大直徑盾構(gòu)隧道管片連接預(yù)埋套筒抗拔性能試驗研究

趙金虎

(中鐵十四局集團(tuán)房橋有限公司,北京 102400)

近年來,盾構(gòu)隧道建造技術(shù)發(fā)展日新月異,逐步在向長距離、大深度、大斷面方向發(fā)展。就當(dāng)前盾構(gòu)隧道工程的發(fā)展水平而言,一般將直徑5 m以下隧道稱為小直徑盾構(gòu)隧道,直徑5 ～10 m稱為常規(guī)直徑盾構(gòu)隧道,直徑10 ～14 m稱為大直徑盾構(gòu)隧道,14 m以上為超大直徑盾構(gòu)隧道。2000年以來,我國超大直徑盾構(gòu)隧道工程呈爆發(fā)式增長態(tài)勢,受到了越來越多的重視和關(guān)注。

盾構(gòu)隧道由預(yù)制管片逐一拼接而成,管片間的拼裝接頭關(guān)系到盾構(gòu)隧道的防水性能、承載能力乃至拼裝施工效率,是盾構(gòu)隧道工程領(lǐng)域重點關(guān)注和研究的熱點之一。盾構(gòu)隧道管片接頭主要有螺栓接頭、鉸接頭、銷插型接頭、楔形接頭、榫接頭等多種類型[1],目前盾構(gòu)隧道工程最常用的是螺栓接頭。張穩(wěn)軍等[2-3]采用有限元模型分析了多種螺栓連接的承載性能,并重點對斜螺栓連接的多種性能進(jìn)行了研究。朱瑤宏等[4]對螺栓形式的接縫進(jìn)行了加載試驗研究,詳細(xì)分析了螺栓形式、長度等因素對受力性能的影響。Zhou等[5]對一種采用鋼連接板的盾構(gòu)隧道管片螺栓連接進(jìn)行了試驗研究。Lorenzo[6]系統(tǒng)研究了螺栓在混凝土管片拼裝隧道中的作用,同時指出了目前關(guān)于管片螺栓的設(shè)計無針對性計算方法的問題。周海鷹等[7]通過試驗加載對管片螺栓接頭的強(qiáng)度、受力及變形規(guī)律進(jìn)行了研究。Salemi等[8]針對管片螺栓連接的接觸區(qū)域進(jìn)行了模型加載試驗,并提出了相關(guān)模擬數(shù)值模型的建立方法。鄧志鑫等[9]研究了不同時速列車撞擊荷載作用下被撞管片塊周邊接頭螺栓拉力、剪力的時程變化及失效情況。張力等[10]推導(dǎo)了管片螺栓接頭抗彎承載力理論模型,并就斜螺栓接頭的承載力進(jìn)行了抗彎承載力試驗研究。徐培凱等[11]以蘇通GIL工程為背景,對盾構(gòu)隧道斜螺栓-凹凸榫式新型環(huán)間接頭的抗剪性能進(jìn)行了研究,建立的三維有限元模型中考慮了聚酰胺套筒。

基于上述研究可知,目前對管片螺栓連接的研究多集中于連接整體的受力性能,其多受混凝土控制。對于管片螺栓連接的設(shè)計尚無針對性計算方法,多采用經(jīng)驗性的習(xí)慣做法,并提出相關(guān)承載力指標(biāo)。然而,對于管片中采用的螺栓構(gòu)造是否能夠達(dá)到設(shè)計要求,尚無成熟的成果,其中,斜螺栓連接中使用的螺紋套筒,其性能是否可靠,缺乏有效的試驗數(shù)據(jù)支撐。

盾構(gòu)隧道管片的套筒(如圖1所示)與配套螺栓,是隧道內(nèi)管片縱向連接與環(huán)向連接的重要組成部分。隨著越來越多的盾構(gòu)隧道應(yīng)用于地下工程,管片作為與外界泥漿直接接觸的預(yù)制構(gòu)件,管片連接的緊密程度直接影響到管片的抗?jié)B性能和耐久性能,因此,套筒與配套螺栓間的連接力要求更加嚴(yán)格,其也成為了盾構(gòu)隧道施工的重點關(guān)注部分。特別是在大直徑盾構(gòu)隧道中,如盾構(gòu)外徑15.76 m的濟(jì)南黃河隧道工程,首次進(jìn)行黃河水下穿越,預(yù)制管片采用“9+1”模式,管片外徑15.2 m,內(nèi)徑13.9 m,壁厚650 mm,構(gòu)件尺寸大;套筒長200 mm,螺紋外徑38.6 mm(如圖2所示),縱向與環(huán)向縫隙的要求分別為不超過2.0 mm和1.0 mm,縱向與環(huán)向的連接力必須能夠滿足設(shè)計和規(guī)范要求。套筒與配套螺栓在盾構(gòu)隧道管片中起著重要的連接作用,因此對其承載力要求十分嚴(yán)格。

圖1 套筒實物

圖2 套筒尺寸(單位:mm)

1 設(shè)計要求

配套螺栓采用M36鋼螺栓,產(chǎn)品等級為C級,機(jī)械性能等級為8.8級,加工數(shù)量為每環(huán)58根。套筒采用聚酰胺材質(zhì),產(chǎn)品及強(qiáng)度等級與配套螺栓匹配,抗拔力試驗要求不小于678 kN,套筒抗拔力試驗的抽檢數(shù)量為3組。套筒與配套螺栓耐久性為100 a,且能滿足各種工況下的環(huán)境要求,套筒與配套螺栓的螺紋必須匹配,在滿足抗拔荷載前提下可適當(dāng)松配。

2 試驗研究

聚酰胺螺紋套筒產(chǎn)品與混凝土有好的相容性,具有足夠大的錨固力,在管片蒸汽養(yǎng)護(hù)加熱和降溫過程中不會因其熱膨脹和冷縮導(dǎo)致與混凝土之間的裂縫。相對于鋼套筒,聚酰胺螺紋套筒安裝方便可靠、密封良好、成本低、抗腐蝕。與此同時,聚酰胺螺紋套筒不導(dǎo)電,采用聚酰胺螺紋套筒無須考慮防迷流問題,對于管片結(jié)構(gòu)鋼筋起到隔離屏蔽作用,有利于延長隧道的使用壽命。對于超大盾構(gòu)隧道管片斜螺栓連接,大部分設(shè)計采用M36鋼螺桿,對應(yīng)的聚酰胺螺紋套筒均采用圓螺牙,螺距為5.08～6.00 mm,總長度190～200 mm,抗拔力要求達(dá)到678 kN。依據(jù)設(shè)計要求,對于套筒和配套螺栓的要求十分嚴(yán)格,針對各種聚酰胺套筒的成分組成、螺紋長度以及螺牙類型等影響因素,控制變量進(jìn)行抗拔力的對比試驗,比選出性能最佳、經(jīng)濟(jì)合理的套筒規(guī)格。

2.1 試驗相關(guān)準(zhǔn)備工作

聚酰胺套筒組成成分分別為100%PA6、100%PA66、100%PA12。PA6特性為具有熱塑性、輕質(zhì)、韌性好、耐腐蝕及耐久性好;PA66特性為具有高抗張強(qiáng)度、耐韌、耐沖擊性特優(yōu),自潤性、耐磨性優(yōu)良,低溫特性佳、具自熄性等;PA12特性為抗沖擊性強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好、回潮率高等。

螺牙類型分別為細(xì)牙(如圖3所示)、梯形粗牙(如圖4所示);螺紋長度分別為200、220和250 mm(如圖5所示)。

圖3 細(xì)牙圖4 梯形粗牙

圖5 不同螺紋長度的套筒

鋼螺栓組成成分為特種鋼;螺紋長度分別為200、220、250 mm;螺牙類型分別為細(xì)牙,梯形粗牙,絲牙外徑35.36 mm。相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同組合形式的套筒參數(shù)

錨桿拉拔儀液壓油泵以及配套的穿心千斤頂規(guī)格0～1 000 kN,管鉗規(guī)格100 mm。

2.2 試件設(shè)計及制作

為研究螺紋套筒材質(zhì)、螺紋形式、螺紋長度三個關(guān)鍵參數(shù)的影響,進(jìn)行模擬實體拉拔試驗。由于套管預(yù)埋方向為斜向,不利于安裝拉拔裝置,所以考慮使用模擬試件進(jìn)行試驗。按照試驗原則,每組試樣制作試件數(shù)量為3個。試件制作采用碎石粒徑為5～25 mm的C60混凝土,規(guī)格為500 mm×500 mm×500 mm,試件內(nèi)部配筋與管片局部實體相同。螺紋套筒材質(zhì)采用PA6、PA12、PA66三種,螺紋形式采用螺距為5.08 mm的圓螺牙和螺距為12.18 mm的梯型粗牙兩種,螺紋長度分別為200、220、250 mm。將螺栓擰至套管內(nèi),一同預(yù)埋至混凝土試件內(nèi),預(yù)埋深度與待測套管長度等長。注意保證預(yù)埋螺栓與加荷平面呈90°,同時試件制作完成后,將加荷面收平。

試件制作時,首先將套筒以及配套螺栓預(yù)埋在試件內(nèi),埋入時測定垂直度,通過設(shè)置附加交叉筋進(jìn)行固定(如圖6所示);然后澆筑與常規(guī)管片同配合比混凝土,并制作混凝土立方體試塊,對試件進(jìn)行7 d灑水養(yǎng)護(hù),后覆膜自然養(yǎng)護(hù);待達(dá)到28 d齡期,且抗壓強(qiáng)度達(dá)到100%后,進(jìn)行拉拔試驗。

圖6 試件制作

2.3 加載裝置及加載方法

加載裝置及加載方式如圖7、圖8所示。千斤頂直接坐落于加載試件之上,螺栓穿過千斤頂,螺栓頂部通過螺母錨固在油缸之上。安裝時,螺栓旋入螺紋套筒內(nèi)后,需檢查螺旋的旋入深度及垂直度。試驗加載時,以設(shè)計荷載678 kN作為控制荷載,試驗加載形式為七級加載[12],每級加載值見表2,持續(xù)時間不應(yīng)少于5 min。當(dāng)抗拔性能檢驗加載達(dá)到設(shè)計荷載時,持續(xù)荷載30 min,若試件達(dá)到控制荷載時仍未破壞,則繼續(xù)增加荷載,每級持荷期間應(yīng)時刻觀察力值,并及時補(bǔ)壓;試驗過程當(dāng)中若出現(xiàn)滑絲、脫扣等現(xiàn)象,則認(rèn)為試件破壞,停止加載。七級加載完成后,最終未出現(xiàn)滑絲、脫扣等現(xiàn)象,則試驗合格,記錄加載最終承載力。

表2 試驗加載值

圖7 加載裝置

圖8 加載現(xiàn)場

2.4 油泵使用前注意事項

(1)檢查油量:如果液壓缸活塞沒有完全收縮回氣缸內(nèi),應(yīng)利用手壓泵長柄壓液壓缸活塞,逆時針擰泵體上的閥門,使液壓插孔中的液壓油回到手壓泵罐中,打開噴油閥,檢查機(jī)油,如果油不是滿的,需要添加N46耐磨液壓油或20號油。

(2)排氣:液壓系統(tǒng)組裝完成后,通常在儲油缸、輸油管和液壓缸中會混入空氣,為了使液壓系統(tǒng)工作正常必須排出這些空氣。必要時,可開啟噴射閥,以清除油箱中的空氣。

(3)壓力泵手柄受力要均勻,且手壓泵必須水平放置才能工作。

2.5 試驗結(jié)果

試件在加載過程中基本保持完好,未發(fā)生螺紋套筒與混凝土的滑移,說明聚酰胺螺紋套筒與混凝土錨固性能可靠。試件破壞時,螺栓在螺紋套筒中發(fā)生滑絲,荷載無法繼續(xù)施加,試件的抗拉承載力試驗結(jié)果見表3。

表3 預(yù)埋套筒抗拔力試驗結(jié)果

3 試驗數(shù)據(jù)分析

由試驗結(jié)果可知:

(1)采用PA6材質(zhì)的螺紋套筒,其抗拔性能均不能達(dá)到設(shè)計要求,說明PA6材料抗剪力低,難以保證其抗拔性能滿足要求。

(2)圓螺紋有效傳遞應(yīng)力的長度實際為定值,采用圓螺紋的同材質(zhì)試件抗拉承載力較為接近,與套筒長度關(guān)系不大。

(3)從損壞狀態(tài)來看,占比80%數(shù)據(jù)不合格原因是套管與螺桿發(fā)生相對滑移,而混凝土試件未損壞,因此在設(shè)計當(dāng)中應(yīng)充分考慮兩者的咬合性能。

對于試驗結(jié)果數(shù)據(jù)中抗拔力不穩(wěn)定的原因進(jìn)行分析:

(1)細(xì)牙匹配度問題。螺栓套筒和螺栓制造均有加工牙口形狀、直徑等匹配問題,匹配度難以十分契合,造成抗拔力下降。

(2)細(xì)牙螺距誤差問題。5.08 mm螺距相對12.18 mm螺距,絲扣較多,螺距誤差累計結(jié)果加劇,通過將套管剖開旋入試驗,部分絲扣與套筒不密貼;而采用12.18 mm螺距的梯形套筒,累計誤差小,貼合度高。

(3)細(xì)牙切絲。細(xì)圓弧牙螺栓牙口十分尖銳,在擰緊過程中容易切絲且不被發(fā)現(xiàn),造成抗拔力下降。

(4)細(xì)牙抗剪力問題。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析細(xì)牙的抗拔力略低于梯形粗牙。

在工程實踐中習(xí)慣采用的PA6材質(zhì)、圓螺紋的螺紋套筒實際垂直抗拔性能有限,在實際拼裝過程中同時受到不同方向的應(yīng)力,因此不能保證斜螺栓連接能達(dá)到設(shè)計要求的承載能力。

采用梯形粗牙的螺紋套筒,其抗拉承載力隨著螺紋套筒的長度增加而增加,說明在長度250 mm以下的梯形粗牙螺紋套筒中的螺牙可有效傳遞螺栓應(yīng)力。在所有試件中,僅PA66粗牙220 mm和PA66粗牙250 mm試件的抗拉承載力達(dá)到了設(shè)計要求,考慮盾構(gòu)隧道管片保護(hù)層等的要求,建議超大盾構(gòu)隧道管片M36斜螺栓連接采用PA66、梯形粗牙的220 mm長螺紋套筒。

4 結(jié)論

針對螺紋套筒材質(zhì)、螺紋形式和套筒長度的因素,開展了螺紋套筒的抗拔性能試驗研究,結(jié)果表明:習(xí)慣采用的PA6、圓螺牙的螺紋套筒實際抗拔能力難以達(dá)到設(shè)計承載要求,螺紋套筒建議采用PA66材質(zhì)、梯形粗牙形式,且對于M36斜螺栓,套筒長度建議在220 mm及以上。