復(fù)合結(jié)構(gòu)加固變形管片隧道襯砌承載力試驗(yàn)研究

摘 要：為進(jìn)一步提高變形管片隧道襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，本文提出利用半環(huán)鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)加固變形管片，并研究不同荷載下變形隧道襯砌的受力變形情況以及加固后隧道襯砌結(jié)構(gòu)的破壞模式。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)荷載達(dá)到約500 kN時(shí)，加固前后的管片豎向位移均達(dá)到最大值，其中，加固前的豎向位移為6.2 mm，加固后的豎向位移為2.3 mm，加固前的豎向位移遠(yuǎn)大于加固后，半環(huán)鋼板加固變形管片后，可有效防止混凝土及管片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。半環(huán)鋼板加固變形管片結(jié)構(gòu)的極限承載力均大于加固前，且加固后的變形管片破壞模式主要為環(huán)向開(kāi)裂，而加固前的變形管片的脆性破壞區(qū)域較多。

關(guān)鍵詞：隧道襯砌；承載力試驗(yàn)；半環(huán)鋼板加固

中圖分類號(hào)：U 45" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著我國(guó)城市軌道交通的快速發(fā)展，盾構(gòu)法隧道得到了廣泛應(yīng)用。在盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中，因隧道穿越地層情況復(fù)雜，隧道結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)不明確，施工過(guò)程中常出現(xiàn)各種安全隱患[1]，而管片是盾構(gòu)隧道的重要組成部分，管片變形和破壞直接影響隧道的結(jié)構(gòu)安全和正常運(yùn)營(yíng)[2]。因此，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)加固進(jìn)行研究具有重要意義。目前針對(duì)盾構(gòu)隧道管片變形的加固研究主要集中在傳統(tǒng)加固方法上，包括注漿、明敷和錯(cuò)縫拼裝等，但均存在施工工藝復(fù)雜、工期長(zhǎng)、造價(jià)高等問(wèn)題[3-5]。目前，半環(huán)鋼板加固法因其施工簡(jiǎn)單、工期短、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)成為管片變形的有效加固方法。目前關(guān)于半環(huán)鋼板加固對(duì)管片襯砌承載力影響的研究較少，但已有試驗(yàn)證明半環(huán)鋼板加固對(duì)變形管片襯砌承載力的影響。而在某隧道的施工過(guò)程中，管片發(fā)生嚴(yán)重變形且裂縫多，因此本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究分析半環(huán)鋼板加固前后隧道管片襯砌承載力、裂縫發(fā)展、受力特性等方面的變化規(guī)律，為隧道變形管片加固提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案及隧道工況

1.1 隧道工況

某隧道由淺埋開(kāi)挖組成，覆蓋深度為6.02m～31.72m，長(zhǎng)度約為260m。地質(zhì)調(diào)查資料顯示，裂隙水少量，地下水受降水影響較大。隧道圍巖為IV級(jí)和V級(jí)，四級(jí)長(zhǎng)度為110m，V級(jí)為150m，主要由砂巖和泥巖組成。由于圍巖破碎且較軟，因此出口和入口采用組合支撐，包括先進(jìn)管棚和鋼框架噴射混凝土。隧道由小鉛管、工字鋼和噴射混凝土支撐，且某隧道場(chǎng)地位于上海地鐵盾構(gòu)隧道，襯砌的外徑為6200mm，內(nèi)徑為5500mm[6]，襯砌的厚度為350mm。襯砌由六段組成，每段寬1200mm，包括一個(gè)關(guān)鍵段（F段）、兩個(gè)相鄰段（L1和L2段）、兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段（B1和B2段）和一個(gè)底段（D段）。F段的中心角為16.0°。線段L1、L2、B1和B2的中心角為65.0°[7]。分段的混凝土標(biāo)號(hào)為C55，抗壓強(qiáng)度為35.3MPa。鋼材HRB335的屈服極限和極限強(qiáng)度分別為335kPa和455kPa。每側(cè)的混凝土覆蓋層為50mm。連接節(jié)段的螺栓直徑為30mm，其屈服極限和極限強(qiáng)度分別為400kPa和500kPa。

1.2 隧道變形管片概況

隧道A～B盾構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)基本完成，但是在隧道主體結(jié)構(gòu)與A～B的銜接段出現(xiàn)管片錯(cuò)臺(tái)、滲漏水等問(wèn)題。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)存在以下幾處變形管片：2處頂部錯(cuò)臺(tái)（錯(cuò)臺(tái)超過(guò)5mm）；2處底部錯(cuò)臺(tái)（錯(cuò)臺(tái)超過(guò)2mm）；1處中部錯(cuò)臺(tái)（錯(cuò)臺(tái)超過(guò)1mm）；1處上部錯(cuò)臺(tái)（錯(cuò)臺(tái)超過(guò)1mm）。

經(jīng)調(diào)查分析，變形管片出現(xiàn)問(wèn)題的原因如下。在隧道主體結(jié)構(gòu)與A～B的銜接段施工過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)穿越拱頂時(shí)發(fā)生管片錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，盾構(gòu)機(jī)在穿越拱頂過(guò)程中，由于隧道頂板坍塌，管片底部出現(xiàn)裂縫，且隧道底部出現(xiàn)裂縫以及頂部出現(xiàn)變形現(xiàn)象，導(dǎo)致管片錯(cuò)臺(tái)、滲漏水等現(xiàn)象。因此需要進(jìn)一步加固變形管片，防止管片持續(xù)變形，影響隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[8]。

1.3 鋼板加固變形管片方案

地鐵隧道變形管片的加固方法目前主要有兩種：在變形管片縱向采用鋼筋進(jìn)行加固；在管片環(huán)縫中間部位采用半環(huán)鋼板進(jìn)行加固。考慮到盾構(gòu)隧道管片的整體性，當(dāng)隧道管片變形較大，采用半環(huán)鋼板進(jìn)行加固時(shí)，半環(huán)鋼板可以有效地約束變形管片的位移和轉(zhuǎn)角，使其保持在預(yù)定的范圍內(nèi)，同時(shí)可以提高管片結(jié)構(gòu)的整體性，減少應(yīng)力集中對(duì)結(jié)構(gòu)造成的損傷。半環(huán)鋼板與管片之間采用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接時(shí)，半環(huán)鋼板上沿縱向均勻布置2排高強(qiáng)螺栓，每排3個(gè)，沿環(huán)縫均勻布置6排高強(qiáng)螺栓，每排4個(gè)，為減少半環(huán)鋼板與管片之間的摩擦力對(duì)加固效果的影響，在半環(huán)鋼板上設(shè)置一層摩擦板。半環(huán)鋼板由3塊相同的弧形鋼板組成，鋼板厚度為20mm，寬度為850mm，鋼板沿分段圓周中線固定，通過(guò)電焊連接各個(gè)鋼板。鋼板與相鄰混凝土之間用螺栓連接，且注入環(huán)氧樹脂提高鋼板與混凝土的結(jié)合強(qiáng)度。管片采用混凝土材料制作，模擬實(shí)際隧道襯砌的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。連接螺栓采用高強(qiáng)度鋼材制作，模擬實(shí)際隧道襯砌的連接方式。復(fù)合加固材料采用粘接布和鋼板，分別粘貼在管片的內(nèi)、外表面，形成復(fù)合結(jié)構(gòu)。

1.4 監(jiān)測(cè)方案

為研究半環(huán)鋼板加固變形管片的加固效果，在隧道內(nèi)布設(shè)3組豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中兩組在拱頂，一組在拱腰。每組共布設(shè)4個(gè)豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。變形隧道襯砌的破壞主要出現(xiàn)在拱腰，因此布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)應(yīng)盡量保證其在結(jié)構(gòu)受力最大處。同時(shí)利用千斤頂對(duì)半環(huán)鋼板加固前后的變形管片，豎向施加不同荷載（10kN、50kN、100kN、500kN），模擬隧道挖掘過(guò)程對(duì)管片的影響。通過(guò)監(jiān)測(cè)豎向位移和極限承載力來(lái)分析半環(huán)鋼板對(duì)變形隧道襯砌結(jié)構(gòu)的加固效果，為半環(huán)鋼板對(duì)變形隧道襯砌結(jié)構(gòu)的加固方法提供理論依據(jù)。同時(shí)選用高精度的全站儀式收斂計(jì)或機(jī)械式收斂計(jì)，測(cè)量精度應(yīng)滿足試驗(yàn)要求，能夠準(zhǔn)確測(cè)量隧道管片的收斂變形。

2 結(jié)果與分析

2.1 半環(huán)鋼板加固變形管片的豎向位移變化

當(dāng)未進(jìn)行加固時(shí)，變形管片可能因多種原因產(chǎn)生豎向位移。例如，隧道周圍土體的不均勻沉降、外部荷載的作用、管片自身的結(jié)構(gòu)缺陷等都可能導(dǎo)致管片出現(xiàn)下沉或隆起。這種豎向位移可能會(huì)影響隧道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和使用安全。如果變形持續(xù)發(fā)展，就可能會(huì)導(dǎo)致管片開(kāi)裂、滲漏水，甚至影響隧道的通行能力。因此需要利用位移傳感器進(jìn)一步探究半環(huán)鋼板加固前后的管片襯砌試件豎向位移變化，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。在管片襯砌受力破壞過(guò)程中，變形管片豎向位移有一個(gè)明顯的加速發(fā)展過(guò)程，直至達(dá)到位移最大值，而加固后的變形管片豎向位移變化幅度較小，表明半環(huán)鋼板能夠有效地控制管片襯砌豎向變形。當(dāng)荷載為10kN時(shí)，加固前的變形管片位移高達(dá)2.5mm，比加固后的變形管片增加92.31%。當(dāng)荷載達(dá)到約500kN時(shí)，加固前后的管片豎向位移均達(dá)到最大值，其中，加固前的豎向位移為6.2mm，加固后的豎向位移為2.3mm，加固前的豎向位移遠(yuǎn)大于加固后。當(dāng)荷載超過(guò)一定值時(shí)，加固后的管片豎向位移不再隨荷載增加而增加，荷載100kN的豎向位移為2.1mm，而當(dāng)荷載為500kN時(shí)，豎向位移僅增至2.3mm，增幅較小，說(shuō)明在荷載達(dá)到一定值時(shí)，半環(huán)鋼板能夠有效地控制管片襯砌豎向變形，繼續(xù)增加荷載應(yīng)力會(huì)轉(zhuǎn)移到鋼板上。同時(shí)半環(huán)鋼板與管片的接觸面在荷載作用下會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力，對(duì)變形管片襯砌起到約束作用，半環(huán)鋼板加固后增加了環(huán)向受力面積，使環(huán)向受力更加均勻化，減少隧道結(jié)構(gòu)縱向受力差異。因此，半環(huán)鋼板結(jié)構(gòu)加固可以顯著提高變形管片隧道襯砌的承載力和變形性能，是一種有效的隧道襯砌加固技術(shù)。

2.2 半環(huán)鋼板加固變形管片的極限承載力及破壞模式變化

為研究不同荷載作用下半環(huán)鋼板加固變形管片隧道襯砌結(jié)構(gòu)的破壞模式，本文對(duì)不同荷載作用下管片襯砌結(jié)構(gòu)的破壞模式進(jìn)行分析，變形管片接縫的損壞狀況如圖2所示。

在變形管片加固前，襯砌接縫的一部分已經(jīng)損壞。8°和352°接縫外側(cè)的混凝土受壓破裂。73°和287°接縫內(nèi)部的混凝土被破壞。而位于138°和222°的連接處的混凝土完好無(wú)損。在試驗(yàn)的早期階段，接縫幾乎沒(méi)有變化。當(dāng)利用半環(huán)鋼板加固變形管片，并施加荷載500kN時(shí)，連接處的損壞狀況較小。352°接頭外的混凝土由于受壓破壞出現(xiàn)剝落，但剝落面積較小，且裂縫并未延伸至混凝土核心區(qū)域。138°處的接縫開(kāi)始剝落，裂縫深入內(nèi)部混凝土中。73°接縫外開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，一些混凝土在接縫內(nèi)剝落。287°接頭外側(cè)的裂縫明顯擴(kuò)大，內(nèi)部混凝土遭到破壞，8°接頭外側(cè)的混凝土也被破壞，222°接縫完好無(wú)損，進(jìn)一步表明半環(huán)鋼板加固變形管片的效果較為顯著。

在不同荷載作用下，變形管片結(jié)構(gòu)的極限承載力也是不斷變化的，而極限承載力是衡量變形管片結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的重要指標(biāo)，因此，可以通過(guò)研究變形管片結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下的極限承載力變化情況，分析加固方法的適用性，變形管片加固前后的極限承載力數(shù)值變化如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)荷載從10kN增至500kN時(shí)，半環(huán)鋼板加固變形管片結(jié)構(gòu)的極限承載力均大于加固前，且加固后的變形管片破壞模式主要為環(huán)向開(kāi)裂，而加固前的變形管片的脆性破壞區(qū)域較多。當(dāng)荷載為10kN時(shí)，加固前的極限承載力為430kN，而加固后的極限承載力比加固前增加17.30%，進(jìn)一步表明利用半環(huán)鋼板加固變形管片，可以使荷載轉(zhuǎn)移到鋼板上，并在鋼板形成多條力的傳遞路徑，從而有效提高變形管片結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，且在較大荷載下，鋼板仍處于彈性范圍內(nèi)，吸收隧道施工過(guò)程中的擾動(dòng)能量。隨著荷載增加，加固前后的極限承載力均呈下降趨勢(shì)。加固前的極限承載力變化范圍較大，從430kN降至250kN，而加固后的極限承載力變化幅度較小，從520kN降至450kN。由于半環(huán)鋼板對(duì)管片襯砌產(chǎn)生約束作用，因此導(dǎo)致管片的承載力緩慢下降，從而避免管片區(qū)域產(chǎn)生更大的豎向裂縫和豎向壓碎破壞。

3 結(jié)論

為進(jìn)一步提高隧道襯砌承載力，本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究分析半環(huán)鋼板加固前后隧道管片襯砌承載力、裂縫發(fā)展、受力特性等方面的變化規(guī)律，得出以下主要結(jié)論。1）當(dāng)荷載超過(guò)一定值時(shí)，加固后的管片豎向位移不再隨荷載增加而增加，荷載100kN的豎向位移為2.1mm，而當(dāng)荷載為500kN時(shí)，豎向位移僅增至2.3mm，增幅較小，說(shuō)明當(dāng)荷載達(dá)到一定值時(shí)，半環(huán)鋼板能夠有效地控制管片襯砌豎向變形，繼續(xù)增加荷載會(huì)應(yīng)力轉(zhuǎn)移到鋼板上。2）加固后的極限承載力變化幅度較小，從520kN降至450kN。由于半環(huán)鋼板對(duì)管片襯砌產(chǎn)生約束作用，因此導(dǎo)致管片的承載力緩慢下降。

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