TBM掘進推力作用下隧道預制管片開裂過程研究

劉建超

(遼寧潤中供水有限責任公司,遼寧 沈陽 110000)

0 引言

隧道掘進機(TBM)和土壓力平衡(EPB)是目前最廣泛采用的隧道施工系統,可以分別在硬巖和軟土中開挖,兩者主要區別是是否安裝有盾構體。當采用屏蔽式TBM機時,隧道襯砌通常采用鋼筋混凝土預制管片構件,這種結構中襯砌具有雙重作用:既要抵抗地壓,又要作為TBM推進的反應元件[1]。此外,必須針對施工階段可能發生的動作,即脫模、處理、儲存和運輸設計單個預制段。

隧道襯砌推進施工過程中,必須對可能出現的TBM推力對襯砌結構單元可能產生應力場加以分析,避免出現應力過大而產生的的破壞問題。事實上,TBM的推力即使在過渡作用下也會引起管段開裂,影響結構的耐久性。耿麒等[2]為了研究TBM預制段的推力效應問題,通過試驗設計并構建了合適的加載系統,能夠為管段提供單一載荷,然后模擬單個TBM襯墊效果。然而,實際應力場與這種簡化方案相差很遠,因為更多的荷載(推力墊)出現在分段上,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控制TBM推力缸在隧道的彎曲段掘進,就強度和裂縫模式而言,簡化加載方案可以給出與實際情況非常不同的結果;最后,在隧道掘進施工的設計方面,一般采用相鄰兩個環部分之間的不完全接觸來表示,在設計階段忽略這個變量,會導致在環安裝過程中不可避免的出現開裂問題,并呈現出不同的開裂模式[5-6]。

本文開發了適用于模擬TBM推力作用于單襯砌結構的實驗裝置,測試不同推力對襯砌管片不同區域的作用過程,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

在隧道掘進開挖過程中,在TBM中放置已預制成型的襯砌管片。TBM通過液壓千斤頂作用于襯砌,千斤頂與管片間設有鋼墊片。在現場安裝中,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,構建測試系統。該系統可以在單個墊板上施加高達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。為更真實反應實際施工現場的情況,每個鋼墊上都有兩個液壓千斤頂作用,每個千斤頂的承載力為2 000 kN,采用高強鋼筋和鋼梁制成的封閉環框架。預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,每個傳感器對應一對導管套。鋼墊的垂直位移通過放置在管段前端(內部)和尾部(外部)的電位線傳感器進行采集。此外,LVDTs用于測量裂紋擴展寬度,所有數據由采集數字系統連續記錄并傳輸到電腦終端。

1.2 加載方式

實驗中加載過程分為4個周期:

(1)循環1:加載F1=F2=F3,直到第一個裂紋形成,然后卸載;

(2)循環2:加載F1=F2=F3=1 580 kN;卸載;

(3)循環3:F1=F2=F3=2 670 kN;卸載;

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

循環2和循環3的最大負載分別代表現場的施工時的推力和異常推力(設備最大掘進能力),最后一個循環,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 結果分析與討論

2.1 隧道管片連續支承開裂過程

連續支撐管片裂縫開展情況見圖1。采用這種配置進行25次加載,當載荷水平在1 300～1 800 kN時,通常在拱腹和拱背面首次出現裂縫(然后穿過頂表面),裂紋的長度約為200～300 mm,且非常穩定,在其它3個周期內均無明顯變化。位于管片底部中間,從底部到孔處出現一條裂縫,這種裂縫與開挖時現場觀測到的裂縫是一致的。試驗結束卸載后,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,成為應力集中的地方。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。

圖1 連續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載相對應,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給出的位置與負載曲線。在載荷片之間和管片底部的一個有限區域存在拉應力,第一個裂紋出現在焊盤之間的頂部區域,每個焊盤的載荷水平約為1 550 kN(總載荷為4 650 kN),這一結果在裂紋位置和首次開裂荷載方面與試驗結果吻合較好。

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展,沒有明顯的擴大,并通過外噴孔;在第四個循環中,裂紋保持穩定。第三個周期中,第二條裂縫在靠近支撐的地方出現,從內拱面延伸到外拱面。第四個周期中,最后一條裂縫的長度增加了約100 mm,在內側表面,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 隧道管片一側失去支撐開裂過程

當荷載水平為700～800 kN時,第一個裂紋出現在加載墊F1～F2之間,裂紋立即在兩個表面打開和擴展,長度約為800～900 mm。第一個循環只進行了1次,因為混凝土在靠近支架處底部發生壓縮開裂,這種可能是由于相對于支架的點載荷偏心,段向內側剛性旋轉造成。

在隧道管片底部無支撐時,由于缺少相鄰的段,因此達到的負載值很低。由于缺少支撐,在隧道管片中產生的約束效應未充分發揮,因此可以通過這種加載方案預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,應力-應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 隧道管片兩側無支撐開裂過程

當荷載水平為700～800 kN時,在加載板之間的頂部、在內拱和外拱表面幾乎同時出現了破損和裂縫,這些裂縫立即沿著管片高度向上延伸至底部約300 mm。隨著裂縫的進一步形成,從頂部開始,裂縫逐漸在拱腹喝拱背表面上擴展,直到穿過安裝孔,試驗中隧道管片拱內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,當初始裂縫出現后,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。TBM推進過程中,連續支撐和中間失去支撐的結果可以代表管片環內裂縫擴展行為,即使試驗中不考慮來自同一隧道環的相鄰段,單元的約束效應對裂縫模式沒有顯著影響。一側失支撐和兩側失支撐的結果并不能很好地再現隧道環內部的實際響應,在原位條件下,同一環內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 結語

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

(1)隧道管片連續支承時,經過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裂縫,裂紋的長度約為200～300 mm,且非常穩定,在其它3個周期內均無明顯變化。位于管片底部中間,從底部到孔處出現一條裂縫,這種裂縫與開挖時現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。經過多次加載過程后,在內側表面,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)隧道管片一側無支撐時,初始裂縫出現在加載墊F1-F2之間,裂紋長度約為800～900 mm;隧道管片兩側失去支撐的情況下,在荷載為700～800 kN時,在加載板之間的頂部、在內拱和外拱表面幾乎同時出現了破損和裂縫,這些裂縫立即沿著管片高度向上延伸至底部約300 mm。隨著裂縫的進一步形成,從頂部開始,裂縫逐漸在拱腹喝拱背表面上擴展,直到穿過安裝孔,試驗中隧道管片拱內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,需保持掘進機前段與隧道管片的橫向連接形成連續支撐狀態,且推進荷載應控制在1300kN以下,可保證隧道管片不出現裂縫破壞。