深埋排水盾構(gòu)隧道接頭鑄鐵件力學(xué)性能試驗

閆治國， 周 龍， 朱合華， 沈 奕

(1. 同濟大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點實驗室， 上海 200092； 2. 同濟大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點實驗室， 上海 200092；3. 同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院， 上海 200092)

盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)由預(yù)制管片拼裝而成，管片接頭的存在使得襯砌環(huán)的整體彎曲剛度相對于整體現(xiàn)澆式結(jié)構(gòu)而言必然有所降低[1-3],如何反映管片接頭的連接形式及其對襯砌結(jié)構(gòu)受力和變形的影響是盾構(gòu)隧道襯砌管片結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵問題[4-7].一些學(xué)者對管片接頭的力學(xué)特性開展了相關(guān)研究，如閆治國等[8]通過管片接頭原型荷載試驗對管片接頭轉(zhuǎn)動剛度、彎矩傳遞系數(shù)等盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)計算模型中的關(guān)鍵參數(shù)開展了研究；黃宏偉等[9]從抗彎、抗剪及抗?jié)B3個方面提出管片接頭易損性評價方法，并在此基礎(chǔ)上建立了接頭易損性評價模型；彭益成等[10]借助1∶l足尺荷載試驗及三維非線性彈塑性數(shù)值模擬對單層襯砌輸水隧道管片接頭的抗彎力學(xué)特性進行了研究；朱合華等[11]對管片接頭內(nèi)力-變形關(guān)系進行了分析總結(jié)，將管片接頭抗彎剛度的變化規(guī)律總結(jié)為線性模型、雙線性模型和非線性模型；Li等[12]對上海地鐵盾構(gòu)隧道管片接頭開展了正、負(fù)彎矩荷載作用下的破壞性試驗并分析了其破壞過程.前述研究多針對普通低承載力盾構(gòu)管片接頭，該類型的管片在接頭位置不設(shè)置鑄鐵件，直接采用螺栓將2塊管片間的混凝土接頭面擰緊從而實現(xiàn)管片之間的連接.

與普通低承載力盾構(gòu)管片接頭不同，對于高剛性盾構(gòu)管片接頭，通常在接頭位置預(yù)埋鑄鐵件，鑄鐵件通過錨筋錨固在管片混凝土中，采用螺栓將鑄鐵件擰緊從而實現(xiàn)2塊管片之間的連接[13].鑄鐵件材質(zhì)通常為球墨鑄鐵，其上多設(shè)置系桿或剪切肋，構(gòu)造較為復(fù)雜.已有研究表明，鑄鐵件的選型對盾構(gòu)管片接頭整體的力學(xué)特性有較大影響[14-15].青草沙輸水隧道工程是上海市首次嘗試采用盾構(gòu)法建設(shè)單層襯砌輸水隧道的工程，該工程即采用了高剛性接頭.

對于深覆土、高內(nèi)水壓作用下的盾構(gòu)隧道，管片接頭在隧道內(nèi)滿水時軸力大幅減小，若采用雙排螺栓的連接型式可增大管片接頭剛度，減少隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形；同時雙排螺栓可以對縱縫內(nèi)外的雙排防水條提供有效的預(yù)緊力，提高接頭的防水性能.因此，提出2種不同型式的、適用于雙排螺栓連接的高剛性接頭鑄鐵件，通過開展接頭正彎矩試驗分析不同型式鑄鐵件的受力機理與破壞模式，研究適用于深埋排水盾構(gòu)隧道的高剛性管片接頭鑄鐵件.

1 試驗簡介

1.1 試驗試件及加載方式

接頭抗彎試驗共分為2組，每組試驗接頭試件采用的鑄鐵件型式不同(見圖1).其中，試件1采用平板型鑄鐵件，該鑄鐵件無側(cè)墻和底板(鑄鐵件面板最大厚度為5.0 cm，平均厚度不足5.0 cm)；試件2采用口字型鑄鐵件，有側(cè)墻和底板(鑄鐵件面板厚度為5.0 cm，側(cè)墻厚度1.5 cm，底板厚度1.0 cm).鑄鐵件材質(zhì)為QT500-7球墨鑄鐵，屈服強度為320MPa，抗拉強度為450 MPa.鑄鐵件通過強度等級為HRB400的螺紋鋼筋錨固在試件混凝土中.

a

b

c

d

e

f

為了模擬接頭的受力狀態(tài)，研制了可進行2向加載的平板型接頭抗彎試驗裝置，如圖2所示.該系統(tǒng)包括豎向、水平向加載框架，分別通過豎向及水平向千斤頂對試件施加豎向荷載P和水平向荷載F.根據(jù)圖2b中所示的荷載位移邊界條件(試件一端為固定鉸支座，另一端為可動鉸支座)可計算接頭內(nèi)力(軸力N=F，彎矩M=P·L).為了使加載過程中試件接頭部位不產(chǎn)生贅余力，豎向和水平向加載千斤頂前端均安裝了球鉸.

根據(jù)以往的研究經(jīng)驗，在評價管片接頭的抗彎性能時，可以使用直接頭代替彎接頭以簡化試驗[16-18].在襯砌管片鋼模未制作完成的前提下，為初步探討管片接頭鑄鐵件的力學(xué)性能并控制試驗規(guī)模，采用直接頭型式的試件開展試驗(試件尺寸為：1.8 m × 1.5 m × 0.6 m).其中，采用平板型鑄鐵件的直接頭端面有止水槽，采用口字型鑄鐵件的直接頭端面無止水槽.對于接頭端面有止水槽的試件，在止水槽處粘貼彈性橡膠密封墊，其材質(zhì)為三元乙丙橡膠.接頭試件混凝土強度等級為C60.2塊直接頭試件通過6根10.9級M39型直螺栓相連形成1組試驗試件，螺栓屈服強度為940 MPa.

1.2 試件測點布置

試件1測點布置見圖3.在正彎矩試驗過程中，接頭內(nèi)表面張開、外表面壓縮閉合，接頭內(nèi)表面張開量和外表面壓縮量均采用位移計測量，各布置3個測點；其中，接頭張開量測點編號分別為ZD1、ZD2和ZD3，壓縮量測點編號分別為ZS1、ZS2和ZS3.根據(jù)接頭端面平截面假定及內(nèi)表面張開和外表面壓縮量即可計算求得接頭的受壓區(qū)高度.螺栓應(yīng)力采用箔式應(yīng)變片測量，ZA手孔內(nèi)的3根螺栓測點編號分別為ZL1、ZL2和ZL3.鑄鐵件應(yīng)力采用箔式應(yīng)變花測量，接頭位置共有4個鑄鐵件，在ZA鑄鐵件上布置應(yīng)力測點，編號為ZY1.鑄鐵件錨筋應(yīng)力采用箔式應(yīng)變片測量，在與ZA鑄鐵件相連的每根錨筋上布置1個應(yīng)力測點.如圖3b和3c所示，ZA1至ZA7分別表示與ZA鑄鐵件相連的7根錨筋編號，而ZA11至ZA71分別表示ZA1至ZA7錨筋的應(yīng)力測點編號.

a 加載設(shè)備

b 接頭試驗荷載位移邊界條件

試件2測點布置見圖4.試件2接頭張開和壓縮量、螺栓應(yīng)力及鑄鐵件應(yīng)力測點的布置方式均與試件1相同.其中，接頭張開量測點編號分別為KD1、KD2和KD3，接頭壓縮量測點編號分別為KS1、KS2和KS3；螺栓應(yīng)力測點編號分別為KL1、KL2和KL3；鑄鐵件應(yīng)力測點編號為KY1.鑄鐵件錨筋應(yīng)力同樣采用箔式應(yīng)變片測量，在與KA鑄鐵件相連的每根錨筋上布置1個應(yīng)力測點.如圖4b和4c所示，KA1至KA8分別表示與KA鑄鐵件相連的8根錨筋編號，而KA11至KA81分別表示KA1至KA8錨筋的應(yīng)力測點編號.

1.3 試驗工況

擬建排水盾構(gòu)隧道埋深50 m.根據(jù)運營期間隧道內(nèi)水位的變化情況，可分為空管(隧道內(nèi)無水)、滿管(隧道內(nèi)充滿水)和非滿管(隧道內(nèi)有水但未充滿)3種工況，其中空管和滿管為設(shè)計控制工況，因此選取隧道內(nèi)無內(nèi)水和充滿水2種情況下的接頭內(nèi)力開展試驗.2組接頭試件的加載等級及其對應(yīng)的實際工況見表1.每一工況的加載穩(wěn)定時間為10 min[19].試驗從第1級荷載(對應(yīng)空管)開始加載，加載過程中如試件破壞即停止加載；如試件不破壞，加載至第7級荷載(對應(yīng)滿管、內(nèi)水壓為0.6 MPa)即停止加載.

a 螺栓、鑄鐵件應(yīng)力及接頭張開量測點布置

b 錨筋編號

c 錨筋應(yīng)力測點布置

a 螺栓、鑄鐵件應(yīng)力及接頭張開量測點布置

b 錨筋編號

c 錨筋應(yīng)力測點布置

2 高剛性接頭力學(xué)特性及破壞模式

2.1 鑄鐵件應(yīng)力與變形

平板型鑄鐵件接頭和口字型鑄鐵件接頭分別在內(nèi)水壓0.2 MPa和內(nèi)水壓0.6 MPa時破壞.試驗過程中每一加載等級對應(yīng)的鑄鐵件大、小主應(yīng)力見圖5.由圖5可知，平板型鑄鐵件在隧道內(nèi)水壓0.1 MPa時并未屈服，加載至0.2 MPa、試件破壞時，鑄鐵件大、小主應(yīng)力分別為436.2 MPa和110.7 MPa，大、小主應(yīng)力差值為325.5 MPa，大于QT500-7球墨鑄鐵的屈服強度320 MPa，表明平板型鑄鐵件已經(jīng)屈服；而口字型鑄鐵件在承載過程中鑄鐵件大、小主應(yīng)力差值始終小于320MPa，未達到QT500-7球墨鑄鐵的屈服強度.試件加載破壞后2種鑄鐵件的變形如圖6所示.

表1 試驗加載工況

圖5 鑄鐵件應(yīng)力

a 平板型鑄鐵件

b 口字型鑄鐵件

由圖6可知，接頭試件破壞后，平板型鑄鐵件變形為5mm，而口字型鑄鐵件無明顯變形.口字型鑄鐵件與平板型鑄鐵件相比主要有兩點區(qū)別：①口字型鑄鐵件面板的平均厚度大于平板型鑄鐵件；②口字型鑄鐵件在混凝土中的錨固能力大于平板型鑄鐵件(口字型鑄鐵件有側(cè)墻，錨筋的錨固端長度大于平板型鑄鐵件；口字型鑄鐵件有8根錨筋，而平板型鑄鐵件只有7根錨筋).總體而言，口字型鑄鐵件的剛度大于平板型鑄鐵件.因此，接頭承載過程中平板型鑄鐵件塑性屈服，而口字型鑄鐵件始終處于彈性階段，在試驗過程中無變形.

2.2 接頭張開量及受壓區(qū)高度

試驗過程中2組試件的接頭張開量和接頭受壓區(qū)高度分別如圖7和圖8所示.

圖7 接頭張開量

圖8 接頭受壓區(qū)高度

由圖7可知，在接頭正彎矩承載過程中，相同荷載等級時平板型鑄鐵件接頭的張開量大于口字型鑄鐵件接頭的張開量，主要原因是平板型鑄鐵件剛度較小，在承載過程中發(fā)生形變，未能有效地限制接頭張開量，造成接頭張開量增大.接頭張開量的增大必然導(dǎo)致接頭受壓區(qū)高度減小.如圖8所示，在接頭正彎矩承載過程中，相同荷載等級時口字型鑄鐵件接頭的受壓區(qū)高度為平板型鑄鐵件接頭受壓區(qū)高度的1.15至1.35倍.

2.3 鑄鐵件錨筋應(yīng)力

試驗過程中2種型式鑄鐵件錨筋的應(yīng)力分布規(guī)律見圖9(試件澆筑過程中部分錨筋應(yīng)力測點損壞，圖9中僅列出未損壞測點的實測數(shù)據(jù)).

由圖9可知，對于平板型鑄鐵件接頭，隨著接頭張開量增大、受壓區(qū)高度減小，ZA2至ZA6逐漸受拉，但ZA1錨筋直到試件破壞時(隧道內(nèi)水壓0.2MPa)仍然受壓，由此可見，鑄鐵件剛度不足時，鑄鐵件的部分錨筋受壓，即鑄鐵件錨筋的錨固作用未能充分發(fā)揮.而對于口字型鑄鐵件接頭試件，隨著接頭張開量增大、接頭受壓區(qū)高度減小，KA1至KA8錨筋逐漸受拉；加載至隧道內(nèi)水壓0.4 MPa時，KA1至KA8全部受拉，即鑄鐵件錨筋的錨固作用得以充分發(fā)揮.

圖9 鑄鐵件錨筋應(yīng)力

2.4 接頭破壞特征

2種不同型式的接頭破壞特征見圖10.如圖10所示，2種接頭試件在破壞時受壓區(qū)混凝土均壓碎.在正彎矩承載過程中，由于平板型鑄鐵件剛度不足，在承載過程中彎曲變形，導(dǎo)致平板型鑄鐵件接頭的張開量大于口字型鑄鐵件接頭，而受壓區(qū)高度則小于口字型鑄鐵件接頭.加載至隧道內(nèi)0.2 MPa內(nèi)水壓時，平板型鑄鐵件接頭的受壓區(qū)高度為239.5mm，口字型鑄鐵件接頭的受壓區(qū)高度為319.1 mm，由于平板型鑄鐵件接頭的受壓區(qū)高度減小，導(dǎo)致其受壓區(qū)混凝土壓應(yīng)力增大，超過了C60混凝土的抗壓強度，最終試件破壞.對于口字型鑄鐵件接頭，隧道內(nèi)水壓達到0.2 MPa之后，隨著內(nèi)水壓增大，接頭受壓區(qū)高度不斷減小，直至0.6 MPa時，接頭受壓區(qū)高度為119.8 mm，此時試件破壞.由此可見，對于高剛性接頭，若鑄鐵件剛度不足，在螺栓拉力荷載作用下發(fā)生變形，則接頭承載能力較低；若鑄鐵件具有足夠的剛度，在螺栓拉力荷載作用下無變形，則接頭承載能力較高.

a 平板型鑄鐵件接頭試件

b 口字型鑄鐵件接頭試件

試驗過程中每一加載等級對應(yīng)的螺栓應(yīng)力見圖11(因試驗前試件吊裝過程中ZL3測點損壞，圖11中無ZL3測點的實測數(shù)據(jù)).

圖11 螺栓應(yīng)力

由圖11可知，平板型鑄鐵件接頭破壞時，螺栓應(yīng)力小于10.9級螺栓的屈服強度940 MPa，表明螺栓未屈服，但根據(jù)圖5中的監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，試件破壞時鑄鐵件已經(jīng)屈服；口字型鑄鐵件接頭破壞時，螺栓應(yīng)力大于10.9級螺栓的屈服強度940 MPa.因此，高剛性接頭在正彎矩承載時的破壞特征為：首先螺栓或鑄鐵件屈服，隨后受壓區(qū)混凝土壓碎、接頭破壞.柳獻等[20]開展了低承載力類型接頭的抗彎試驗，研究表明，正彎矩承載時管片接頭破壞前螺栓屈服，隨后受壓區(qū)混凝土壓碎，其破壞形態(tài)類似于大偏壓受力截面.由此可見，高剛性接頭正彎矩承載時的破壞特征與低承載力的管片接頭相同，為大偏心破壞；但根據(jù)鑄鐵件剛度的情況，可將高剛性接頭的大偏心破壞分為2種情況：若鑄鐵件剛度充足，首先螺栓屈服，隨后受壓區(qū)混凝土壓碎、接頭破壞，且破壞時鑄鐵件未塑性屈服；若鑄鐵件剛度不足，首先鑄鐵件塑性屈服，隨后受壓區(qū)混凝土壓碎、接頭破壞，且破壞時螺栓未屈服.

試件破壞時接頭手孔內(nèi)及手孔周邊的混凝土裂縫如圖12所示.

a 平板型鑄鐵件

b 口字型鑄鐵件

由圖12可見，試件破壞時，對于無側(cè)墻與底板的平板型鑄鐵件，手孔內(nèi)及手孔兩側(cè)的混凝土表面出現(xiàn)多條裂縫；對于有側(cè)墻和底板的口字型鑄鐵件，接頭手孔被鑄鐵件側(cè)壁和底板包裹，手孔內(nèi)無裂縫，手孔兩側(cè)混凝土的表面裂縫數(shù)量及寬度也明顯小于平板型鑄鐵件接頭，說明采用有側(cè)墻和底板的鑄鐵件可以有效限制手孔內(nèi)及手孔周邊混凝土裂縫的發(fā)展.

3 討論

主要研究為2種不同型式的高剛性管片接頭鑄鐵件，使用環(huán)境為埋深50 m、最高內(nèi)水壓0.6 MPa的排水盾構(gòu)隧道.根據(jù)試驗研究，平板型鑄鐵件接頭在內(nèi)水壓0.2 MPa時即破壞，破壞時鑄鐵件變形5 mm.對于平板型鑄鐵件接頭，增加鑄鐵件面板厚度或鑄鐵件錨筋數(shù)量可以在一定程度上減小鑄鐵件的變形，但接頭手孔周邊仍會發(fā)生局部破壞現(xiàn)象.這主要是由于采用平板型鑄鐵件時，手孔側(cè)壁混凝土保護層厚度較小(見圖13a)，在鑄鐵件錨筋的拉力荷載作用下，容易造成手孔側(cè)壁混凝土出現(xiàn)拉裂縫，從而引起手孔的局部破壞.若采用口字型鑄鐵件，鑄鐵件錨筋的錨固端端部移至手孔下方(見圖13b)，此時手孔側(cè)壁無混凝土，手孔被鑄鐵件側(cè)壁包裹，在鑄鐵件錨筋拉力荷載作用時，手孔側(cè)壁不易發(fā)生局部破壞現(xiàn)象.因此，對于高剛性管片接頭，可通過增設(shè)鑄鐵件側(cè)壁和底板(即采用口字型鑄鐵件)，以達到限制手孔兩側(cè)混凝土表面裂縫發(fā)展的目的.

a 平板型鑄鐵件b 口字型鑄鐵件

圖13不同鑄鐵件型式的高剛性接頭構(gòu)造(單位：mm)

Fig.13Structuraltypesofhigh-stiffnesssegmentaljointswithdifferentductile-ironjointpanels(unit:mm)

試驗中口字型鑄鐵件接頭在內(nèi)水壓0.6 MPa時破壞.雖然不滿足0.6 MPa內(nèi)水壓的承載要求，但在破壞時鑄鐵件仍處于彈性階段(螺栓已經(jīng)屈服)，鑄鐵件自身滿足承載要求.應(yīng)用三維有限元數(shù)值分析方法，建立口字型鑄鐵件直接頭數(shù)值分析模型，忽略止水條、止水槽等細(xì)部構(gòu)造，如圖14所示.數(shù)值分析模型中材料屬性及荷載位移邊界條件均與本文試驗相同.數(shù)值分析中接頭截面高度H分別取600 mm、620 mm、650 mm、680 mm及700 mm.將表1中內(nèi)水壓0.6 MPa時的接頭內(nèi)力施加于5組不同截面高度的直接頭數(shù)值模型中，計算的螺栓應(yīng)力見表2.

圖14 數(shù)值分析模型

由表2可知，當(dāng)接頭厚度為600 mm時，對于上排2根螺栓和下排4根螺栓，數(shù)值分析模型的計算結(jié)果與接頭試驗值間的誤差分別為4.1%和-10.5%，表明采用數(shù)值分析方法分析接頭的力學(xué)特性具有可行性.在數(shù)值分析模型中，增大接頭截面高度后，靠近接頭內(nèi)表面的4根螺栓應(yīng)力明顯減小，說明增大接頭截面高度可有效減小螺栓拉力.對于口字型鑄鐵件高剛性接頭，接頭的破壞由螺栓屈服引起.當(dāng)截面厚度增大至620 mm時，螺栓最大拉應(yīng)力減小至932 MPa(小于10.9級螺栓的屈服強度940 MPa).因此，口字型鑄鐵件可以應(yīng)用在深埋排水盾構(gòu)隧道中，后期設(shè)計中可通過增大接頭截面高度(即增大管片厚度)的方式提高接頭承載力，以滿足0.6 MPa內(nèi)水壓的接頭承載要求.

表2 數(shù)值模型計算結(jié)果

4 結(jié)論

為研究適用于深埋排水盾構(gòu)隧道的高剛性管片接頭鑄鐵件，對2種型式的高剛性盾構(gòu)管片接頭開展了正彎矩試驗，分析了不同型式鑄鐵件的力學(xué)性能及高剛性接頭的破壞模式，得出了以下結(jié)論：

(1) 在高剛性接頭正彎矩承載過程中，若鑄鐵件剛度不足，在螺栓拉力荷載作用下發(fā)生變形，會造成接頭的受壓區(qū)高度減小，導(dǎo)致受壓區(qū)混凝土壓應(yīng)力增大，接頭破壞時承載能力較低；若鑄鐵件具有足夠的剛度，在螺栓拉力荷載作用下無變形，則接頭承載能力較高.

(2) 高剛性接頭在正彎矩承載時的破壞模式與大偏壓受力截面類似，根據(jù)鑄鐵件剛度的不同，可將其破壞分為2種情況：若鑄鐵件剛度充足，首先螺栓屈服，隨后受壓區(qū)混凝土壓碎、接頭破壞；若鑄鐵件剛度不足，首先鑄鐵件塑性屈服，隨后受壓區(qū)混凝土壓碎、接頭破壞.

(3) 對于高剛性接頭，若鑄鐵件剛度不足，接頭破壞時鑄鐵件錨筋部分受壓、部分受拉，鑄鐵件錨筋的錨固作用未能充分發(fā)揮；若鑄鐵件剛度充足，隨著接頭張開量增大，鑄鐵件錨筋逐漸全部受拉，其錨固作用得以充分發(fā)揮.

(4) 在高剛性接頭的設(shè)計中，采用有側(cè)墻和底板的鑄鐵件時，接頭手孔被鑄鐵件側(cè)壁和底板包裹，接頭手孔內(nèi)無裂縫；同時手孔兩側(cè)混凝土表面裂縫的發(fā)展也能夠得到有效限制，有利于提高排水隧道的防腐蝕性能.

致謝：試驗得到了上海城投水務(wù)(集團)有限公司、上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司、上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司的大力支持和密切配合，在此表示衷心感謝.