周玉生， 汪 鵬

(中鐵四局集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230023)

0 引 言

近年來(lái)，國(guó)家大力推進(jìn)城市地下綜合管廊建設(shè)，相繼出臺(tái)了一系列政策支持文件，保障地下綜合管廊建設(shè)加快實(shí)施。?？谑惺侨珖?guó)首批36個(gè)地下綜合管廊建設(shè)試點(diǎn)城市之一，中鐵四局在海南省?？谑幸４蟮牢餮佣蔚叵戮C合管廊項(xiàng)目施工中，為提高裝配式綜合管廊施工效率，聯(lián)合中鐵裝備研制了一種用于兼作明挖支護(hù)的敞口式U型盾構(gòu)，通過(guò)將明挖法開(kāi)挖與管廊管節(jié)預(yù)制拼裝相結(jié)合,利用始發(fā)井和拼裝完成的管廊傳遞反力進(jìn)行掘進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了明挖法管廊施工的機(jī)械化、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化[1]。

裝配式綜合管廊采取U型盾構(gòu)法施工時(shí)，管廊防水是依靠節(jié)間預(yù)應(yīng)力筋拉緊防水橡膠并使其達(dá)到一定的界面應(yīng)力實(shí)現(xiàn)的。張拉方案的確定與頂進(jìn)過(guò)程中防水橡膠的應(yīng)力變化直接影響管廊節(jié)間防水效果[2]，因此,有必要就張拉方案及頂進(jìn)過(guò)程中防水橡膠的應(yīng)力做深入研究。

1 U型盾構(gòu)施工工藝

U型盾構(gòu)施工工藝是協(xié)同發(fā)揮明挖法和盾構(gòu)法的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，采用挖掘機(jī)明挖施工的同時(shí)，盾構(gòu)機(jī)作為可移動(dòng)的臨時(shí)支護(hù)向前推進(jìn)，并將預(yù)制管節(jié)在盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖成形的空間內(nèi)依次吊入、定位、拼裝。由于盾構(gòu)機(jī)頂部是敞口的，兩側(cè)和底板的三面插板構(gòu)成移動(dòng)式支擋結(jié)構(gòu)，所以叫U型盾構(gòu)。如圖1所示，U型盾構(gòu)分為刀片，盾身以及盾尾三部分。U型盾構(gòu)工作時(shí)，先將管廊放置于盾構(gòu)尾部，其后盾構(gòu)千斤頂將管廊頂緊，盾構(gòu)刀片向前切土，使用挖機(jī)將盾構(gòu)所切土清除，并依靠千斤頂使盾構(gòu)向前頂進(jìn)，然后張拉相鄰管節(jié)間的預(yù)應(yīng)力筋，松弛千斤頂并循環(huán)進(jìn)行下一節(jié)管廊施工。

圖1 U型盾構(gòu)施工工藝示意圖

2 管廊節(jié)間預(yù)應(yīng)力筋張拉應(yīng)力分析

使用三維建模軟件對(duì)預(yù)制管廊進(jìn)行建模，具體尺寸根據(jù)圖2確定，其材料屬性見(jiàn)表1。管廊之間采用雙層防水橡膠防水，全斷面設(shè)置12個(gè)孔進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋對(duì)管廊進(jìn)行張拉，壓緊防水橡膠使其達(dá)到防水效果，張拉孔布置如圖3所示，有限元實(shí)體模型如圖4所示。

圖2 管廊橫斷面圖

表1 材料屬性表

圖3 張拉孔布置示意圖

圖4 有限元實(shí)體模型

根據(jù)《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50838-2015)8．5．7條規(guī)定，預(yù)制拼裝綜合管廊拼縫防水應(yīng)采用預(yù)制成型彈性密封墊為主要防水措施，彈性密封墊的界面應(yīng)力不應(yīng)低于1.5 MPa[3,4]。此界面應(yīng)力由預(yù)應(yīng)力筋提供，在有限元軟件中為預(yù)應(yīng)力筋施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，有兩種加載方式，一種為直接施加拉力，不論預(yù)應(yīng)力筋如何形變其拉力不變[5]；另一種為施加初始位移，在初始步時(shí)對(duì)預(yù)應(yīng)力筋施加一定變形量，由軟件計(jì)算其變形協(xié)調(diào)并計(jì)算出各部件應(yīng)力。兩種加載適用于不同情況，本文中所研究的是頂推過(guò)程中預(yù)應(yīng)力筋與防水橡膠之間應(yīng)力以及變形協(xié)調(diào)關(guān)系，因此采用初始位移方式給預(yù)應(yīng)力筋施加預(yù)應(yīng)力。

在預(yù)應(yīng)力筋兩側(cè)施加初始位移荷載。初始位移荷載從3 mm開(kāi)始遞增，至15 mm，由表2中結(jié)果可知，當(dāng)預(yù)拉位移為7 mm時(shí)，防水橡膠最大應(yīng)力為3.35 MPa，最小應(yīng)力達(dá)到1.53 MPa，管廊邊界條件如圖5所示，防水橡膠應(yīng)力結(jié)果如圖6所示。

表2 預(yù)拉位移與防水橡膠應(yīng)力表

圖5 管廊邊界條件

圖6 管廊防水橡膠應(yīng)力情況

3 后置節(jié)管廊頂推對(duì)初始節(jié)段管廊應(yīng)力影響

?？谑幸Ｎ餮勇范蔚叵戮C合管廊項(xiàng)目敞口式U型盾構(gòu)施工進(jìn)行了首節(jié)預(yù)制管節(jié)試推。試推管節(jié)重600 kN，當(dāng)頂推力達(dá)到228 kN時(shí)管廊開(kāi)始平穩(wěn)移動(dòng)，盾構(gòu)設(shè)備自重3 200 kN，當(dāng)頂推力達(dá)到1 500 kN時(shí)盾構(gòu)機(jī)開(kāi)始平穩(wěn)移動(dòng)。因此，每節(jié)管廊摩擦力為228 kN，U型盾構(gòu)頂推力為1 500 kN。

建立三節(jié)管廊模型，模擬第三節(jié)管廊頂推過(guò)程，如圖7所示。在第三節(jié)管廊上施加1 500 kN頂推力，并在第三節(jié)管廊底部施加摩擦力228 kN，其方向頂推力反方向，由此可算出第三節(jié)管廊頂推時(shí)，第一二兩節(jié)管廊之間預(yù)應(yīng)力筋拉應(yīng)力以及防水橡膠界面應(yīng)力(圖8～圖10)。

圖7 第三節(jié)管廊頂推工況

圖8 第三節(jié)管廊頂推時(shí)一二節(jié)間防水橡膠應(yīng)力

類(lèi)似的在頂推第四節(jié)時(shí)，在第四節(jié)施加1 500 kN頂推力，并分別在第三節(jié)第四節(jié)管廊施加228 kN摩擦力，其方向與頂推力方向相反。直至第九節(jié)管廊頂推時(shí)，第一二節(jié)管廊節(jié)間預(yù)應(yīng)力筋和防水橡膠不再受到影響(表3)。

表3 多節(jié)拼裝過(guò)程對(duì)第一二節(jié)管廊節(jié)間影響結(jié)果

圖9 第一節(jié)防水橡膠最小應(yīng)力曲線

圖10 第一節(jié)預(yù)應(yīng)力筋最大應(yīng)力曲線

將第三至九節(jié)管廊頂推過(guò)程中第一二節(jié)管廊之間防水橡膠界面應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力筋張拉力值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可知第三節(jié)頂推時(shí)對(duì)第一二節(jié)管廊的影響最大，頂推時(shí)防水橡膠應(yīng)力從1.53 MPa增加到1.7 MPa，增加了11.1%；預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力從545.32 MPa減小到483.35 MPa，減小了11.4%。而后頂推力對(duì)第一二節(jié)間的影響逐漸減小，直至第九節(jié)后徹底無(wú)影響。

4 結(jié) 論

(1) 通過(guò)建立有限元模型，對(duì)第一二節(jié)間張拉模擬，得出防水橡膠界面應(yīng)力達(dá)到滿足《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》要求1.5 MPa時(shí)，預(yù)應(yīng)力筋需預(yù)拉7 mm。

(2) 后置管節(jié)的頂推會(huì)對(duì)前置管節(jié)防水橡膠和預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力造成影響，其中防水橡膠的應(yīng)力增大，因此在頂推完成后無(wú)須進(jìn)行補(bǔ)張拉。

(3) 第三節(jié)管廊頂推時(shí)對(duì)第一二節(jié)間防水橡膠和預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力影響最大，分別為11.1%和11.4%，此后管節(jié)逐節(jié)減小直至第九節(jié)完全消失。

(4) 在實(shí)際施工過(guò)程中，管廊間頂推力和摩擦力雖然會(huì)降低預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力，但對(duì)管廊間防水橡膠的防水效果有利，實(shí)際施工過(guò)程中可不必考慮頂推力及摩擦力的負(fù)面影響。