基于凹凸榫受損狀態(tài)下隧道環(huán)縫剪切特性研究

周祥

（中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京 211800）

0 引言

截至2020年5月，全球現(xiàn)有直徑超過(guò)14 m的大型盾構(gòu)隧道56條［1］，其中我國(guó)有39條，占比近70%，廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、輸水隧道及管廊等，緩解了城市用地緊張［2］。盾構(gòu)隧道施工中常因姿態(tài)偏移、千斤頂頂力過(guò)大、管片拼裝質(zhì)量差、注漿壓力過(guò)大或管片上浮嚴(yán)重等導(dǎo)致管片破損。尤其對(duì)于設(shè)置凹凸榫的管片，當(dāng)環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)量超出凹榫與凸榫的拼裝間隙時(shí)，勢(shì)必會(huì)造成凹凸榫的破損，進(jìn)而降低環(huán)縫的抗剪力，環(huán)縫滲漏水會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)劣化［3］。

關(guān)于盾構(gòu)隧道環(huán)縫剪切問(wèn)題，理論計(jì)算方面，文獻(xiàn)［4-9］將隧道視作T梁，對(duì)隧道縱向剪切變形和受力進(jìn)行了計(jì)算分析。肖時(shí)輝等［10］根據(jù)接頭構(gòu)造形式指出，剪切作用下螺栓實(shí)際處于彎剪受力狀態(tài)，縱向螺栓的剪切剛度主要由其彎曲剛度控制；室內(nèi)模型試驗(yàn)方面，分為局部接頭剪切試驗(yàn)和整環(huán)加載試驗(yàn)。局部接頭剪切試驗(yàn)方面，蘭學(xué)平等［11］考慮盾構(gòu)機(jī)的頂推力作用，研究了夾片試件環(huán)縫的徑向及環(huán)向剪切性能，并認(rèn)為管片發(fā)生錯(cuò)動(dòng)后的剪切剛度為定值。郭瑞等［12］研究了環(huán)向接頭在有無(wú)螺栓情況下的剪切性能，分析了剪軸比與錯(cuò)動(dòng)量的關(guān)系、螺栓剪應(yīng)力變化規(guī)律及剪切破環(huán)形式，指出斜螺栓的剪切破壞是縱縫破壞的主要形式。李冬梅等［13］分析了荷載與錯(cuò)動(dòng)量的變化規(guī)律，得到剪切剛度的計(jì)算式及環(huán)縫面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)取值范圍。

整環(huán)加載試驗(yàn)方面，依托上海長(zhǎng)江隧道、南京長(zhǎng)江隧道、獅子洋隧道、寧波地鐵隧道等工程，文獻(xiàn)［14-20］分別采用整環(huán)360°加載方式，系統(tǒng)研究了圓形和異形大斷面盾構(gòu)隧道在外荷載作用下管片的內(nèi)力和接縫變形特征。

數(shù)值分析方面，張建剛等［21-22］依托武漢長(zhǎng)江隧道，建立了殼-非線性彈簧模型，得出了管片幅寬對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。郭瑞等［23］分析了襯砌結(jié)構(gòu)橫向受力的地層參數(shù)對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響，建議基于極限位移與隧道直徑變化率作為襯砌結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的判定。徐國(guó)文等［24］分析了滲流情況下隧道力學(xué)特性及殼-彈簧-接觸-地層模型下的接頭抗彎剛度非線性特征。張子新等［25］針對(duì)大斷面異形盾構(gòu)隧道，以修正慣用法與殼-彈簧模型，得出結(jié)構(gòu)內(nèi)力隨覆土增加的變化規(guī)律并給出了管片橫向剛度有效率及彎矩傳遞系數(shù)的取值范圍。

現(xiàn)有研究中多關(guān)注接頭拉彎性能，很少考慮接頭剪切性能，且大多數(shù)為地鐵盾構(gòu)隧道，凹凸榫沿環(huán)縫端面連續(xù)分布［26］。對(duì)于市政工程中大直徑盾構(gòu)隧道，因其采用分布式凹凸榫，其結(jié)構(gòu)形式上與傳統(tǒng)凹凸榫的差異決定了相同剪切荷載作用下所呈現(xiàn)的剪切變形和受力特征的不同，而對(duì)帶有分布式凹凸榫環(huán)縫抗剪性能的研究更為少見(jiàn)。

在實(shí)際施工中，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)嚴(yán)重偏移時(shí)，盾尾管片拼裝間隙過(guò)小往往會(huì)使管片拼裝困難，局部環(huán)縫擠壓力過(guò)大勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致凹凸榫受損。此外，當(dāng)盾尾同步注漿壓力過(guò)大或漿液凝結(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、多孔同步注漿壓力分配不合理，管片上浮會(huì)導(dǎo)致收斂變形和環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)大幅增加，同樣會(huì)使凹凸榫受損。上述2種常見(jiàn)的施工質(zhì)量問(wèn)題多出現(xiàn)在封頂位置。凹凸榫一旦受損，首先從隧道內(nèi)表觀上很難發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，其次目前檢測(cè)手段很難精準(zhǔn)判斷破損情況，更嚴(yán)重的是這種破損如果不進(jìn)行管片更換則很難修復(fù)，所以一旦隧道運(yùn)營(yíng)期產(chǎn)生過(guò)大縱向不均勻沉降，將會(huì)加速管片環(huán)縫破損和滲漏水速度，也就意味著隧道服役時(shí)間大幅縮短。因此，以濟(jì)南黃河隧道工程為背景，針對(duì)分布式凹凸榫管片的環(huán)縫剪切變形問(wèn)題展開(kāi)研究，重點(diǎn)分析凹凸榫局部損傷情況下封頂塊環(huán)縫的變形規(guī)律，為特殊管片結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)與修復(fù)理論研究提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

濟(jì)南黃河隧道工程采用大直徑泥水平衡盾構(gòu)法施工，為公軌合建盾構(gòu)隧道。隧道采用單層錯(cuò)縫拼裝結(jié)構(gòu)，襯砌環(huán)外徑15.20 m，內(nèi)徑13.90 m，厚度0.65 m，環(huán)寬2 m，采用“9+1”分塊方式。襯砌環(huán)縫通過(guò)28根M36斜螺栓連接，并設(shè)置分布式凹凸榫，環(huán)向通過(guò)30根M36斜螺栓連接成環(huán)?，F(xiàn)場(chǎng)管片凸榫破損見(jiàn)圖1。其中凹榫未損壞，僅環(huán)縫1凸榫下邊緣和環(huán)縫2凸榫上邊緣破損。

圖1 凸榫破損實(shí)況

1.1 試驗(yàn)加載方案

試驗(yàn)采取雙向加載，并行排列3塊凸榫損傷管片模擬封頂塊。為防止集中加載導(dǎo)致管片碎裂，在千斤頂與管片之間豎向設(shè)置傳力梁。水平向通過(guò)2臺(tái)千斤頂和反力梁施加水平荷載模擬軸力。管片拼接、環(huán)縫構(gòu)造和施加螺栓預(yù)緊力完全參照實(shí)際工程。

根據(jù)文獻(xiàn)［24］，水平荷載加載量為400 kN，是實(shí)際工程中單油缸頂推力的10%。水平荷載分2級(jí)加載，每級(jí)200 kN，測(cè)試15 min數(shù)據(jù)穩(wěn)定后施加下一級(jí)荷載。水平加載完成后施加豎向荷載。豎向荷載分20級(jí)，每次間隔15～30 min，在0～300 kN區(qū)間（含300 kN），每級(jí)施加50 kN；300～600 kN區(qū)間，每級(jí)施加25 kN（便于觀測(cè)分級(jí)加載量對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響規(guī)律）；600～1 000 kN區(qū)間，每級(jí)50 kN；當(dāng)荷載量達(dá)到1 000 kN時(shí)每級(jí)施加25 kN，直到破壞。水平與豎向荷載時(shí)間關(guān)系曲線見(jiàn)圖2。

圖2 荷載-時(shí)間關(guān)系曲線

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容及量測(cè)方法

環(huán)縫1和環(huán)縫2各均勻布設(shè)3個(gè)錯(cuò)臺(tái)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖3）。

圖3 錯(cuò)臺(tái)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

在直螺栓上開(kāi)槽，對(duì)稱粘貼8個(gè)應(yīng)變片。應(yīng)變片粘貼位置考慮螺栓可能產(chǎn)生塑性變形的位置（見(jiàn)圖4）。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)編號(hào)為螺栓號(hào)-應(yīng)變片號(hào)（如1-1、1-2），環(huán)縫1位置連接螺栓為1#螺栓，環(huán)縫2位置為2#螺栓。

圖4 螺栓應(yīng)變測(cè)點(diǎn)位置示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)量

隨著持荷時(shí)間的推移，環(huán)縫1處（螺栓順剪）測(cè)點(diǎn)1—測(cè)點(diǎn)3錯(cuò)臺(tái)量增長(zhǎng)幅度明顯大于環(huán)縫2處（逆剪）測(cè)點(diǎn)4—測(cè)點(diǎn)6（見(jiàn)圖5），其中測(cè)點(diǎn)3與測(cè)點(diǎn)6為凹凸榫正上方。原因在于相比環(huán)縫2處凸榫，環(huán)縫1處的凸榫破壞更嚴(yán)重，其抗剪力減小導(dǎo)致中間管片發(fā)生了水平向偏轉(zhuǎn)。管片偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象在最初持荷的4 h內(nèi)并不顯著，反而是環(huán)縫2處錯(cuò)臺(tái)增幅略大于環(huán)縫1處。初步推斷為管片拼裝時(shí)無(wú)法保證各環(huán)縫處凹榫與凸榫居中對(duì)齊，即環(huán)縫1處凹凸榫可能已經(jīng)接觸，環(huán)縫2處沒(méi)有接觸，以致加載初期環(huán)縫2處錯(cuò)臺(tái)略大于環(huán)縫1。在加載4 h后，環(huán)縫1處測(cè)點(diǎn)3錯(cuò)臺(tái)增幅明顯小于測(cè)點(diǎn)1，同樣環(huán)縫2處測(cè)點(diǎn)6錯(cuò)臺(tái)增幅明顯小于測(cè)點(diǎn)4，并且測(cè)點(diǎn)6處錯(cuò)臺(tái)量逐漸減小，表明中間管片發(fā)生雙向偏轉(zhuǎn)，測(cè)點(diǎn)1錯(cuò)臺(tái)量最大。而加載近7 h時(shí)，環(huán)縫1處錯(cuò)臺(tái)量突增意味著此處凹榫與凸榫之間產(chǎn)生明顯錯(cuò)動(dòng)，同時(shí)可能出現(xiàn)了壓裂破壞。凸榫出現(xiàn)平面外偏轉(zhuǎn)時(shí)，凹榫和凸榫逐步分離，并且環(huán)縫處管片端面之間的接觸面積也在減小，這樣使環(huán)縫抗剪力大幅下降，錯(cuò)臺(tái)量增幅更大。反之，圖5（b）中測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)5的錯(cuò)臺(tái)曲線近似直線，說(shuō)明此處凹凸榫接觸面沒(méi)有出現(xiàn)明顯錯(cuò)動(dòng)，或分離或壓碎。凸榫一旦出現(xiàn)平面內(nèi)偏轉(zhuǎn)意味著凹榫與凸榫的接觸面積減小，抗剪力減弱，并且接觸面集中應(yīng)力增幅加快，導(dǎo)致凹凸榫接觸面處的混凝土應(yīng)力更快達(dá)到允許應(yīng)力值，直至壓碎（見(jiàn)圖6）。

圖5 錯(cuò)臺(tái)量曲線

圖6 凹凸榫剪切破壞示意圖

2.2 不同剪軸比下螺栓應(yīng)變和錯(cuò)臺(tái)量

不同剪軸比下錯(cuò)臺(tái)量和螺栓應(yīng)變曲線見(jiàn)圖7和圖8。環(huán)縫1受剪錯(cuò)臺(tái)分為3個(gè)階段，各階段分界點(diǎn)剪軸比分別約為0.43和0.84；而環(huán)縫2受剪錯(cuò)臺(tái)分為3個(gè)階段，分界點(diǎn)剪軸比均約為0.49。第①階段時(shí)，環(huán)縫1螺栓應(yīng)變基本不變，環(huán)縫2螺栓應(yīng)變略有增加。結(jié)合圖5數(shù)據(jù)特征，確定環(huán)縫1凹榫與凸榫已接觸，但連接螺栓未受剪；環(huán)縫2凹榫與凸榫未接觸，連接螺栓順向受剪。第②階段時(shí)，環(huán)縫1和2處連接螺栓受剪，并且前者剪切力大于后者。環(huán)縫1處凹榫與凸榫未產(chǎn)生滑移，環(huán)縫2處凹榫與凸榫尚未接觸。第③階段時(shí)剪軸比大于0.84后，凹榫與凸榫對(duì)中拼裝條件下2者的間隙約為5 mm，螺栓孔間隙約為8 mm。可以判斷：環(huán)縫1和2凹榫與凸榫均出現(xiàn)了剪切滑移現(xiàn)象。環(huán)縫1處凹榫與凸榫接觸面局部出現(xiàn)破碎，此時(shí)連接螺栓也迅速受剪破壞。而環(huán)縫2處連接螺栓受剪產(chǎn)生變形，但沒(méi)有破壞；凹榫以凸榫為軸，出現(xiàn)了平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)法判斷凹榫和凸榫接觸面局部是否壓碎。由此說(shuō)明：不同剪軸比下環(huán)縫受力和變形狀態(tài)是不同的，這與文獻(xiàn)［27］中對(duì)錯(cuò)臺(tái)發(fā)展的前3階段描述類似。

圖7 錯(cuò)臺(tái)量-剪軸比關(guān)系曲線

圖8 螺栓應(yīng)變-剪軸比關(guān)系曲線

3 結(jié)論與建議

實(shí)際工程中因管片質(zhì)量缺陷和拼裝操作不當(dāng)經(jīng)常導(dǎo)致凹凸榫帶傷工作。當(dāng)管片脫離盾尾產(chǎn)生較大上浮時(shí)，勢(shì)必會(huì)對(duì)環(huán)縫產(chǎn)生剪切作用，進(jìn)而導(dǎo)致環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)量持續(xù)增加，最終造成凹凸榫與連接螺栓受剪破壞。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)管片足尺加載試驗(yàn)，可得出如下結(jié)論：

（1）環(huán)縫處凹凸榫受損程度和部位不同，對(duì)各環(huán)縫處連接螺栓和凹凸榫分階段的剪切受力狀態(tài)產(chǎn)生不同影響，這種影響不僅使管片產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，而且造成凹凸榫受損嚴(yán)重的一側(cè)錯(cuò)臺(tái)量增幅加大，并最先達(dá)到受剪破壞。

（2）凹凸榫受損嚴(yán)重一側(cè)，環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)大致分為3個(gè)階段，分界點(diǎn)剪軸比分別約為0.50和0.93；與之相對(duì)的另一側(cè)錯(cuò)臺(tái)分為2個(gè)階段，分界點(diǎn)為0.50。

（3）連接螺栓逆向剪切側(cè)凸榫下方破損、連接螺栓順向剪切側(cè)凸榫上方破損，對(duì)環(huán)縫抗剪力削弱較大。

（4）2個(gè)環(huán)縫均勻受剪的情況實(shí)際工程中往往不會(huì)出現(xiàn)，建議分析時(shí)應(yīng)更多討論單側(cè)環(huán)縫凹凸榫或連接螺栓分別受剪的工況，并根據(jù)試驗(yàn)分析，建議重點(diǎn)分析單側(cè)環(huán)縫凹凸榫單獨(dú)受剪的工況。