大直徑盾構(gòu)隧道斜螺栓-凹凸榫環(huán)縫剪切特性足尺試驗(yàn)研究

田應(yīng)飛,李明宇,,陳 健,曾 力,歷朋林,3,李春林,余劉成

(1.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院,鄭州 450001； 2.中鐵十四局集團(tuán)有限公司,濟(jì)南 250101；3.中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司,南京 211800； 4.濟(jì)南城隧建設(shè)工程有限公司,濟(jì)南 250000)

截止2020年5月，全世界將近有56條盾構(gòu)隧道開挖直徑超過14m[1]，其中有69%的隧道采用泥水平衡式盾構(gòu)施工。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)受施工條件(穿越地表水系)和水文地質(zhì)條件(高水壓)影響，往往會(huì)發(fā)生較為嚴(yán)重的上浮，而上浮現(xiàn)象又會(huì)引起環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)。當(dāng)環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)量增至一定值后，將進(jìn)一步誘發(fā)環(huán)縫處管片碎裂、脫落，進(jìn)而影響同步箱涵拼裝質(zhì)量，同時(shí)，相關(guān)研究表明，隧道環(huán)縫滲漏水較縱縫更為嚴(yán)重[2-4]。為此，依托濟(jì)南黃河隧道工程，通過現(xiàn)場(chǎng)足尺管片加載試驗(yàn)，對(duì)錯(cuò)臺(tái)發(fā)展過程中環(huán)縫處凹凸榫和連接螺栓的力學(xué)特性展開研究。

目前，針對(duì)盾構(gòu)隧道管片接頭剪切變形性能的研究，主要有管片接頭力學(xué)性能試驗(yàn)[5-7]、理論推導(dǎo)[8-9]及數(shù)值模擬[10-13]方法。李冬梅等[14]對(duì)上海長(zhǎng)江隧道管片環(huán)縫進(jìn)行抗剪試驗(yàn)，對(duì)徑向和切向剪切剛度進(jìn)行了擬合，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；蔣首超等[15]研究了某矩形盾構(gòu)接頭在復(fù)合抗剪、考慮安裝誤差、凹凸榫單獨(dú)抗剪3種工況下的性能，凹凸榫單獨(dú)抗剪失效的原因?yàn)榘纪归久摮?；朱遙宏等[16]對(duì)設(shè)置有凹凸榫的環(huán)縫進(jìn)行剪切試驗(yàn)，將小直徑盾構(gòu)隧道環(huán)縫抗剪分為3個(gè)階段，接頭抗剪強(qiáng)度主要受摩擦力和凹凸榫的咬合作用影響；張冬梅等[17-18]采用數(shù)值模擬的方法研究了斜螺栓接頭的抗剪性能，提出了環(huán)縫變形的三級(jí)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，指出凹凸榫顯著提高環(huán)縫抗剪剛度和承載力，螺栓的順向剪切與逆向剪切呈現(xiàn)不同剪切特性；鞏一凡等[19]針對(duì)某類矩形縱縫接頭進(jìn)行抗剪性能研究，分析管片錯(cuò)臺(tái)量與剪軸比關(guān)系，將其分為4個(gè)階段，并對(duì)加載過程中的接頭裂縫發(fā)展情況進(jìn)行了采集；丁文其等[20]對(duì)類矩形接頭在軸力、彎矩及剪力復(fù)合受力作用下進(jìn)行了管片加載試驗(yàn)，將接頭破壞過程分為3個(gè)階段，剪力在正負(fù)彎矩工況對(duì)接頭力學(xué)性能的影響不同，正彎矩下會(huì)降低接頭抗彎性能；何源等[21]針對(duì)斜螺栓連接的破壞過程進(jìn)行理論解析，將破壞過程分為3個(gè)階段，斜螺栓的支撐條件及塑性鉸產(chǎn)生過程對(duì)環(huán)縫抗剪剛度存在較大影響。

目前，針對(duì)斜螺栓接頭研究集中于自行澆筑的直接縫，大直徑盾構(gòu)隧道環(huán)縫面常設(shè)有凹凸榫，而縱縫接頭未設(shè)置凹凸榫，這就導(dǎo)致縱縫接頭剪切特性不適用于環(huán)縫接頭。相關(guān)研究集中于類矩形、雙螺栓或四螺栓等縱縫接頭形式，而對(duì)斜螺栓-凹凸榫環(huán)縫的剪切特性研究較少。二者之間的協(xié)同抗剪機(jī)理尚未明確，抗剪性能的影響因素(榫的位置、尺寸、螺栓預(yù)緊力)也未探明，接頭抗剪失效的界限需進(jìn)一步研究。

與傳統(tǒng)隧道環(huán)形凹凸榫相比，分布式凹凸榫在環(huán)縫發(fā)生錯(cuò)臺(tái)時(shí)，每個(gè)凹凸榫均能產(chǎn)生兩個(gè)點(diǎn)接觸或面接觸，承受不同方向的剪切力，抑制錯(cuò)臺(tái)變形。為探究分布式凹凸榫、斜螺栓環(huán)縫在管片上浮過程中抗剪性能，通過現(xiàn)場(chǎng)管片足尺試驗(yàn)，對(duì)管片錯(cuò)臺(tái)過程中凹凸榫和斜螺栓的抗剪特性進(jìn)行了研究。通過錯(cuò)臺(tái)測(cè)點(diǎn)和螺栓應(yīng)變分析了凹凸榫的接觸狀態(tài)及螺栓變形狀態(tài)，對(duì)圓端型凹凸榫由點(diǎn)接觸到面接觸狀態(tài)進(jìn)行分析，并提出錯(cuò)臺(tái)控制閾值。

1 試驗(yàn)研究工程背景

本試驗(yàn)位于濟(jì)南黃河隧道工程現(xiàn)場(chǎng)，該工程為公軌合建盾構(gòu)隧道，單層錯(cuò)縫拼裝襯砌結(jié)構(gòu)，襯砌環(huán)為“9+1”分塊方式，管片外徑15.2 m，內(nèi)徑13.9 m，厚650 mm，環(huán)寬2 m。襯砌環(huán)、縱縫分別設(shè)置28根、30根M36 mm斜螺栓，環(huán)、縱縫螺栓初始預(yù)緊力分別為265 kN和105 kN。為增加環(huán)縫抗剪剛度，每個(gè)環(huán)縫面額外增設(shè)28個(gè)分布式凹凸榫，環(huán)縫面局部構(gòu)造如圖1所示。

圖1 環(huán)縫面尺寸(單位：mm)

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試件設(shè)計(jì)和加載設(shè)備

試驗(yàn)管片為濟(jì)南黃河隧道襯砌標(biāo)準(zhǔn)塊，考慮到試驗(yàn)設(shè)備尺寸和加載能力，將完整管片進(jìn)行分割，忽略管片鋼筋籠被分割對(duì)管片產(chǎn)生的影響，試驗(yàn)前將中間塊與兩端塊采用縱向螺栓連接成試驗(yàn)試件。在水平加載端設(shè)置有1 000 mm×300 mm×150 mm加載墊塊，模擬盾構(gòu)施工情景，防止施加縱向軸力時(shí)混凝土被壓裂。為使環(huán)縫面接近施工真實(shí)受力狀態(tài)，按設(shè)計(jì)要求在環(huán)縫處粘貼傳力襯墊，不考慮彈性密封墊對(duì)環(huán)縫受力的影響。

襯砌結(jié)構(gòu)環(huán)縫在施工期受力主要為縱向的殘余頂推力，同步注漿或二次注漿等產(chǎn)生的徑向剪切力或非徑向剪切力，以及縱向螺栓的預(yù)緊力。本試驗(yàn)設(shè)備可滿足不同縱向軸力和徑向剪切力的施加，試驗(yàn)也考慮了螺栓預(yù)緊力。試驗(yàn)加載設(shè)備由豎向反力門架、水平加載梁、拉筋、底部墊梁、加載架、墊塊和千斤頂設(shè)備組成，豎向反力門架搭配千斤頂設(shè)備提供管片試件的豎向剪切力；兩水平加載梁與拉筋構(gòu)成自反力系統(tǒng)，通過水平千斤頂?shù)募虞d為管片試件提供水平軸力；底部墊梁置于距兩環(huán)縫200 mm的兩端塊處，為管片試件提供支反力；豎向荷載通過加載架被均分為縱向軸線兩側(cè)間距的線荷載(線荷載間距800 mm，視作均布荷載)。試驗(yàn)裝置及加載示意如圖2所示。

圖2 管片加載設(shè)備及加載示意

2.2 試驗(yàn)加載方案

試驗(yàn)水平荷載加載量為600 kN，在施工過程中盾構(gòu)單油缸頂推力平均值約為4 000 kN(單螺栓范圍)，為施工期頂推力的0.15倍，將0.15作為運(yùn)營(yíng)期頂推力折減系數(shù)[16]。試驗(yàn)采用分級(jí)加載，圖3為豎向荷載和水平荷載與加載時(shí)間之間的關(guān)系，加載方案為：(1)導(dǎo)入水平軸力，兩水平千斤頂同時(shí)分3級(jí)加載，每級(jí)100 kN緩慢加載，單級(jí)加載完畢后持荷15 min再加載下一級(jí)；(2)導(dǎo)入豎向力，在0～300 kN區(qū)間，分6級(jí)，每級(jí)50 kN緩慢加載，單級(jí)加載完畢后持荷15 min再加載下一級(jí)；(3)豎向力在300～600 kN區(qū)間，豎向力加載改為25 kN/級(jí)，單級(jí)加載完畢后持荷15 min；(4)豎向力在600～1 000 kN區(qū)間，豎向力加載改為50 kN/級(jí)；(5)豎向力在超過1 000 kN破壞，豎向力加載量為25 kN/級(jí)。

圖3 加載-時(shí)間關(guān)系

2.3 量測(cè)項(xiàng)目

本試驗(yàn)量測(cè)項(xiàng)目包括管片螺栓應(yīng)變、環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)量和管片位移。環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)測(cè)點(diǎn)布置在管片外弧面環(huán)縫處，每處環(huán)縫設(shè)置3個(gè)，布置方法如圖4所示。錯(cuò)臺(tái)量和管片位移量測(cè)采用數(shù)顯式百分表自動(dòng)實(shí)時(shí)采集。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置及說明

采用120-3AA型應(yīng)變片測(cè)量試驗(yàn)螺栓應(yīng)變，如圖5所示，預(yù)先在螺栓表面銑削出兩條凹槽，槽尺寸為6 mm×3 mm，在凹槽中粘貼應(yīng)變片。貼片位置考慮螺栓塑性區(qū)位置，螺栓測(cè)點(diǎn)在環(huán)縫面喇叭口附近密貼6個(gè)，上下各3個(gè)，單根螺栓共8個(gè)測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)管片拼裝時(shí)，需預(yù)先通過水平千斤頂對(duì)管片施加軸向力，環(huán)縫閉合，再連接縱向螺栓，過程中未見管片損傷。

注：試驗(yàn)環(huán)縫1和環(huán)縫2位置螺栓測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別為1-1～1-8和2-1～2-8；編號(hào)原則為兩條引線槽從螺紋段向螺帽段依次編號(hào)螺栓1～4、5～8。圖5 螺栓測(cè)點(diǎn)(單位：mm)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)量及管片位移

試驗(yàn)過程中，加載初期(0～200 kN)，兩環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)量幾乎不變。隨著豎向荷載增加，環(huán)縫面產(chǎn)生滑動(dòng)，環(huán)縫凹凸榫先接觸，承擔(dān)部分剪力，而螺栓的抗剪強(qiáng)度較弱，導(dǎo)致試驗(yàn)過程中無榫側(cè)錯(cuò)臺(tái)(測(cè)點(diǎn)1及測(cè)點(diǎn)4)增量高于有榫側(cè)(測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)6)，錯(cuò)臺(tái)量及管片位移曲線如圖6所示。圖6中錯(cuò)臺(tái)量曲線斜率變化與分級(jí)加載相關(guān)，豎向荷載達(dá)1175 kN后，無法繼續(xù)持荷加載，隨后錯(cuò)臺(tái)量快速發(fā)展，直至產(chǎn)生較大錯(cuò)臺(tái)破壞。管片位移測(cè)點(diǎn)在加載前中期，小于2 mm，說明兩端管片沿縱向軸線方向稍微傾斜，傾斜量可忽略，表明環(huán)縫位置凹凸榫的貼合較嚴(yán)密。豎向荷載達(dá)峰值后，管片兩端位移開始快速向下，筆者認(rèn)為這與加載墊塊的位置有關(guān)，為減小環(huán)縫螺栓在加載過程中力矩帶來的影響，加載墊塊中心位置距外弧面距離為450 mm。試驗(yàn)中管片外輪廓無裂縫開展，手孔位置混凝土未見異常。

圖6 錯(cuò)臺(tái)量及管片位移曲線

3.2 環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)量與剪軸比

錯(cuò)臺(tái)量隨剪軸比變化關(guān)系如圖7所示。圖中曲線均可劃分為4個(gè)階段。

圖7(a)中，第1階段，錯(cuò)臺(tái)量發(fā)展緩慢，靜摩擦力起控制作用，剪軸比為0～0.17。第2階段，錯(cuò)臺(tái)量隨剪軸比增大近乎線性增長(zhǎng)，測(cè)點(diǎn)3出現(xiàn)略微負(fù)增長(zhǎng)，表明此位置塊2略高于塊1，剪軸比為0.17～0.67。由于螺栓預(yù)緊力及預(yù)埋螺母的錨固作用，此時(shí)螺栓的螺母端可視為固支，螺帽端視為沿螺栓軸向施加拉拔力的定向支座。此階段依靠螺栓自身強(qiáng)度和凹凸榫共同抗剪，螺栓與螺栓孔間仍存在間隙。第3階段，曲線斜率突變，環(huán)縫1凹凸榫及螺栓位置錯(cuò)臺(tái)發(fā)展均加快，剪軸比為0.67～0.98，凹凸榫產(chǎn)生接觸點(diǎn)且接觸點(diǎn)不斷滑移或混凝土逐步碎裂，進(jìn)而發(fā)展成接觸面，此階段凹凸榫最大位移量由4.87 mm發(fā)展至12 mm。第4階段，在剪軸比達(dá)0.98后，凹凸榫位置錯(cuò)臺(tái)量突增，破壞有一定突發(fā)性，此時(shí)凹凸榫最大位移量由12 mm增至41.91 mm。過程中，除第4階段外，各階段錯(cuò)臺(tái)占比分別為2.2%、31.23%及66.58%，其中，測(cè)點(diǎn)2(螺栓位置)在第2階段至第3階段錯(cuò)臺(tái)的增幅為213.22%。環(huán)縫1(螺栓逆向受剪)上述受剪過程如圖8所示，受剪期間凹凸榫的接觸狀態(tài)首先為點(diǎn)接觸，混凝土脫落[11]，再發(fā)展為面接觸，最終接觸面滑移潰裂，凹凸榫失效。

圖7(b)中，第1階段與螺栓逆剪相同，靜摩擦力控制，剪軸比為0～0.17。第2階段，各測(cè)點(diǎn)錯(cuò)臺(tái)量隨剪軸比增大呈線性增長(zhǎng)，剪軸比為0.17～0.88，此階段依靠螺栓自身強(qiáng)度和凹凸榫共同抗剪。測(cè)點(diǎn)2錯(cuò)臺(tái)小于測(cè)點(diǎn)5，主要原因?yàn)槠囱b初始錯(cuò)臺(tái)量的影響，兩測(cè)點(diǎn)的初始錯(cuò)臺(tái)量分別為4.34 mm和0.47 mm。第3階段，凹凸榫位置(測(cè)點(diǎn)6)錯(cuò)臺(tái)量隨剪軸比增大有一定減小，螺栓位置(測(cè)點(diǎn)5)錯(cuò)臺(tái)量曲線斜率減小，剪軸比為0.88～0.98。第4階段，在剪軸比達(dá)0.98后，由于環(huán)縫1錯(cuò)臺(tái)量持續(xù)增大，無法持荷，環(huán)縫2位置錯(cuò)臺(tái)幾乎不再變化，無法進(jìn)一步定量分析各階段錯(cuò)臺(tái)增量，因此，著重分析環(huán)縫1剪切作用。由上述分析可知，盾尾上浮或二次注漿工況下，螺栓逆剪側(cè)錯(cuò)臺(tái)量較順剪側(cè)更大，更易引起滲漏水。且設(shè)有分布式凹凸榫的襯砌結(jié)構(gòu)，往往是凹凸榫先承受較大剪力，當(dāng)榫面產(chǎn)生滑移或破損后螺栓承擔(dān)剪力將逐步增大。

圖7 錯(cuò)臺(tái)量-剪軸比關(guān)系曲線

圖8 螺栓及凹凸榫逆剪示意

3.3 縱向螺栓應(yīng)變

本試驗(yàn)采用與施工現(xiàn)場(chǎng)相同的螺栓安裝方式，對(duì)縱向螺栓施加同等預(yù)緊力，應(yīng)變數(shù)據(jù)可定性反映螺栓應(yīng)變情況，螺栓內(nèi)力變化見圖9。從圖9(a)中看出，應(yīng)變數(shù)據(jù)1-3、1-7呈現(xiàn)明顯對(duì)稱性，表明螺栓逆向剪切時(shí)測(cè)點(diǎn)1-3、1-7位置更接近螺栓塑性區(qū)。圖9與圖8進(jìn)行對(duì)比分析，并在對(duì)應(yīng)錯(cuò)臺(tái)位置劃分出螺栓應(yīng)變分區(qū)，圖9(a)中，第1階段，應(yīng)變呈降低趨勢(shì)，表明在螺栓逆向剪切時(shí)，靜摩擦階段螺栓預(yù)緊力有所許松弛，剪軸比0～0.31；第2階段，螺栓應(yīng)變呈遞增趨勢(shì)，螺栓孔與螺栓的間隙慢慢閉合，但規(guī)律不明顯，剪軸比0.31～0.67；第3階段，螺栓應(yīng)變迅速增大，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變對(duì)稱性明顯，螺栓發(fā)生塑性變形，剪軸比0.67～0.98。螺栓逆剪時(shí)產(chǎn)生的塑性變形易使凹凸榫產(chǎn)生滑移，降低環(huán)縫抗剪能力。圖9(b)中兩側(cè)測(cè)點(diǎn)數(shù)值較為接近。第1階段螺栓應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)緩慢，剪軸比0～0.08；第2階段，螺栓應(yīng)變隨剪軸比增大呈線性增長(zhǎng)，剪軸比0.08～0.88；第3階段，螺栓應(yīng)變隨剪軸比增大近乎維持不變，剪軸比0.88～0.98。順剪時(shí)螺栓受拉效果明顯，凹凸榫間隙約為5 mm，螺栓不易發(fā)生塑性變形，環(huán)縫凹凸榫不易滑脫，抗剪效果強(qiáng)于螺栓逆剪情況。

圖9 螺栓應(yīng)變-剪軸比關(guān)系

根據(jù)圖5中螺栓應(yīng)變片位置信息，應(yīng)變?cè)隽枯^快的位置易形成塑性鉸，將1-1～1-8位置與圖9中螺栓變形過程對(duì)應(yīng)，其變形示意如圖10所示，表明上述環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象的描述較為合理。

圖10 螺栓變形示意

環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)-剪軸比關(guān)系與螺栓應(yīng)變-剪軸比關(guān)系中各階段剪軸比參數(shù)如表1所示。在第1階段中，螺栓逆剪時(shí)螺栓應(yīng)變略微降低，相較于環(huán)縫位置的剪軸比閾值也有所增大，螺栓受拉時(shí)機(jī)有所延后。逆剪時(shí)螺栓應(yīng)變?cè)诩糨S比為0.08時(shí)就開始呈比例增長(zhǎng)，說明逆剪時(shí)，螺栓受拉將提前，這與環(huán)縫構(gòu)造有關(guān)。第2階段與第3階段，各螺栓應(yīng)變閾值與環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)閾值一致，表明接頭受力階段較為合理。以此將環(huán)縫剪切劃分為4個(gè)階段：摩擦階段(剪軸比0～0.17)、間隙閉合階段(螺栓順剪0.17～0.88，螺栓逆剪0.17～0.67)、強(qiáng)化階段(螺栓順剪0.88～，螺栓逆剪0.67～0.98)及破壞階段(螺栓逆減0.98～)。

表1 各階段剪軸比匯總

4 結(jié)論與討論

依托濟(jì)南黃河隧道工程，針對(duì)配置分布式圓端形凹凸榫的斜螺栓環(huán)縫接頭，模擬管片真實(shí)受荷工況，通過管片環(huán)縫接頭剪切加載試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

(1)環(huán)縫剪切破壞劃分為4個(gè)階段，摩擦階段、間隙閉合階段、強(qiáng)化階段及破壞階段。強(qiáng)化階段相較間隙閉合階段，環(huán)縫1螺栓位置錯(cuò)臺(tái)增幅213.22%，除破壞階段外，各階段錯(cuò)臺(tái)占比分別為2.2%、31.23%及66.58%，表明強(qiáng)化階段作為主要抗剪階段。施工中宜以強(qiáng)化階段錯(cuò)臺(tái)閾值12 mm作為控制指標(biāo)(凹凸榫點(diǎn)接觸相較于面接觸更為不利)，當(dāng)超過此值時(shí)，應(yīng)采取措施減小環(huán)間錯(cuò)臺(tái)量。

(2)襯砌管片受荷產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)，相比于螺栓受順向剪切環(huán)縫，螺栓受逆剪切環(huán)縫同一階段錯(cuò)臺(tái)發(fā)展更快，在施工中螺栓逆剪工況更易導(dǎo)致接頭密封失效，發(fā)生滲漏水。

(3)螺栓逆剪時(shí)，塑性區(qū)主要為靠近預(yù)埋螺母位置及螺栓與環(huán)縫面螺栓孔位置。螺栓應(yīng)變狀態(tài)是使凹凸榫滑移壓潰，進(jìn)而引起錯(cuò)臺(tái)快速增長(zhǎng)的主要原因。

利用足尺管片進(jìn)行環(huán)縫剪切試驗(yàn)，凹凸榫的接觸狀態(tài)先由點(diǎn)接觸(應(yīng)力集中)逐步發(fā)展為面接觸。鑒于裝置豎向加載能力不足，采用剪軸比的方式體現(xiàn)環(huán)縫的剪切特征，將環(huán)縫劃分為不同階段，并得出凹凸榫失效時(shí)量值，具有一定工程指導(dǎo)意義。另外試驗(yàn)針對(duì)環(huán)縫面及凹凸榫進(jìn)行了應(yīng)變采集，試件拼裝及試驗(yàn)過程中損壞嚴(yán)重，并未采集到有效數(shù)據(jù)，未能分析凹凸榫的應(yīng)變狀態(tài)及裂縫開展情況，其中不足之處需在今后進(jìn)一步研究中改進(jìn)。