TBM掘進(jìn)推力作用下隧道預(yù)制管片開裂過程研究

劉建超

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽 110000)

0 引言

隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)和土壓力平衡(EPB)是目前最廣泛采用的隧道施工系統(tǒng),可以分別在硬巖和軟土中開挖,兩者主要區(qū)別是是否安裝有盾構(gòu)體。當(dāng)采用屏蔽式TBM機(jī)時,隧道襯砌通常采用鋼筋混凝土預(yù)制管片構(gòu)件,這種結(jié)構(gòu)中襯砌具有雙重作用:既要抵抗地壓,又要作為TBM推進(jìn)的反應(yīng)元件[1]。此外,必須針對施工階段可能發(fā)生的動作,即脫模、處理、儲存和運(yùn)輸設(shè)計單個預(yù)制段。

隧道襯砌推進(jìn)施工過程中,必須對可能出現(xiàn)的TBM推力對襯砌結(jié)構(gòu)單元可能產(chǎn)生應(yīng)力場加以分析,避免出現(xiàn)應(yīng)力過大而產(chǎn)生的的破壞問題。事實上,TBM的推力即使在過渡作用下也會引起管段開裂,影響結(jié)構(gòu)的耐久性。耿麒等[2]為了研究TBM預(yù)制段的推力效應(yīng)問題,通過試驗設(shè)計并構(gòu)建了合適的加載系統(tǒng),能夠為管段提供單一載荷,然后模擬單個TBM襯墊效果。然而,實際應(yīng)力場與這種簡化方案相差很遠(yuǎn),因為更多的荷載(推力墊)出現(xiàn)在分段上,它們相對間距較小并存在相互作用。趙康林等[3-4]研究表明,為了保證不同的液壓系統(tǒng)控制TBM推力缸在隧道的彎曲段掘進(jìn),就強(qiáng)度和裂縫模式而言,簡化加載方案可以給出與實際情況非常不同的結(jié)果;最后,在隧道掘進(jìn)施工的設(shè)計方面,一般采用相鄰兩個環(huán)部分之間的不完全接觸來表示,在設(shè)計階段忽略這個變量,會導(dǎo)致在環(huán)安裝過程中不可避免的出現(xiàn)開裂問題,并呈現(xiàn)出不同的開裂模式[5-6]。

本文開發(fā)了適用于模擬TBM推力作用于單襯砌結(jié)構(gòu)的實驗裝置,測試不同推力對襯砌管片不同區(qū)域的作用過程,測試考慮了襯砌管片間的接觸條件,分析了不同接觸下隧道管片的裂縫開裂模式。

1 實驗研究

1.1 測試裝置

在隧道掘進(jìn)開挖過程中,在TBM中放置已預(yù)制成型的襯砌管片。TBM通過液壓千斤頂作用于襯砌,千斤頂與管片間設(shè)有鋼墊片。在現(xiàn)場安裝中,兩個千斤頂作用在一個墊片上,在鋼墊片和管片之間有一層聚四氟乙烯層。

為模擬全尺寸條件下襯砌管片的開裂過程,構(gòu)建測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在單個墊板上施加高達(dá)4 000 kN的壓力,由于三個焊盤被放置在同一段上,因此總承載能力等于12 000 kN。為更真實反應(yīng)實際施工現(xiàn)場的情況,每個鋼墊上都有兩個液壓千斤頂作用,每個千斤頂?shù)某休d力為2 000 kN,采用高強(qiáng)鋼筋和鋼梁制成的封閉環(huán)框架。預(yù)制段放置在一個橫截面尺寸為800×800 mm(寬×高)的鋼筋混凝土梁上。采用私服液壓控制系統(tǒng)提供施加與TBM類似的載荷。

施加在管片上的載荷是通過三個壓力傳感器來采集,每個傳感器對應(yīng)一對導(dǎo)管套。鋼墊的垂直位移通過放置在管段前端(內(nèi)部)和尾部(外部)的電位線傳感器進(jìn)行采集。此外,LVDTs用于測量裂紋擴(kuò)展寬度,所有數(shù)據(jù)由采集數(shù)字系統(tǒng)連續(xù)記錄并傳輸?shù)诫娔X終端。

1.2 加載方式

實驗中加載過程分為4個周期:

(1)循環(huán)1:加載F1=F2=F3,直到第一個裂紋形成,然后卸載;

(2)循環(huán)2:加載F1=F2=F3=1 580 kN;卸載;

(3)循環(huán)3:F1=F2=F3=2 670 kN;卸載;

(4)循環(huán)4:第一步:F1=F2=F3=750 kN;第二步F1=F2=2 670 kN,F3=750 kN;卸載。

循環(huán)2和循環(huán)3的最大負(fù)載分別代表現(xiàn)場的施工時的推力和異常推力(設(shè)備最大掘進(jìn)能力),最后一個循環(huán),在千斤頂給出不同載荷的情況下,模擬了隧道彎曲段的TBM推力。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 隧道管片連續(xù)支承開裂過程

連續(xù)支撐管片裂縫開展情況見圖1。采用這種配置進(jìn)行25次加載,當(dāng)載荷水平在1 300～1 800 kN時,通常在拱腹和拱背面首次出現(xiàn)裂縫(然后穿過頂表面),裂紋的長度約為200～300 mm,且非常穩(wěn)定,在其它3個周期內(nèi)均無明顯變化。位于管片底部中間,從底部到孔處出現(xiàn)一條裂縫,這種裂縫與開挖時現(xiàn)場觀測到的裂縫是一致的。試驗結(jié)束卸載后,裂紋往往無法被肉眼識別。安裝孔的存在往往會影響裂縫形態(tài),成為應(yīng)力集中的地方。試驗期間測得的最大裂縫寬度在0.05～0.15 mm之間,幾乎與鋼筋的用量無關(guān)。

圖1 連續(xù)支撐管片裂縫開展情況

加載過程中隧道管片的荷載-位移曲線如圖2所示。在圖2(a)中,三線式傳感器的測量值與負(fù)載相對應(yīng),初始加載階段墊片處荷載-位移曲線接近直線,圖2(b)中由兩個LVDT給出的位置與負(fù)載曲線。在載荷片之間和管片底部的一個有限區(qū)域存在拉應(yīng)力,第一個裂紋出現(xiàn)在焊盤之間的頂部區(qū)域,每個焊盤的載荷水平約為1 550 kN(總載荷為4 650 kN),這一結(jié)果在裂紋位置和首次開裂荷載方面與試驗結(jié)果吻合較好。

圖2 管片荷載-位移曲線

2.2 隧道管片中間無支撐開裂過程

隧道管片出現(xiàn)初始裂縫的位置在失去支撐的部位,裂縫集中在拱腹表面,開裂時荷載水平約1 100 kN。在第二個加載周期中,裂縫向安裝孔方向擴(kuò)展,沒有明顯的擴(kuò)大,并通過外噴孔;在第四個循環(huán)中,裂紋保持穩(wěn)定。第三個周期中,第二條裂縫在靠近支撐的地方出現(xiàn),從內(nèi)拱面延伸到外拱面。第四個周期中,最后一條裂縫的長度增加了約100 mm,在內(nèi)側(cè)表面,裂縫的最大長度約為40 cm,最大寬度約為0.2 mm,卸載后該值小于0.1 mm。

2.3 隧道管片一側(cè)失去支撐開裂過程

當(dāng)荷載水平為700～800 kN時,第一個裂紋出現(xiàn)在加載墊F1～F2之間,裂紋立即在兩個表面打開和擴(kuò)展,長度約為800～900 mm。第一個循環(huán)只進(jìn)行了1次,因為混凝土在靠近支架處底部發(fā)生壓縮開裂,這種可能是由于相對于支架的點載荷偏心,段向內(nèi)側(cè)剛性旋轉(zhuǎn)造成。

在隧道管片底部無支撐時,由于缺少相鄰的段,因此達(dá)到的負(fù)載值很低。由于缺少支撐,在隧道管片中產(chǎn)生的約束效應(yīng)未充分發(fā)揮,因此可以通過這種加載方案預(yù)測隧道管片的初始開裂時刻及開裂模式。在TBM推力下引起第一次裂縫的荷載,考慮到相鄰段的存在,應(yīng)力-應(yīng)變分析時可以忽略鋼筋在此加載階段的影響。第一次破裂全環(huán)模型在載荷水平(單個墊塊上)約為1 500 kN時,與單段(1 550 kN)得到的模型非常吻合。

2.4 隧道管片兩側(cè)無支撐開裂過程

當(dāng)荷載水平為700～800 kN時,在加載板之間的頂部、在內(nèi)拱和外拱表面幾乎同時出現(xiàn)了破損和裂縫,這些裂縫立即沿著管片高度向上延伸至底部約300 mm。隨著裂縫的進(jìn)一步形成,從頂部開始,裂縫逐漸在拱腹喝拱背表面上擴(kuò)展,直到穿過安裝孔,試驗中隧道管片拱內(nèi)跨中底部受壓混凝土被壓碎。墊片處變形隨荷載的增加逐漸增大,與裂縫開裂模式相同。隧道管片表面在加載早期變形量較小,當(dāng)初始裂縫出現(xiàn)后,位移逐漸增大。

通過上述研究可以得到,不同支撐情況下隧道管片的開裂模式不同;本文采用的測試方式與隧道管片的幾何形狀,荷載布置及約束情況相關(guān)。TBM推進(jìn)過程中,連續(xù)支撐和中間失去支撐的結(jié)果可以代表管片環(huán)內(nèi)裂縫擴(kuò)展行為,即使試驗中不考慮來自同一隧道環(huán)的相鄰段,單元的約束效應(yīng)對裂縫模式?jīng)]有顯著影響。一側(cè)失支撐和兩側(cè)失支撐的結(jié)果并不能很好地再現(xiàn)隧道環(huán)內(nèi)部的實際響應(yīng),在原位條件下,同一環(huán)內(nèi)相鄰段的影響可以顯著限制單元,減少或延遲裂縫的開放。

3 結(jié)語

本文中提出了一種模擬隧道預(yù)制管片在TBM推力過程中的受力及開裂模式測試方案,該系統(tǒng)的設(shè)計和施工采用了現(xiàn)場實際使用的TBM襯墊,使不同的受力可以作用于隧道管片的不同區(qū)域。此外,還可以模擬不同的支護(hù)條件,隧道管片的開裂模式及裂縫擴(kuò)展過程,分析不同荷載情況和邊界條件下的應(yīng)力和應(yīng)變模式。

(1)隧道管片連續(xù)支承時,經(jīng)過25次加載,在載荷水平在1 300～1 800 kN時,拱腹和拱背面首次出現(xiàn)裂縫,裂紋的長度約為200～300 mm,且非常穩(wěn)定,在其它3個周期內(nèi)均無明顯變化。位于管片底部中間,從底部到孔處出現(xiàn)一條裂縫,這種裂縫與開挖時現(xiàn)場觀測到的裂縫是一致。

(2)隧道管片中間無支撐時,初始裂縫的位置在失去支撐的部位,裂縫集中在拱腹表面,開裂時荷載水平約1 100 kN。經(jīng)過多次加載過程后,在內(nèi)側(cè)表面,裂縫的最大長度約為40 cm,最大寬度約為0.2 mm,卸載后該值小于0.1 mm。

(3)隧道管片一側(cè)無支撐時,初始裂縫出現(xiàn)在加載墊F1-F2之間,裂紋長度約為800～900 mm;隧道管片兩側(cè)失去支撐的情況下,在荷載為700～800 kN時,在加載板之間的頂部、在內(nèi)拱和外拱表面幾乎同時出現(xiàn)了破損和裂縫,這些裂縫立即沿著管片高度向上延伸至底部約300 mm。隨著裂縫的進(jìn)一步形成,從頂部開始,裂縫逐漸在拱腹喝拱背表面上擴(kuò)展,直到穿過安裝孔,試驗中隧道管片拱內(nèi)跨中底部受壓混凝土被壓碎。

(4)隧道施工采用TBM施工過程中,需保持掘進(jìn)機(jī)前段與隧道管片的橫向連接形成連續(xù)支撐狀態(tài),且推進(jìn)荷載應(yīng)控制在1300kN以下,可保證隧道管片不出現(xiàn)裂縫破壞。