馬珺 深圳市寶安區(qū)水務(wù)局

陳小衛(wèi) 中國水利水電第七工程局有限公司

程顯皓 深圳海油工程水下技術(shù)有限公司

盾構(gòu)隧道拼裝管片的錯臺一直是困擾盾構(gòu)隧道施工的技術(shù)問題。錯臺引起的破裂破壞了管片結(jié)構(gòu)，給隧道的防水帶來隱患，盾構(gòu)隧道拼裝管片錯臺的因素很多，如管片的頂力、尺寸誤差、拼裝不當、注漿不均及盾構(gòu)姿態(tài)控制等。

工程經(jīng)驗表明，管片接頭的軸向剛度對于管片受力和錯臺的影響很小，本文基于單個螺栓在錯臺彈性變形發(fā)生過程中的狀態(tài)并得出相應(yīng)控制變量，通過在鐵崗-石巖水庫水質(zhì)保障工程隧洞施工中控制該變量，分析螺栓直徑選型對管片錯臺的影響。

1.錯臺發(fā)生過程螺栓狀態(tài)分析

盾構(gòu)法隧道是由多塊預(yù)制管片拼裝而成，管片之間可以做成各種形狀的接頭，并以螺栓相連，本節(jié)研究單個螺栓在錯臺發(fā)生過程中的狀態(tài)變化，得到影響錯臺的相關(guān)參數(shù)。

（1）管片錯臺發(fā)生前。

如圖1（a）所示。由于螺栓與與螺桿孔內(nèi)表面存在間隙d，當管片所受法向外力F很小時，不發(fā)生相對滑移，管片間不產(chǎn)生錯臺。

（2）滑動摩擦階段。

隨著法向外力逐步增大，管片間發(fā)生滑動摩擦，螺栓內(nèi)的間隙逐漸減小，但滑動摩擦引起的相對位移小于螺栓間隙，螺栓不受力，螺栓與管片均未發(fā)生剪切變形。

f—管片間滑動摩擦力、W—外力做的功

（3）螺栓傳力階段。

當管片間的相對位移大于等于其內(nèi)表面與螺栓間距離時，如圖1（c）所示，即螺栓碰到管片內(nèi)表面，螺栓管片間的相對位移而發(fā)生剪切變形，同時管片內(nèi)表面發(fā)生剪切變形。此時外力，彈性范圍內(nèi)的管片相對位移。

圖1 錯臺發(fā)生過程螺栓狀態(tài)

KB—螺栓的變形剛度，KP—螺栓孔孔壁的變形剛度。

螺栓的變形剛度 由彎矩引起的彎曲變形和剪力引起的剪切變形組成。

KB—螺栓的抗彎剛度，KS—螺栓的剪切剛度。

由于螺栓孔孔壁的壓縮而導(dǎo)致管片與螺栓接觸部位的螺栓孔發(fā)生變形為KP。

圖2 相對位移量的力學(xué)模型

假定錯臺在彈性變形范圍內(nèi)，在錯臺發(fā)生前及管片滑動摩擦階段，管片間相對位移量與螺栓拉緊力N負相關(guān)；在錯臺發(fā)生的螺栓傳力階段，外力由管片間滑動摩擦力、螺栓抗力等共同抵抗，螺栓與螺栓孔發(fā)生彎曲變形和剪切變形，在螺栓與管片材料力學(xué)性能確定的情況下，管片間相對位移量與螺栓拉緊力N、螺栓直徑D負相關(guān)。由此，在實際工程應(yīng)用時，可通過改變螺栓拉緊力N、螺栓直徑D來控制管片錯臺量。

表1 環(huán)內(nèi)錯臺測量結(jié)果統(tǒng)計

圖3 環(huán)內(nèi)錯臺量發(fā)生次數(shù)統(tǒng)計圖

2.工程概況

鐵崗-石巖水庫位于深圳市寶安區(qū)，v因其周圍建成區(qū)密集導(dǎo)致入庫水質(zhì)不穩(wěn)定，為充分保障飲用水庫水質(zhì)，水質(zhì)保障工程采用“隧洞+生態(tài)庫”理念，將不滿足入庫標準的水體在生態(tài)庫調(diào)蓄，并可將水體排放至下游河道進行生態(tài)補水，保障了水庫水質(zhì)安全。

其中，連通管涵工程區(qū)域內(nèi)出露地層主要有奧陶系、白堊系燕山侵入巖和第四系地層，大地構(gòu)造位置位于華南褶皺系的紫金-惠陽凹褶斷束中。連通管涵全長約5117.24m，為淺層排水轉(zhuǎn)輸系統(tǒng)，隧洞最大洪峰流量為24.5m3/s，內(nèi)空尺寸為D=5.0m。采用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機施工，洞內(nèi)管片厚度0.3m，外徑為6.0m，管片襯砌厚度為0.3m，內(nèi)襯厚0.2m，管片結(jié)構(gòu)采用預(yù)制鋼筋混凝土，混凝土強度等級為C50，螺栓孔直徑30mm，緩沖材料橡膠板摩擦因數(shù)0.8。

3.管片錯臺單變量參數(shù)控制

由于在實際施工過程中，管片錯臺收到諸多因素影響，為對比螺栓直徑對管片錯臺的影響，本次對比選擇了在同一型號盾構(gòu)機海瑞克S902、同一地層環(huán)境（殘積土層）下，施工過程中分別記錄了100環(huán)直徑24mm和直徑27mm的螺栓連接管片錯臺量，施工過程中嚴格執(zhí)《盾構(gòu)法隧道施工及驗收規(guī)范行》（GB 50446-2017）相關(guān)要求，統(tǒng)計基本同一作業(yè)環(huán)境下，不同螺栓直徑最大錯臺量及不同錯臺量的統(tǒng)計對比，得到螺栓直徑與管片錯臺存在相關(guān)影響。

連通管涵里程YPD4+657～YPD4+807，共100環(huán)，采用螺栓直徑24mm。本次拼裝質(zhì)量控制參數(shù)為環(huán)內(nèi)最大錯臺2mm，環(huán)間最大錯臺3mm。連通管涵里程YPD4+507～YPD4+657，共100環(huán)，采用螺栓直徑27mm。本次拼裝質(zhì)量控制參數(shù)為環(huán)內(nèi)最大錯臺2mm，環(huán)間最大錯臺3mm。

成型后隧道管片錯臺情況統(tǒng)計如表1和圖3：

現(xiàn)場實際施工后現(xiàn)場錯臺驗收結(jié)果顯示，采用直徑24mm螺栓，6mm范圍內(nèi)錯臺數(shù)量為346個，占全部400個測量點的86.5%。采用直徑27mm螺栓，3mm范圍內(nèi)錯臺數(shù)量為363個，占全部400個測量點的90.75%。

根據(jù)上述結(jié)果，螺栓同管片預(yù)留孔洞的間隙仍為管片錯臺的主要成因，為控制管片錯臺，應(yīng)在確保螺栓通過的情況下，盡量增大螺栓直徑，以確保管片拼裝質(zhì)量。但是采用大螺栓會降低管片螺栓安裝效率，對管片拼裝掘進進度有一定影響。

4.結(jié)語

本文立足于螺栓直徑對管片間相對位移進行了單個螺栓孔變形分析，并結(jié)合實際工程，得到如下結(jié)論：錯臺在螺栓及管片彈性變形范圍內(nèi)時，當管片所受外力較小時，管片間相對位移量與螺栓拉緊力N負相關(guān)；隨著外力增大，外力由管片間滑動摩擦力、螺栓抗剪力等共同抵抗，在螺栓與管片材料力學(xué)性能確定的情況下，管片間相對位移量與螺栓拉緊力N、螺栓直徑D負相關(guān)。實際工程應(yīng)用時，在確保螺栓拼裝可行的情況下，盡量選擇較大的螺栓直徑，可有效控制管片錯臺量。