不均匀沉降下矩形顶管管节张开的预应力锚索控制方案研究.pdf

工程实践不均匀沉降下矩形顶管管节张开的预应力锚索控制方案研究金国栋，薛宸熙，杨琴，马龙祥？（1.中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司，云南昆明6 50 2 0 0；2.西南交通大学土木工程学院，四川成都6 10 0 3 1）摘要：以预应力矩形顶管为研究对象，通过建立预应力矩形顶管的精细化荷载-结构模型，针对有无预应力锚索及施设不同数量与布置方式的预应力锚索等情况，研究顶管管节发生不均匀沉降时的接缝张开行为，探明预应力锚索方案在控制不均匀沉降下管节张开上的效果，并给出了预应力锚索在管节横断面上的合理排布方式及施设位置。关键词：矩形顶管；预应力锚索；管节张开；张开控制；数值模拟中图分类号：TU92；U 4 55.4 71引言随着城市建设的日益集约化，土地资源的利用愈发紧张。因此，对地下空间资源高效利用开发成为城市建设的重要议题。而顶管法因其对周围环境影响小、速度快、自动化程度高的优点，被越发广泛应用于城市中短距离隧道和管道的施工中1-5。但相比于盾构管片通过螺栓形成的紧密连接，顶管法隧道管节间的连接通常采用钢承口的接头形式，相对较薄弱，在服役期间容易出现管节之间的过大张开，造成隧道的渗漏水从而导致更为严重的次生灾害。综合既有研究 6-12 1可以发现，目前关于提升顶管整体性及接头防水性的方法还主要依据接头受力性状对接头进行局部优化，而关于应用预应力技术控制顶管接头基金项目：西南交通大学新型交叉学科培育基金（2 6 8 2 0 2 2 KJ055）；中铁二院工程集团有限责任公司科学技术研究计划项目（院控KYY2019115（18-2 0）第一作者：金国栋，男，高级工程师；通信作者：马龙祥，男，副教授46MODERNURBANTRANSIT912023现代城市轨道交通变形并提升顶管整体性的研究还非常少见，既有研究也主要集中于探明接头的抗弯刚度。鉴于此，本文以矩形顶管为研究对象，通过建立荷载结构模型，针对预应力锚索的有无、施设数量不同、布置方式不同等情况，研究预应力锚索方案在控制管节张开上的效果，并给出其合理排布方式。2预应力顶管方案在顶管隧道中施设预应力锚索形成预应力顶管，可以提升顶管隧道的整体性。以大断面矩形预应力顶管为研究对象，在预制管节时，在管节上对称预留若干孔洞，待所有管节施工顶进到位后，在每一预留孔洞中穿人钢绞线，而后张拉钢绞线至设定预应力值并进行锚固，最后，再往预留孔洞内灌浆，从而使预应力钢绞线和周边混凝土结为一体，形成有效的预应力顶管。大断面矩形预应力顶管方案如图1所示。结合工程实际情况，并参照地下工程防水技术规范关于裂缝的控制标准，取0.2 mm作为管节间张开量的控制量值，认为当管节间张开量大于0.2 mm时，管节间有出现渗漏水的风险。3数值模拟利用ANSYS有限元软件进行数值分析，采用实体力筋法建立预应力顶管隧道结构模型。模型对16 节管节进行建模分析，管节内净空尺寸取为6.0 m4.0m1.5m，工程实践不均匀沉降下矩形顶管管节张开的预应力锚索控制方案研究锚索管节预留孔洞2772a整体模型1a管节横断面图管节预留孔洞锚具锚索b1-1断面图管节预留孔洞锚索锚具钢壳后一节顶管前一节顶管地层弹簧b细部模型顶管管节接口钢板管节间链杆C2-2断面图图1预应力顶管方案图管节混凝土厚度取为0.4 5m。力筋建模方式采用节点耦合法，预应力施加方法采用降温法，其中力筋弹性模量为2 10 GPa，热膨胀系数为1.2 10 5/，假设预应力钢绞线采用7 12.7，单根钢绞线横截面面积约为160mm。模型采用壳单元模拟F型接口钢板；采用只受压链杆模拟管节间传力木衬垫；由于壳单元与实体单元结点自由度不完全耦合，壳单元一端通过多点耦合（MP C）方法与管节实体单元固接，而另一端通过摩擦接触面的方式实现与实体单元的连接。以施加4 根预应力筋的模型为例，建立模型如图2 所示，其余模型除预应力筋的数量和位置，均与该模型相同。在模拟中，预应力和外荷载的施加分2 步进行，其具体过程如下：（1）采用节点耦合法，在原有模型基础上建立力筋模型；（2）对力筋单元施加低温荷载，完成预应力的施加；预应力筋c局部模型图2 顶管数值模型图（3）施加相应位移边界条件，模拟纵向不均匀土体沉降的作用效应；（4）进行模型求解。4预应力对顶管接缝张开行为的影响分析4.1工况设计为确保结构受力的对称性并尽可能适应顶管周围各种地层变形对结构的影响，预应力筋在顶管横截面上宜以均匀分布的原则来设置。首先讨论4 根预应力筋的情况，4 根预应力筋均匀布置在距顶管外轮廓1/3 厚度（15c m）处，它们的具体布置如图3 所示。对模拟地层弹性抗力的链杆远离结构端的结点施加强制位移边界以用于模拟土体的沉降，土体沉降w，（x）采用peck地层沉降公式进行模拟，为观测点距沉降槽最大沉降位置的距离，具体见式（1）。在本节的模拟分析中，沉降槽宽度系数i取为4 m，沉降槽中心最大沉降量现代城市轨道交通9/2023MODERNURBAN TRANSIT47工程实践不均匀沉降下矩形顶管管节张开的预应力锚索控制方案研究表1顶管张开量预应力筋测点编号测线1张开量测线2 张开量测线3 张开量测点10.268测点20.251测点30.235测点40.226测点50.226图3 预应力筋布置示意图测点6测点7ws,。取为2 mm，出现在顶管管节中部（第8 与第9 管测点8节接口处）。w,(x)=ws,o exp(-4.2管节纵向（Z向）位移图4 给出了是否施作预应力筋2 种情况下顶管沿Z方向的位移云图，可以看到，顶管管节Z向位移突变最大的管节为第7 与第8 管节、第8 与第9 管节以及第9与第10 管节底部接头处。将施作预应力筋计算得到的管节张开量记录于表1，并绘制顶管底板张开量分布图，如图5所示，选择测线1、2、3 分别研究7、8 管节，8、9管节，9、10 管节的接头底部张开量。从表1所示的数据中可以看到，顶管施加预应力前后张开量最大位置均位于第8、9 管节接缝处，且都主要位于接缝底部两端。图4 中无预应力顶管的最大接缝张开量可达0.6 4 mm，而预应力顶管的最大接缝张开-.573E-03-.339E-03-.456E03-.221E-03a有预应力筋-.564E-03.306E-03-.435E-03-.177E-03b无预应力筋图4 顶管Z方向位移云图（单位：m）mm0.4210.2550.4080.2310.3960.2070.3900.1950.3900.1950.2350.3960.2510.4080.2680.421(1)22最大张开量0.421 mm-.104E03.131E-03.136E-04.248E-03最大张开量0.64mm-.478E-04,210E-03.813E-04.340E-030.2070.2310.255测点1测点8测点2测点3.366E-03.483E-03.469E-03.598E-03测点点5点46a测点分布0.45-0.400.35-0.300.25-0.20-L1图5有预应力筋顶管底板外轮廓测点的张开量量则下降至0.4 2 1mm，降幅达3 0%。此外，预应力工况下，第7、8 管节间张开量和第9、10 管节间张开量相较于第8、9 管节间接缝的张开量较小，但仍超过限值，约为0.2 5mm，且相较于无预应力工况有少量增加。测测测点77、8 管节8、9 管节9、10 管节23b测点张开量45测点67848MODERNURBANTRANSIT9/2023现代城市轨道交通工程实践不均匀沉降下矩形顶管管节张开的预应力锚索控制方案研究5预应力量值对接缝张开量的影响分析第4 节的研究表明，在管节全长施加沿纵向的预应力后，管节的整体性得到了提升，但是顶管接缝最大张开量仍然超过控制限值0.2 mm。因此，本节通过数值模拟的方式对不同预应力量值下管节接缝的张开量进行研究，以期揭示预应力量值对管节接缝张开量的影响规律。5.1工况设计通过设置不同的力筋数来模拟不同量值的预应力，预应力筋布置图如图6 所示，所设的工况具体如表2 所示。其中不同工况下的预应力F，可结合力筋总横截面积A、弹性模量E、降温温度T及热膨胀系数通过式（2）计算得到。各种工况下预应力力筋均布置在距顶管外轮廓1/3 厚度（15cm）处。F=EAT5.2不同预应力量值下管节纵向（Z向）位移分析数值模拟结果如图7 所示（图7 中仅给出预应力筋数目为4 根、12 根情况下的位移云图），当预应力筋数目为4 根时，Z向最大位移为0.4 8 3 mm，而当预应力筋数目逐步增加至6、8、10 及12 根时，顶管Z向最大预应力筋预应力筋a4根b6根预应力筋c8根e12根图6 不同根数预应力筋布置示意图表2 不同预应力筋工况设置工况预应力筋数/根单根钢绞线预应力总预应力142638410512.573E03.339E03-.456E-03-.221E-03a4根(2)-.930E-04-.382E-04图7 顶管Z向位移云图（单位：m）位移将逐步减小至0.4 3 1mm、0.4 2 6 m m、0.3 9 9 m m 及0.400mm，这表明随着预应力的增加，顶管的Z向最大位移在不断减小。为进一步研究各预应力施加量值对顶管管节在不利荷载下接缝张开量的控制效果，将沉降最大位置及附近位置对应2 管节间底板外侧测线位置处的张开量绘制成图，如图8 所示。可以得到，各个管节间接缝张开量均在两端达到最大，且第8、9 管节间张开量始终最大。随着预应力筋数目的增加，各个管节间张开量均在不断减小。当预应力筋数目达到6 根时，管节接缝最大张开量仅0.3 15mm；当预应力筋数目达到8 根时，管节接缝d10根张开量0.2 55mm；当预应力筋数目达到10 根时，管节接缝张开量0.2 0 1mm；当预应力筋数目达到12 根时，管节接缝张开量0.16 1mm，此时管节间接缝张开量已满足0.2 mm的控制标准，因此，当地层最大沉降为2 mm时，设置12 根预应力筋可使管节间接缝张开量满足相应的控制标准。管节接缝最大张开量随预应力筋数目变化曲线图如图9 所示。随着力筋数目的增加，管节间接缝在逐渐kN161644161966161128816116101611932-.104E-03.131E-03.136E-04.248E-03-.166E-04.126E-03.714E-04.181E-03b12根.366E-03.483E-03.236E-03.345E-03.291E-03.400E-03现代城市轨道交通9/2023MODERNURBANTRANSIT49工程实践不均匀沉降下矩形顶管管节张开的预应力锚索控制方案研究张开量控制值0.454根力筋6根力筋8根力筋0.30T10根力筋一12 根力筋0.25wu/鲁0.20-Q.150.10Q.05121201图8 引张开量随预应力筋数变化图50MODERNURBANTRANSIT9/2023现代城市轨道交通0.40上0.350.30F0.25上0.200.1534测点a第7、8 管节间张开量4根力筋6根力筋8根力筋-10根力筋12根力筋wu/鲁0.30.20.134测点b第8、9 管节间张开量+4根力筋6根力筋+8根力筋10根力筋0.24-12根力筋0.200.16+wu/鲁0.12-0.080.04Q.0023c第9、10 管节间张开量4565645测点67878678预应力筋数/条图9 最大张开量随预应力筋数目的变化趋势减小，这表明力筋对控制管节间接缝张开量的效果逐渐增加。但接缝张开量的减小值并非与力筋数目呈线性关系，增加力筋数目带来的张开量控制效果在随着力筋数目的增加过程中呈逐渐减弱的趋势。6预应力筋排布方式对接缝张开量的影响研究6.1力筋到管节中心距离的影响以预应力筋到管节中心距离为变量，对不同距离下预应力力筋在控制管节接缝张开量上的效果进行研究。在上节基础上，研究预应力筋靠管节内侧布置与靠外侧布置2 种工况。其中，工况1中预应力力筋均布置在距顶管内轮廓1/3 厚度（15cm）处，而工况2 中预应力力筋均布置在距顶管外轮廓1/3 厚度（15cm）处。2 种工况下，预应力筋的数量均为12 根，且力筋在横断面上的排布方式设置相同。根据数值模拟结果，工况1与工况2 的最大Z向位移都约为0.16 4 mm，2 种工况下管节的Z向位移分布无明显差异。因各管节规律相近，仅分析第8、9 管节间接口底部张开量，如图10 所示，从中可以看出，工况1和工况2 中各接头张开量几乎无明显区别，这表明预应力力筋与管节外表面之间的距离对顶管管节接缝张开量的影响并不明显。因此，从耐久性考虑，建议力筋布置8910在顶管管节衬砌厚度方向的中间1/3 区域以内。6.2预应力筋排布方式的影响依据预应力筋对称布置原则设计了如图11所示的5种力筋排布方式，并对它们在控制管节接缝张开上的效果进行系统研究。12不均匀沉降下矩形顶管管节张开的预应力锚索控制方案研究工程实践对管节接头底部张开量进行统计，第7、8 管节，0.18工况10.16+工况20.14-0.120.100.080.06Q.0412图10 第8、9 管节接缝张开量a工况1b工况2c工况3d工况4e工况5图11预应力筋排布工况设计以工况3 数值模拟结果为例，如图12 所示，在所有考虑工况中，管节纵向位移分布及最大量值差距不大，其中工况3 中最大纵向位移最小，为0.4 mm。-.930E-04.166E-04-.382E-04.714E-04图12 Z向位移云图（工况3）（单位：m）第9、10 管节间张开量在5种工况下变化并不明显，因此不着重分析。不同工况下第8、9 管节底板外轮廓测线上的张开量分布如图13 所示。具体而言，第8、9 管节接头各测点在工况1下张开量均为最小；在工况5下张开量均最大；在工况3 下，第8、9 管节间测点3 测点6 处张开量与工况2 相近，而测点1和测点8 处张开量与工况4 相近。134测点.126E-03.236E03.181E-03.291E-03567.345E-03.400E-0380.20wu/鲁0.180.160.140.120.100.080.060.0412统计不同工况下管节接缝最大张开量并将其绘制成曲线，如图14 所示。根据图14 将各工况按管节接缝张开量控制效果进行排序，可得效果从好到差依次为：工况1 工况2 工况3 工况4 工况5，其中工况1的最大张开量最小，仅为0.14 7 mm，而工况5的最大张开量最大，可达0.17 7 mm。结合工况中力筋分布情况以及图14 中最大张开量的变化趋势，可以得知，相同预应力下，预应力筋分布在管节顶部与底部对控制管节在土体沉降作用下的张开效果更好。7结论本文针对顶管隧道服役期间在不利荷载作用下相邻管节接缝可能出现过大张开的缺点，提出了通过钢绞线对顶管全长施加预应力以控制顶管管节接头处张开变形并提升顶管整体性的解决方法。通过上述研究，可以得到如下结论。（1）相较于无预应力的情况，采用预应力接头技术234534测点图13管节接缝张开量5678现代城市轨道交通9/2023MODERNURBANTRANSIT551工程实践不均匀沉降下矩形顶管管节张开的预应力锚索控制方案研究2020,20（3 3)：13 7 9 1-13 7 9 8.0.1804】彭立敏，王哲，叶艺超，等.矩形顶管技术发展与0.175研究现状 .隧道建设，2 0 15，3 5（1)：1-8.0.1705贾连辉.矩形顶管在城市地下空间开发中的应用及0.165前景 .隧道建设，2 0 16，3 6（10)：12 6 9-12 7 6.0.1606】董文秀.矩形顶管F型承插接头抗剪刚度模型与变0.155形机制 D.内蒙古包头：内蒙古科技大学，2 0 2 1.0.1507】钟祖良，李洋，刁小军，等，连接构造对混凝土管节接头受力特性影响研究 .中国水利，2 0 2 1（19)：0.145工况1工况2工况3工况4工况5图14 不同工况下的管节接缝最大张开量后，相同土体沉降下管节接缝张开量将明显减小，且量值的减小幅度将随着所施加预应力量值的增加而逐渐降低。因此，对管节施加一定量值的预应力，可以期望管节在一定量值的土体不均匀沉降作用下仍可保证管节接头处的张开量满足防水控制标准。（2）对于顶管承受不均匀土体沉降的情况，将预应力锚索主要排布在顶板以及底板中，可以更为有效地控制管节接头处的张开变形。（3）预应力锚索在管节厚度方向上的施设位置对控制管节接头张开变形效果的影响并不明显，为了方便施工并保证锚索的耐久性，宜将预应力锚索布置在顶管管节衬砌厚度方向的中间1/3 区域以内。（4）实际工程中结构施加的预应力大小由力筋伸长率以及力筋总横截面积所控制，在每根预应力筋伸长率一定的情况下，所需要的预应力越大，意味着所需的预应力筋消耗越多、耗费的成本也越大。因此，若需采用预应力顶管技术来提升顶管的整体性，施加在顶管上的预应力量值应在满足不利荷载作用下管节接缝张开量控制要求的前提下，考虑经济成本择优确定。参考文献1杨转运，龚尚龙，刘会，等.微型顶管隧道施工关键技术 .现代交通技术，2 0 0 7（1)：6 1-6 4，8 7.2丁家浩，彭立敏，雷明锋，等.大断面矩形顶管隧道开挖面稳定性三维极限分析方法 J.铁道科学与工程学报，2 0 2 2（8)：2 3 6 9-2 3 8 0.3张艳林，曾天成，甘甜，等.真实复杂地层大直径钢顶管三维数值模拟研究 J.科学技术与工程，52MODERNURBANTRANSIT912023现代城市轨道交通58-60.8】厉扬戈.顶管电力隧道接头力学性能及控制指标研究 D.辽宁大连：大连理工大学，2 0 2 0.9胡新朋.大断面矩形混凝土顶管隧道管节接头结构研究 .铁道建筑，2 0 17，57（8)：6 5-6 8.10黄伟.大断面矩形顶管隧道管节结构优化设计 .隧道建设（中英文），2 0 2 0，4 0（6)：8 59-8 6 7.11吴东鹏，徐瑶，陆明，等.顶管法地铁车站管节接头防水试验研究 .中国建筑防水，2 0 19（8)：4 2-4 5，50.12刘端省.预应力管道节段接头施工关键技术及质量控制 .科学技术创新，2 0 2 2（16：9 7-10 0.收稿日期2 0 2 3-0 5-2 3责任编辑冒一平Study on prestressed anchor cable controlscheme of rectangularpipe-jackingsubjected to uneven settlementJin Guodong,Xue Chenxi,Yang Qin,et al.Abstract:The rectangular prestressed pipe-jacking istaken as the research object.A refined load-structure ofthe rectangular prestressed pipe-jacking is modeled forthe presence or absence of prestressed anchor cables andthe installation of different quantities and arrangements,which aims at the study of the joint dehiscence ofpipe-jacking with uneven settlement.The effect of theprestressed anchor cables on joint dehiscence of pipe-jacking with uneven settlement is manifested,and thereasonable arrangement and installation location on thecross-section is given.Keywords:rectangular pipe-jacking,prestressed anchorcable,opening of pipe joint,opening control,numericalsimulation