程斌
（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海，200092）
【摘 要】由于输水隧道承受内压，需采用刚性管片连接件，本文通过三维有限元分析，对不同布置形式的管片铸铁连接件进行计算、分析，并进行对比优化，确定了构造形式，并成功应用与输水隧道中。
【关键词】输水隧道；盾构；管片；连接件；优化
引言：
随着我国城市进程的发展与要求，城市供水、排水工程越来越多地采用输水隧道，其建设规模（长度、直径）也越来越大，采用盾构隧道进行实施占很重要的比例，但盾构隧道管片接头是盾构隧道衬砌环的薄弱环节，其力学性能显著影响着衬砌结构整体的力学行为。输水隧道工程如采用单层衬砌，则与一般用于交通的盾构法隧道不同，除了承受外侧的水土压力还要承受内部高水压的反复作用，衬砌管片和接头的受力情况更加复杂。因此，为了使输水隧道单层衬砌结构的设计安全、合理，应对复杂的受力状态和防水，衬砌结构的接头形式也更为复杂，对其力学性能的要求也更高。本文通过某输水隧道工程，考虑覆土约30m,内水压约40m，盾构直径6.4m。对其管片接头形式进行研究与分析，提出了采用预埋铸铁手孔，加短螺栓连接，形成刚性的接头形式。并通过有限元对多种铸铁连接件的接头，结合管片防水、安装、填充等要求，进行计算分析，确定铸铁连接件的型式，并提出优化及建议。
1．输水隧道管片接头形式的选择
1.1 输水隧道及其管片接头的特点
输水隧道不同于一般的交通隧道，由于内水压的作用，隧道管片及其接头处于大偏心受压，甚至为出现偏拉的情况。输水隧道的薄弱环节—管片接头也要满足三大控制要素：强度和变形、耐久性、水密性。
（1）强度和变形：所有接头构件均应满足承载力的要求，即要求接头构件的承载力值大于接头构件的设计值。
（2）受力铸铁构件的防腐蚀与材料的耐久性
构件的防腐一般通过防腐涂层及加强防水等措施来达到保证其耐久性的要求。材料的耐久性通过控制材料中有害物质的含量来达到材料本身的耐久性要求。
（3）接缝的水密性
对接缝的水密性，在变形控制的前提下，一般通过增设橡胶接缝止水条的措施，来达到防水的要求。
鉴于以上特点，结合工程中隧道承受内外压力、穿越的地层较多、覆土变化会较大，同时考虑抗震设防的要求，管片的环、纵向接头应采用高刚度的螺栓连接件。
1.2输水隧道管片接头的选择
目前国内的盾构法隧道管片一般都采用混凝土手孔、长螺栓式连接的方式。在高刚度接头上，国内有用于地铁双圆盾构区间隧道的铸铁手孔埋件、短螺栓连接的方式（图1）。
国外，日本还有水平插销式纵缝接头（如图2），无手孔，适合于的输水隧道，在日本也有其应用实例，但水平插销式连接对盾构施工技术要求高，且有知识产权，其价格较高。
图2 水平插销方式的连接件
通过对两种的比较分析，铸铁手孔埋件连接件，在盾构隧道埋深、直径在一定范围内，根据衬砌结构的接头计算结果，隧道环与环间以16根M30的纵向螺栓相连，既能适应一定的纵向变形，又能将纵向变形控制在防水要求的范围内。该方法的施工也相对容易，其价格比水平插销式连接经济。
2．铸铁连接件的型式及受力分析
铸铁连接件可以根据管片厚度与宽度，结合受力要求，按其螺栓布置形式分单排、双排（如图3、4）。
考虑到对埋件进行比选，为简化计算，建模中没有模拟锚筋，对锚筋孔顶面考虑固定。螺栓与垫圈为一体，垫圈与埋件间采用接触面单元进行模拟。通过计算分析与研究，以选取合适的铸铁埋件型式。
图3 单排连接件剖面图
图4 双排连接件剖面图
2.1 单排铸铁连接件
计算采用ANSYS进行分析，通过同一工况的进行多种分析计算，得出其应力与变形，限于篇幅，其摘取单排铸铁连接件部分计算结果如下：
通过表中结果可知，采用单排连接件，其应力超过500MPa，材料选择较难。从受力计算后，在大偏压、大偏拉、小偏拉情况下，管片主要由螺栓来承受内水压力，采用双排连接件设置，可以有效改善接缝受力及减少接缝的张开量，增大管片接头的刚度，减少衬砌环的变形及水位变化引起的变形。
3．铸铁连接件的优化
通过上节的分析，在总体选择双排单层盾构隧道预埋件的基础上，结合管片构造、防水对铸铁连接件的要求及影响，通过模拟分析计算对铸铁连接件进行优化如下：
3.1两种工况计算
铸铁连接件的优化分析与计算，要在管片整体计算的基础上，取其中各螺栓不同工况的设计拉力值，采用专用软件，对铸铁连接件进行复核计算，再考虑其中两种工况如下：
工况一：上排螺栓孔螺栓拉力180kN，下排螺栓孔中螺栓拉力450kN。
工况二：上排螺栓孔螺栓拉力402kN，下排螺栓孔中螺栓拉力100kN。
两种工况的计算结果，分别取位移、应力结果如图9、图10。
图10 工况二的应力图
3.2 防水槽口调整
由于接头处内侧需设置防水槽口，该槽口对铸铁连接件有削弱，优化分析其位置对铸铁连接件的受力影响，本文列举出，将槽口向下移10mm后，再按工况一、工况二进行分析，其计算结果如图11、图12。
图12工况二应力图
3.3 计算结果汇总
通过整理计算结果为表2
表2 槽口调整前后铸铁连接件的计算结果汇总表
通过分析可知，槽口下移后，最大应力的峰值降低了，对整个铸铁连接件的整体受力有了明显的改善。
4．结论
由于输水隧道承受变化的内压荷载后，对盾构隧道的管片接头提出了更高的要求，在一定的内压荷载范围内，采用铸铁连接件可以很好地满足高刚性接头的要求。同时在盾构施工的便利性、隧道整体经济性上，也有很好的效益。
隧道衬砌结构承受内水压力时，接缝处部分螺栓也将承受拉力，接缝的稳定也由这部分螺栓保证，而当该部分螺栓由于种种原因应力发生变化。同时，螺栓本身的塑性变形、管片接缝处接触面的精度、螺栓及手孔的材质等原因，都将引起螺栓的应力松弛。这些需要进一步研究并考虑相应的措施。
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论文作者:程斌
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年5月总第210期
论文发表时间:2016/7/15
标签：管片论文; 隧道论文; 螺栓论文; 盾构论文; 铸铁论文; 连接件论文; 工况论文; 《工程建设标准化》2016年5月总第210期论文;