摘要:介绍了德国新颖隧道衬砌结构构造,改环形企口为卯眼、榫头式。通过深入的 分析 ,与现行的隧道衬砌结构构造比较,大大减少了管片顶裂的可能性;保证剪力的可靠传递;即使榫头受剪破坏,防水密封性能不受 影响 ;接头拼装损坏可能性少,加快拼装成环速度。故可推荐在地铁隧道工程中 应用 。关键词:隧道衬砌结构盾构法德国维司·福雷特公司(WayssFreytag)在杜塞尔多夫地铁盾构法双线隧道工程中,首次将错缝拼装的衬砌管片环肋面上连续的环形企口改为卯眼、榫头式(简称卯榫式)衬砌结构构造。每一块管片在离端头1/4弧长上设置两对腰圆形的卯眼和榫头,实现环向内力纵向传递,卯眼和榫头起剪力键的作用;在每块管片上用传力凸块(千斤顶承压块)加传力衬垫,设置3个千斤顶顶力传力区域,而使卯眼、榫头纵向不传顶力,使防水密封圈的两侧也不传顶力。这些结构构造的合理改进,改善了管片的施工和正常使用阶段的受力性能,施工速度快,拼装真圆度精度高,防水效果好,降低了工程造价,得到了欧洲各国和日本认同。这种隧道衬砌结构构造在德国慕尼黑地铁一号线东段、汉堡易北河第4条公路隧道和荷兰Botlek隧道、通向鹿特丹南部的第二条Heinenoord隧道中得到了应用。
1卯眼、榫头式衬砌结构构造和受力分析
总体布置见图1。采用双联千斤顶(2只千斤顶合一顶块),使每一块管片形成三个纵向顶力作用区域,在管片两端各安排半个顶块,形成顶块骑缝。
这种布置的主要优点是管片在纵向顶力的作用下,基本上不产生纵向次内力。这是因为空间结构三点支承是静定体系(三点不在同一直线上),当平行力系作用在支承点上时, 理论 上不管支点如何高低不平,结构不产生强制变形的内力,支点反力与作用力相等,即使在不平的环肋面上,管片也不会被顶裂。这样就改变了以往错缝拼装的最大缺点。此外,由于千斤顶顶块骑缝,可校正相邻两块管片的环平面高低差,减少环肋面不平的误差,达到了与衬砌通缝拼装不会顶裂管片的同样效果。
这种布置对盾构千斤顶提出的要求是千斤顶要做成双联千斤顶,千斤顶数量应是4的倍数,即管片分块数的4倍。如上海地铁盾构22只千斤顶需要改成12对双联(24只)千斤顶。
1.1千斤顶传力措施
在千斤顶作用一侧,设置传力凸起块,在另一侧粘贴传力衬垫(胶合板),见图2、图3,并使卯眼、榫头面不接触,不传递纵向顶力。
由于设置专用的千斤顶传力凸起块(凸起3mm),防止接缝处管片混凝土局部压损,也保证了防水密封条的槽口不会压损,提高了钢筋混凝土管片的完整性,保证了密封条的防水效果。
千斤顶传力凸块构造见图4、图5。凸块沿管片环肋面圆弧方向设置,每一管片分4块,自离管片端头30～50mm至离卯眼30～50mm,再自离卯眼的另一头30～50mm至离管片1/2处30～50mm(中间留有断口),两边对称布置。传力凸块的径向中心与管片环肋面中心一致,且与千斤顶作用力一致,其尺寸以不影响防水密封条槽损坏为原则,从图4中估计约225mm。
传力衬垫(胶合板)是管片纵向传力的支承点,又是起均布千斤顶力作用,改善了局部接触应力集中,不使管片局部压损,此外还增加了隧道衬砌结构适应纵向变形的能力。传力衬垫粘贴位置在千斤顶作用的另一侧,其形心在千斤顶合力作用线的延长线上,面积大小与千斤顶顶力相适应。传力衬垫厚度为3mm。
1.2卯眼、榫头构造
卯眼和榫头详细构造见图4、图5所示。卯眼设置在千斤顶作用的环肋面上,榫头设置在背千斤顶作用的环肋面上。
卯眼、榫头环向位置在一块管片的1/4弧长位置,使管片可以错缝相接。为使卯眼、榫头传力时外侧的防水密封圈槽不被破坏,卯眼、榫头径向中心在管片环肋面中心线向内移16mm的位置上。
卯眼深度为29mm(加传力凸块厚度3mm,总深度32mm),榫头高度为30mm。接缝间隙6mm(3mm千斤顶传力凸块和3mm传力衬垫)。为了保证卯眼、榫头不传递纵向千斤顶顶力,正常情况保持5mm间隙,即使在没有传力衬垫的情况下,仍然有2mm的间隙。
卯眼、榫头的楔斜度约为1!2.3,径向楔斜缝隙为7mm,在缝隙中再粘贴抗剪条,见图2。环向除保持斜度外,将卯眼加长50mm,增大环向间隙。
卯眼、榫头的平面尺寸,除了按传递剪力设计外,还应确保剪切破坏时首先发生在榫头上,而卯眼不破损。
1.3环、纵向连接螺栓
环、纵向螺栓均采用斜螺栓,螺栓位置在管片环、纵向接缝中合理的受力位置上,不仅减少了1/2螺栓手孔数量,而且大大缩小了螺栓手孔尺寸。这比弯螺栓受力条件好,使箱形管片变成板形管片,简化了管片构造,避免了箱形管片环、纵肋复杂配筋,提高了管片的抗裂性能。唯一要解决的是单头螺栓的安装连接 问题 ,可采取螺孔导向措施来解决。
环向每一接头设2个螺栓,交叉布置,纵缝两边各布置一个手孔。纵向每块管片设4个螺栓,单向布置,靠近卯眼的一边布置手孔,榫头的一面布置螺母。
螺栓的倾斜角度,根据螺栓的强度,管片混凝土的强度而定,接头破坏时应让螺栓达到强度极限而手孔不破坏。
在易北河第4条隧道和荷兰的GroeneHart隧道中,环、纵向连接螺栓仅作为拼装工具,隧道向前掘进一段距离后,即将螺栓卸掉,成为没有金属连接件的隧道衬砌结构。
1.4卯眼配筋
根据卯眼受剪时裂缝可能发生的位置(基本上按45°方向 发展 ),故在与裂缝垂直方向配置!10mm钢筋,沿环向表面配置Φ14mm钢筋,并与Φ10mm钢筋焊接,使Φ10mm钢筋锚固可靠,见图6。2卯眼、榫头式接头与环形企口接头比较
1)卯眼、榫头式管片在环肋面上三个区域设置了传递纵向顶力的传力凸块和传力衬垫, 理论 上是不会因环肋面不平而产生管片附加内力,大大减少了管片顶裂的可能性。环形企口式管片传力不明确,特别在衬砌错缝拼装时极容易被顶裂。
2)卯眼、榫头不承受千斤顶顶力,盾构掘进时不会顶坏,保证了剪力可靠传递。环形企口承受千斤顶顶力,容易受损,不仅 影响 了剪力传递,衬砌防水也受其影响。见图7。
3)衬砌环传递剪力时,卯眼、榫头式管片让榫头与卯眼受力,并且受剪破坏时,榫头先破坏,防水密封槽不受影响,保证了衬砌防水的可靠性,体现了以防水为中心的思路。环形企口式管片凹凸口传力,会使凹槽和防水密封槽一起破坏,影响了衬砌的防水性能;或由于拼装误差产生接头挤压,以致挤压损坏,也会影响衬砌防水。
4)管片拼装时,卯眼、榫头式管片可动度要比环形企口式管片大一倍,允许的拼装误差大,从而减少了接头拼装损坏的可能性,也加快了拼装成环速度。
3结语
在建的上海地铁4号线22km盾构法隧道结构已成定局。现介绍的新颖盾构隧道衬砌结构构造很值得借鉴。然而 应用 这一新技术尚有一定难度,要改进原有旧盾构、制作新钢模,还有新旧交替等一系列问题。期望这一新技术在上海尽快得到应用。
参考 文献
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