吳鑫林

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

垂直頂升法是在已建隧道頂部開(kāi)口，利用千斤頂將預(yù)制管節(jié)采用“悶頂”的方式向上頂出的施工方法[1-3]。垂直頂升法施工區(qū)域位于水平盾構(gòu)隧道中，頂升施工會(huì)需在管片上進(jìn)行局部開(kāi)口，導(dǎo)致管片整體結(jié)構(gòu)性能發(fā)生變化，同時(shí)頂升施工過(guò)程中管片會(huì)受到朝下的頂升反力、豎向管節(jié)的重力等特殊力的作用[4]。因此，垂直頂升法中的水平盾構(gòu)隧道管片受力與一般的盾構(gòu)隧道管片設(shè)計(jì)有較大的不同，對(duì)水平盾構(gòu)隧道的受力計(jì)算方法進(jìn)行研究非常有必要。

目前，對(duì)于管片設(shè)計(jì)計(jì)算，國(guó)內(nèi)常用的方法為荷載結(jié)構(gòu)法，用荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算盾構(gòu)管片內(nèi)力，其關(guān)鍵在于管片受力模型的確定[5]。針對(duì)管片受力模型，目前常用的勻質(zhì)圓環(huán)法和梁彈簧模型，上述模型的建立均需要對(duì)管片截面合理簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧瑢?duì)于混凝土管片，其截面均勻，可直接簡(jiǎn)化為環(huán)狀的矩形截面梁，而對(duì)于鋼管片，其截面形狀怪異，其計(jì)算模型建立則存在一定的難題，需進(jìn)行進(jìn)一步研究。

本文結(jié)合具體工程案例，對(duì)垂直頂升法中的鋼管片設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，針對(duì)鋼管片計(jì)算模型簡(jiǎn)化、垂直頂升各階段管片受力進(jìn)行分析，最終基于計(jì)算結(jié)果對(duì)鋼管片設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)，相應(yīng)成果可為垂直頂升法相關(guān)工程的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程背景

廣東太平嶺核電規(guī)劃6臺(tái)百萬(wàn)千瓦級(jí)核電機(jī)組，其海工工程采用“明取暗排”方式建設(shè)，6臺(tái)機(jī)組共用一條取水明渠，溫排水通過(guò)6條排水隧洞排放至外海，排水隧洞分三期建設(shè)，每期建設(shè)兩條排水隧洞。排水隧洞平面軸線(xiàn)為直線(xiàn)，以253 m中心線(xiàn)間距直線(xiàn)向海域延伸，排水口采用多點(diǎn)式排水頭結(jié)構(gòu)形式，采用垂直頂升工藝施工[6-7]。

隧洞過(guò)水?dāng)嗝鏋閳A形，內(nèi)徑為5.8 m，5+1管片襯砌，管片厚度為350 mm，內(nèi)襯厚度為250 mm，隧洞外徑為7.0 m，管片環(huán)寬1.5 m，其橫斷面如圖1所示。隧道排水口部位采用全環(huán)鋼管片設(shè)計(jì)，以利用鋼制管片良好的強(qiáng)度及韌性來(lái)承受頂升口位置的集中力。在頂升口位置，利用相鄰兩環(huán)管片的鄰接塊預(yù)留頂升塊，頂升塊與管片通過(guò)螺栓相連，頂升過(guò)程中頂出，頂管與鋼管片連接示意如圖2所示。

2 管片設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 計(jì)算模型簡(jiǎn)化

基于上述論述，管片設(shè)計(jì)計(jì)算需將管片簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧?，結(jié)合鋼管片設(shè)計(jì)，對(duì)鋼管片環(huán)向剛度有影響的主要是環(huán)向肋板、環(huán)向主梁、背板和環(huán)向端板。因此，管片的梁?jiǎn)卧孛鎽?yīng)考慮為如圖3所示的截面。

考慮到圖3所示截面較為復(fù)雜，難以建模，筆者考慮從以下兩方面進(jìn)行截面簡(jiǎn)化：

1)考慮到管片內(nèi)力計(jì)算主要受截面環(huán)向剛度影響，筆者將上述管片簡(jiǎn)化為抗彎剛度、抗剪剛度、軸向剛度一致的I型截面梁(見(jiàn)圖4)。具體將管片背板作為I型截面梁的上翼緣，環(huán)向肋板、端板組合一起形成I型截面梁的腹板，將環(huán)向主梁合并形成I形截面梁的下翼緣，如此可保證簡(jiǎn)化的I型截面梁與原管片的抗彎剛度、抗壓剛度及抗剪剛度均保持一致。

2)結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，考慮到不同的管片環(huán)向剛度主要對(duì)管片彎矩產(chǎn)生影響，因此，將上述管片簡(jiǎn)化為抗彎剛度一致的矩形截面梁，如圖5所示。值得注意的是，簡(jiǎn)化為矩形截面梁其截面面積會(huì)明顯增大，導(dǎo)致矩形截面梁模型計(jì)算重力偏大，為保證計(jì)算可靠性，建模過(guò)程中應(yīng)將矩形截面梁的重力折減至與原始截面一致。

為探討上述三種簡(jiǎn)化模型對(duì)管片內(nèi)力計(jì)算的影響，筆者建立正常段水平盾構(gòu)管片受力模型進(jìn)行驗(yàn)算，受力模型選用常用的勻質(zhì)圓環(huán)法，驗(yàn)算結(jié)果如圖6～圖8所示。

基于上述計(jì)算發(fā)現(xiàn)，三種計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果較為接近，表明上述模型簡(jiǎn)化是合理的，而矩形截面梁計(jì)算結(jié)果相對(duì)差別較大，且計(jì)算結(jié)果偏小，而采用工字鋼簡(jiǎn)化模型計(jì)算結(jié)果與原模型基本一致，且工字鋼簡(jiǎn)化模型截面相對(duì)原始截面更加簡(jiǎn)潔，建模相對(duì)容易，因此設(shè)計(jì)過(guò)程中可考慮采用工字鋼截面模型進(jìn)行計(jì)算(見(jiàn)圖9)。

2.2 不同工況模擬計(jì)算

垂直頂升段隧道施工流程為：盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，拼裝頂部留有頂升口的全環(huán)鋼管片→在隧道底部安裝反力架，進(jìn)行頂管頂出作業(yè)→頂升完成，利用螺栓將頂管與管片進(jìn)行可靠連接。基于上述施工過(guò)程，頂升段鋼管片設(shè)計(jì)應(yīng)含有以下設(shè)計(jì)內(nèi)容：

1)普通環(huán)：管片拼裝和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中承受外側(cè)水土壓力，頂管頂升過(guò)程中承受外側(cè)水土荷載和隧道底部反力架傳來(lái)的頂升反力。

2)開(kāi)口環(huán)：在管片拼裝頂升過(guò)程中，開(kāi)口環(huán)管片承受外側(cè)水土壓力，其受力模式與普通環(huán)一致；頂升階段，開(kāi)口環(huán)底部承受頂升反力架作用在隧道底部的頂升反力，未開(kāi)口部位承受外側(cè)水土壓力；運(yùn)營(yíng)階段，開(kāi)口環(huán)開(kāi)口部位承受頂管傳遞過(guò)來(lái)的集中力，未開(kāi)口部位承受外側(cè)水土壓力。

3)鄰近環(huán)：頂升階段，鄰近環(huán)承受頂升反力架頂升反力、開(kāi)口環(huán)傳力來(lái)的荷載和外側(cè)水土壓力；運(yùn)營(yíng)階段，鄰近環(huán)承受外側(cè)水土壓力和開(kāi)口環(huán)傳遞來(lái)的荷載。

2.2.1 普通環(huán)受力計(jì)算

基于上述分析，普通環(huán)受力存在兩種受力工況：1)管片正常拼裝與運(yùn)營(yíng)階段，此時(shí)管片主要承受外側(cè)水土壓力，其受力簡(jiǎn)圖如圖10(a)所示；2)頂管頂升階段，此時(shí)頂升反力架影響，管片同時(shí)承受外側(cè)水土壓力和頂升反力，其荷載簡(jiǎn)圖如圖10(b)所示。

基于上述荷載工況，計(jì)算可得普通環(huán)不同工況下受力如圖11所示?；谟?jì)算結(jié)果可知，頂升階段管片受力與其他工況明顯不同，其頂升部位受力明顯偏大，實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)對(duì)頂升階段隧道底部采取一定措施以確保底部受力安全。

2.2.2 開(kāi)口環(huán)受力計(jì)算

立管頂升過(guò)程中，開(kāi)口環(huán)頂部鋼管片敞開(kāi)，頂管頂升過(guò)程中承受的頂升阻力作用于隧道底部頂升反力區(qū)，管片未開(kāi)口部位承受外側(cè)水土壓力，隧道頂升反力區(qū)承受頂管頂升反力，其荷載作用簡(jiǎn)圖如圖12所示。

開(kāi)口環(huán)頂升完成后，頂管通過(guò)螺栓與開(kāi)口環(huán)管片相連，頂管承受的水土壓力和頂管自重由螺栓傳遞至開(kāi)口環(huán)管片，管片未開(kāi)口區(qū)域承受的外側(cè)水土壓力，其荷載簡(jiǎn)圖如圖12所示。結(jié)合實(shí)際計(jì)算分析，頂管由于內(nèi)部為空腔，頂管自重常小于其體積范圍內(nèi)的水土荷載，頂管承受的外側(cè)水土壓力與頂管本身自重之和通常會(huì)小于開(kāi)口位置水土壓力，此處可以偏安全考慮，取開(kāi)口處受到的外力為外側(cè)水土壓力，其荷載簡(jiǎn)圖如圖13所示?；谏鲜龇治?，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中和頂管頂升過(guò)程中開(kāi)口環(huán)受力如圖14所示?；谟?jì)算可發(fā)現(xiàn)，由于開(kāi)口環(huán)頂部的削弱影響，開(kāi)口環(huán)頂部彎矩明顯減小，正常運(yùn)營(yíng)工況下彎矩由86.13 kN·m 降低至47.37 kN·m，頂管頂升工況下彎矩由65.49 kN·m降低至29.69 kN·m，彎矩值降低為普通環(huán)頂部彎矩的1/2～1/3，而頂部軸力基本維持不變。由此可知，開(kāi)口環(huán)的局部削弱對(duì)管片所受彎矩的降低較為明顯，而對(duì)軸力的影響較小。

2.2.3 鄰近環(huán)管片受力計(jì)算

受開(kāi)口環(huán)開(kāi)口處削弱影響，開(kāi)口環(huán)鄰近管片較普通環(huán)鋼管片而言，需承受開(kāi)口環(huán)傳遞的內(nèi)力，其不同工況下受力簡(jiǎn)圖如圖15所示。在忽略開(kāi)口環(huán)對(duì)鄰近環(huán)的影響條件下，對(duì)比上述普通環(huán)與開(kāi)口環(huán)各工況的受荷載情況，可以發(fā)現(xiàn)，兩環(huán)連續(xù)普通環(huán)與開(kāi)口環(huán)+鄰近環(huán)所承受的荷載是基本一致的，其所受的約束也是一致的，在剛度一致的情況下，二者所產(chǎn)生的內(nèi)力應(yīng)是一致的。

實(shí)際計(jì)算對(duì)比發(fā)現(xiàn)，開(kāi)口環(huán)的剛度削弱導(dǎo)致其承受的彎矩變小，而產(chǎn)生的變形則相對(duì)較大(見(jiàn)圖16)，而軸力基本未發(fā)生變化，由于鄰近環(huán)與開(kāi)口環(huán)通過(guò)螺栓連接，需滿(mǎn)足變形協(xié)調(diào)條件，變小的那一部分彎矩應(yīng)由鄰近鋼管片承擔(dān)。

基于上述分析，鄰近鋼管片承受的彎矩應(yīng)為開(kāi)口環(huán)剛度削弱傳遞至鄰近環(huán)的彎矩加上普通環(huán)承受的彎矩，考慮到管片局部開(kāi)口而減小的彎矩存在不確定性，此處為偏安全考慮，臨近環(huán)承受的彎矩考慮為普通環(huán)彎矩的2倍，而鄰近環(huán)承受的軸力則與普通環(huán)一致。

3 討論

1)本文鋼管片計(jì)算僅討論了鋼管片受力情況，而實(shí)際工程運(yùn)營(yíng)過(guò)程中鋼管片還存在內(nèi)襯，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中內(nèi)襯與鋼管片協(xié)同受力，其計(jì)算還需進(jìn)一步考慮。筆者認(rèn)為，由于鋼管片在運(yùn)營(yíng)階段會(huì)在鋼管片空腔內(nèi)充填混凝土，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可將充填混凝土后的鋼管片考慮成混凝土管片，與內(nèi)襯形成疊合結(jié)構(gòu)共同受力，因此內(nèi)襯計(jì)算可考慮為疊合板受力計(jì)算，內(nèi)襯配筋需滿(mǎn)足疊合結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)受力要求，而鋼管片受力則需滿(mǎn)足管片外側(cè)受力要求。

2)本文建模計(jì)算考慮的是鋼管片完整工況，而實(shí)際工程中，鋼管片在長(zhǎng)期海水腐蝕作用下，鋼管片外表面存在一定的腐蝕情況，因此，實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中應(yīng)考慮鋼管片腐蝕后的剩余厚度進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，保證管片設(shè)計(jì)安全可靠。

3)頂管頂升過(guò)程中對(duì)隧道底部產(chǎn)生較大的頂升反力，會(huì)導(dǎo)致隧道底部的受力變大。因此，實(shí)際設(shè)計(jì)施工過(guò)程中應(yīng)考慮采取隧道底部?jī)?nèi)表面設(shè)置反力區(qū)，反力區(qū)應(yīng)盡量保證隧道底部受力均勻，隧道底部范圍進(jìn)行土層加固以確保隧道受力滿(mǎn)足要求。

4 結(jié)論

1)本文通過(guò)對(duì)鋼管片不同受力模型的簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，將鋼管片簡(jiǎn)化為同截面高、寬的工字鋼其計(jì)算結(jié)果與原始截面計(jì)算結(jié)果相近，因此，設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中可將鋼管片截面簡(jiǎn)化為工字鋼模型。

2)本文通過(guò)對(duì)開(kāi)口環(huán)、鄰近環(huán)、普通環(huán)進(jìn)行荷載分析和受力計(jì)算發(fā)現(xiàn)，開(kāi)口環(huán)的截面削弱會(huì)對(duì)管片所受彎矩產(chǎn)生明顯影響，彎矩減小至普通環(huán)的1/2～1/3，減小的彎矩由鄰近環(huán)承受，導(dǎo)致鄰近環(huán)的彎矩增大?；诖?，設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中鄰近環(huán)的彎矩可考慮取普通環(huán)彎矩的2倍，軸力與普通環(huán)彎矩保持一致。

3)頂升過(guò)程中頂升反力會(huì)導(dǎo)致隧道底部受力陡增，設(shè)計(jì)施工過(guò)程中應(yīng)采取合理的措施削弱頂升反力對(duì)隧道底部受力的影響。