縱縫

隨着盾構法施工技術的迅速發展，越來越多的越江大直徑盾構隧道工程湧現出來。管片在拼裝過程中，由於管片施工誤差，會導致在接縫處產生一定的張角；相比小直徑盾構，大直徑盾構普遍存在拼裝難度大的問題；由於影響管片拼裝質量的因素很多，因此管片間的張角很難準確計算和分析。本文以南京某越江大直徑盾構為背景，通過建立橢圓度與接縫張角的關係，研究管片拼裝階段縱縫變形規律，進而分析其密封墊張開量，為今後盾構隧道雙道密封墊設計、施工提供借鑑。

某盾構隧道越江段線路隧道外徑11.2 m、內徑10.2 m；採用通用雙邊楔形環管片，厚度0.5 m，寬2 m，楔形量為55 mm。一環管片由1 塊封頂塊F、2 塊鄰接塊（L1，L2）、5 塊標準塊（B1，B2，B3，B4，B5）構成。封頂塊圓心角為16.3637°，鄰接塊、標準塊均為49.0909°。

本隧道為越江隧道，存在“隧道線路長、沿線水頭壓力高、覆土變化大”等特點。因此，其接縫防水採用雙道密封墊防水設計，以滿足接縫處的防水要求。

3.1 計算方法

作用在管片上的力有多種：在拼裝階段，管片受力主要是拼裝力、重力、環間的約束力；而在推出盾尾後，還要增加土壓力、水壓力對管片的作用。因此，為研究管片間的可能張角，必須進行假設和簡化。管片拼裝時一般是先從拱底開始拼裝標準塊、鄰接塊，最後插入封頂塊，管片的拼裝工作一般都是在盾殼的保護下進行的。在拼裝後作用於管片上的力只有管片的重力；而在管片沒有封閉成環時，可以假設管片之間是不傳遞彎矩的。在最後階段的封頂塊插入後，由於周邊的環向和縱向螺栓大部分已擰緊，可認為封頂塊的插入對其餘管片的影響是不大的，尤其對於錯縫拼裝，此時環間的凹凸榫對於管片的約束力很大。從保守的角度考慮，假設此時管片間的螺栓僅僅是順應上環管片的拼裝趨勢旋緊而已，至此可以假設在管片拼裝至推出盾尾期間，管片之間是不傳遞彎矩的。

為此，可將整環管片假設成一個由梁杆單元組成的鉸接圓環，鉸接處轉角剛度為0，在隧道側壁按照不同的橢圓度強制施加橫向變形，使之變形成橫軸橢圓和豎軸橢圓，分析各鉸接處的交角變化，以此來估計拼裝時可能的張角。

3.2 計算模型及參數的選取

（1）拼裝位置

根據管片螺栓的位置，考慮封頂塊的不同位置，假定封頂塊中心軸線水平時為0°位置（圖4）。按照封頂塊繞順時針旋轉0°（即不旋轉）,32.7272°,-32.7272°，-65.4544°，-98.1816°，-130.9088°，-163.636°，建立7個有限元模型。此處計算採用ANSYS10.0 通用軟件。

（2）計算橢圓度

在管片拼裝結束後，必須進行整環管片的橢圓度測試。控制橢圓度的目的是為了下幅管片的拼裝順利（尤其是錯縫拼裝），控制管片的形態以利於受力；而從防水角度來説，更重要的是控制接縫處的管片間張角, 以保證密封墊能有足夠的接觸面積以及足夠的接觸壓力來抵禦外水壓力。《GB50446-2008盾構法隧道施工與驗收規範》給出了關於各類盾構隧道的拼裝質量限值。

參考襯砌環直徑橢圓度，本文將計算橢圓度設定為2‰D，4‰D，6‰D，8‰D，10‰D，並根據以上橢圓度計算出隧道斷面需施加的強制位移，。

3.3 計算結果分析

變形是相等的， 因此這裏僅以封頂塊位於 32.7272°位置， 在橢圓度為 2‰D 情況下的張角範圍為-0.31°～0.31°；在橢圓度為 4‰D 情況下的張角為-0.621°～0.62°； 在橢圓度 6‰ D 情況下的張角範圍為-0.93°～0.93°；在橢圓度 8‰ 情況下的張角範圍為-1.243°～1.239°； 在橢圓度 10‰D 情況下的張角範圍為-1.549°～1.555°。封頂塊位置分別於32.7272°，0°，-32.7272°、-65.4544° ，-98.1816，-130.9088° ，-163.636° 時，很明顯可以看出，橢圓度與相應相鄰管片間夾角呈線性關係，相鄰管片之間的張角（無論是內張角還是外張角）隨着橢圓度的增大而增大。在橫軸橢圓的情況下，當封頂塊位於±32.7272°時外張角最大，當封頂塊位於±32.7272°，-130.9088°時內張角最大；在豎軸橢圓情況下，當封頂塊位於±32.7272°和-130.9088°時外張角最大，當封頂塊位於±32.7272°時內張角最大。由上述分析可以看出，無論是橫軸橢圓還是豎軸橢圓，封頂塊位於±32.7272°位置時產生的內外張角都是最大的，因此封頂塊位於±32.7272°的位置是管片拼裝的最不利位置。基於以上計算結果進行分析，由於封頂塊位於±32.7272°拼裝位置時管片對稱於水平軸，其接縫

對於接縫的防水， 密封墊處的張開量比接縫間的張角大小更為重要。為保證盾構隧道安全，基於工程偏安全考慮，認為管片縱縫發生外張變形時，以內側混凝土接觸位置作為中性軸轉動， 而計算密封墊中心位置的張開量；縱縫發生內張變形時，以外道密封墊中心作為轉軸進行轉動。

考慮到《盾構法隧道施工與驗收規範》對地鐵盾構隧道拼裝階段襯砌環直徑橢圓度不得超過±5‰D的規定，本文采用橢圓度為3‰D和5‰D分別進行分析。上節研究結果表明，當封頂塊位於±32.7272°及-130.9088°時，管片之間的內外張角最大（-130.9088°位置張角處於最大值時與±32.7272°幾乎相等），因此選用±32.7272°的封頂塊位置進行研究。

最不利拼裝角度下盾構管片發生不同水平直徑收斂變形時各縱縫的張開量如表3 所示，表中正數表示外張開量，即為外道密封墊張開；負數表示內張開量，即為內道密封墊張開。

對於封頂塊位於32.7°位置的管片，外道密封墊最大張開量發生在B3 與B2 兩標準塊之間，內道的最大張開量發生在B1 與L1 兩塊管片接縫處；對於封頂塊位於-32.7°位置的管片，接縫外道密封墊最大張開量發生在B4 與B3 兩標準塊之間，內道的最大張開量發生在L2 與B5 兩標準塊管片接縫處。在3‰D的橢圓度下，最大內外道密封墊張開量分別為2.42 mm 與3.09 mm。在5‰D的橢圓度下，最大內外道密封墊張開量分別為4.04 mm 與5.14 mm。

在管片拼裝階段，拼裝橢圓度與管片間張角呈線性關係。在相同拼裝橢圓度下，封頂塊位置對張角有影響，並且在封頂塊位置角度為±32.7276°時張角最大，其為管片拼裝的最不利位置。在封頂塊位置角度為±32.7276°時，對於規範要求的橢圓度限值5‰D，其外道密封墊的最大張開量為5.14 mm，內道密封墊的最大張開量為4.04 mm。 ^[1]