孟小偉趙 平劉 鴻陳 歆余云翔

1. 中鐵二院昆明勘察設計研究院有限責任公司 云南 昆明 650200；

2. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室 四川 成都 610031

隨著城市發(fā)展的日益完善，地上空間已略顯擁擠，因此，對地下空間進行合理開發(fā)成為了城市建設的一大熱點。近年來，頂管隧道憑借其對周圍擾動小、不影響地面交通、自動化程度高等特點而被廣泛運用于城市人行通道中[1-5]。然而，地下建（構）筑物由于埋置于土層之中，將不可避免地受到土體和地下水環(huán)境的影響，國內地鐵站臺、地下人行通道等地下構筑物滲漏水現(xiàn)象屢見不鮮。拼裝式襯砌主要防水措施為設置橡膠止水帶，但在地面荷載變化、下臥軟土地層、下方新建地下結構等情況下，管節(jié)接頭處縱向抗彎剛度較弱，頂管將在縱向荷載作用下出現(xiàn)張開、錯臺等較大變形，彈性橡膠止水帶因此喪失防水功能，使隧道出現(xiàn)滲漏水等病害。

目前國內外學者對彈性密封橡膠的防水性能以及拼裝式襯砌接縫張開量做了大量研究，王泓穎等[6]對管片張開情況下彈性密封橡膠的防水性能進行了研究，揭示彈性密封橡膠兩側張開量達到2 mm時，管片間存在滲漏水的風險；李長俊等[7]對不同地層組合下盾構管片接縫張開度進行監(jiān)測和數(shù)值模擬，揭示了接縫張開度隨水位、溫度的線性規(guī)律；鄭永來等[8]以等效軸向剛度模型為基礎，建立頂管隧道縱向變形曲率與隧道管片接頭環(huán)縫張開量之間的關系。

上述學者主要是對盾構管片接縫張開量進行研究。然而，相較于盾構管片之間螺栓的緊密連接，頂管法隧道管節(jié)間的連接更為薄弱，管節(jié)接頭處更易產生張縫。目前業(yè)界針對頂管管節(jié)張開量的研究較少，鑒于此，本文以某工程為依托對象，對矩形斷面F型鋼承口頂管隧道在不均勻土體沉降下的變形特征進行研究。通過數(shù)值模擬的方式，研究不均勻沉降下頂管接口的變形特征，建立下臥土體最大沉降量與接縫張開量之間的關系，提出該工況下保證接頭防水的下臥土體沉降量控制指標，以期為后續(xù)管節(jié)防水措施設計提供指導。

1 頂管接口結構

常見的頂管接口形式包括平口、企口，以及F型鋼承口，其中F型鋼承口具有以下優(yōu)點：

1）F型鋼承口管材在施工頂進的過程中，可以實現(xiàn)對管道中線偏差的修正。

2）頂管的可靠性高，適用范圍可擴大至砂礫土。

3）由于鋼套環(huán)埋在混凝土管中，提高了混凝土管節(jié)的剛度和整體性，增加了管端抵抗不平衡頂推力約束的保護作用，適合于長距離頂管施工。

4）增大了糾偏時的最大張角，在偏轉角3°范圍內，不易出現(xiàn)接口滲漏，避免泥沙進入，適于曲線頂管。

F型鋼承口處防水措施主要包括：防水密封墊；壓漿止水。其結構形式如圖1所示：在前側頂管尾部外側固接一圈鋼殼，后側頂管接口上方設置一圈防水橡膠，在鋼殼的保護下通過木襯墊與前側頂管接觸，當頂進過程結束后，向鋼殼與接頭縫隙內壓漿止水。

圖1 F型鋼承接口結構形式

2 頂管接口張開量理論分析

頂管管節(jié)在縱向上的管節(jié)張開量主要由相鄰管節(jié)之間的偏轉角差值造成，而管節(jié)的整體偏轉可視為結構對縱向不均勻土體沉降的響應：土體不均勻沉降引起管節(jié)縱向間存在豎向位移差?y，接頭處具有一定的抗彎剛度以保持結構的連續(xù)性，因此，頂管管節(jié)會產生一定的偏轉量來協(xié)調豎向位移差，從而使接口處縫隙張開（圖2）。

圖2 管節(jié)整體偏轉示意

若只考慮頂管的整體偏角，可將管節(jié)整體視為剛性，頂管偏轉角θ可由前后豎向位移差?y與頂管長度L近似解出，同時再利用頂管高度d與偏轉角θ的幾何關系，可以近似推導出接縫處張開量?x，具體見式（1）、式（2）。

3 數(shù)值模型

3.1建模思路

利用ANSYS有限元軟件進行數(shù)值分析，本模型旨在研究不均勻沉降下頂管接口縫隙張開量，綜合考慮采用荷載-結構模型分析頂管在荷載作用下的力學行為以及位移（圖3）。模型分析后期運營過程中外荷載對頂管管節(jié)的影響，故對結構本身自重不加以考慮。為消除邊界效應對模型計算結果的影響，對16節(jié)管節(jié)進行建模分析。管節(jié)內凈空尺寸為6.0 m×4.0 m×1.5 m，管節(jié)混凝土厚0.45 m，其具體模擬如下：

圖3 模型示意

1）采用實體模型模擬頂管管節(jié)。

2）采用殼單元模擬F型鋼接口鋼板。

3）采用只受壓鏈桿模擬管節(jié)間傳力木襯墊。

4）采用只受壓鏈桿模擬管節(jié)周圍土體對管節(jié)的約束。

5）模擬鋼板的殼單元一端通過MPC方法與管節(jié)實體單元進行固接，另一端與相鄰另一管節(jié)的接觸通過在殼單元和實體單元間設置摩擦接觸面的方式進行模擬。

3.2材料參數(shù)

現(xiàn)場施工中頂管管節(jié)為預制混凝土管節(jié)，強度等級為C50，采用中硬材質的木質膠合板作為頂管間的傳力襯墊。以實際工程為依據(jù)，模擬過程中采用的材料參數(shù)具體如表1所示。

表1 模型材料參數(shù)

3.3邊界約束

模型建立時管節(jié)個數(shù)足夠多，可以有效消除邊界效應，因此對兩端管節(jié)端面處施加縱向位移約束。為模擬因下臥軟土地層、新建地下結構等因素引起頂管沿縱向的不均勻沉降（圖4），將結構及地層考慮為彈性地基梁模型，對地層鏈桿遠離結構端的結點施加強制位移邊界條件，用于模擬土體的沉降，頂管管節(jié)在土體發(fā)生沉降后，由于受到土壓力的改變而產生變形。

圖4 土體沉降示意

考慮頂管隧道下方由于進行其他隧道的施工而產生施工沉降的情況，當土體下方新建隧道時，上方土體沉降值可利用peck地層沉降公式擬算，具體見式（3），根據(jù)擬算得到的地層沉降曲線設置沿縱向強制位移。在本次模擬中沉降槽寬度為4 m，沉降槽中心最大沉降為7 mm。

4 不均勻沉降下接口張開量數(shù)值分析

不均勻土體沉降下頂管的縱向（z）位移云圖如圖5所示。頂管縱向位移云圖表明，不均勻土體沉降下，第8、第9管節(jié)（中間兩管節(jié)）底部之間z向位移突變最明顯。這是由于管節(jié)下方土體沉降后，管節(jié)頂板上方土壓力無法被下方土體平衡，以荷載形式作用在管節(jié)頂板上，導致土體沉降最大處縱向彎矩最大，管節(jié)接縫產生最大張角。除此之外，第3、第4管節(jié)間與第13、第14管節(jié)頂部出現(xiàn)沉降的反彎點，其頂板部分也存在接頭張開的現(xiàn)象，由于在第3、第4管節(jié)間與第13、第14管節(jié)間，管節(jié)張開量相對較小，因此本文以第8管節(jié)和第9管節(jié)處接口結構為對象，對其在不均勻沉降作用下的力學行為以及變形開展研究。

圖5 頂管z向位移云圖

4.1接觸滑移與鋼殼受力分析

F型鋼接頭結構特點包括接口外層覆蓋1層鋼殼，鋼殼與管節(jié)之間的接觸狀況以及鋼殼受力情況能直接反映接口處防水性能。圖6給出了鋼殼與管節(jié)之間接觸狀態(tài)，從圖中可以得知，模型中底板與頂板處的鋼殼-管節(jié)接觸產生了滑移，而兩側接觸幾乎無滑移。

圖6 管節(jié)-鋼殼接觸狀態(tài)示意

為研究接觸在頂、底板的滑移情況，圖7給出鋼殼與后側管節(jié)之間的接觸切向滑移量。

圖7 鋼殼接觸滑移量

從圖7中可以看出，主要是底板以及底板兩側的鋼殼-管節(jié)接觸產生了滑移，由于頂板部分管節(jié)與鋼殼之間主要受壓，接觸處傳遞剪力并不大，因此滑移量較小。而底板處管節(jié)-鋼殼間接觸隨著兩側管節(jié)的偏轉產生滑移，滑移最大值位于底板兩側，為2.23 mm。

圖8給出了鋼殼的第1主應力云圖和第3主應力云圖。

圖8 鋼殼主應力云圖

從圖8中可以看出，結構第1主應力和第3主應力最大值均出現(xiàn)在兩側靠近底板處，第1主應力最大值為57.9 MPa，第3主應力最大值為36.8 MPa，頂板與底板位置第1主應力值與第3主應力值幾乎為0。究其原因，管節(jié)接頭頂部在管節(jié)發(fā)生偏轉時受到壓應力，該部分應力主要由木襯墊與管節(jié)混凝土承擔，而底部接口已經張開，鋼殼與管節(jié)混凝土接觸已開始滑移，因此頂部和底部鋼殼受力較小。另一方面，頂管管節(jié)發(fā)生偏轉時，兩側鋼殼在接觸作用下受到垂直于側面的彎矩，因此兩側鋼殼受力較大。

4.2接口張開量分析

管節(jié)接口處張開量將直接影響管節(jié)的防水性能。根據(jù)測點縱向位移可計算得到相應位置處的接口張開量，表2列出了第8、第9管節(jié)間節(jié)點z向位移量以及接口張開量，并將其繪制成圖9。從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，在接口斷面處，最大張開量出現(xiàn)在管節(jié)兩側，最大張開量可達2.24 mm，當測點靠近管節(jié)中部時，測點張開量開始逐漸減小，在斷面中部（測點5）時達到最小，僅為1.5 mm，相較于兩側，其張開量降低了約30%。頂管管節(jié)底板張開量在不均勻沉降下呈現(xiàn)中間小、兩側大的分布形式。

表2 第8、第9管節(jié)間節(jié)點z向位移

圖9 接頭底部外側張開量示意

4.3不同沉降下頂管張開量分析

上述研究僅對土體最大沉降值為7 mm時管節(jié)接口處的力學行為進行分析，旨在揭示土體沉降作用下管節(jié)接口的受力以及變形特征。后期運營期間土體可能出現(xiàn)的最大沉降值尚不可知，因此，本節(jié)對不同沉降下頂管接縫張開量進行探討，以揭示土體沉降值與接縫張開量之間的關系。為此對土體最大沉降值為2～7 mm時的管節(jié)張開量進行模擬，并記錄下其最大張開角。

從圖10中可以看出，在沉降槽寬度為4 m情況下，管節(jié)接口最大張開量隨土體最大沉降值的增加而增加，并且其關系近似線性關系。當下方新建工程引起的頂管下方土體沉降達2 cm時，對應的接口張開量約為6 mm，根據(jù)文獻[6]中的研究，此時管節(jié)存在滲漏水風險。因此在實際工程中，筆者建議：頂管隧道下方新建隧道工程引起的頂管隧道下方土體沉降不宜超過2 cm。

圖10 不同沉降下接縫最大張開量

5 結語

本文針對不均勻土體沉降情況下頂管管節(jié)接口的力學行為進行分析，研究頂管接口處的變形特征，得到以下幾點結論：

1）以peck公式模擬頂管下方土體沉降時，靠近土體沉降最顯著處，頂管接口的張開量最大，在頂管接口處，最大張開量隨土體沉降最大值的變化呈現(xiàn)近似線性增長。

2）頂管下方土體最大沉降量為7 mm時，第8、第9鋼殼與管節(jié)接觸，在頂板與底板處均產生了切向滑移，在頂板處滑移量較小，底板處鋼殼滑移量最大，達2.23 mm。

3）頂管下方土體最大沉降量為7 mm時，管節(jié)在底板上接縫張開量呈中間小、兩側大的分布狀態(tài)，在管節(jié)底板兩側有管節(jié)最大接口張開量為2.24 mm，在管節(jié)底板中部接口張開量最小為1.50 mm，在設置防水措施時應注重底板兩側的防水。

4）通過對不同土體沉降量下管節(jié)接頭張開量進行分析，當頂管下方土體沉降量超過2 cm時，管節(jié)張開量約為6 mm，此時頂管管節(jié)張開量較大，存在滲漏水風險。