隧道二襯搭接技術優化分析及應用研究

熊曉暉

(中鐵十一局集團有限公司 湖北武漢 430061)

1 引言

隧道質量缺陷會給人民的生命財產安全帶來巨大災難[1－2]。隧道襯砌工程質量問題屢見不鮮，應國剛等[3]列舉了國內外運營隧道襯砌混凝土掉塊引起的安全事故，提出襯砌施工縫缺陷是襯砌混凝土掉塊的重要誘因[4]。襯砌施工過程中，前板二襯混凝土脫模時間過早，后板二襯澆筑模板臺車就位時頂推力過大將會造成前板二襯混凝土端頭開裂并形成月牙形裂縫[5]；端頭模板安裝拼接不嚴密將導致混凝土澆筑過程中漏漿，使止水帶周邊的混凝土不密實，嚴重降低二襯混凝土的強度和耐久性能[6－7]。

隧道襯砌混凝土施工質量及標準化施工要求在不斷提高，隧道二襯兩板混凝土之間的施工質量直接影響襯砌混凝土的總體質量。傳統施工工法中，兩板二襯混凝土之間的搭接定位直接通過二襯臺車進行，容易造成兩板二襯施工縫位置的混凝土被臺車頂裂；上一板二襯混凝土與本板二襯端頭鋼模板直接接觸容易形成錯臺[8]。因此，傳統施工工法中隧道兩板二襯混凝土搭接處外觀質量和實體質量均極易出現缺陷，傳統端頭搭接形式無法滿足施工需求。

為了解決二襯混凝土搭接處的質量缺陷問題，黎庶等[9]開展了單線鐵路隧道襯砌臺車軟性搭接改造施工技術研究。張民慶等[10]開展了V型槽零搭接橡膠緩沖式襯砌臺車技術研究。中鐵十一局提出了隧道二襯端頭模板壓力可視化軟搭接技術，如圖1所示。二襯模板頂升控制系統有效解決了隧道二襯施工縫易錯臺和二襯端頭混凝土易被二襯臺車鋼模板頂裂等問題。其技術方案為:在二襯臺車靠近上一板二襯搭接板底部加裝橡膠板，橡膠板與二襯臺車鋼模板在環向上曲率一致。橡膠板上安裝有壓力感應芯片，壓力感應芯片與控制箱連接，澆筑時通過壓力感應芯片采集二襯搭接板底部的壓力，實時掌握上一板混凝土受到的壓力，控制本板鋼模板的安裝過程，防止二襯臺車頂裂上一板二襯端頭混凝土，同時避免施工縫錯臺。

圖1 隧道二襯端頭模板軟搭接裝置

隧道二襯端頭模板軟搭接裝置涉及的力學過程比較復雜，頂升壓力需要精確控制。本文采用數值方法對二襯端頭模板軟搭接進行模擬，主要目的:(1)對頂升過程進行模擬，掌握頂升時軟搭接的變形特性以及第一板混凝土的壓力分布，為合理選擇頂升壓力及頂升位移提供依據。(2)優化軟搭接及鋼模板形狀及尺寸。由于軟搭接為橡膠材料，是典型的超彈性材料[11]，具有體積不可壓縮性，需要掌握軟搭接的變形過程，對軟搭接和鋼模板的形狀尺寸進行優化設計。(3)合理布置軟搭接上的壓力傳感器，施工過程中第一板混凝土受到的頂升壓力通過監測點傳感器的壓力值直觀反饋，軟搭接與混凝土接觸面上的壓力分布并非均勻，需要選擇具有代表性的壓力監測點反映混凝土受到的壓力。

2 軟搭接數值模型

對軟搭接裝置進行數值模擬主要是為考察橡膠材料在第二板模板安裝過程中的變形和受力問題，軟搭接結構和已澆筑混凝土的受力過程可以簡化成平面應變問題。

2.1 數值模型計算域

軟搭接橫截面積較小，選取全域作為計算域；第一板混凝土在模板安裝過程中的應力分布是關注的重點，混凝土計算域需要充分考慮軟搭接接觸處的應力，厚度取二襯混凝土的平均厚度，寬度取2倍軟搭接寬度；第二板鋼模板的剛度遠大于軟搭接，可以考慮為剛性部件。數值模型如圖2所示。

圖2 軟搭接數值模型計算域示意

2.2 數值模型材料參數

混凝土材料考慮混凝土拆模時的力學性能，其材料參數采用?混凝土結構設計規范?規定的數值。軟搭接采用普通橡膠材料，拉壓試驗數據如圖3所示。采用Ogden公式[12]描述其超彈性性質，即用級數形式描繪體積不可壓縮橡膠類材料的應變能函數W:

圖3 軟搭接拉壓試驗數據

式中:αn、μn為材料的待定常數；λ為材料的拉伸比。采用最小二乘法擬合橡膠材料的拉壓試驗數據，可得Ogden公式描述的本構關系參數。

2.3 數值模型邊界條件

數值模型將軟搭接裝置簡化成平面應變問題，第一板混凝土左側面和頂面施加固定約束；軟搭接和第一板混凝土之間采用接觸非線性邊界條件，法向行為設置為硬接觸，切向行為為罰函數；軟搭接用螺栓固結在鋼模板上；為了增加軟搭接的可壓縮性，采用中空橡膠帶，在軟搭接大變形過程中可能會發生相互擠壓嵌入現象，軟搭接中空部分為自接觸邊界條件；用位移邊界條件模擬第二板鋼模板的安裝過程，根據不同模擬要求，鋼模板在豎直方向有2～7 mm的位移。

3 軟搭接優化分析

3.1 預留變形空間的影響

在裝配過程中第二板鋼模板擠壓軟搭接產生較大變形，由于橡膠材料的不可壓縮性，其會充滿模板與混凝土之間的縫隙，縫隙大小不同將會產生不同的界面壓力。考察三種變形空間，分別命名為模型1、模型2和模型3:模型1預留的變形空間最小，模型2通過鋼模板交界面處的斜切口預留一定的變形空間，模型3預留了較大的變形空間。

圖4a～圖4c為模型1～模型3鋼模板裝配完成后混凝土和橡膠材料的壓應力分布云圖。模型1因為預留空間小，鋼模板尚未安裝到位即引起混凝土的破壞，云圖中黑色部分壓應力超過10 MPa，第一板混凝土局部失效；模型2和模型3中鋼模板裝配完成后，混凝土壓應力均小于10 MPa，模型2橡膠材料幾乎充滿預留變形空間，模型3中預留的變形空間尚有空隙，第二板二襯混凝土澆筑后將在接縫處產生毛刺等缺陷。

圖4d～圖4f為模型1～模型3鋼模板裝配完成后混凝土和橡膠材料界面的接觸壓應力分布云圖。模型1界面上的壓應力分布十分不均勻，靠近混凝土自由面的界面壓應力遠大于10 MPa；模型2和模型3界面壓應力分布比較均勻，界面壓應力的最大值出現在軟搭接的中心處，該值與第一板混凝土材料內部的壓應力結果接近(均為8 MPa左右)，因此，沿軟搭接橫截面中心線附近布置壓應力傳感器能準確反映第一板混凝土在鋼模板裝配過程中的應力變化狀態。

圖4 鋼模板軟搭接模型混凝土壓應力和接觸界面壓應力分布云圖

3.2 界面摩擦系數的影響

在鋼模板裝配過程中橡膠材料的主要變形發生在與混凝土接觸的界面上，界面的接觸力學性能會對混凝土的應力分布產生重要影響。基于模型2分析橡膠材料與混凝土界面不同摩擦系數下模板裝配過程中混凝土的應力分布規律和接觸壓應力分布規律。結果表明，隨著界面摩擦系數增加，鋼模板安裝到位后第一板混凝土內部的最大壓應力增加，且高壓應力區域顯著擴大，如圖5所示，界面摩擦系數大于0.3時，局部混凝土內部壓應力大于10 MPa，位于第一板混凝土的自由面附近，摩擦系數越大，大于10 MPa的區域相應越大。其原因為摩擦系數增加時混凝土對橡膠材料的側向約束增加，相互作用力也隨之增加，橡膠材料側向變形減小，摩擦系數為0.5時裝配完成后剩余的預留變形空間顯著大于摩擦系數為0.1的情形。為了使橡膠材料充分變形，減小混凝土內部的壓應力，應適當降低混凝土和橡膠材料的界面摩擦系數。

圖5 界面摩擦系數不同時鋼模板軟搭接模型壓應力分布云圖

3.3 中空軟搭接

為了增加軟搭接的可壓縮性，根據試驗結果模擬了橡膠材料壓縮率為21%的情形。考察兩種中空軟搭接模型:模型4假定軟搭接裝配時與鋼模板之間不留縫隙，模型5假定軟搭接裝配時與鋼模板之間預留2 mm縫隙。計算結果表明，軟搭接與鋼模板之間不留縫隙時，第一板混凝土角部出現嚴重的應力集中現象，最大壓應力超過17 MPa，如圖6所示。其原因是中空軟搭接在壓縮過程中產生了橫向變形，導致混凝土角部局部受力不均。模型5中空軟搭接的橫向約束減弱，混凝土角部應力比較均勻，角部最大壓應力約2 MPa，有效避免了應力集中現象。模型4中最大接觸壓應力超過了20 MPa，出現在第一板混凝土最外側角部，局部混凝土極易出現擠壓破壞，造成月牙裂紋等缺陷；模型5中最大接觸壓應力約3.67 MPa，應力分布比較均勻，最大接觸壓應力出現在軟搭接中心線附近，再次說明在中心線位置布置壓應力傳感器能準確反映第一板混凝土在鋼模板裝配過程中的應力變化狀態。采用中空軟搭接，混凝土最大壓應力明顯降低，因此采用中空的軟搭接更能在惡劣施工環境中保護第一板澆筑的混凝土。

圖6 中空軟搭接混凝土最大壓應力云圖

4 軟搭接工程應用

為了提高鐵路隧道襯砌質量，避免隧道拱頂出現空洞，防止鐵路運營過程中發生隧道拱頂混凝土掉塊現象，中鐵十一局開展了隧道二襯智能信息化澆筑技術研發，開發了隧道二襯混凝土澆筑控制系統，如圖7所示，實現了二襯澆筑信息化管理，有效解決了隧道襯砌空洞的難題。

圖7 隧道二襯混凝土澆筑控制系統

PLC控制分析模塊是信息化澆筑系統的控制中心，可在臺車軟搭接控制模塊中設置上一板二襯混凝土可承受的最大壓力值。當橡膠板上的壓力感應芯片測得的搭接壓力大于該最大壓力值時，PLC控制分析模塊發出報警指令，模板頂升系統停止頂伸，確保不頂裂上一板襯砌混凝土，實現自動化和可視化操作。隧道二襯澆筑信息化系統在貴南高鐵項目的應用表明，臺車控制中心可有效指揮和監控二襯信息化澆筑系統各組成模塊運行情況，實現了二襯混凝土澆筑數據自動采集、自動分析和自動控制。柔性搭接臺車有效消除了二襯接縫處的月牙形裂紋、漏漿、灌注不密實、缺棱掉角等施工縫缺陷。

5 結束語

軟搭接是解決襯砌施工縫缺陷的關鍵技術，通過對二襯端頭模板軟搭接裝置的數值計算可以得出以下結論:

(1)在鋼模板與軟搭接之間預留適當的變形空間十分重要，無論采用實心橡膠軟搭接還是中空橡膠軟搭接，預留變形空間能夠有效避免第一板混凝土產生局部應力集中現象。

(2)降低混凝土和橡膠材料的界面摩擦系數，可使橡膠材料充分變形，減小混凝土內部的壓應力。

(3)采用中空軟搭接能夠有效降低混凝土與軟搭接之間的接觸壓應力，更好保護第一板現澆混凝土。

(4)采用中空軟搭接最大接觸壓應力出現在軟搭接中心線附近，在中心線位置布置壓應力傳感器能比較準確反映第一板混凝土在鋼模板裝配過程中的應力變化狀態。

(5)貴南高鐵項目隧道襯砌軟搭接臺車應用結果表明，柔性搭接臺車能有效消除二襯接縫處月牙形裂紋、漏漿、缺棱掉角等施工縫缺陷。