隧道二襯搭接技術(shù)優(yōu)化分析及應(yīng)用研究

熊曉暉

(中鐵十一局集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430061)

1 引言

隧道質(zhì)量缺陷會(huì)給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)巨大災(zāi)難[1－2]。隧道襯砌工程質(zhì)量問(wèn)題屢見不鮮，應(yīng)國(guó)剛等[3]列舉了國(guó)內(nèi)外運(yùn)營(yíng)隧道襯砌混凝土掉塊引起的安全事故，提出襯砌施工縫缺陷是襯砌混凝土掉塊的重要誘因[4]。襯砌施工過(guò)程中，前板二襯混凝土脫模時(shí)間過(guò)早，后板二襯澆筑模板臺(tái)車就位時(shí)頂推力過(guò)大將會(huì)造成前板二襯混凝土端頭開裂并形成月牙形裂縫[5]；端頭模板安裝拼接不嚴(yán)密將導(dǎo)致混凝土澆筑過(guò)程中漏漿，使止水帶周邊的混凝土不密實(shí)，嚴(yán)重降低二襯混凝土的強(qiáng)度和耐久性能[6－7]。

隧道襯砌混凝土施工質(zhì)量及標(biāo)準(zhǔn)化施工要求在不斷提高，隧道二襯兩板混凝土之間的施工質(zhì)量直接影響襯砌混凝土的總體質(zhì)量。傳統(tǒng)施工工法中，兩板二襯混凝土之間的搭接定位直接通過(guò)二襯臺(tái)車進(jìn)行，容易造成兩板二襯施工縫位置的混凝土被臺(tái)車頂裂；上一板二襯混凝土與本板二襯端頭鋼模板直接接觸容易形成錯(cuò)臺(tái)[8]。因此，傳統(tǒng)施工工法中隧道兩板二襯混凝土搭接處外觀質(zhì)量和實(shí)體質(zhì)量均極易出現(xiàn)缺陷，傳統(tǒng)端頭搭接形式無(wú)法滿足施工需求。

為了解決二襯混凝土搭接處的質(zhì)量缺陷問(wèn)題，黎庶等[9]開展了單線鐵路隧道襯砌臺(tái)車軟性搭接改造施工技術(shù)研究。張民慶等[10]開展了V型槽零搭接橡膠緩沖式襯砌臺(tái)車技術(shù)研究。中鐵十一局提出了隧道二襯端頭模板壓力可視化軟搭接技術(shù)，如圖1所示。二襯模板頂升控制系統(tǒng)有效解決了隧道二襯施工縫易錯(cuò)臺(tái)和二襯端頭混凝土易被二襯臺(tái)車鋼模板頂裂等問(wèn)題。其技術(shù)方案為:在二襯臺(tái)車靠近上一板二襯搭接板底部加裝橡膠板，橡膠板與二襯臺(tái)車鋼模板在環(huán)向上曲率一致。橡膠板上安裝有壓力感應(yīng)芯片，壓力感應(yīng)芯片與控制箱連接，澆筑時(shí)通過(guò)壓力感應(yīng)芯片采集二襯搭接板底部的壓力，實(shí)時(shí)掌握上一板混凝土受到的壓力，控制本板鋼模板的安裝過(guò)程，防止二襯臺(tái)車頂裂上一板二襯端頭混凝土，同時(shí)避免施工縫錯(cuò)臺(tái)。

圖1 隧道二襯端頭模板軟搭接裝置

隧道二襯端頭模板軟搭接裝置涉及的力學(xué)過(guò)程比較復(fù)雜，頂升壓力需要精確控制。本文采用數(shù)值方法對(duì)二襯端頭模板軟搭接進(jìn)行模擬，主要目的:(1)對(duì)頂升過(guò)程進(jìn)行模擬，掌握頂升時(shí)軟搭接的變形特性以及第一板混凝土的壓力分布，為合理選擇頂升壓力及頂升位移提供依據(jù)。(2)優(yōu)化軟搭接及鋼模板形狀及尺寸。由于軟搭接為橡膠材料，是典型的超彈性材料[11]，具有體積不可壓縮性，需要掌握軟搭接的變形過(guò)程，對(duì)軟搭接和鋼模板的形狀尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。(3)合理布置軟搭接上的壓力傳感器，施工過(guò)程中第一板混凝土受到的頂升壓力通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳感器的壓力值直觀反饋，軟搭接與混凝土接觸面上的壓力分布并非均勻，需要選擇具有代表性的壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)反映混凝土受到的壓力。

2 軟搭接數(shù)值模型

對(duì)軟搭接裝置進(jìn)行數(shù)值模擬主要是為考察橡膠材料在第二板模板安裝過(guò)程中的變形和受力問(wèn)題，軟搭接結(jié)構(gòu)和已澆筑混凝土的受力過(guò)程可以簡(jiǎn)化成平面應(yīng)變問(wèn)題。

2.1 數(shù)值模型計(jì)算域

軟搭接橫截面積較小，選取全域作為計(jì)算域；第一板混凝土在模板安裝過(guò)程中的應(yīng)力分布是關(guān)注的重點(diǎn)，混凝土計(jì)算域需要充分考慮軟搭接接觸處的應(yīng)力，厚度取二襯混凝土的平均厚度，寬度取2倍軟搭接寬度；第二板鋼模板的剛度遠(yuǎn)大于軟搭接，可以考慮為剛性部件。數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 軟搭接數(shù)值模型計(jì)算域示意

2.2 數(shù)值模型材料參數(shù)

混凝土材料考慮混凝土拆模時(shí)的力學(xué)性能，其材料參數(shù)采用?混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范?規(guī)定的數(shù)值。軟搭接采用普通橡膠材料，拉壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。采用Ogden公式[12]描述其超彈性性質(zhì)，即用級(jí)數(shù)形式描繪體積不可壓縮橡膠類材料的應(yīng)變能函數(shù)W:

圖3 軟搭接拉壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

式中:αn、μn為材料的待定常數(shù)；λ為材料的拉伸比。采用最小二乘法擬合橡膠材料的拉壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得Ogden公式描述的本構(gòu)關(guān)系參數(shù)。

2.3 數(shù)值模型邊界條件

數(shù)值模型將軟搭接裝置簡(jiǎn)化成平面應(yīng)變問(wèn)題，第一板混凝土左側(cè)面和頂面施加固定約束；軟搭接和第一板混凝土之間采用接觸非線性邊界條件，法向行為設(shè)置為硬接觸，切向行為為罰函數(shù)；軟搭接用螺栓固結(jié)在鋼模板上；為了增加軟搭接的可壓縮性，采用中空橡膠帶，在軟搭接大變形過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生相互擠壓嵌入現(xiàn)象，軟搭接中空部分為自接觸邊界條件；用位移邊界條件模擬第二板鋼模板的安裝過(guò)程，根據(jù)不同模擬要求，鋼模板在豎直方向有2～7 mm的位移。

3 軟搭接優(yōu)化分析

3.1 預(yù)留變形空間的影響

在裝配過(guò)程中第二板鋼模板擠壓軟搭接產(chǎn)生較大變形，由于橡膠材料的不可壓縮性，其會(huì)充滿模板與混凝土之間的縫隙，縫隙大小不同將會(huì)產(chǎn)生不同的界面壓力。考察三種變形空間，分別命名為模型1、模型2和模型3:模型1預(yù)留的變形空間最小，模型2通過(guò)鋼模板交界面處的斜切口預(yù)留一定的變形空間，模型3預(yù)留了較大的變形空間。

圖4a～圖4c為模型1～模型3鋼模板裝配完成后混凝土和橡膠材料的壓應(yīng)力分布云圖。模型1因?yàn)轭A(yù)留空間小，鋼模板尚未安裝到位即引起混凝土的破壞，云圖中黑色部分壓應(yīng)力超過(guò)10 MPa，第一板混凝土局部失效；模型2和模型3中鋼模板裝配完成后，混凝土壓應(yīng)力均小于10 MPa，模型2橡膠材料幾乎充滿預(yù)留變形空間，模型3中預(yù)留的變形空間尚有空隙，第二板二襯混凝土澆筑后將在接縫處產(chǎn)生毛刺等缺陷。

圖4d～圖4f為模型1～模型3鋼模板裝配完成后混凝土和橡膠材料界面的接觸壓應(yīng)力分布云圖。模型1界面上的壓應(yīng)力分布十分不均勻，靠近混凝土自由面的界面壓應(yīng)力遠(yuǎn)大于10 MPa；模型2和模型3界面壓應(yīng)力分布比較均勻，界面壓應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在軟搭接的中心處，該值與第一板混凝土材料內(nèi)部的壓應(yīng)力結(jié)果接近(均為8 MPa左右)，因此，沿軟搭接橫截面中心線附近布置壓應(yīng)力傳感器能準(zhǔn)確反映第一板混凝土在鋼模板裝配過(guò)程中的應(yīng)力變化狀態(tài)。

圖4 鋼模板軟搭接模型混凝土壓應(yīng)力和接觸界面壓應(yīng)力分布云圖

3.2 界面摩擦系數(shù)的影響

在鋼模板裝配過(guò)程中橡膠材料的主要變形發(fā)生在與混凝土接觸的界面上，界面的接觸力學(xué)性能會(huì)對(duì)混凝土的應(yīng)力分布產(chǎn)生重要影響。基于模型2分析橡膠材料與混凝土界面不同摩擦系數(shù)下模板裝配過(guò)程中混凝土的應(yīng)力分布規(guī)律和接觸壓應(yīng)力分布規(guī)律。結(jié)果表明，隨著界面摩擦系數(shù)增加，鋼模板安裝到位后第一板混凝土內(nèi)部的最大壓應(yīng)力增加，且高壓應(yīng)力區(qū)域顯著擴(kuò)大，如圖5所示，界面摩擦系數(shù)大于0.3時(shí)，局部混凝土內(nèi)部壓應(yīng)力大于10 MPa，位于第一板混凝土的自由面附近，摩擦系數(shù)越大，大于10 MPa的區(qū)域相應(yīng)越大。其原因?yàn)槟Σ料禂?shù)增加時(shí)混凝土對(duì)橡膠材料的側(cè)向約束增加，相互作用力也隨之增加，橡膠材料側(cè)向變形減小，摩擦系數(shù)為0.5時(shí)裝配完成后剩余的預(yù)留變形空間顯著大于摩擦系數(shù)為0.1的情形。為了使橡膠材料充分變形，減小混凝土內(nèi)部的壓應(yīng)力，應(yīng)適當(dāng)降低混凝土和橡膠材料的界面摩擦系數(shù)。

圖5 界面摩擦系數(shù)不同時(shí)鋼模板軟搭接模型壓應(yīng)力分布云圖

3.3 中空軟搭接

為了增加軟搭接的可壓縮性，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果模擬了橡膠材料壓縮率為21%的情形。考察兩種中空軟搭接模型:模型4假定軟搭接裝配時(shí)與鋼模板之間不留縫隙，模型5假定軟搭接裝配時(shí)與鋼模板之間預(yù)留2 mm縫隙。計(jì)算結(jié)果表明，軟搭接與鋼模板之間不留縫隙時(shí)，第一板混凝土角部出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大壓應(yīng)力超過(guò)17 MPa，如圖6所示。其原因是中空軟搭接在壓縮過(guò)程中產(chǎn)生了橫向變形，導(dǎo)致混凝土角部局部受力不均。模型5中空軟搭接的橫向約束減弱，混凝土角部應(yīng)力比較均勻，角部最大壓應(yīng)力約2 MPa，有效避免了應(yīng)力集中現(xiàn)象。模型4中最大接觸壓應(yīng)力超過(guò)了20 MPa，出現(xiàn)在第一板混凝土最外側(cè)角部，局部混凝土極易出現(xiàn)擠壓破壞，造成月牙裂紋等缺陷；模型5中最大接觸壓應(yīng)力約3.67 MPa，應(yīng)力分布比較均勻，最大接觸壓應(yīng)力出現(xiàn)在軟搭接中心線附近，再次說(shuō)明在中心線位置布置壓應(yīng)力傳感器能準(zhǔn)確反映第一板混凝土在鋼模板裝配過(guò)程中的應(yīng)力變化狀態(tài)。采用中空軟搭接，混凝土最大壓應(yīng)力明顯降低，因此采用中空的軟搭接更能在惡劣施工環(huán)境中保護(hù)第一板澆筑的混凝土。

圖6 中空軟搭接混凝土最大壓應(yīng)力云圖

4 軟搭接工程應(yīng)用

為了提高鐵路隧道襯砌質(zhì)量，避免隧道拱頂出現(xiàn)空洞，防止鐵路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)生隧道拱頂混凝土掉塊現(xiàn)象，中鐵十一局開展了隧道二襯智能信息化澆筑技術(shù)研發(fā)，開發(fā)了隧道二襯混凝土澆筑控制系統(tǒng)，如圖7所示，實(shí)現(xiàn)了二襯澆筑信息化管理，有效解決了隧道襯砌空洞的難題。

圖7 隧道二襯混凝土澆筑控制系統(tǒng)

PLC控制分析模塊是信息化澆筑系統(tǒng)的控制中心，可在臺(tái)車軟搭接控制模塊中設(shè)置上一板二襯混凝土可承受的最大壓力值。當(dāng)橡膠板上的壓力感應(yīng)芯片測(cè)得的搭接壓力大于該最大壓力值時(shí)，PLC控制分析模塊發(fā)出報(bào)警指令，模板頂升系統(tǒng)停止頂伸，確保不頂裂上一板襯砌混凝土，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和可視化操作。隧道二襯澆筑信息化系統(tǒng)在貴南高鐵項(xiàng)目的應(yīng)用表明，臺(tái)車控制中心可有效指揮和監(jiān)控二襯信息化澆筑系統(tǒng)各組成模塊運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)了二襯混凝土澆筑數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、自動(dòng)分析和自動(dòng)控制。柔性搭接臺(tái)車有效消除了二襯接縫處的月牙形裂紋、漏漿、灌注不密實(shí)、缺棱掉角等施工縫缺陷。

5 結(jié)束語(yǔ)

軟搭接是解決襯砌施工縫缺陷的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)對(duì)二襯端頭模板軟搭接裝置的數(shù)值計(jì)算可以得出以下結(jié)論:

(1)在鋼模板與軟搭接之間預(yù)留適當(dāng)?shù)淖冃慰臻g十分重要，無(wú)論采用實(shí)心橡膠軟搭接還是中空橡膠軟搭接，預(yù)留變形空間能夠有效避免第一板混凝土產(chǎn)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(2)降低混凝土和橡膠材料的界面摩擦系數(shù)，可使橡膠材料充分變形，減小混凝土內(nèi)部的壓應(yīng)力。

(3)采用中空軟搭接能夠有效降低混凝土與軟搭接之間的接觸壓應(yīng)力，更好保護(hù)第一板現(xiàn)澆混凝土。

(4)采用中空軟搭接最大接觸壓應(yīng)力出現(xiàn)在軟搭接中心線附近，在中心線位置布置壓應(yīng)力傳感器能比較準(zhǔn)確反映第一板混凝土在鋼模板裝配過(guò)程中的應(yīng)力變化狀態(tài)。

(5)貴南高鐵項(xiàng)目隧道襯砌軟搭接臺(tái)車應(yīng)用結(jié)果表明，柔性搭接臺(tái)車能有效消除二襯接縫處月牙形裂紋、漏漿、缺棱掉角等施工縫缺陷。