局部破損與錯臺管片結構力學特征研究*

張 增

(敘鎮鐵路有限責任公司，云南 昭通 657900)

0 引言

盾構法作為成熟的隧道施工工法，已廣泛應用于城市軌道交通隧道、越江跨海隧道等工程中。盾構隧道多未設置二次襯砌，管片襯砌作為唯一承載體，起承受外荷載、防水作用。如果管片局部破損或出現錯臺，修補后無法恢復至破損前的受力狀態。因此，需對管片局部破損及錯臺進行評估，并采取一定處理措施。

葉飛等[1]對施工期盾構隧道管片襯砌受力特性進行了研究；楊雨冰等[2]采用基于斷裂力學的有限元方法，研究了盾構隧道管片結構破損機制，提出接頭模擬是準確評價盾構隧道整環襯砌結構極限承載能力和變形性能的關鍵；宋克志等[3]研究了盾構施工階段管片受力特點，對常見的局部破損現象及原因進行了分析；侯永東等[4]研究了盾構管片在不同時段的破損原因及控制技術；周俊宏等[5]研究了管片修補塊在隧道發生縱向變形時的受力特征，通過建立縱向等效剛度模型，分析了管片修補塊在環縫位置處所受壓應力與隧道縱向變形的關系，并給出管片修補強度控制值。

本文依托某城市軌道交通盾構隧道工程，通過研究結構受力與變形等，分析管片局部破損及錯臺的影響，探求管片結構修補的必要性，避免盲目修補。

1 襯砌結構

某城市軌道交通盾構隧道外徑6.2m，內徑5.5m，管片厚0.35m，幅寬1.2m，采用錯縫拼裝，為單層襯砌結構。管片由封頂塊K、鄰接塊L1，L2、標準塊B1，B2，B3組成，混凝土強度等級C50，抗滲等級P12。襯砌結構斷面形式如圖1所示，采用16根M30接頭螺栓進行縱向連接，采用12根M30接頭螺栓進行環向連接。

圖1 襯砌結構斷面形式

2 管片局部破損及錯臺

隧道線路設計條件較差，平面曲線半徑小，縱坡坡度大，隧道穿越地層變化大，導致盾構姿態、盾尾間隙控制難度較大。隧道施工過程中未及時采取有效的應對措施，管片拼裝過程中操作不合理，導致部分管片缺棱掉角，部分鋼筋外露，管片接縫處有濕漬現象，破損情況如圖2所示。

圖2 管片破損

對管片局部破損及錯臺原因進行分析，除曲線施工、地質條件突變等客觀因素外，施工過程中的操作不當及施工質量控制不嚴也是重要誘因[6]，具體原因如下。

1)盾尾處管片偏心量大，管片與盾尾發生碰撞，盾構推進時盾殼損壞管片。

2)接縫面不平整或受糾偏期間千斤頂作用，管片產生應力集中或翹曲現象，導致管片局部擠碎[7]。

3)盾構推進不到位，千斤頂行程不足，強行拼裝管片，導致管片角部崩落。

4)管片拼裝不到位，造成局部磕碰或撞擊，導致破損。

5)管片脫出盾尾后，受不均勻荷載作用或接頭螺栓緊固不到位，導致管片接縫破損。

6)同步注漿不到位或操作不當，導致管片局部變形過大，接縫混凝土發生擠壓破損[8]。

3 管片局部破損時的受力與變形

管片局部破損多發生在接縫處，表現為缺棱掉角、局部混凝土剝落露筋、角部混凝土開裂，嚴重時發生接縫滲漏和接頭螺栓外露，對破損深度5cm、破損長度<30cm的管片進行研究(破損程度為中等偏嚴重)。

3.1 模型建立

采用有限元分析軟件ABAQUS建立管片襯砌結構-圍巖相互作用計算模型，包括5環管片，如圖3所示。管片縱縫與環縫采用面-面接觸單元模擬，通過建立管片接頭模型考慮接頭螺栓的影響。

圖3 管片模型

共分析2種工況，工況1中所有管片均未破損，旨在提供用于對比分析的基準數據；工況2中僅目標環發生破損，旨在研究破損的影響。目標環破損采用弱化構件截面的方式模擬，管片破損處單元被“殺死”。

3.2 計算結果與分析

計算得到管片應力云圖如圖4所示。由圖4可知，局部破損導致管片最大mises應力由5.695MPa增至6.968MPa，結合C50混凝土應力-應變曲線，可知混凝土仍處于彈性階段，局部應力增大未造成管片受壓破壞；管片破損后應力重分布，破損管片B1塊最大主應力最大值為0.528 9MPa，表明主拉應力仍處于混凝土抗拉強度設計值范圍內；局部破損導致管片接縫處應力變化較大，需注意局部破損對接縫混凝土受力性能的影響。

圖4 管片應力云圖(單位：N·m-2)

計算得到管片豎向位移云圖如圖5所示。由圖5可知，局部破損對管片變形的影響較小，表明管片剛度基本未發生變化。

圖5 管片豎向位移云圖(單位：m)

4 管片錯臺時的受力與變形

4.1 模型建立

管片接縫、接頭螺栓孔與接頭螺栓接觸面、接頭螺栓端與手孔內壁接觸面采用面-面接觸單元模擬，計算過程中，按管片實際承受的外荷載進行加載，不考慮變形引起的二階增量荷載，將管片錯臺量作為初始位移[9]。接頭連接如圖6所示，錯臺20mm管片模型如圖7所示。

圖6 管片接頭連接示意

圖7 錯臺管片模型

4.2 接頭螺栓受力

本文僅給出管片錯臺量為20mm的接頭螺栓應力云圖，如圖8所示。

圖8 管片錯臺量20mm時接頭螺栓應力云圖(單位：N·m-2)

計算結果表明，因接頭螺栓孔與接頭螺栓間存在初始間隙，受接頭螺栓預緊力及接頭螺栓端頭與手孔之間約束力的影響，當無錯臺及管片錯臺量為5mm時，接頭螺栓與接頭螺栓孔未接觸，即未產生接觸壓力，接頭螺栓受力以軸力為主；接頭螺栓與接頭螺栓孔在管片錯臺量約為10mm時發生局部多點接觸，最大接觸壓應力為2.91MPa，接縫處接頭螺栓剪應力增大；隨著管片錯臺量的增大，接頭螺栓與接頭螺栓孔接觸面積增加，最大接觸壓應力不斷增大，當管片錯臺量為20mm時，最大接觸壓應力為5.614MPa，當管片錯臺量為40mm時已達9.72MPa。

本文對接頭螺栓最大主應力及最大剪應力進行重點分析，僅給出管片錯臺量為20mm時的應力云圖，如圖9，10所示。

圖9 管片錯臺量20mm時接頭螺栓最大主應力云圖(單位：N·m-2)

計算結果表明，管片錯臺量為0，10，20，30，35，40mm時，接頭螺栓最大主應力分別為1.9，17.4，72.5,135.2，168.6，205.0MPa，最大剪應力分別為0.5，3.9，15.2，29.1，36.4，45.8MPa。隨著管片錯臺量的增加，接頭螺栓應力集中部位由中部(管片接縫處)向兩端轉移，以管片錯臺量30mm為例，此時接頭螺栓最大主應力為135.2MPa，最大剪應力為29.1MPa，可采用5.8級接頭螺栓，具有一定安全儲備。

圖10 管片錯臺量20mm時接頭螺栓最大剪應力云圖(單位：N·m-2)

4.3 接縫混凝土受力

管片錯臺使接縫混凝土受力狀態發生變化，本文僅給出管片錯臺量為20mm時的接縫最大、最小主應力云圖，如圖11所示。

圖11 接縫應力云圖(單位：N·m-2)

計算結果表明，隨著管片錯臺量的增加，管片接縫混凝土應力發生了重分布，最大、最小主應力極值均出現在接頭螺栓孔內壁；當管片錯臺量為10mm時，管片接縫混凝土最大、最小主應力極值分別為1.57，4.15MPa；當管片錯臺量為20mm時，管片接縫混凝土最大、最小主應力極值分別為3.83，7.77MPa；當管片錯臺量增至30mm時，管片接縫混凝土最大、最小主應力極值分別增至6.15，13. 60MPa；當管片錯臺量≥20mm時，接頭螺栓孔附近局部區域接縫混凝土發生受拉破壞；管片接縫混凝土受拉應力集中區域面積較小，可忽略應力集中的影響[10]；不同管片錯臺量下，管片接縫混凝土壓應力均處于抗壓強度設計值范圍內，具有一定安全儲備。

一般情況下，地鐵盾構隧道管片錯臺量限值為6mm，施工不當引起的錯臺量≤20mm，因此認為有限錯臺量(≤20mm)對結構受力(損傷)的影響較小[11-12]。

5 結語

1)管片局部破損導致破損周圍混凝土應力分布發生變化，但影響范圍有限，未引發整環管片內力重分布，故一般情況下可不考慮因局部破損產生的結構性損傷。

2)局部破損對管片變形的影響較小，不會引發整環管片剛度發生變化。

3)管片錯臺影響接頭螺栓應力狀態，隨著管片錯臺量的增加，接頭螺栓拉應力、剪應力增大。

4)管片錯臺影響接縫混凝土應力狀態，隨著管片錯臺量的增加，接縫混凝土最大、最小主應力極值增大。

5)實際工程中，管片局部破損及輕微錯臺屬不可逆工序，根據本文研究結果，對管片局部破損及輕微錯臺進行結構性修補的意義較小，且修補對管片結構受力的貢獻較小，為避免運營期修補塊掉落，不建議進行砂漿修補，推薦清除浮塊后涂抹防腐材料。如存在露筋情況，可植筋修補，并使用樹脂砂漿封閉，防止鋼筋銹蝕。

6)如果管片破損嚴重，影響了隧道防水性與耐久性，需采取合適的結構補強措施。