局部破损与错台管片结构力学特征研究*

张 增

(叙镇铁路有限责任公司，云南 昭通 657900)

0 引言

盾构法作为成熟的隧道施工工法，已广泛应用于城市轨道交通隧道、越江跨海隧道等工程中。盾构隧道多未设置二次衬砌，管片衬砌作为唯一承载体，起承受外荷载、防水作用。如果管片局部破损或出现错台，修补后无法恢复至破损前的受力状态。因此，需对管片局部破损及错台进行评估，并采取一定处理措施。

叶飞等[1]对施工期盾构隧道管片衬砌受力特性进行了研究；杨雨冰等[2]采用基于断裂力学的有限元方法，研究了盾构隧道管片结构破损机制，提出接头模拟是准确评价盾构隧道整环衬砌结构极限承载能力和变形性能的关键；宋克志等[3]研究了盾构施工阶段管片受力特点，对常见的局部破损现象及原因进行了分析；侯永东等[4]研究了盾构管片在不同时段的破损原因及控制技术；周俊宏等[5]研究了管片修补块在隧道发生纵向变形时的受力特征，通过建立纵向等效刚度模型，分析了管片修补块在环缝位置处所受压应力与隧道纵向变形的关系，并给出管片修补强度控制值。

本文依托某城市轨道交通盾构隧道工程，通过研究结构受力与变形等，分析管片局部破损及错台的影响，探求管片结构修补的必要性，避免盲目修补。

1 衬砌结构

某城市轨道交通盾构隧道外径6.2m，内径5.5m，管片厚0.35m，幅宽1.2m，采用错缝拼装，为单层衬砌结构。管片由封顶块K、邻接块L1，L2、标准块B1，B2，B3组成，混凝土强度等级C50，抗渗等级P12。衬砌结构断面形式如图1所示，采用16根M30接头螺栓进行纵向连接，采用12根M30接头螺栓进行环向连接。

图1 衬砌结构断面形式

2 管片局部破损及错台

隧道线路设计条件较差，平面曲线半径小，纵坡坡度大，隧道穿越地层变化大，导致盾构姿态、盾尾间隙控制难度较大。隧道施工过程中未及时采取有效的应对措施，管片拼装过程中操作不合理，导致部分管片缺棱掉角，部分钢筋外露，管片接缝处有湿渍现象，破损情况如图2所示。

图2 管片破损

对管片局部破损及错台原因进行分析，除曲线施工、地质条件突变等客观因素外，施工过程中的操作不当及施工质量控制不严也是重要诱因[6]，具体原因如下。

1)盾尾处管片偏心量大，管片与盾尾发生碰撞，盾构推进时盾壳损坏管片。

2)接缝面不平整或受纠偏期间千斤顶作用，管片产生应力集中或翘曲现象，导致管片局部挤碎[7]。

3)盾构推进不到位，千斤顶行程不足，强行拼装管片，导致管片角部崩落。

4)管片拼装不到位，造成局部磕碰或撞击，导致破损。

5)管片脱出盾尾后，受不均匀荷载作用或接头螺栓紧固不到位，导致管片接缝破损。

6)同步注浆不到位或操作不当，导致管片局部变形过大，接缝混凝土发生挤压破损[8]。

3 管片局部破损时的受力与变形

管片局部破损多发生在接缝处，表现为缺棱掉角、局部混凝土剥落露筋、角部混凝土开裂，严重时发生接缝渗漏和接头螺栓外露，对破损深度5cm、破损长度<30cm的管片进行研究(破损程度为中等偏严重)。

3.1 模型建立

采用有限元分析软件ABAQUS建立管片衬砌结构-围岩相互作用计算模型，包括5环管片，如图3所示。管片纵缝与环缝采用面-面接触单元模拟，通过建立管片接头模型考虑接头螺栓的影响。

图3 管片模型

共分析2种工况，工况1中所有管片均未破损，旨在提供用于对比分析的基准数据；工况2中仅目标环发生破损，旨在研究破损的影响。目标环破损采用弱化构件截面的方式模拟，管片破损处单元被“杀死”。

3.2 计算结果与分析

计算得到管片应力云图如图4所示。由图4可知，局部破损导致管片最大mises应力由5.695MPa增至6.968MPa，结合C50混凝土应力-应变曲线，可知混凝土仍处于弹性阶段，局部应力增大未造成管片受压破坏；管片破损后应力重分布，破损管片B1块最大主应力最大值为0.528 9MPa，表明主拉应力仍处于混凝土抗拉强度设计值范围内；局部破损导致管片接缝处应力变化较大，需注意局部破损对接缝混凝土受力性能的影响。

图4 管片应力云图(单位：N·m-2)

计算得到管片竖向位移云图如图5所示。由图5可知，局部破损对管片变形的影响较小，表明管片刚度基本未发生变化。

图5 管片竖向位移云图(单位：m)

4 管片错台时的受力与变形

4.1 模型建立

管片接缝、接头螺栓孔与接头螺栓接触面、接头螺栓端与手孔内壁接触面采用面-面接触单元模拟，计算过程中，按管片实际承受的外荷载进行加载，不考虑变形引起的二阶增量荷载，将管片错台量作为初始位移[9]。接头连接如图6所示，错台20mm管片模型如图7所示。

图6 管片接头连接示意

图7 错台管片模型

4.2 接头螺栓受力

本文仅给出管片错台量为20mm的接头螺栓应力云图，如图8所示。

图8 管片错台量20mm时接头螺栓应力云图(单位：N·m-2)

计算结果表明，因接头螺栓孔与接头螺栓间存在初始间隙，受接头螺栓预紧力及接头螺栓端头与手孔之间约束力的影响，当无错台及管片错台量为5mm时，接头螺栓与接头螺栓孔未接触，即未产生接触压力，接头螺栓受力以轴力为主；接头螺栓与接头螺栓孔在管片错台量约为10mm时发生局部多点接触，最大接触压应力为2.91MPa，接缝处接头螺栓剪应力增大；随着管片错台量的增大，接头螺栓与接头螺栓孔接触面积增加，最大接触压应力不断增大，当管片错台量为20mm时，最大接触压应力为5.614MPa，当管片错台量为40mm时已达9.72MPa。

本文对接头螺栓最大主应力及最大剪应力进行重点分析，仅给出管片错台量为20mm时的应力云图，如图9，10所示。

图9 管片错台量20mm时接头螺栓最大主应力云图(单位：N·m-2)

计算结果表明，管片错台量为0，10，20，30，35，40mm时，接头螺栓最大主应力分别为1.9，17.4，72.5,135.2，168.6，205.0MPa，最大剪应力分别为0.5，3.9，15.2，29.1，36.4，45.8MPa。随着管片错台量的增加，接头螺栓应力集中部位由中部(管片接缝处)向两端转移，以管片错台量30mm为例，此时接头螺栓最大主应力为135.2MPa，最大剪应力为29.1MPa，可采用5.8级接头螺栓，具有一定安全储备。

图10 管片错台量20mm时接头螺栓最大剪应力云图(单位：N·m-2)

4.3 接缝混凝土受力

管片错台使接缝混凝土受力状态发生变化，本文仅给出管片错台量为20mm时的接缝最大、最小主应力云图，如图11所示。

图11 接缝应力云图(单位：N·m-2)

计算结果表明，随着管片错台量的增加，管片接缝混凝土应力发生了重分布，最大、最小主应力极值均出现在接头螺栓孔内壁；当管片错台量为10mm时，管片接缝混凝土最大、最小主应力极值分别为1.57，4.15MPa；当管片错台量为20mm时，管片接缝混凝土最大、最小主应力极值分别为3.83，7.77MPa；当管片错台量增至30mm时，管片接缝混凝土最大、最小主应力极值分别增至6.15，13. 60MPa；当管片错台量≥20mm时，接头螺栓孔附近局部区域接缝混凝土发生受拉破坏；管片接缝混凝土受拉应力集中区域面积较小，可忽略应力集中的影响[10]；不同管片错台量下，管片接缝混凝土压应力均处于抗压强度设计值范围内，具有一定安全储备。

一般情况下，地铁盾构隧道管片错台量限值为6mm，施工不当引起的错台量≤20mm，因此认为有限错台量(≤20mm)对结构受力(损伤)的影响较小[11-12]。

5 结语

1)管片局部破损导致破损周围混凝土应力分布发生变化，但影响范围有限，未引发整环管片内力重分布，故一般情况下可不考虑因局部破损产生的结构性损伤。

2)局部破损对管片变形的影响较小，不会引发整环管片刚度发生变化。

3)管片错台影响接头螺栓应力状态，随着管片错台量的增加，接头螺栓拉应力、剪应力增大。

4)管片错台影响接缝混凝土应力状态，随着管片错台量的增加，接缝混凝土最大、最小主应力极值增大。

5)实际工程中，管片局部破损及轻微错台属不可逆工序，根据本文研究结果，对管片局部破损及轻微错台进行结构性修补的意义较小，且修补对管片结构受力的贡献较小，为避免运营期修补块掉落，不建议进行砂浆修补，推荐清除浮块后涂抹防腐材料。如存在露筋情况，可植筋修补，并使用树脂砂浆封闭，防止钢筋锈蚀。

6)如果管片破损严重，影响了隧道防水性与耐久性，需采取合适的结构补强措施。