程,而且往往配合薄层的二次衬砌

2.2.3特殊节点形式

TA－SRING接头[12]，如图所示，成功的应用于日本的许多盾构隧道纵缝的连接之中。它连接方便，配合各种插入式连接方式，可以仅靠千斤顶的推力安装就位。

2.3接头研究现状

相邻管片间的刚度，直接影响了衬砌结构的整体刚度，它是衬砌结构分析中的重点[13]。管片环的变形与内力，与衬砌结构的相对刚度息息相关。管片间接头的力学性态的展开研究，多体现在理论分析、数值模拟以及模型试验等方面。

随着盾构施工技术的愈发成熟，盾构隧道管片的分块数进行了准确的分类。一般而言，更具隧道断面和施工条件的不同，隧道管片的分块数可分为6-10片。而分片数过多所带来的拼装方便的同时，会造成接头处局部刚度减弱，使得整环的相对刚度变低，进而对整环结构受力变形产生影响。在错缝拼装中，应当充分考虑由管片环环间错缝拼接引起的错缝拼接效应即环间管片的剪力和变形的相互影响。接头刚度，对于管片环的受力分析至关重要。接头刚度可以根据实验数据获得，而接头刚度计算理论的发展，使得盾构隧道管片的理论计算更加接近实际情况。

针对管片接头的课题,国内外专家学者作了大量工作,并取得了一定的研究成果：

万岸林针对预应力盾构隧道管片[18]技术进行大比例尺的接头试验，通过数值模拟，并与试验据进行比较，可以看出，试验值与数值模拟值接头张角的发展趋势基本一致；并且，通过对预应力为 400 kN 的工况进行模拟可以看出，提高预应力，则接头抗弯刚度也会相应的提高。

李周沛,欧阳娜通过建立管片接头的精细三维有限元模型,对管片接头进行不同弯矩、轴力组合下的数值荷载试验,分析管片接头的变形特征、刚度、管片应力分布、裂缝分布及弯曲螺栓轴力。接头的存在不仅降低了管片环的刚度,也降低了管片环的承载力。管片允许承受的正弯矩荷载应根据实际工程状况、接头防水构造及应力、裂缝分布计算结果综合确定。

王玉龙，李彬衬[21]研究得出砌管片纵向和环向的螺栓赋予了这种装配式衬砌结构介于连续和非连续介质的特殊力学行为；管片环向受力分析中的梁－弹簧模型法关键在于确定接头抗弯刚度，结合有限元分析系统ＡＮＳＹＳ的单元类型，提出相应的接头抗弯刚度数值试验方法及利用销钉单元的梁－弹簧模型方法。