大直徑盾構隧道管片連接預埋套筒抗拔性能試驗研究

趙金虎

(中鐵十四局集團房橋有限公司,北京 102400)

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

盾構隧道由預制管片逐一拼接而成,管片間的拼裝接頭關系到盾構隧道的防水性能、承載能力乃至拼裝施工效率,是盾構隧道工程領域重點關注和研究的熱點之一。盾構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],目前盾構隧道工程最常用的是螺栓接頭。張穩軍等[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行了研究。朱瑤宏等[4]對螺栓形式的接縫進行了加載試驗研究,詳細分析了螺栓形式、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隧道管片螺栓連接進行了試驗研究。Lorenzo[6]系統研究了螺栓在混凝土管片拼裝隧道中的作用,同時指出了目前關于管片螺栓的設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度、受力及變形規律進行了研究。Salemi等[8]針對管片螺栓連接的接觸區域進行了模型加載試驗,并提出了相關模擬數值模型的建立方法。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,對盾構隧道斜螺栓-凹凸榫式新型環間接頭的抗剪性能進行了研究,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計尚無針對性計算方法,多采用經驗性的習慣做法,并提出相關承載力指標。然而,對于管片中采用的螺栓構造是否能夠達到設計要求,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,缺乏有效的試驗數據支撐。

盾構隧道管片的套筒(如圖1所示)與配套螺栓,是隧道內管片縱向連接與環向連接的重要組成部分。隨著越來越多的盾構隧道應用于地下工程,管片作為與外界泥漿直接接觸的預制構件,管片連接的緊密程度直接影響到管片的抗滲性能和耐久性能,因此,套筒與配套螺栓間的連接力要求更加嚴格,其也成為了盾構隧道施工的重點關注部分。特別是在大直徑盾構隧道中,如盾構外徑15.76 m的濟南黃河隧道工程,首次進行黃河水下穿越,預制管片采用“9+1”模式,管片外徑15.2 m,內徑13.9 m,壁厚650 mm,構件尺寸大;套筒長200 mm,螺紋外徑38.6 mm(如圖2所示),縱向與環向縫隙的要求分別為不超過2.0 mm和1.0 mm,縱向與環向的連接力必須能夠滿足設計和規范要求。套筒與配套螺栓在盾構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格。

圖1 套筒實物

圖2 套筒尺寸(單位:mm)

1 設計要求

配套螺栓采用M36鋼螺栓,產品等級為C級,機械性能等級為8.8級,加工數量為每環58根。套筒采用聚酰胺材質,產品及強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松配。

2 試驗研究

聚酰胺螺紋套筒產品與混凝土有好的相容性,具有足夠大的錨固力,在管片蒸汽養護加熱和降溫過程中不會因其熱膨脹和冷縮導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電,采用聚酰胺螺紋套筒無須考慮防迷流問題,對于管片結構鋼筋起到隔離屏蔽作用,有利于延長隧道的使用壽命。對于超大盾構隧道管片斜螺栓連接,大部分設計采用M36鋼螺桿,對應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,抗拔力要求達到678 kN。依據設計要求,對于套筒和配套螺栓的要求十分嚴格,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,控制變量進行抗拔力的對比試驗,比選出性能最佳、經濟合理的套筒規格。

2.1 試驗相關準備工作

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、韌性好、耐腐蝕及耐久性好;PA66特性為具有高抗張強度、耐韌、耐沖擊性特優,自潤性、耐磨性優良,低溫特性佳、具自熄性等;PA12特性為抗沖擊性強、化學穩定性好、回潮率高等。

螺牙類型分別為細牙(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;螺牙類型分別為細牙,梯形粗牙,絲牙外徑35.36 mm。相關數據見表1。

表1 不同組合形式的套筒參數

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

2.2 試件設計及制作

為研究螺紋套筒材質、螺紋形式、螺紋長度三個關鍵參數的影響,進行模擬實體拉拔試驗。由于套管預埋方向為斜向,不利于安裝拉拔裝置,所以考慮使用模擬試件進行試驗。按照試驗原則,每組試樣制作試件數量為3個。試件制作采用碎石粒徑為5～25 mm的C60混凝土,規格為500 mm×500 mm×500 mm,試件內部配筋與管片局部實體相同。螺紋套筒材質采用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,一同預埋至混凝土試件內,預埋深度與待測套管長度等長。注意保證預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埋在試件內,埋入時測定垂直度,通過設置附加交叉筋進行固定(如圖6所示);然后澆筑與常規管片同配合比混凝土,并制作混凝土立方體試塊,對試件進行7 d灑水養護,后覆膜自然養護;待達到28 d齡期,且抗壓強度達到100%后,進行拉拔試驗。

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后,需檢查螺旋的旋入深度及垂直度。試驗加載時,以設計荷載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,持續時間不應少于5 min。當抗拔性能檢驗加載達到設計荷載時,持續荷載30 min,若試件達到控制荷載時仍未破壞,則繼續增加荷載,每級持荷期間應時刻觀察力值,并及時補壓;試驗過程當中若出現滑絲、脫扣等現象,則認為試件破壞,停止加載。七級加載完成后,最終未出現滑絲、脫扣等現象,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,應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 試驗結果

試件在加載過程中基本保持完好,未發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生滑絲,荷載無法繼續施加,試件的抗拉承載力試驗結果見表3。

表3 預埋套筒抗拔力試驗結果

3 試驗數據分析

由試驗結果可知:

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

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

(3)從損壞狀態來看,占比80%數據不合格原因是套管與螺桿發生相對滑移,而混凝土試件未損壞,因此在設計當中應充分考慮兩者的咬合性能。

對于試驗結果數據中抗拔力不穩定的原因進行分析:

(1)細牙匹配度問題。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)細牙切絲。細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現,造成抗拔力下降。

(4)細牙抗剪力問題。根據試驗數據分析細牙的抗拔力略低于梯形粗牙。

在工程實踐中習慣采用的PA6材質、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力,因此不能保證斜螺栓連接能達到設計要求的承載能力。

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到了設計要求,考慮盾構隧道管片保護層等的要求,建議超大盾構隧道管片M36斜螺栓連接采用PA66、梯形粗牙的220 mm長螺紋套筒。

4 結論

針對螺紋套筒材質、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,結果表明:習慣采用的PA6、圓螺牙的螺紋套筒實際抗拔能力難以達到設計承載要求,螺紋套筒建議采用PA66材質、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。