环面不平整条件下衬砌管片抗剪承载力的试验研究

王田宇 田威 关振长

（1.中铁三局集团第二工程有限公司，石家庄 050001；2.福州大学土木工程学院，福州 350116）

盾构法凭借其掘进速度快、对地面交通影响较小等诸多优点，成为地铁隧道建设的主要施工方法［1]。但盾构法隧道施工过程中衬砌管片常出现开裂现象，对地铁隧道的安全性及耐久性产生诸多不利影响［2]。许多学者通过现场调查、模型试验、数值模拟等手段对施工过程中衬砌管片开裂的原因展开了深入研究。

董飞等［3]基于北京地铁隧道病害检测结果，分析结构形式、配筋和运营时间对隧道衬砌病害形态的影响。卢岱岳等［4]对施工过程中管片裂损的形态特征及分布规律进行统计分析，认为不良千斤顶推力和管片拼装精度是导致管片裂损的主要因素。王士民等［5]通过相似模型试验，分析了盾构隧道衬砌结构病害的发生及扩展过程，认为封顶块位于拱腰时，整体刚度较大，同时会产生更多主裂缝和压溃区。邱月等［6]基于原型试验，分析错缝拼装时衬砌结构的局部破坏特性，认为结构刚度较大区域首先开裂并导致整体刚度重分布。朱瑶宏等［7]通过原型试验研究了凹凸榫环缝的抗剪性能，认为抗剪强度和刚度主要受接缝间摩擦力和凹凸榫咬合作用的影响。Buco，Molins 等［8-9]通过原型试验，论证了钢纤维管片用于防控施工阶段管片开裂病害的可行性，并对其环缝受压、抗剪及抗弯性能展开了细致分析。

赖金星、卢岱岳等［10-11]通过数值模拟手段，深入研究管片裂缝开展规律，认为衬砌背后空洞、推力不均和推力过大是影响管片裂纹产生的主要因素。苏昂［12]建立衬砌管片三维有限元模型，分析推力不均工况下裂纹形态特征与扩展规律，认为千斤顶最大推力位置越靠近上端部，其管片裂损区域越大，且裂纹扩展呈台阶式递增。Chen，Mo［13-14]通过精细化数值模拟方法研究施工阶段衬砌管片裂缝的发展规律，认为非均匀推力作用下管片裂纹主要发生在环缝、手孔及螺栓孔位置。

管片拼装过程中环端面难免出现不平整，造成环端面垫片的局部脱空，导致受力不均进而产生局部剪切裂缝；但目前关于环端面不平整（垫片局部脱空）条件下衬砌管片开裂的相关研究仍较少。因此，本文通过单管片受力的原型试验研究，重点探讨环端面不平整条件下衬砌管片的裂缝发展过程及其抗剪承载力，以期为盾构隧道衬砌管片的设计与盾构施工提供定量参考。

1 衬砌管片的抗剪试验

1.1 整体试验方案

以福州地铁6 号线为工程背景，其每环衬砌由6 块管片错缝拼装，采用5+1 的通用形式进行布设，即1 个封顶块、2 个邻接块和3 个标准块。管片厚度3500 mm、外径6200 mm、内径5500 mm、幅宽1200 mm，根据不同埋深分别采用P1，P2，P3 型管片。以P2 型标准块管片（圆心角67.5°）为试验对象，该管片采用C50 混凝土，弹性模量为3.5 GPa，配筋率为180 kg/m3，抗渗等级为P12。

整体试验方案如图1 所示。反力系统由4 根工字钢柱及其地锚、2 根二级钢梁和1 根一级钢梁组成；加载系统采用3 个200 t 级的同步液压千斤顶模拟实际施工过程中一组千斤顶的顶推作用。

图1 管片抗剪试验方案

各千斤顶与一级钢梁之间敷设大面积传力钢板，与管片前端面之间敷设钢撑靴，确保顶推荷载传递过程与实际情况一致。

管片后端环面与地面之间敷设4组橡胶传力垫片，其敷设位置与实际工况保持一致，如图1（b）所示。前三组垫片厚度10 mm，第四组垫片厚度取为8/4/0 mm，以模拟后端环面不平整的三种工况，即脱空高度分别为2，6，10 mm。

1.2 管片测点布置

采用深圳圣狄科技有限公司的BX120-100AA 型号应变片，主要布设在右半侧的内弧面与前端环面区域，如图2 所示，共计19 组59 个。其中18 组应变片采用直角应变花（45°应变花）布置，其水平方向、竖直方向和斜方向的编号分别为xx-a，xx-b和xx-c；第13组应变片采用一字形布置，其编号依此为13-a—13-e，如图3所示。

图2 应变片布设示意（单位：mm）

图3 应变片编号示意

采用秦皇岛市信恒电子有限公司的CML-16 型静态电阻应变仪，可直接采集试验过程中各测点的线应变数据。根据测点三个方向的线应变εxx-a，εxx-b，εxx-c，通过式（1）和式（2）计算该测点的最大主应变εmax、最小主应变εmin及主应力方向α，以便较全面地展现管片裂缝的发展趋势。

1.3 加载工况

福州地铁6 号线区间隧道的实际顶推过程中，千斤顶最大总推力约为25000 ～27000 kN；则均推工况下单个千斤顶最大推力为1562 ～1687 kN，大致相当于试验所用200 t 级千斤顶额定最大推力的80%。因此，试验采用的加载规则为：从0 开始按50 kN 间隔逐渐增大各千斤顶推力，直至管片出现明显纵向裂缝，或达到千斤顶额定最大推力的80%（即1600 kN）。试验加载过程如图4所示。

图4 管片剪切试验加载过程

2 试验结果及分析

2.1 工况1（脱空2 mm）

右侧垫片局部脱空2 mm 工况下，管片内弧面12#—7#测点最大主应变及其方向随千斤顶推力的发展见图5。最大主应变方向以水平方向为起始，顺（逆）时针为正（负）。将最大荷载作用下的最大主应变方向也标注于图中。

图5 12#—7#测点的最大主应变（工况1）

由图5 可知：千斤顶均匀推力作用下，管片局部（中螺栓孔与右螺栓孔之间的内弧面局部区域）应变水平显著提高；尤其受到后端环面不平整（垫片局部脱空）的影响，10#测点的最大主（拉）应变显著高于其他测点；当推力达到1600 kN 时，10#测点的最大应变为221×10-6（根据弹性模量换算后相当于最大拉应力0.77 MPa），但仍小于钢筋混凝土的受拉极限应变，管片未出现开裂。

2.2 工况2（脱空6 mm）

右侧垫片局部脱空6 mm 工况下，管片内弧面12#—7#测点及19#—14#测点最大主应变及其方向随千斤顶推力的发展见图6。可知：千斤顶推力小于900 kN 时，管片内弧面各测点的响应规律与工况1 类似；当千斤顶推力达到1000 kN 时，10#，17#，9#测点的主应变发生突变（均超过18000×10-6），远大于钢筋混凝土的受拉极限应变，管片出现开裂。

图6 各测点的最大主应变（工况2）

从试验管片的实物照片上看（图7），现场观测到2 条细微（开度约为0.2 mm）的纵向裂缝。1 号裂缝开展贯穿10#，17#测点，长度约为35 cm，延展方向约为86°，与10#，17#测点的最大主应变方向大致垂直。2号裂缝开展仅限于9#测点附近，长度约为10 cm，延展方向约为100°，与9#测点的最大主应变方向大致垂直。

图7 管片裂缝发展（工况2）

上述内弧面上形成的裂缝未扩展至前端环面以及外弧面，裂缝发展情况与试验测试数据基本吻合。

水利施工现场由于具备显著的复杂性，因此亟待对此予以综合性的施工管理。通过推行现场施工监管的举措，应当能在根源上消除某些潜在隐患或者其他施工风险，确保水利建筑物应有的安全性并且杜绝某些额外的水利建设成本耗费。由此可见，施工现场管理举措应当能够渗透在全过程的水利施工中，其中包含了如下的施工现场管理关键技术：

2.3 工况3（脱空10 mm）

右侧垫片局部脱空10 mm 工况下，管片内弧面12#—7#测点及19#—14#测点最大主应变及其方向随千斤顶推力的发展见图8。可知：垫片10 mm 脱空高度工况下，当千斤顶推力达到600 kN 时，10#和9#测点的主应变已发展至1200×10-6，即1 号和2 号裂缝再次出现；当千斤顶推力达到1000 kN 时，10#，17#，9#测点的主应变均超过18000 ×10-6，1 号和2 号裂缝的发展与工况2 基本相同；当千斤顶推力达到1400 kN 时，1 号和2 号裂缝继续发展，同时新出现3 号裂缝，如图9所示。

图8 各测点的最大主应变（工况3）

图9 管片裂缝发展（工况3）

对1 号裂缝而言，虽然10#，17#测点的主应变不再增大（即裂缝宽度不再增大），但裂缝长度继续发展至内弧面中部，长度约为42 cm，延展方向仍为86°，与10#，17#测点的最大主应变方向大致垂直。对2号裂缝而言，除9#测点外，3#，4#，16#测点的主应变亦发生突变，即2号裂缝继续发展至前端环面和内弧面中部，其长度约为48 cm（内弧面）+25 cm（前端环面）。其中内弧面上裂缝延展方向约为110°，与9#，16#测点的最大主应变方向大致垂直。同时1#，2#，8#测点的主应变亦发生突变，即新发展出3号裂缝，其长度约为16 cm（内弧面）+22 cm（前端环面）。其中内弧面上裂缝延展方向约为120°，与8#测点的最大主应变方向大致垂直。

为进一步探明1 号—3 号裂缝沿线上各测点主应变随千斤顶推力的发展过程，绘制了裂缝沿线各点的主应变发展，见图10。

图10 裂缝沿线各测点的最大主应变发展

结合前述裂缝发展图，由图10（a）可知：千斤顶推力达到600 kN 时1 号裂缝再次产生；加载至800 kN 时裂缝贯穿10#，17#测点；加载至1400 kN 时，裂缝继续向管片中部发展，但并未延伸至前端环面。由图10（b）可知：千斤顶推力达到600 kN 时，2 号裂缝再次出现；加载至1200 kN 时，前端环面4#测点主应变超过1000×10-6；加载至1300 kN 时，内弧面16#测点、前端环面3#测点也相继发生突变。上述结果表明2号裂缝的发展过程大致为：内弧面→前端环面→内弧面。由图10（c）可知：千斤顶推力达到1300 kN 时，前端环面2#测点和内弧面8#测点的主应变同时发生突变；加载至1400 kN 时，前端环面1#测点也相继发生突变。上述结果表明3#裂缝的出现较为突然，延伸至前端环面，但并未向管片中部延伸。

2.4 小结

综合3 个工况的管片剪切试验结果，可以认为即使后端环面存在轻微不平整，千斤顶正常推进时管片也不会出现开裂现象。若后端环面上不平整情况加剧，则千斤顶推力将使得管片局部（中螺栓与脱空侧螺栓之间的内弧面区域）出现较大拉应力区域，进而出现开裂现象。

以上纵向裂缝的出现，容易引起渗浆、渗水等危害衬砌结构耐久性的施工质量问题。施工过程中应特别注意控制拼装误差的累计，避免后端环面出现较为严重的不平整现象。

此外，还须要说明的是，受试验条件限制，本文仅针对单个管片开展抗剪试验，未能考虑其相邻管片及地层的约束作用，其试验结果可能偏于保守。后续可通过精细化数值模拟方法，深入研究单个管片及单环衬砌在环面不平整条件下的裂缝开展过程与分布规律。

3 结论

1）管片后端环面存在轻微不平整（即垫片局部脱空高度较小）时，千斤顶推力使脱空快速闭合，管片内通常不会产生裂缝。

2）若后端环面上不平整情况加剧，则千斤顶推力将使得管片局部（中螺栓与脱空侧螺栓之间的内弧面区域）出现较大拉应力区域，进而出现开裂现象。当后端环面存在6 mm和10 mm的局部脱空时，其初始开裂的顶推力分别为1000 kN和600 kN。

3）当管片内弧面出现初始裂缝后，随着千斤顶推力的增大，裂缝继续向前端环面与内弧面中部发展，裂缝延展方向约为90° ～120°，与最大主应变方向大致垂直。