環(huán)面不平整條件下襯砌管片抗剪承載力的試驗(yàn)研究

王田宇 田威 關(guān)振長(zhǎng)

（1.中鐵三局集團(tuán)第二工程有限公司，石家莊 050001；2.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福州 350116）

盾構(gòu)法憑借其掘進(jìn)速度快、對(duì)地面交通影響較小等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為地鐵隧道建設(shè)的主要施工方法［1]。但盾構(gòu)法隧道施工過(guò)程中襯砌管片常出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，對(duì)地鐵隧道的安全性及耐久性產(chǎn)生諸多不利影響［2]。許多學(xué)者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等手段對(duì)施工過(guò)程中襯砌管片開(kāi)裂的原因展開(kāi)了深入研究。

董飛等［3]基于北京地鐵隧道病害檢測(cè)結(jié)果，分析結(jié)構(gòu)形式、配筋和運(yùn)營(yíng)時(shí)間對(duì)隧道襯砌病害形態(tài)的影響。盧岱岳等［4]對(duì)施工過(guò)程中管片裂損的形態(tài)特征及分布規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為不良千斤頂推力和管片拼裝精度是導(dǎo)致管片裂損的主要因素。王士民等［5]通過(guò)相似模型試驗(yàn)，分析了盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害的發(fā)生及擴(kuò)展過(guò)程，認(rèn)為封頂塊位于拱腰時(shí)，整體剛度較大，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多主裂縫和壓潰區(qū)。邱月等［6]基于原型試驗(yàn)，分析錯(cuò)縫拼裝時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)的局部破壞特性，認(rèn)為結(jié)構(gòu)剛度較大區(qū)域首先開(kāi)裂并導(dǎo)致整體剛度重分布。朱瑤宏等［7]通過(guò)原型試驗(yàn)研究了凹凸榫環(huán)縫的抗剪性能，認(rèn)為抗剪強(qiáng)度和剛度主要受接縫間摩擦力和凹凸榫咬合作用的影響。Buco，Molins 等［8-9]通過(guò)原型試驗(yàn)，論證了鋼纖維管片用于防控施工階段管片開(kāi)裂病害的可行性，并對(duì)其環(huán)縫受壓、抗剪及抗彎性能展開(kāi)了細(xì)致分析。

賴金星、盧岱岳等［10-11]通過(guò)數(shù)值模擬手段，深入研究管片裂縫開(kāi)展規(guī)律，認(rèn)為襯砌背后空洞、推力不均和推力過(guò)大是影響管片裂紋產(chǎn)生的主要因素。蘇昂［12]建立襯砌管片三維有限元模型，分析推力不均工況下裂紋形態(tài)特征與擴(kuò)展規(guī)律，認(rèn)為千斤頂最大推力位置越靠近上端部，其管片裂損區(qū)域越大，且裂紋擴(kuò)展呈臺(tái)階式遞增。Chen，Mo［13-14]通過(guò)精細(xì)化數(shù)值模擬方法研究施工階段襯砌管片裂縫的發(fā)展規(guī)律，認(rèn)為非均勻推力作用下管片裂紋主要發(fā)生在環(huán)縫、手孔及螺栓孔位置。

管片拼裝過(guò)程中環(huán)端面難免出現(xiàn)不平整，造成環(huán)端面墊片的局部脫空，導(dǎo)致受力不均進(jìn)而產(chǎn)生局部剪切裂縫；但目前關(guān)于環(huán)端面不平整（墊片局部脫空）條件下襯砌管片開(kāi)裂的相關(guān)研究仍較少。因此，本文通過(guò)單管片受力的原型試驗(yàn)研究，重點(diǎn)探討環(huán)端面不平整條件下襯砌管片的裂縫發(fā)展過(guò)程及其抗剪承載力，以期為盾構(gòu)隧道襯砌管片的設(shè)計(jì)與盾構(gòu)施工提供定量參考。

1 襯砌管片的抗剪試驗(yàn)

1.1 整體試驗(yàn)方案

以福州地鐵6 號(hào)線為工程背景，其每環(huán)襯砌由6 塊管片錯(cuò)縫拼裝，采用5+1 的通用形式進(jìn)行布設(shè)，即1 個(gè)封頂塊、2 個(gè)鄰接塊和3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊。管片厚度3500 mm、外徑6200 mm、內(nèi)徑5500 mm、幅寬1200 mm，根據(jù)不同埋深分別采用P1，P2，P3 型管片。以P2 型標(biāo)準(zhǔn)塊管片（圓心角67.5°）為試驗(yàn)對(duì)象，該管片采用C50 混凝土，彈性模量為3.5 GPa，配筋率為180 kg/m3，抗?jié)B等級(jí)為P12。

整體試驗(yàn)方案如圖1 所示。反力系統(tǒng)由4 根工字鋼柱及其地錨、2 根二級(jí)鋼梁和1 根一級(jí)鋼梁組成；加載系統(tǒng)采用3 個(gè)200 t 級(jí)的同步液壓千斤頂模擬實(shí)際施工過(guò)程中一組千斤頂?shù)捻斖谱饔谩?/p>

圖1 管片抗剪試驗(yàn)方案

各千斤頂與一級(jí)鋼梁之間敷設(shè)大面積傳力鋼板，與管片前端面之間敷設(shè)鋼撐靴，確保頂推荷載傳遞過(guò)程與實(shí)際情況一致。

管片后端環(huán)面與地面之間敷設(shè)4組橡膠傳力墊片，其敷設(shè)位置與實(shí)際工況保持一致，如圖1（b）所示。前三組墊片厚度10 mm，第四組墊片厚度取為8/4/0 mm，以模擬后端環(huán)面不平整的三種工況，即脫空高度分別為2，6，10 mm。

1.2 管片測(cè)點(diǎn)布置

采用深圳圣狄科技有限公司的BX120-100AA 型號(hào)應(yīng)變片，主要布設(shè)在右半側(cè)的內(nèi)弧面與前端環(huán)面區(qū)域，如圖2 所示，共計(jì)19 組59 個(gè)。其中18 組應(yīng)變片采用直角應(yīng)變花（45°應(yīng)變花）布置，其水平方向、豎直方向和斜方向的編號(hào)分別為xx-a，xx-b和xx-c；第13組應(yīng)變片采用一字形布置，其編號(hào)依此為13-a—13-e，如圖3所示。

圖2 應(yīng)變片布設(shè)示意（單位：mm）

圖3 應(yīng)變片編號(hào)示意

采用秦皇島市信恒電子有限公司的CML-16 型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，可直接采集試驗(yàn)過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)的線應(yīng)變數(shù)據(jù)。根據(jù)測(cè)點(diǎn)三個(gè)方向的線應(yīng)變?chǔ)舩x-a，εxx-b，εxx-c，通過(guò)式（1）和式（2）計(jì)算該測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)變?chǔ)舖ax、最小主應(yīng)變?chǔ)舖in及主應(yīng)力方向α，以便較全面地展現(xiàn)管片裂縫的發(fā)展趨勢(shì)。

1.3 加載工況

福州地鐵6 號(hào)線區(qū)間隧道的實(shí)際頂推過(guò)程中，千斤頂最大總推力約為25000 ～27000 kN；則均推工況下單個(gè)千斤頂最大推力為1562 ～1687 kN，大致相當(dāng)于試驗(yàn)所用200 t 級(jí)千斤頂額定最大推力的80%。因此，試驗(yàn)采用的加載規(guī)則為：從0 開(kāi)始按50 kN 間隔逐漸增大各千斤頂推力，直至管片出現(xiàn)明顯縱向裂縫，或達(dá)到千斤頂額定最大推力的80%（即1600 kN）。試驗(yàn)加載過(guò)程如圖4所示。

圖4 管片剪切試驗(yàn)加載過(guò)程

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 工況1（脫空2 mm）

右側(cè)墊片局部脫空2 mm 工況下，管片內(nèi)弧面12#—7#測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)變及其方向隨千斤頂推力的發(fā)展見(jiàn)圖5。最大主應(yīng)變方向以水平方向?yàn)槠鹗迹槪妫r(shí)針為正（負(fù)）。將最大荷載作用下的最大主應(yīng)變方向也標(biāo)注于圖中。

圖5 12#—7#測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)變（工況1）

由圖5 可知：千斤頂均勻推力作用下，管片局部（中螺栓孔與右螺栓孔之間的內(nèi)弧面局部區(qū)域）應(yīng)變水平顯著提高；尤其受到后端環(huán)面不平整（墊片局部脫空）的影響，10#測(cè)點(diǎn)的最大主（拉）應(yīng)變顯著高于其他測(cè)點(diǎn)；當(dāng)推力達(dá)到1600 kN 時(shí)，10#測(cè)點(diǎn)的最大應(yīng)變?yōu)?21×10-6（根據(jù)彈性模量換算后相當(dāng)于最大拉應(yīng)力0.77 MPa），但仍小于鋼筋混凝土的受拉極限應(yīng)變，管片未出現(xiàn)開(kāi)裂。

2.2 工況2（脫空6 mm）

右側(cè)墊片局部脫空6 mm 工況下，管片內(nèi)弧面12#—7#測(cè)點(diǎn)及19#—14#測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)變及其方向隨千斤頂推力的發(fā)展見(jiàn)圖6?？芍呵Ы镯斖屏π∮?00 kN 時(shí)，管片內(nèi)弧面各測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)規(guī)律與工況1 類(lèi)似；當(dāng)千斤頂推力達(dá)到1000 kN 時(shí)，10#，17#，9#測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)變發(fā)生突變（均超過(guò)18000×10-6），遠(yuǎn)大于鋼筋混凝土的受拉極限應(yīng)變，管片出現(xiàn)開(kāi)裂。

圖6 各測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)變（工況2）

從試驗(yàn)管片的實(shí)物照片上看（圖7），現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到2 條細(xì)微（開(kāi)度約為0.2 mm）的縱向裂縫。1 號(hào)裂縫開(kāi)展貫穿10#，17#測(cè)點(diǎn)，長(zhǎng)度約為35 cm，延展方向約為86°，與10#，17#測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)變方向大致垂直。2號(hào)裂縫開(kāi)展僅限于9#測(cè)點(diǎn)附近，長(zhǎng)度約為10 cm，延展方向約為100°，與9#測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)變方向大致垂直。

圖7 管片裂縫發(fā)展（工況2）

上述內(nèi)弧面上形成的裂縫未擴(kuò)展至前端環(huán)面以及外弧面，裂縫發(fā)展情況與試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)基本吻合。

水利施工現(xiàn)場(chǎng)由于具備顯著的復(fù)雜性，因此亟待對(duì)此予以綜合性的施工管理。通過(guò)推行現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)管的舉措，應(yīng)當(dāng)能在根源上消除某些潛在隱患或者其他施工風(fēng)險(xiǎn)，確保水利建筑物應(yīng)有的安全性并且杜絕某些額外的水利建設(shè)成本耗費(fèi)。由此可見(jiàn)，施工現(xiàn)場(chǎng)管理舉措應(yīng)當(dāng)能夠滲透在全過(guò)程的水利施工中，其中包含了如下的施工現(xiàn)場(chǎng)管理關(guān)鍵技術(shù)：

2.3 工況3（脫空10 mm）

右側(cè)墊片局部脫空10 mm 工況下，管片內(nèi)弧面12#—7#測(cè)點(diǎn)及19#—14#測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)變及其方向隨千斤頂推力的發(fā)展見(jiàn)圖8?？芍簤|片10 mm 脫空高度工況下，當(dāng)千斤頂推力達(dá)到600 kN 時(shí)，10#和9#測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)變已發(fā)展至1200×10-6，即1 號(hào)和2 號(hào)裂縫再次出現(xiàn)；當(dāng)千斤頂推力達(dá)到1000 kN 時(shí)，10#，17#，9#測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)變均超過(guò)18000 ×10-6，1 號(hào)和2 號(hào)裂縫的發(fā)展與工況2 基本相同；當(dāng)千斤頂推力達(dá)到1400 kN 時(shí)，1 號(hào)和2 號(hào)裂縫繼續(xù)發(fā)展，同時(shí)新出現(xiàn)3 號(hào)裂縫，如圖9所示。

圖8 各測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)變（工況3）

圖9 管片裂縫發(fā)展（工況3）

對(duì)1 號(hào)裂縫而言，雖然10#，17#測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)變不再增大（即裂縫寬度不再增大），但裂縫長(zhǎng)度繼續(xù)發(fā)展至內(nèi)弧面中部，長(zhǎng)度約為42 cm，延展方向仍為86°，與10#，17#測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)變方向大致垂直。對(duì)2號(hào)裂縫而言，除9#測(cè)點(diǎn)外，3#，4#，16#測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)變亦發(fā)生突變，即2號(hào)裂縫繼續(xù)發(fā)展至前端環(huán)面和內(nèi)弧面中部，其長(zhǎng)度約為48 cm（內(nèi)弧面）+25 cm（前端環(huán)面）。其中內(nèi)弧面上裂縫延展方向約為110°，與9#，16#測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)變方向大致垂直。同時(shí)1#，2#，8#測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)變亦發(fā)生突變，即新發(fā)展出3號(hào)裂縫，其長(zhǎng)度約為16 cm（內(nèi)弧面）+22 cm（前端環(huán)面）。其中內(nèi)弧面上裂縫延展方向約為120°，與8#測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)變方向大致垂直。

為進(jìn)一步探明1 號(hào)—3 號(hào)裂縫沿線上各測(cè)點(diǎn)主應(yīng)變隨千斤頂推力的發(fā)展過(guò)程，繪制了裂縫沿線各點(diǎn)的主應(yīng)變發(fā)展，見(jiàn)圖10。

圖10 裂縫沿線各測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)變發(fā)展

結(jié)合前述裂縫發(fā)展圖，由圖10（a）可知：千斤頂推力達(dá)到600 kN 時(shí)1 號(hào)裂縫再次產(chǎn)生；加載至800 kN 時(shí)裂縫貫穿10#，17#測(cè)點(diǎn)；加載至1400 kN 時(shí)，裂縫繼續(xù)向管片中部發(fā)展，但并未延伸至前端環(huán)面。由圖10（b）可知：千斤頂推力達(dá)到600 kN 時(shí)，2 號(hào)裂縫再次出現(xiàn)；加載至1200 kN 時(shí)，前端環(huán)面4#測(cè)點(diǎn)主應(yīng)變超過(guò)1000×10-6；加載至1300 kN 時(shí)，內(nèi)弧面16#測(cè)點(diǎn)、前端環(huán)面3#測(cè)點(diǎn)也相繼發(fā)生突變。上述結(jié)果表明2號(hào)裂縫的發(fā)展過(guò)程大致為：內(nèi)弧面→前端環(huán)面→內(nèi)弧面。由圖10（c）可知：千斤頂推力達(dá)到1300 kN 時(shí)，前端環(huán)面2#測(cè)點(diǎn)和內(nèi)弧面8#測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)變同時(shí)發(fā)生突變；加載至1400 kN 時(shí)，前端環(huán)面1#測(cè)點(diǎn)也相繼發(fā)生突變。上述結(jié)果表明3#裂縫的出現(xiàn)較為突然，延伸至前端環(huán)面，但并未向管片中部延伸。

2.4 小結(jié)

綜合3 個(gè)工況的管片剪切試驗(yàn)結(jié)果，可以認(rèn)為即使后端環(huán)面存在輕微不平整，千斤頂正常推進(jìn)時(shí)管片也不會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。若后端環(huán)面上不平整情況加劇，則千斤頂推力將使得管片局部（中螺栓與脫空側(cè)螺栓之間的內(nèi)弧面區(qū)域）出現(xiàn)較大拉應(yīng)力區(qū)域，進(jìn)而出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

以上縱向裂縫的出現(xiàn)，容易引起滲漿、滲水等危害襯砌結(jié)構(gòu)耐久性的施工質(zhì)量問(wèn)題。施工過(guò)程中應(yīng)特別注意控制拼裝誤差的累計(jì)，避免后端環(huán)面出現(xiàn)較為嚴(yán)重的不平整現(xiàn)象。

此外，還須要說(shuō)明的是，受試驗(yàn)條件限制，本文僅針對(duì)單個(gè)管片開(kāi)展抗剪試驗(yàn)，未能考慮其相鄰管片及地層的約束作用，其試驗(yàn)結(jié)果可能偏于保守。后續(xù)可通過(guò)精細(xì)化數(shù)值模擬方法，深入研究單個(gè)管片及單環(huán)襯砌在環(huán)面不平整條件下的裂縫開(kāi)展過(guò)程與分布規(guī)律。

3 結(jié)論

1）管片后端環(huán)面存在輕微不平整（即墊片局部脫空高度較?。r(shí)，千斤頂推力使脫空快速閉合，管片內(nèi)通常不會(huì)產(chǎn)生裂縫。

2）若后端環(huán)面上不平整情況加劇，則千斤頂推力將使得管片局部（中螺栓與脫空側(cè)螺栓之間的內(nèi)弧面區(qū)域）出現(xiàn)較大拉應(yīng)力區(qū)域，進(jìn)而出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。當(dāng)后端環(huán)面存在6 mm和10 mm的局部脫空時(shí)，其初始開(kāi)裂的頂推力分別為1000 kN和600 kN。

3）當(dāng)管片內(nèi)弧面出現(xiàn)初始裂縫后，隨著千斤頂推力的增大，裂縫繼續(xù)向前端環(huán)面與內(nèi)弧面中部發(fā)展，裂縫延展方向約為90° ～120°，與最大主應(yīng)變方向大致垂直。