千斤頂推力不均對盾構管片裂紋擴展的影響研究

蘇 昂

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031)

盾構法以其安全高效特點，成為城市地鐵和水下隧道最主要的施工方法[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。上軟下硬復合地層是我國廣州、深圳、福州等地區典型地質條件，盾構機在穿越該類地層時，盾構姿態控制不佳，千斤頂易出現推力不均，導致管片局部應力集中程度較高，進而引起管片裂損[2-4]等問題的出現。

國內外學者及工程研究人員對盾構隧道裂損病害[5-10]進行了大量研究，但是其中有關施工階段千斤頂推力造成盾構隧道裂損的研究，僅少數成果見諸報端。宋克志、袁大軍等[11]針對施工階段管片破損現象，系統分析了施工荷載作用下管片襯砌結構的力學特征，運用ANSYS有限元軟件構建施工階段管片力學模型，最后得到千斤頂推力大小、推力傾角、推力偏差導致管片破損的結論。張建剛、何川等[12]針對施工階段管片開裂現象，建立了三維有限元模型，系統分析了管片結構在千斤頂推力作用下的力學響應特性，給出了管片開裂的主要原因。陳俊生、莫海鴻等[13]以廣州地鐵管片為研究對象，將管片在施工階段受到的千斤頂推力、注漿壓力、地層彈性抗力、正常使用階段受到的土壓力和水壓力概化為5種荷載，利用通用有限元軟件ADINA，分析了單塊管片的應力和裂縫分布。秦建設、朱偉等[14]從盾構機與管片相互作用入手，研究了盾構機千斤頂姿態與襯砌走向不協調導致管片錯臺及混凝土開裂問題，并提出相應的對策。

以上關于千斤頂推力造成盾構管片裂損的研究大部分基于數值模擬方法，將管片視作連續介質，根據管片應力集中程度，預判管片裂紋形態和可能出現位置，進而分析管片開裂原因。然而，管片的開裂具有很強的隨機性，應力集中程度無法準確預判開裂位置。同時，管片裂紋的擴展具備很強的不確定性，采用以上數值模擬方法無法描述裂紋擴展路徑和擴展規律。

鑒于此，本文基于擴展有限元理論[15-18]，利用ABAQUS有限元軟件，建立管片三維有限元模型，實現了千斤頂推力不均作用下盾構管片裂紋擴展的模擬，對裂紋形態特征、擴展規律、擴展路徑進行深入分析，并提出相應的工程改進措施。

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，與國內大多數地鐵一樣，管片襯砌采用“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調整余量，管片構造如圖1所示。該地鐵管片采用錯縫拼裝，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，極易造成管片結構損傷[19]。

圖1 管片構造(單位：mm)

2 數值模擬

2.1 模型建立

為簡化計算模型，將千斤頂推力轉換成均布荷載施加在靴板上，3個靴板依次對應1-3號千斤頂。在加載過程中，管片側面與相鄰管片可能會多次出現擠壓或分離的復雜接觸情況，無法用簡單的鉸接或固端約束表達管片間接觸。根據文獻[20]，在管片兩端建立兩個支承基座模擬這種復雜的邊界條件，管片模型如圖2所示。

圖2 管片模型

支承基座為全約束，管片與支承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，切向上采用基于罰函數法的庫侖摩擦模型。管片頂面(凸榫面)無約束，底面(凹槽面)為豎向約束。

2.2 模型參數

管片塑性損傷模型參數和混凝土壓縮拉伸特性[21]分別見表1、表2。管片與基座之間的摩擦系數為0.3～0.4，為了反映普遍情況，本文取平均值0.35，管片與靴板間摩擦系數因其表面粗糙度不同變化較大，摩擦系數取0.35[20]。

表1 管片塑性損傷模型參數

表2 混凝土壓縮拉伸特性

2.3 工況模擬

改變作用在靴板的荷載大小，模擬千斤頂推力大小。根據文獻[20]，正常施工中，單個管片頂面承受壓力為1 600 kN/m，單個管片平均弧長為3.446 m，由于凸榫的存在，靴板在管片作用范圍為127 cm×500 cm，每個靴板承受平均荷載為28.9 MPa，即千斤頂推力荷載為28.9 MPa。考慮到可能出現盾構機轉彎段、盾構機姿態調整、盾構機穿越復雜地層等情況，靴板的最大荷載設為該荷載的2倍，即57.8 MPa，荷載工況如表3所示。

表3 荷載工況

3 計算結果分析

利用ABAQUS有限元軟件，模擬千斤頂推力不均對盾構管片的作用，并對裂紋形態特征、擴展規律、擴展路徑進行深入分析。

3.1 裂紋形態特征

圖3為各工況作用下管片最終裂紋形態，可以看出，1號管片裂紋分布在管片左側端部和中部，2號管片裂紋對稱分布在管片兩側端部，3號管片裂紋分布在管片中部。各組工況下，裂紋大多位于千斤頂較大推力位置，螺栓孔、手孔和螺栓孔附近均出現大量的線狀裂紋，內弧面裂紋多于外弧面，內、外弧面裂紋沿著管片厚度方向貫穿。各種工況管片裂損區域由大到小依次為2號管片、1號管片、3號管片，裂紋均出現在千斤頂較大推力位置，這說明千斤頂推力大小、位置與管片裂紋的分布形態直接相關，千斤頂推力越大，較大推力位置越靠近端部，管片裂損區域越大。

圖3 各工況作用管片最終裂紋形態

從圖3可以看出，1號管片左側端部頂面凸榫被裂紋貫穿，裂紋沿45°方向順著內弧面發展到側面，使得管片左側邊角部出現楔形剪切破壞，2號管片兩側邊角部都出現邊角剪切破壞。3號管片左側及中部千斤頂推力最大，管片中部應力集中程度高，應力集中區域小，管片出現局部壓潰破壞。

圖4為各工況作用下管片的初始裂紋形態?？梢钥闯?，2號、3號管片初始裂紋均出現在管片凸榫頂面內邊緣，1號管片初始裂紋雖然出現在凸榫頂面外邊緣，但隨后在頂面與內弧面交界處也出現了裂紋。管片內弧面的螺栓手孔、注漿孔的存在，尤其是端部密集手孔的存在，不僅大幅提升管片內側局部應力集中程度，同時為管片變形、裂紋擴展提供了更大空間，使得管片內弧面更易開裂。

3.2 裂紋擴展規律

圖5為各工況作用下管片裂紋長度隨管片壓縮變形而變化的曲線?？梢钥闯?，1～3號管片裂紋總長度分別為5 331、7 704、3 630 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裂紋。

圖4 各工況作用下管片初始裂紋狀態

圖5 各工況作用下管片裂紋長度與壓縮量關系

管片通過壓縮變形和裂紋擴展消耗千斤頂推力產生的能量，裂紋擴展可以分為3個階段：裂紋初始發展階段(AC段)、裂紋協調發展階段(CE段)、裂紋迅速發展階段(EG段)。每一階段的裂紋擴展可以分為2個過程：能量積累過程和裂紋擴展過程。

不同階段，管片壓縮量和裂紋長度統計見表4。

表4 管片壓縮量和裂紋長度統計

第一階段：裂紋初始發展階段。千斤頂加載初期，管片內部應力、應變較小，未引起管片開裂，直到壓縮量分別達到0.03、0.03、0.01 mm，裂紋開始出現。該階段，管片壓縮增量分別為0.05、0.04、0.03 mm，裂紋長度增量分別為2 116、236、210 mm。該階段，所有管片壓縮量較小，2號和3號管片裂紋長度較小，1號管片裂紋長度較大。

第二階段：裂紋協調發展階段。該階段內、外弧面裂紋長度與壓縮量變化協調一致，裂紋長度隨著管片壓縮量的增大而增長。該階段，1號管片壓縮增量為0.05 mm，裂紋長度增量為512 mm。2號管片壓縮增量為0.06 mm，裂紋長度增量為814 mm。3號管片壓縮增量為0.06 mm，裂紋長度增量為3 350 mm。該階段，所有管片壓縮增量較小，1號和2號管片裂紋長度增量較小，3號管片裂紋長度增量較大。

第三階段：裂紋迅速發展階段。在該階段，1號、2號管片裂紋長度增量分別為2 703、6 654 mm，裂紋發展迅速，絕大多數的裂紋在該階段擴展。1、2號管片壓縮量在該階段后期基本保持不變，但裂紋長度持續增大，管片結構出現區域性破壞，承載能力已受到較大影響。3號管片裂紋長度的增量僅為70 mm，壓縮增量卻達到了0.3 mm，裂紋長度在該階段基本保持不變，但管片壓縮變形量持續增大，此時，雖然管片局部發生壓潰破壞，但整體并未完全喪失承載能力。

3.3 裂紋擴展路徑

以1號管片為例，展示裂紋擴展全過程，如圖6所示：加載初期，管片整體應力水平較低，無裂紋出現。當管片壓縮量達到0.030 mm，管片左側端部凸榫外邊緣出現首條長45 mm裂紋，裂紋與凸榫邊緣呈45°夾角，如圖6(a)所示。當管片壓縮量達到0.033 mm，管片左側、中部手孔上方同時出現1對“八”字裂紋，如圖6(b)所示。當管片壓縮量達到0.047 mm，外弧面出現首條裂紋，裂紋與管片邊緣呈45°夾角，如圖6(c)所示，外弧面裂紋擴展較慢。隨后，內弧面左側和中部裂紋同時擴展，左側裂紋擴展緩慢，并保持較長時間的穩定。中部裂紋擴展迅速，很快形成內弧面與頂面相連的貫通裂紋，如圖6(d)所示。內弧面左側裂紋與內弧面邊緣平行擴展，頂面裂紋向凸榫外邊緣方向擴展，如圖6(e)所示。最終頂面、內弧面與外弧面裂紋交匯貫通，管片左側端部出現大范圍線狀裂紋，中間局部出現線狀裂紋，發展為最終裂紋形態，如圖6(f)所示。

圖6 1號管片裂紋擴展

4 工程改進措施

千斤頂推力不均引起的管片裂紋問題不容小視，對盾構隧道結構長期安全性和耐久性產生重要的影響。根據管片裂紋形態特征、裂紋擴展規律與裂紋擴展路徑分析結果，提出如下工程改進措施。

(1)優化管片結構，邊角部、手孔和螺栓孔位置增加構造鋼筋。千斤頂推力不均作用下管片邊角部易出現楔形剪切破壞，在管片設計時，增加邊角部構造鋼筋，能夠增大邊角部抗拉剪能力，降低邊角部應力集中程度，減弱盾構施工階段管片裂紋擴展程度。手孔和螺栓孔部位易出現貫穿裂紋，在管片設計時，手孔和螺栓孔周圍增加短環繞狀構造鋼筋，增大孔位拐角部位的抗拉剪能力。

(2)控制施工不良荷載與盾構姿態。千斤頂推力的不均是導致施工階段管片局部破損的主要原因，在滿足盾構推進要求的前提下，應緩慢、平滑校正操作千斤頂，減小推力大小、傾角的突變對管片的不利影響。要仔細考慮控制參數，降低施工速度，采取提前逐漸糾偏的方式，保證盾構機姿態與襯砌環走向配合良好，降低千斤頂推力不均荷載的出現。

(3)及時檢查管片表面潔凈程度。及時將管片環、縱縫的礫石顆粒等雜物清理干凈，盡量避免管片間非均勻接觸現象出現。同時，在施工中盡量做到管片清潔無夾雜、管片安裝嚴格對齊等。

5 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三維有限元模型，實現了千斤頂推力不均作用下盾構管片裂紋擴展的模擬，對裂紋形態特征、擴展規律、擴展路徑進行深入分析，并提出相應的工程改進措施，得出以下主要結論。

(1)千斤頂推力不均作用，裂紋大多位于千斤頂最大推力位置，管片裂紋形態表現為邊角部、手孔部、螺栓孔附近大范圍線狀裂紋，內弧面較外弧面更易產生裂紋，內外弧面裂紋沿著管片厚度方向貫穿，裂紋大多位于千斤頂最大推力位置。

(2)千斤頂推力大小、位置與管片裂紋的分布形態直接相關，千斤頂推力越大，千斤頂較大推力位置越集中，最大推力位置越靠近端部，管片裂損區域越大。

(3)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。裂紋擴展可以分為3個階段：裂紋初始發展階段、裂紋協調發展階段、裂紋迅速發展階段。絕大多數的裂紋發生在第三階段，該階段管片結構出現區域性破壞。

(4)通過優化管片結構、控制施工不良荷載與盾構姿態，及時檢查管片表面潔凈程度等工程改進措施，可減輕盾構施工階段管片裂損程度。