局部破損與錯(cuò)臺(tái)管片結(jié)構(gòu)力學(xué)特征研究*

張 增

(敘鎮(zhèn)鐵路有限責(zé)任公司，云南 昭通 657900)

0 引言

盾構(gòu)法作為成熟的隧道施工工法，已廣泛應(yīng)用于城市軌道交通隧道、越江跨海隧道等工程中。盾構(gòu)隧道多未設(shè)置二次襯砌，管片襯砌作為唯一承載體，起承受外荷載、防水作用。如果管片局部破損或出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)，修補(bǔ)后無法恢復(fù)至破損前的受力狀態(tài)。因此，需對(duì)管片局部破損及錯(cuò)臺(tái)進(jìn)行評(píng)估，并采取一定處理措施。

葉飛等[1]對(duì)施工期盾構(gòu)隧道管片襯砌受力特性進(jìn)行了研究；楊雨冰等[2]采用基于斷裂力學(xué)的有限元方法，研究了盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)破損機(jī)制，提出接頭模擬是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)盾構(gòu)隧道整環(huán)襯砌結(jié)構(gòu)極限承載能力和變形性能的關(guān)鍵；宋克志等[3]研究了盾構(gòu)施工階段管片受力特點(diǎn)，對(duì)常見的局部破損現(xiàn)象及原因進(jìn)行了分析；侯永東等[4]研究了盾構(gòu)管片在不同時(shí)段的破損原因及控制技術(shù)；周俊宏等[5]研究了管片修補(bǔ)塊在隧道發(fā)生縱向變形時(shí)的受力特征，通過建立縱向等效剛度模型，分析了管片修補(bǔ)塊在環(huán)縫位置處所受壓應(yīng)力與隧道縱向變形的關(guān)系，并給出管片修補(bǔ)強(qiáng)度控制值。

本文依托某城市軌道交通盾構(gòu)隧道工程，通過研究結(jié)構(gòu)受力與變形等，分析管片局部破損及錯(cuò)臺(tái)的影響，探求管片結(jié)構(gòu)修補(bǔ)的必要性，避免盲目修補(bǔ)。

1 襯砌結(jié)構(gòu)

某城市軌道交通盾構(gòu)隧道外徑6.2m，內(nèi)徑5.5m，管片厚0.35m，幅寬1.2m，采用錯(cuò)縫拼裝，為單層襯砌結(jié)構(gòu)。管片由封頂塊K、鄰接塊L1，L2、標(biāo)準(zhǔn)塊B1，B2，B3組成，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50，抗?jié)B等級(jí)P12。襯砌結(jié)構(gòu)斷面形式如圖1所示，采用16根M30接頭螺栓進(jìn)行縱向連接，采用12根M30接頭螺栓進(jìn)行環(huán)向連接。

圖1 襯砌結(jié)構(gòu)斷面形式

2 管片局部破損及錯(cuò)臺(tái)

隧道線路設(shè)計(jì)條件較差，平面曲線半徑小，縱坡坡度大，隧道穿越地層變化大，導(dǎo)致盾構(gòu)姿態(tài)、盾尾間隙控制難度較大。隧道施工過程中未及時(shí)采取有效的應(yīng)對(duì)措施，管片拼裝過程中操作不合理，導(dǎo)致部分管片缺棱掉角，部分鋼筋外露，管片接縫處有濕漬現(xiàn)象，破損情況如圖2所示。

圖2 管片破損

對(duì)管片局部破損及錯(cuò)臺(tái)原因進(jìn)行分析，除曲線施工、地質(zhì)條件突變等客觀因素外，施工過程中的操作不當(dāng)及施工質(zhì)量控制不嚴(yán)也是重要誘因[6]，具體原因如下。

1)盾尾處管片偏心量大，管片與盾尾發(fā)生碰撞，盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)盾殼損壞管片。

2)接縫面不平整或受糾偏期間千斤頂作用，管片產(chǎn)生應(yīng)力集中或翹曲現(xiàn)象，導(dǎo)致管片局部擠碎[7]。

3)盾構(gòu)推進(jìn)不到位，千斤頂行程不足，強(qiáng)行拼裝管片，導(dǎo)致管片角部崩落。

4)管片拼裝不到位，造成局部磕碰或撞擊，導(dǎo)致破損。

5)管片脫出盾尾后，受不均勻荷載作用或接頭螺栓緊固不到位，導(dǎo)致管片接縫破損。

6)同步注漿不到位或操作不當(dāng)，導(dǎo)致管片局部變形過大，接縫混凝土發(fā)生擠壓破損[8]。

3 管片局部破損時(shí)的受力與變形

管片局部破損多發(fā)生在接縫處，表現(xiàn)為缺棱掉角、局部混凝土剝落露筋、角部混凝土開裂，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生接縫滲漏和接頭螺栓外露，對(duì)破損深度5cm、破損長度<30cm的管片進(jìn)行研究(破損程度為中等偏嚴(yán)重)。

3.1 模型建立

采用有限元分析軟件ABAQUS建立管片襯砌結(jié)構(gòu)-圍巖相互作用計(jì)算模型，包括5環(huán)管片，如圖3所示。管片縱縫與環(huán)縫采用面-面接觸單元模擬，通過建立管片接頭模型考慮接頭螺栓的影響。

圖3 管片模型

共分析2種工況，工況1中所有管片均未破損，旨在提供用于對(duì)比分析的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)；工況2中僅目標(biāo)環(huán)發(fā)生破損，旨在研究破損的影響。目標(biāo)環(huán)破損采用弱化構(gòu)件截面的方式模擬，管片破損處單元被“殺死”。

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

計(jì)算得到管片應(yīng)力云圖如圖4所示。由圖4可知，局部破損導(dǎo)致管片最大mises應(yīng)力由5.695MPa增至6.968MPa，結(jié)合C50混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可知混凝土仍處于彈性階段，局部應(yīng)力增大未造成管片受壓破壞；管片破損后應(yīng)力重分布，破損管片B1塊最大主應(yīng)力最大值為0.528 9MPa，表明主拉應(yīng)力仍處于混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)；局部破損導(dǎo)致管片接縫處應(yīng)力變化較大，需注意局部破損對(duì)接縫混凝土受力性能的影響。

圖4 管片應(yīng)力云圖(單位：N·m-2)

計(jì)算得到管片豎向位移云圖如圖5所示。由圖5可知，局部破損對(duì)管片變形的影響較小，表明管片剛度基本未發(fā)生變化。

圖5 管片豎向位移云圖(單位：m)

4 管片錯(cuò)臺(tái)時(shí)的受力與變形

4.1 模型建立

管片接縫、接頭螺栓孔與接頭螺栓接觸面、接頭螺栓端與手孔內(nèi)壁接觸面采用面-面接觸單元模擬，計(jì)算過程中，按管片實(shí)際承受的外荷載進(jìn)行加載，不考慮變形引起的二階增量荷載，將管片錯(cuò)臺(tái)量作為初始位移[9]。接頭連接如圖6所示，錯(cuò)臺(tái)20mm管片模型如圖7所示。

圖6 管片接頭連接示意

圖7 錯(cuò)臺(tái)管片模型

4.2 接頭螺栓受力

本文僅給出管片錯(cuò)臺(tái)量為20mm的接頭螺栓應(yīng)力云圖，如圖8所示。

圖8 管片錯(cuò)臺(tái)量20mm時(shí)接頭螺栓應(yīng)力云圖(單位：N·m-2)

計(jì)算結(jié)果表明，因接頭螺栓孔與接頭螺栓間存在初始間隙，受接頭螺栓預(yù)緊力及接頭螺栓端頭與手孔之間約束力的影響，當(dāng)無錯(cuò)臺(tái)及管片錯(cuò)臺(tái)量為5mm時(shí)，接頭螺栓與接頭螺栓孔未接觸，即未產(chǎn)生接觸壓力，接頭螺栓受力以軸力為主；接頭螺栓與接頭螺栓孔在管片錯(cuò)臺(tái)量約為10mm時(shí)發(fā)生局部多點(diǎn)接觸，最大接觸壓應(yīng)力為2.91MPa，接縫處接頭螺栓剪應(yīng)力增大；隨著管片錯(cuò)臺(tái)量的增大，接頭螺栓與接頭螺栓孔接觸面積增加，最大接觸壓應(yīng)力不斷增大，當(dāng)管片錯(cuò)臺(tái)量為20mm時(shí)，最大接觸壓應(yīng)力為5.614MPa，當(dāng)管片錯(cuò)臺(tái)量為40mm時(shí)已達(dá)9.72MPa。

本文對(duì)接頭螺栓最大主應(yīng)力及最大剪應(yīng)力進(jìn)行重點(diǎn)分析，僅給出管片錯(cuò)臺(tái)量為20mm時(shí)的應(yīng)力云圖，如圖9，10所示。

圖9 管片錯(cuò)臺(tái)量20mm時(shí)接頭螺栓最大主應(yīng)力云圖(單位：N·m-2)

計(jì)算結(jié)果表明，管片錯(cuò)臺(tái)量為0，10，20，30，35，40mm時(shí)，接頭螺栓最大主應(yīng)力分別為1.9，17.4，72.5,135.2，168.6，205.0MPa，最大剪應(yīng)力分別為0.5，3.9，15.2，29.1，36.4，45.8MPa。隨著管片錯(cuò)臺(tái)量的增加，接頭螺栓應(yīng)力集中部位由中部(管片接縫處)向兩端轉(zhuǎn)移，以管片錯(cuò)臺(tái)量30mm為例，此時(shí)接頭螺栓最大主應(yīng)力為135.2MPa，最大剪應(yīng)力為29.1MPa，可采用5.8級(jí)接頭螺栓，具有一定安全儲(chǔ)備。

圖10 管片錯(cuò)臺(tái)量20mm時(shí)接頭螺栓最大剪應(yīng)力云圖(單位：N·m-2)

4.3 接縫混凝土受力

管片錯(cuò)臺(tái)使接縫混凝土受力狀態(tài)發(fā)生變化，本文僅給出管片錯(cuò)臺(tái)量為20mm時(shí)的接縫最大、最小主應(yīng)力云圖，如圖11所示。

圖11 接縫應(yīng)力云圖(單位：N·m-2)

計(jì)算結(jié)果表明，隨著管片錯(cuò)臺(tái)量的增加，管片接縫混凝土應(yīng)力發(fā)生了重分布，最大、最小主應(yīng)力極值均出現(xiàn)在接頭螺栓孔內(nèi)壁；當(dāng)管片錯(cuò)臺(tái)量為10mm時(shí)，管片接縫混凝土最大、最小主應(yīng)力極值分別為1.57，4.15MPa；當(dāng)管片錯(cuò)臺(tái)量為20mm時(shí)，管片接縫混凝土最大、最小主應(yīng)力極值分別為3.83，7.77MPa；當(dāng)管片錯(cuò)臺(tái)量增至30mm時(shí)，管片接縫混凝土最大、最小主應(yīng)力極值分別增至6.15，13. 60MPa；當(dāng)管片錯(cuò)臺(tái)量≥20mm時(shí)，接頭螺栓孔附近局部區(qū)域接縫混凝土發(fā)生受拉破壞；管片接縫混凝土受拉應(yīng)力集中區(qū)域面積較小，可忽略應(yīng)力集中的影響[10]；不同管片錯(cuò)臺(tái)量下，管片接縫混凝土壓應(yīng)力均處于抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，具有一定安全儲(chǔ)備。

一般情況下，地鐵盾構(gòu)隧道管片錯(cuò)臺(tái)量限值為6mm，施工不當(dāng)引起的錯(cuò)臺(tái)量≤20mm，因此認(rèn)為有限錯(cuò)臺(tái)量(≤20mm)對(duì)結(jié)構(gòu)受力(損傷)的影響較小[11-12]。

5 結(jié)語

1)管片局部破損導(dǎo)致破損周圍混凝土應(yīng)力分布發(fā)生變化，但影響范圍有限，未引發(fā)整環(huán)管片內(nèi)力重分布，故一般情況下可不考慮因局部破損產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性損傷。

2)局部破損對(duì)管片變形的影響較小，不會(huì)引發(fā)整環(huán)管片剛度發(fā)生變化。

3)管片錯(cuò)臺(tái)影響接頭螺栓應(yīng)力狀態(tài)，隨著管片錯(cuò)臺(tái)量的增加，接頭螺栓拉應(yīng)力、剪應(yīng)力增大。

4)管片錯(cuò)臺(tái)影響接縫混凝土應(yīng)力狀態(tài)，隨著管片錯(cuò)臺(tái)量的增加，接縫混凝土最大、最小主應(yīng)力極值增大。

5)實(shí)際工程中，管片局部破損及輕微錯(cuò)臺(tái)屬不可逆工序，根據(jù)本文研究結(jié)果，對(duì)管片局部破損及輕微錯(cuò)臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性修補(bǔ)的意義較小，且修補(bǔ)對(duì)管片結(jié)構(gòu)受力的貢獻(xiàn)較小，為避免運(yùn)營期修補(bǔ)塊掉落，不建議進(jìn)行砂漿修補(bǔ)，推薦清除浮塊后涂抹防腐材料。如存在露筋情況，可植筋修補(bǔ)，并使用樹脂砂漿封閉，防止鋼筋銹蝕。

6)如果管片破損嚴(yán)重，影響了隧道防水性與耐久性，需采取合適的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)措施。