盾构管片接头连接方式研究现状

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400kN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。郑俊基于渗流及固结理论，推导了流固稱合的数学模型及计算方法；通过理论分析各种管片计算模型，引出梁弹簧模型计算，并对梁弹簧模型的有限元理论进行介绍。通过理论上的分析和解析，为数值计算提供理论依据，并丰富了计算内容。郭瑞,何川等大断面水下铁路盾构隧道一狮子洋隧道工程为研究对象，运用有限元数值分析方法，并结合管片接头原型抗弯试验，研究环向管片接头抗弯刚度，并运用梁一弹簧模型进行接头抗弯刚度对整环管片结构内力影响的研究。在相同接头弯矩条件下，接头抗弯刚度随轴力的增加而增大；接头抗弯刚度对管片轴力分布的影响微弱，对管片弯矩的影响显著；随接头抗弯刚度的增大，整环管片的弯矩分布趋于均匀；在抗弯刚度取值范围内，极值弯矩相差最大达80％左右，极值轴力最大减小5％左右，变形最大减小20％左右。封坤等阐述了大型水下盾构隧道在设计阶段、施工阶段及长期运营阶段可能存在的结构问题,董新平首先采用经典弹性接触理论与试验结果进行对比，在经典弹性接触理论的接触面光滑、弹性假设与试验数据发生背离的背景下，提出了“接触面缺陷”假设，并确定的参数进行的反分析结果与实测的管片轴向位移以及弯矩－转角曲线非常吻合。蔡恒在盾构法与浅埋暗挖法[29]-[31]结合建造地铁车站综合技术研究的课题基础上,通过使用大型分析软件,采用数值模拟的方法,对照接头模型试验,对这一管片一结构特殊节点的受力特性进行了综合分析，分析过程中考虑盾构管片接头类型和接头结构参数两个主要因一素,重点分析了不同结构参数的调整对管片一结构节点力学行为的影响。同时本文作者所在课题组采用1:1的接头原位模型试验对该暗挖塔柱式地铁车站的结构部位进行了验证。张鹏通过力学解析与数值模拟相结合的方法对管片环向接头性能进行了系统研究,并在两种方法计算结果的基础上,提出了环向接头阶段性刚度模型,为管片设计中环向接头刚度的取用提供了一种计算模型;通过结合本文阶段性刚度模型,系统比较了非连续介质管片计算模型与连续介质模型之间的差异。欧云龙提出了一种盾构隧道管片接头的短期加固方法，即当接头张开量过大时，将预处理过的形状记忆合金（ShapeMemoryAlloy，简称SMA）螺栓装入相邻管片的预留孔中并加热，利用SMA的形状记忆效应为管片接头提供一定的闭合回复力，促使接头张开量减小从而为后续长期加固创造有利条件。3管片接头选择及位置优化接头结构形式的选择在盾构隧道的设计中有着举足轻重的作用在盾构管片的设计中,管片的接头刚度如果设计得太大,管片的应力也随之加大,这将使对管片的强度要求过高；而如果管片的接头刚度设计得太小,则管片的接缝变形又太,止水问题又比较突出。因此，选择适当大小的接头刚度,对于结构的受力状态和结构的止水问题是至关重要的。而在选择接头结构形式时,既要考虑到隧道承受的荷载、周围的地质情况及防水要求等,又要考虑到施工方便、经济合理、工期减短等方面进行最优化的组合设计。在接头形式选择中，还必须考虑到经济适用性的问题。这里的经济性需要考虑三个方面：材料加工成本，工期成本与人工费，养护维修成本。一种安装方便，自动化程度高的接头形式，可能会使材料和加工成本有所升高，但相应的人工费用和工期大幅度地减少，特别是工期减少带来的附加效应在现在工程实施中显得意义巨大；另外涉及到的方面还包括生产线的生产精度，施工设备、人员素质等，需要多方面考虑。国内管片标准是由螺栓连接，在管片内面有预留孔，因此露出的螺栓和接头等有锈蚀的问题。国外总的趋势是将由螺栓紧固件的钢筋混凝土管片更换为内表面光滑的钢筋混凝土块，用定位销等各种连接件连成管片衬砌环，自动化程度相当高，大大减少了隧道的建设成本和工期，是在国内很有推广前景的项目。在盾构法装配式管片隧道设计中,应考虑接头位置变化对衬砌结构刚度、内力变形、隧道防水等方面的影响;可以通过改动接头位置,以获得更加合理的内力分布,从而使衬砌结构设计更加经济合理。封底块大小对衬砌刚度影响较大,通过减小封底块可使结构内力分布更加合理。接头位置的变化不仅影响隧道周围土层抗力的大小,而且也影响着抗力的分布形式,这在衬砌设计中应加以考虑。综合考虑内力变形、防水、耐久等各方面的因素,并参照日本等国相近隧道的管片分块形式,在上海某隧道工程现有管片分块基础上,本文试图给出了接头位置的优化建议,即保持封顶块大小不变,减小封底块至68°或48°,同时邻接块和标准的大小亦变为68°或48°,供同类管片结构设计参考。4.结语与展望目前国内对于盾构技术的研究尚处于起步阶段，接头形式的选择大多根据经验确定。尽管本文介绍了很多新型接头的形式构造与特点,但是由于资料的保密等诸多原因,对于这些接头的具体参数还是没有搜集到位,。对于这些具有良好实用性的接头形式仍需进一步了解开发,以期望把国内的盾构隧道设计施工上升到一个新领域。