千斤頂過大荷載作用管片裂紋擴展規律探析

蘇　昂

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

盾構法以其安全高效特點，成為城市地鐵最主要的施工方法[1]。隨著城市地鐵規模的不斷擴大，地鐵穿越地層愈加復雜，施工過程中質量問題逐漸增多。當盾構機穿越不良地質或者停機更換刀具，可能引起盾體受困，通常采用增大千斤頂荷載的方式使盾構機脫困。管片受到過大荷載作用，局部應力集中程度高，引起管片裂損等問題出現。

國內外學者及工程研究人員對盾構隧道裂損病害進行了大量研究。封坤、何川[2]等通過南京長江隧道管片襯砌結構原型加載試驗，研究了大型水下盾構結構在不同拼裝方式下的破壞特征；陳俊生[3]等采用足尺實驗和三維有限元模擬施工階段管片局部開裂，得出管片間相對扭轉引起管片開裂和破損的結論；張學文[4]整理南京地鐵區間隧道襯砌病害，分析了運營期隧道病害的狀態及成因；竺維彬[5]對廣州、南京、法國里爾地鐵進行比較，分析管片生產、施工、使用過程中的開裂原因；秦建設[6]等研究了盾構機姿態與襯砌走向不協調導致管片錯臺及混凝土開裂問題，提出相應對策；葉耀東、朱合華[7]等分析現有上海軟土地鐵區間隧道結構狀態監控數據，對隧道病害進行分類，并初步分析病害原因；宋克志、袁大軍[8]等針對施工期管片破損現象，系統分析施工荷載作用管片襯砌結構的力學特征，對管片局部破損現象及產生原因進行分析；畢景佩[9]針對地鐵隧道地表堆土現象，開展洞內監測及病害調查工作，并對管片裂縫病害進行評價。

以上針對盾構隧道裂損病害的研究，大部分基于室內試驗和經驗類比方法，定性分析隧道開裂的部分因素，而考慮裂紋擴展過程的精細化三維數值模擬鮮見。此外，帶有裂紋的管片是非連續的，但在多數對管片裂紋的研究中，采用方法是將管片視作連續介質。

鑒于此，本文基于擴展有限元理論[10-12]，利用ABAQUS有限元軟件，建立管片精細化三維數值模型，模擬千斤頂過大荷載對管片的作用，對裂紋形態特征、裂損機制、擴展規律、擴展路徑進行深入分析，得到了管片裂紋擴展規律。

1　工程概況

1.1　區間地質條件

該地鐵工程沿線地貌形態大部分場地為山前沖積平原及河流沖淤積平原地貌類型，部分地段為剝蝕殘山地貌類型。隧道穿越范圍內涉及的地層復雜多變，與北京、上海等地層相對單一的城市比較起來，該地區地質條件表現在地形地貌起伏多變、地層上軟下硬、巖性復雜多樣的獨特特征。

1.2　管片襯砌結構特征

該地鐵工程管片環外徑6.2 m，內徑5.5 m，管片厚度350 mm，幅寬1.2 m，采用“3+2+1”分塊方式。管片環間設置凹凸榫，凸榫端部寬127 mm、凹槽內部寬135 mm，環間凹凸榫連接時凸榫在凹槽中有8 mm的調整余量，管片構造如圖1所示。該地鐵工程管片采用錯縫拼裝，同時在管片環縫設置了凹凸榫槽連接，在施工過程中，若遇到不良施工荷載作用，極易造成管片結構的損傷[13]。

圖1　管片構造(單位：mm)

2　數值模擬

2.1　模型建立

目標管片位于管片環右上部，共受到5對千斤頂推力作用，其中A區、B區作用千斤頂數量分別為3對、2對，千斤頂從左至右依次為1～5號千斤頂，管片選取如圖2所示。

圖2　管片選取

管片側面在加載過程中可能會與相鄰管片多次擠壓及分離，管片與相鄰管片之間接觸不是簡單的鉸接或者固定端約束。在管片兩側建立基座[14]模擬這種復雜的邊界條件，管片模型如圖3所示。基座采用全約束，管片與基座之間在法向上設置硬接觸，管片之間可以傳遞壓力，并允許接觸后分離，切向采用基于罰函數法的庫侖摩擦模型。管片頂面不加約束，底面采用固定約束。

圖3　管片模型

2.2　模型參數

管片塑性損傷模型所需參數如下：混凝土彈性模量2.648×104MPa，泊松比為0.167，剪脹角為15°，偏心率為0.1，雙軸與單軸壓縮強度比值為1.16，屈服常數為0.666 7，管片混凝土的壓縮和拉伸特性[15]見表1。管片與基座之間的摩擦系數是0.3～0.4，本文取平均值0.35，管片與靴板間的摩擦系數因其表面粗糙度不同變化較大，本文摩擦系數取0.35[14]。

表1　混凝土壓縮拉伸特性

2.3　模擬工況

盾構機穿越不良地質或者停機更換刀具，可能引起盾體受困，通常采用增大千斤頂荷載的方式使盾構機脫困。實際脫困過程，忽略千斤頂分區荷載差異，根據施工參數，盾構機脫困千斤頂荷載為25 MPa，荷載大小見表2。

表2　千斤頂荷載

3　結果分析

3.1　裂紋形態特征

圖4為千斤頂過大荷載作用管片初始裂紋形態。可以看出，初始裂紋為“八”字形，與內弧面上邊緣呈45°夾角，出現在管片中部內弧面上邊緣。

圖5為千斤頂過大荷載作用管片的最終裂紋形態。可以看出，裂紋位于管片中部3號千斤頂位置，管片內、外弧面、頂面均出現大范圍網狀裂紋，內、外弧面裂紋數量相當，內、外弧面裂紋沿著管片厚度方向貫穿，管片出現大范圍壓潰現象。表明千斤頂位置與管片裂紋分布直接相關，相同荷載千斤頂同時作用，管片中部3號千斤頂所在位置應力水平更高，應力集中程度更高，管片更易開裂和擴展。

圖5　管片最終裂紋形態

3.2　管片裂損機制

圖6為起裂時刻管片最大主應力云圖，可以看出，起裂時刻管片最大主應力最大值為1.023 MPa，出現在管片中部內弧面上邊緣，最大主應力最大值所在位置與管片起裂位置相一致，表明管片裂紋的產生是其最大拉應力超過材料極限抗拉強度所致。

圖6　起裂時刻管片最大主應力云圖(單位：MPa)

3.3　裂紋擴展規律

圖7為千斤頂過大荷載作用管片裂紋長度隨壓縮量變化曲線圖，從圖中可以看出裂紋總長度為4 032 mm，裂紋長度變化呈現臺階式遞增的特點，管片在新裂紋產生之前，需要一定程度的能量積累才可能出現下一次新裂紋。

圖7　管片裂紋長度變化

裂紋擴展可以分為3個階段：裂紋初始擴展階段、裂紋迅速擴展階段、管片變形破壞階段。裂紋初始擴展階段，管片壓縮量達到0.033 mm，裂紋開始出現。該階段管片壓縮總量為0.052 mm，裂紋總長度為341 mm。裂紋迅速擴展階段，管片壓縮量較小，裂紋發展迅速，絕大多數的裂紋均在該階段擴展，管片壓縮總量為0.153 mm，裂紋總長度為4 032 mm。管片變形破壞階段，裂紋長度停止增長，管片變形量不斷增大，最大變形量達到0.554 mm，表明管片結構出現較大壓縮變形，發生區域性壓潰破壞。

3.4　裂紋擴展路徑

管片裂紋擴展全過程如圖8所示：千斤頂加載初期，結構應力集中程度較低，未出現裂紋。當管片壓縮量達到0.033 mm，管片中部出現“八”字形裂紋，如圖8(a)所示。接著，裂紋發展成“小”字形裂紋，在旁邊衍生出平行裂紋如圖8(b)。此后，裂紋向內弧面手孔和外弧面同時發展，如圖8(c)所示。頂面裂紋出現在螺栓孔周圍，裂紋擴展至管片外弧面，與管片邊緣呈45°夾角，如圖8(d)所示。當管片壓縮量達到0.153 mm時，手孔附近出現首條裂紋，隨后裂紋貫穿手孔，如圖8(e)所示。內、外弧面裂紋發展較為迅速，很快形成相互交叉的大范圍網狀裂紋，直至管片最終破壞，如圖8(f)。

圖8　管片裂紋擴展變化過程

4　結論

本文基于擴展有限元理論，運用ABAQUS有限元軟件建立管片精細化模型，模擬千斤頂過大荷載對管片的作用，并對裂紋形態特征、裂損機制、擴展規律、擴展路徑進行分析，得出以下主要結論：

(1)千斤頂過大荷載作用，管片因其最大拉應力超過材料極限抗拉強度而開裂，初始裂紋出現在管片頂面中部內弧面邊緣。

(2)千斤頂荷載位置是影響管片裂紋擴展的主要因素，管片中部更易出現裂紋，裂紋形態表現為管片中部的內、外弧面、頂面大范圍網狀裂紋。

(3)裂紋長度變化呈現臺階遞增的特點，裂紋擴展可以分為3個階段：裂紋初始擴展階段、裂紋迅速擴展階段、管片變形破壞階段。絕大多數的裂紋發生在第二階段，第三階段管片結構發生區域性壓潰破壞。