復合結構加固變形管片隧道襯砌承載力試驗研究

摘 要：為進一步提高變形管片隧道襯砌結構的穩定性，本文提出利用半環鋼板復合結構加固變形管片，并研究不同荷載下變形隧道襯砌的受力變形情況以及加固后隧道襯砌結構的破壞模式。試驗結果表明，當荷載達到約500 kN時，加固前后的管片豎向位移均達到最大值，其中，加固前的豎向位移為6.2 mm，加固后的豎向位移為2.3 mm，加固前的豎向位移遠大于加固后，半環鋼板加固變形管片后，可有效防止混凝土及管片結構產生裂縫。半環鋼板加固變形管片結構的極限承載力均大于加固前，且加固后的變形管片破壞模式主要為環向開裂，而加固前的變形管片的脆性破壞區域較多。

關鍵詞：隧道襯砌；承載力試驗；半環鋼板加固

中圖分類號：U 45" 文獻標志碼：A

隨著我國城市軌道交通的快速發展，盾構法隧道得到了廣泛應用。在盾構隧道施工過程中，因隧道穿越地層情況復雜，隧道結構受力狀態不明確，施工過程中常出現各種安全隱患[1]，而管片是盾構隧道的重要組成部分，管片變形和破壞直接影響隧道的結構安全和正常運營[2]。因此，對隧道結構加固進行研究具有重要意義。目前針對盾構隧道管片變形的加固研究主要集中在傳統加固方法上，包括注漿、明敷和錯縫拼裝等，但均存在施工工藝復雜、工期長、造價高等問題[3-5]。目前，半環鋼板加固法因其施工簡單、工期短、造價低等優點成為管片變形的有效加固方法。目前關于半環鋼板加固對管片襯砌承載力影響的研究較少，但已有試驗證明半環鋼板加固對變形管片襯砌承載力的影響。而在某隧道的施工過程中，管片發生嚴重變形且裂縫多，因此本文通過現場試驗研究分析半環鋼板加固前后隧道管片襯砌承載力、裂縫發展、受力特性等方面的變化規律，為隧道變形管片加固提供參考依據。

1 試驗方案及隧道工況

1.1 隧道工況

某隧道由淺埋開挖組成，覆蓋深度為6.02m～31.72m，長度約為260m。地質調查資料顯示，裂隙水少量，地下水受降水影響較大。隧道圍巖為IV級和V級，四級長度為110m，V級為150m，主要由砂巖和泥巖組成。由于圍巖破碎且較軟，因此出口和入口采用組合支撐，包括先進管棚和鋼框架噴射混凝土。隧道由小鉛管、工字鋼和噴射混凝土支撐，且某隧道場地位于上海地鐵盾構隧道，襯砌的外徑為6200mm，內徑為5500mm[6]，襯砌的厚度為350mm。襯砌由六段組成，每段寬1200mm，包括一個關鍵段（F段）、兩個相鄰段（L1和L2段）、兩個標準段（B1和B2段）和一個底段（D段）。F段的中心角為16.0°。線段L1、L2、B1和B2的中心角為65.0°[7]。分段的混凝土標號為C55，抗壓強度為35.3MPa。鋼材HRB335的屈服極限和極限強度分別為335kPa和455kPa。每側的混凝土覆蓋層為50mm。連接節段的螺栓直徑為30mm，其屈服極限和極限強度分別為400kPa和500kPa。

1.2 隧道變形管片概況

隧道A～B盾構的主體結構基本完成，但是在隧道主體結構與A～B的銜接段出現管片錯臺、滲漏水等問題。經現場檢查，發現隧道內存在以下幾處變形管片：2處頂部錯臺（錯臺超過5mm）；2處底部錯臺（錯臺超過2mm）；1處中部錯臺（錯臺超過1mm）；1處上部錯臺（錯臺超過1mm）。

經調查分析，變形管片出現問題的原因如下。在隧道主體結構與A～B的銜接段施工過程中，盾構機穿越拱頂時發生管片錯臺現象，盾構機在穿越拱頂過程中，由于隧道頂板坍塌，管片底部出現裂縫，且隧道底部出現裂縫以及頂部出現變形現象，導致管片錯臺、滲漏水等現象。因此需要進一步加固變形管片，防止管片持續變形，影響隧道結構穩定性[8]。

1.3 鋼板加固變形管片方案

地鐵隧道變形管片的加固方法目前主要有兩種：在變形管片縱向采用鋼筋進行加固；在管片環縫中間部位采用半環鋼板進行加固。考慮到盾構隧道管片的整體性，當隧道管片變形較大，采用半環鋼板進行加固時，半環鋼板可以有效地約束變形管片的位移和轉角，使其保持在預定的范圍內，同時可以提高管片結構的整體性，減少應力集中對結構造成的損傷。半環鋼板與管片之間采用高強螺栓進行連接時，半環鋼板上沿縱向均勻布置2排高強螺栓，每排3個，沿環縫均勻布置6排高強螺栓，每排4個，為減少半環鋼板與管片之間的摩擦力對加固效果的影響，在半環鋼板上設置一層摩擦板。半環鋼板由3塊相同的弧形鋼板組成，鋼板厚度為20mm，寬度為850mm，鋼板沿分段圓周中線固定，通過電焊連接各個鋼板。鋼板與相鄰混凝土之間用螺栓連接，且注入環氧樹脂提高鋼板與混凝土的結合強度。管片采用混凝土材料制作，模擬實際隧道襯砌的結構和力學性能。連接螺栓采用高強度鋼材制作，模擬實際隧道襯砌的連接方式。復合加固材料采用粘接布和鋼板，分別粘貼在管片的內、外表面，形成復合結構。

1.4 監測方案

為研究半環鋼板加固變形管片的加固效果，在隧道內布設3組豎向位移監測點，其中兩組在拱頂，一組在拱腰。每組共布設4個豎向位移監測點。變形隧道襯砌的破壞主要出現在拱腰，因此布置監測點時應盡量保證其在結構受力最大處。同時利用千斤頂對半環鋼板加固前后的變形管片，豎向施加不同荷載（10kN、50kN、100kN、500kN），模擬隧道挖掘過程對管片的影響。通過監測豎向位移和極限承載力來分析半環鋼板對變形隧道襯砌結構的加固效果，為半環鋼板對變形隧道襯砌結構的加固方法提供理論依據。同時選用高精度的全站儀式收斂計或機械式收斂計，測量精度應滿足試驗要求，能夠準確測量隧道管片的收斂變形。

2 結果與分析

2.1 半環鋼板加固變形管片的豎向位移變化

當未進行加固時，變形管片可能因多種原因產生豎向位移。例如，隧道周圍土體的不均勻沉降、外部荷載的作用、管片自身的結構缺陷等都可能導致管片出現下沉或隆起。這種豎向位移可能會影響隧道的結構穩定性和使用安全。如果變形持續發展，就可能會導致管片開裂、滲漏水，甚至影響隧道的通行能力。因此需要利用位移傳感器進一步探究半環鋼板加固前后的管片襯砌試件豎向位移變化，試驗結果如圖1所示。在管片襯砌受力破壞過程中，變形管片豎向位移有一個明顯的加速發展過程，直至達到位移最大值，而加固后的變形管片豎向位移變化幅度較小，表明半環鋼板能夠有效地控制管片襯砌豎向變形。當荷載為10kN時，加固前的變形管片位移高達2.5mm，比加固后的變形管片增加92.31%。當荷載達到約500kN時，加固前后的管片豎向位移均達到最大值，其中，加固前的豎向位移為6.2mm，加固后的豎向位移為2.3mm，加固前的豎向位移遠大于加固后。當荷載超過一定值時，加固后的管片豎向位移不再隨荷載增加而增加，荷載100kN的豎向位移為2.1mm，而當荷載為500kN時，豎向位移僅增至2.3mm，增幅較小，說明在荷載達到一定值時，半環鋼板能夠有效地控制管片襯砌豎向變形，繼續增加荷載應力會轉移到鋼板上。同時半環鋼板與管片的接觸面在荷載作用下會產生壓應力，對變形管片襯砌起到約束作用，半環鋼板加固后增加了環向受力面積，使環向受力更加均勻化，減少隧道結構縱向受力差異。因此，半環鋼板結構加固可以顯著提高變形管片隧道襯砌的承載力和變形性能，是一種有效的隧道襯砌加固技術。

2.2 半環鋼板加固變形管片的極限承載力及破壞模式變化

為研究不同荷載作用下半環鋼板加固變形管片隧道襯砌結構的破壞模式，本文對不同荷載作用下管片襯砌結構的破壞模式進行分析，變形管片接縫的損壞狀況如圖2所示。

在變形管片加固前，襯砌接縫的一部分已經損壞。8°和352°接縫外側的混凝土受壓破裂。73°和287°接縫內部的混凝土被破壞。而位于138°和222°的連接處的混凝土完好無損。在試驗的早期階段，接縫幾乎沒有變化。當利用半環鋼板加固變形管片，并施加荷載500kN時，連接處的損壞狀況較小。352°接頭外的混凝土由于受壓破壞出現剝落，但剝落面積較小，且裂縫并未延伸至混凝土核心區域。138°處的接縫開始剝落，裂縫深入內部混凝土中。73°接縫外開始出現裂縫，一些混凝土在接縫內剝落。287°接頭外側的裂縫明顯擴大，內部混凝土遭到破壞，8°接頭外側的混凝土也被破壞，222°接縫完好無損，進一步表明半環鋼板加固變形管片的效果較為顯著。

在不同荷載作用下，變形管片結構的極限承載力也是不斷變化的，而極限承載力是衡量變形管片結構受力狀態的重要指標，因此，可以通過研究變形管片結構在不同荷載作用下的極限承載力變化情況，分析加固方法的適用性，變形管片加固前后的極限承載力數值變化如圖3所示。

由圖3可知，當荷載從10kN增至500kN時，半環鋼板加固變形管片結構的極限承載力均大于加固前，且加固后的變形管片破壞模式主要為環向開裂，而加固前的變形管片的脆性破壞區域較多。當荷載為10kN時，加固前的極限承載力為430kN，而加固后的極限承載力比加固前增加17.30%，進一步表明利用半環鋼板加固變形管片，可以使荷載轉移到鋼板上，并在鋼板形成多條力的傳遞路徑，從而有效提高變形管片結構的力學性能，且在較大荷載下，鋼板仍處于彈性范圍內，吸收隧道施工過程中的擾動能量。隨著荷載增加，加固前后的極限承載力均呈下降趨勢。加固前的極限承載力變化范圍較大，從430kN降至250kN，而加固后的極限承載力變化幅度較小，從520kN降至450kN。由于半環鋼板對管片襯砌產生約束作用，因此導致管片的承載力緩慢下降，從而避免管片區域產生更大的豎向裂縫和豎向壓碎破壞。

3 結論

為進一步提高隧道襯砌承載力，本文通過現場試驗研究分析半環鋼板加固前后隧道管片襯砌承載力、裂縫發展、受力特性等方面的變化規律，得出以下主要結論。1）當荷載超過一定值時，加固后的管片豎向位移不再隨荷載增加而增加，荷載100kN的豎向位移為2.1mm，而當荷載為500kN時，豎向位移僅增至2.3mm，增幅較小，說明當荷載達到一定值時，半環鋼板能夠有效地控制管片襯砌豎向變形，繼續增加荷載會應力轉移到鋼板上。2）加固后的極限承載力變化幅度較小，從520kN降至450kN。由于半環鋼板對管片襯砌產生約束作用，因此導致管片的承載力緩慢下降。

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