TBM掘进推力作用下隧道预制管片开裂过程研究

刘建超

(辽宁润中供水有限责任公司,辽宁 沈阳 110000)

0 引言

隧道掘进机(TBM)和土压力平衡(EPB)是目前最广泛采用的隧道施工系统,可以分别在硬岩和软土中开挖,两者主要区别是是否安装有盾构体。当采用屏蔽式TBM机时,隧道衬砌通常采用钢筋混凝土预制管片构件,这种结构中衬砌具有双重作用:既要抵抗地压,又要作为TBM推进的反应元件[1]。此外,必须针对施工阶段可能发生的动作,即脱模、处理、储存和运输设计单个预制段。

隧道衬砌推进施工过程中,必须对可能出现的TBM推力对衬砌结构单元可能产生应力场加以分析,避免出现应力过大而产生的的破坏问题。事实上,TBM的推力即使在过渡作用下也会引起管段开裂,影响结构的耐久性。耿麒等[2]为了研究TBM预制段的推力效应问题,通过试验设计并构建了合适的加载系统,能够为管段提供单一载荷,然后模拟单个TBM衬垫效果。然而,实际应力场与这种简化方案相差很远,因为更多的荷载(推力垫)出现在分段上,它们相对间距较小并存在相互作用。赵康林等[3-4]研究表明,为了保证不同的液压系统控制TBM推力缸在隧道的弯曲段掘进,就强度和裂缝模式而言,简化加载方案可以给出与实际情况非常不同的结果;最后,在隧道掘进施工的设计方面,一般采用相邻两个环部分之间的不完全接触来表示,在设计阶段忽略这个变量,会导致在环安装过程中不可避免的出现开裂问题,并呈现出不同的开裂模式[5-6]。

本文开发了适用于模拟TBM推力作用于单衬砌结构的实验装置,测试不同推力对衬砌管片不同区域的作用过程,测试考虑了衬砌管片间的接触条件,分析了不同接触下隧道管片的裂缝开裂模式。

1 实验研究

1.1 测试装置

在隧道掘进开挖过程中,在TBM中放置已预制成型的衬砌管片。TBM通过液压千斤顶作用于衬砌,千斤顶与管片间设有钢垫片。在现场安装中,两个千斤顶作用在一个垫片上,在钢垫片和管片之间有一层聚四氟乙烯层。

为模拟全尺寸条件下衬砌管片的开裂过程,构建测试系统。该系统可以在单个垫板上施加高达4 000 kN的压力,由于三个焊盘被放置在同一段上,因此总承载能力等于12 000 kN。为更真实反应实际施工现场的情况,每个钢垫上都有两个液压千斤顶作用,每个千斤顶的承载力为2 000 kN,采用高强钢筋和钢梁制成的封闭环框架。预制段放置在一个横截面尺寸为800×800 mm(宽×高)的钢筋混凝土梁上。采用私服液压控制系统提供施加与TBM类似的载荷。

施加在管片上的载荷是通过三个压力传感器来采集,每个传感器对应一对导管套。钢垫的垂直位移通过放置在管段前端(内部)和尾部(外部)的电位线传感器进行采集。此外,LVDTs用于测量裂纹扩展宽度,所有数据由采集数字系统连续记录并传输到电脑终端。

1.2 加载方式

实验中加载过程分为4个周期:

(1)循环1:加载F1=F2=F3,直到第一个裂纹形成,然后卸载;

(2)循环2:加载F1=F2=F3=1 580 kN;卸载;

(3)循环3:F1=F2=F3=2 670 kN;卸载;

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

循环2和循环3的最大负载分别代表现场的施工时的推力和异常推力(设备最大掘进能力),最后一个循环,在千斤顶给出不同载荷的情况下,模拟了隧道弯曲段的TBM推力。

2 结果分析与讨论

2.1 隧道管片连续支承开裂过程

连续支撑管片裂缝开展情况见图1。采用这种配置进行25次加载,当载荷水平在1 300～1 800 kN时,通常在拱腹和拱背面首次出现裂缝(然后穿过顶表面),裂纹的长度约为200～300 mm,且非常稳定,在其它3个周期内均无明显变化。位于管片底部中间,从底部到孔处出现一条裂缝,这种裂缝与开挖时现场观测到的裂缝是一致的。试验结束卸载后,裂纹往往无法被肉眼识别。安装孔的存在往往会影响裂缝形态,成为应力集中的地方。试验期间测得的最大裂缝宽度在0.05～0.15 mm之间,几乎与钢筋的用量无关。

图1 连续支撑管片裂缝开展情况

加载过程中隧道管片的荷载-位移曲线如图2所示。在图2(a)中,三线式传感器的测量值与负载相对应,初始加载阶段垫片处荷载-位移曲线接近直线,图2(b)中由两个LVDT给出的位置与负载曲线。在载荷片之间和管片底部的一个有限区域存在拉应力,第一个裂纹出现在焊盘之间的顶部区域,每个焊盘的载荷水平约为1 550 kN(总载荷为4 650 kN),这一结果在裂纹位置和首次开裂荷载方面与试验结果吻合较好。

图2 管片荷载-位移曲线

2.2 隧道管片中间无支撑开裂过程

隧道管片出现初始裂缝的位置在失去支撑的部位,裂缝集中在拱腹表面,开裂时荷载水平约1 100 kN。在第二个加载周期中,裂缝向安装孔方向扩展,没有明显的扩大,并通过外喷孔;在第四个循环中,裂纹保持稳定。第三个周期中,第二条裂缝在靠近支撑的地方出现,从内拱面延伸到外拱面。第四个周期中,最后一条裂缝的长度增加了约100 mm,在内侧表面,裂缝的最大长度约为40 cm,最大宽度约为0.2 mm,卸载后该值小于0.1 mm。

2.3 隧道管片一侧失去支撑开裂过程

当荷载水平为700～800 kN时,第一个裂纹出现在加载垫F1～F2之间,裂纹立即在两个表面打开和扩展,长度约为800～900 mm。第一个循环只进行了1次,因为混凝土在靠近支架处底部发生压缩开裂,这种可能是由于相对于支架的点载荷偏心,段向内侧刚性旋转造成。

在隧道管片底部无支撑时,由于缺少相邻的段,因此达到的负载值很低。由于缺少支撑,在隧道管片中产生的约束效应未充分发挥,因此可以通过这种加载方案预测隧道管片的初始开裂时刻及开裂模式。在TBM推力下引起第一次裂缝的荷载,考虑到相邻段的存在,应力-应变分析时可以忽略钢筋在此加载阶段的影响。第一次破裂全环模型在载荷水平(单个垫块上)约为1 500 kN时,与单段(1 550 kN)得到的模型非常吻合。

2.4 隧道管片两侧无支撑开裂过程

当荷载水平为700～800 kN时,在加载板之间的顶部、在内拱和外拱表面几乎同时出现了破损和裂缝,这些裂缝立即沿着管片高度向上延伸至底部约300 mm。随着裂缝的进一步形成,从顶部开始,裂缝逐渐在拱腹喝拱背表面上扩展,直到穿过安装孔,试验中隧道管片拱内跨中底部受压混凝土被压碎。垫片处变形随荷载的增加逐渐增大,与裂缝开裂模式相同。隧道管片表面在加载早期变形量较小,当初始裂缝出现后,位移逐渐增大。

通过上述研究可以得到,不同支撑情况下隧道管片的开裂模式不同;本文采用的测试方式与隧道管片的几何形状,荷载布置及约束情况相关。TBM推进过程中,连续支撑和中间失去支撑的结果可以代表管片环内裂缝扩展行为,即使试验中不考虑来自同一隧道环的相邻段,单元的约束效应对裂缝模式没有显著影响。一侧失支撑和两侧失支撑的结果并不能很好地再现隧道环内部的实际响应,在原位条件下,同一环内相邻段的影响可以显著限制单元,减少或延迟裂缝的开放。

3 结语

本文中提出了一种模拟隧道预制管片在TBM推力过程中的受力及开裂模式测试方案,该系统的设计和施工采用了现场实际使用的TBM衬垫,使不同的受力可以作用于隧道管片的不同区域。此外,还可以模拟不同的支护条件,隧道管片的开裂模式及裂缝扩展过程,分析不同荷载情况和边界条件下的应力和应变模式。

(1)隧道管片连续支承时,经过25次加载,在载荷水平在1 300～1 800 kN时,拱腹和拱背面首次出现裂缝,裂纹的长度约为200～300 mm,且非常稳定,在其它3个周期内均无明显变化。位于管片底部中间,从底部到孔处出现一条裂缝,这种裂缝与开挖时现场观测到的裂缝是一致。

(2)隧道管片中间无支撑时,初始裂缝的位置在失去支撑的部位,裂缝集中在拱腹表面,开裂时荷载水平约1 100 kN。经过多次加载过程后,在内侧表面,裂缝的最大长度约为40 cm,最大宽度约为0.2 mm,卸载后该值小于0.1 mm。

(3)隧道管片一侧无支撑时,初始裂缝出现在加载垫F1-F2之间,裂纹长度约为800～900 mm;隧道管片两侧失去支撑的情况下,在荷载为700～800 kN时,在加载板之间的顶部、在内拱和外拱表面几乎同时出现了破损和裂缝,这些裂缝立即沿着管片高度向上延伸至底部约300 mm。随着裂缝的进一步形成,从顶部开始,裂缝逐渐在拱腹喝拱背表面上扩展,直到穿过安装孔,试验中隧道管片拱内跨中底部受压混凝土被压碎。

(4)隧道施工采用TBM施工过程中,需保持掘进机前段与隧道管片的横向连接形成连续支撑状态,且推进荷载应控制在1300kN以下,可保证隧道管片不出现裂缝破坏。