蜂窩狀六邊形混凝土預制管片裂縫原因分析

梁晉平

（山西省萬家寨引黃工程管理局，太原 030012）

1 工程概況

山西省萬家寨引黃工程位于山西省西北部，由萬家寨水利樞紐、總干線、南干線、聯(lián)接段和北干線等部分組成，輸水線路全長441.8km，其中總干線、南干線和聯(lián)接段為一期工程，北干線為二期工程。

引黃一期工程有隧洞157km，其中8條隧洞計122km采用了6臺雙護盾全斷面掘進機施工，創(chuàng)造了掘進機月成洞1821.51m的同類斷面世界新記錄和日掘進113m的好成績。

然而，掘進機在總干線8＃隧洞開始施工初期，部分管片出現(xiàn)了裂縫，現(xiàn)就圍巖和襯砌相互作用、管片施工出現(xiàn)裂縫理論分析、以及季節(jié)性溫度變化對襯砌的影響等幾方面進行初淺分析。

2 隧洞襯砌與掘進機相互作用的荷載情況

掘進機的推力是通過輔助推力缸傳遞到襯砌管片上的。這種作用在洞子軸線方向上 （即縱向）的推力在緊貼著推進缸承載板下面的管片內(nèi)誘發(fā)一個壓應力場。圖1顯示了這種相互作用及引起的管片受力狀況。

誘發(fā)壓應力場沿著管片的寬度轉(zhuǎn)移到已經(jīng)裝配好的前一環(huán)襯砌管片上。在這個壓應力轉(zhuǎn)移的同時，由于應力發(fā)生偏轉(zhuǎn)在管片內(nèi)產(chǎn)生一個橫向拉應力場。因此，有必要論證管片在上述縱向受壓和橫向受拉綜合誘發(fā)應力場作用下的安全狀態(tài)。

估算管片內(nèi)由于推進缸推力作用誘發(fā)的應力場必須采用一個適宜的計算模型。因為推進缸承載板與管片之間的接觸面積相對管片橫斷面來說是比較小的，因此采用二維薄殼混凝土構(gòu)件的計算模型進行分析。圖2是用于計算橫向拉力的構(gòu)件應力圖。

圖1 掘進時荷載情況

圖2 頂推力作用下的應力圖

圖中的不同曲線代表著橫向拉應力與計算點到推進缸承載板之間的距離以及承載板寬度與構(gòu)件寬度之比之間的關系。

承載板下的接觸壓力應為：P＝F／（a×h）＝1500／ （700×250）＝8.6MPa。

實際采用Rck＝30MPa混凝土，則管片在接觸壓力（P）作用下的安全系數(shù)應為3.4。

運用圖2所示的應力圖并附設下面的假定：d／a≈6和B／d＝0.357，可以根據(jù)模型算出距承載板下x≈0.8a處，由作用在同一管片上的兩個推進缸的縱向推力在管片內(nèi)引起的橫向拉力：Z＝0.006F＝0.006×1500＝90kN。

相應于橫向拉力Z的管片混凝土平均拉應力為：σt＝ Z／（B ×t）＝90／ （1600×250） ＝0.225MPa

顯然，推進缸推力誘發(fā)的管片拉應力絕對小于混凝土的抗拉強度。實際采用Rck＝30MPa混凝土，其軸向抗拉強度為fctm＝2.6MPa，因此相應的安全系數(shù)為：Fs＝fctm／σt＝2.6／0.225＝11。

此外，由于管片內(nèi)布置的鋼筋與混凝土配合共同抵抗推進缸推力引起的橫向拉應力，實際抗拉安全系數(shù)比上面計算的值要大得多。

3 預制管片裂縫的理論分析

管片相對來說主要是一種特定的軸向拉力作用，彎矩對它的作用是次要的。

計算軸向拉力和彎矩引起的應力公式為：σ＝－N／A±Mt／2J

式中，N是軸向力；M是彎矩。

取σ＝fcfm，就可以導出M與N 之間的關系，并可以用它來作為判斷管片是否會開裂的準則。

圖3 三種類型管片的M－N關系圖

圖3中給出了對應于不同類型管片的M與N之間的關系，這些關系是采用相應于每一類型管片的混凝土抗拉強度和配筋參數(shù)獲得的。圖中的三個點分別與針對三種管片類型所設計的M－N組合相對應，這些點都位于圖中的安全區(qū)域。這就說明，在設計的圍巖壓力作用下，三種管片都不會開裂，因為管片內(nèi)的應力不可能超過管片的撓曲抗拉強度。

4 季節(jié)性溫度變化對襯砌的影響

根據(jù)我國 《水工設計手冊》第二十四章第十八節(jié)中提供的計算方法，是可以算出由于溫度變化在隧洞襯砌中引起的軸對稱應力場的。

圖4 季節(jié)性溫度變化引起的管片應力變化

圖5 季節(jié)性溫度變化引起的管片應力變化

圖4和圖5分別給出了A型管片和B型管片襯砌對應于Ⅲ類和Ⅳ類圍巖的計算結(jié)果。這些結(jié)論表明，在當襯砌內(nèi)壁的年溫度變化在0℃～25℃之間時，襯砌內(nèi)壁處的相應真實溫度徐變應力將在＋2.6MPa到－2.6MPa之間變動。因此不會因為季節(jié)性溫度變化而發(fā)生開裂。

5 襯砌管片出現(xiàn)裂縫的實際原因分析

觀察出現(xiàn)裂縫的管片可以得出，裂縫的數(shù)量和長度都是不規(guī)則的，裂縫寬度在0.01mm到0.2mm之間，最大縫寬為0.6mm，裂縫幾乎全是縱向分布的，并且他們極少穿過管片的整個寬度。另外，管片接縫處的最大錯臺達50mm。

管片混凝土產(chǎn)生裂縫的原因是多方面的，它們直接與管片的受力情況以及混凝土的強度有關。由于圍巖壓力在襯砌內(nèi)產(chǎn)生的應力不可能導致管片裂縫，實際管片開裂的原因只能從以下方面去分析。

5.1 掘進機所施加的推力偏心

掘進機的推力通過推力缸承載板先是施加最近一次安裝的管片上，然后又通過該管片轉(zhuǎn)移到早先安裝的管片上。精確對準管片是順利有效地轉(zhuǎn)移掘進機推力的必要條件之一。

即使在精確對準的前提下，管片所受的作用力也是傾斜的，因為整個系統(tǒng)對掘進機機頭總推力的反作用力并不是集中在各推進缸的軸線上。

此外，如果前后兩相鄰管片之間的接縫不平整，也就是錯位比較大的話，就有可能會出現(xiàn)問題，因為這時用于傳遞掘進缸推力的接觸面積變小了，從而使得接觸應力大大升高。

偏心推力會在推進缸承載板下的管片內(nèi)產(chǎn)生一個不均勻的壓應力分布，其最大值在管片的內(nèi)壁上。如果我們假設偏心距為50mm，并且承載板下的接觸壓力呈線性分布，可以計算出管片內(nèi)相應的最大壓應力：

σ＝2F／（b×h）＝2×1500／ （700×200）＝21MPa式中：F＝1500kN，為一個推進缸所施加的推力；

b＝700mm，為推進缸承載板的寬度；

h＝200mm，為承載板與管片之間，由于偏心力作用而減少了的接觸高度。

同樣的，管片內(nèi)由于推力誘發(fā)的環(huán)向拉應力就會生高到大約0.6MPa。

以上兩個計算結(jié)果分別小于混凝土的抗壓和抗拉強度。但不可因此而大意，偏心荷載還是有可能使管片處于極限狀態(tài)的，因為隨著承載板下或前后兩個管片之間接觸面積的減少，管片內(nèi)相應的壓應力和拉應力會迅速增長。

上面的分析表明，混凝土的抗拉強度是至關重要的。

5.2 管片混凝土的質(zhì)量

引黃工程總干線6－7－8＃隧洞所需襯砌管片由承包商在工地上專門設置的生產(chǎn)線預制，管片在離開生產(chǎn)線之前需接受蒸汽養(yǎng)護。

蒸汽養(yǎng)護的目的是為了在較短的時間內(nèi)讓管片達到其設計強度，同時提高生產(chǎn)效率。在對混凝土構(gòu)件進行蒸汽養(yǎng)護時，通常采用低壓處理。

混凝土的最終強度在很大程度是取決于其新鮮拌和料的特性。包括水、水泥、骨料以及空氣等，這些不同性質(zhì)的物質(zhì)具有不同的膨脹性，因而在熱處理過程中的變化也是不同的。如果早期養(yǎng)護的時間太短，而熱處理的過程又太快，管片內(nèi)就會產(chǎn)生微裂縫。這些微裂縫會降低混凝土的最終抗拉強度。

另外一個降低混凝土強度的原因與管片在結(jié)束蒸汽養(yǎng)護后，接受擱置冷卻的一個短暫過程有關。管片從蒸養(yǎng)室出來時的溫度在70℃～80℃，此時如果讓管片直接與蒸養(yǎng)室外部的空氣接觸，管片外部與內(nèi)部的溫度差就有大約60℃ （冬季還會更大一些）。

管片外表面迅速冷卻在其內(nèi)部形成一個很大的溫度梯度。另外快速失去水分也會在管片內(nèi)產(chǎn)生拉應力。這些因素都會導致在管片內(nèi)混凝土中形成微裂紋，因為混凝土還尚未完全固結(jié)硬化。

微裂紋通常是可以避免的，只要采用精確配合比的拌和料以及認真控制管片養(yǎng)護過程中溫度與水分的變化。另外，至關重要的是新鮮混凝土料的振搗，只有通過仔細有效的振搗才有可能使拌和料所帶進的空氣含量降低到最小限度。

為了防止管片表面的溫度迅速下降，有必要延長管片在進出蒸護室前后的擱置時間，同時采用適宜的套子覆蓋管片以防止其失水干化。

總之，管片出現(xiàn)意想不到的裂縫的原因可以歸咎于這樣兩個方面。

（1）混凝土的抗拉強度降低了，因為蒸養(yǎng)之后管片的溫度和水分發(fā)生了突變。

（2）粗魯操作引起的受力情況以及掘進機偏心推力的作用。

6 減少襯砌管片出現(xiàn)裂縫的措施

為了最大限度地減少管片在預制過程中出現(xiàn)缺陷，確保管片在各個操作過程中 （包括吊放、運輸、安裝等）的受力情況符合設計要求，從而進一步保證襯砌結(jié)構(gòu)的安全度，采取了以下幾個積極措施。

（1）專辟了一個拌和料的準備場地，使得拌和時各組份的溫度和水分得到控制。另外對混凝土拌和料進行預熱處理，以消除管片在進入蒸養(yǎng)室之前可能經(jīng)受的由于早期溫度變化產(chǎn)生的不良影響。

（2）在管片進出蒸養(yǎng)室時，增加預熱室。

（3）管片從蒸養(yǎng)室出來后的養(yǎng)護時間增加到平均18h左右。天氣冷時，采用套子等物品覆蓋管片以防止其失水干化，以縮小管片內(nèi)部的溫度梯度以及防止產(chǎn)生微裂縫。

（4）掘進機的尾護盾被部分切除以恢復護盾與管片外壁之間的正常間隔，從而避免在管片上產(chǎn)生意外的作用力。

（5）降低推進缸的壓力以減少作用在管片上的推力。

采取以上措施后，管片幾乎就再沒有出現(xiàn)裂縫。