蜂窩狀六邊形混凝土預(yù)制管片裂縫原因分析

梁晉平

（山西省萬(wàn)家寨引黃工程管理局，太原 030012）

1 工程概況

山西省萬(wàn)家寨引黃工程位于山西省西北部，由萬(wàn)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(zhǎng)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(jì)122km采用了6臺(tái)雙護(hù)盾全斷面掘進(jìn)機(jī)施工，創(chuàng)造了掘進(jìn)機(jī)月成洞1821.51m的同類斷面世界新記錄和日掘進(jìn)113m的好成績(jī)。

然而，掘進(jìn)機(jī)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(duì)襯砌的影響等幾方面進(jìn)行初淺分析。

2 隧洞襯砌與掘進(jìn)機(jī)相互作用的荷載情況

掘進(jìn)機(jī)的推力是通過(guò)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(jìn)缸承載板下面的管片內(nèi)誘發(fā)一個(gè)壓應(yīng)力場(chǎng)。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(yīng)力場(chǎng)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(gè)壓應(yīng)力轉(zhuǎn)移的同時(shí)，由于應(yīng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)在管片內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)橫向拉應(yīng)力場(chǎng)。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(yīng)力場(chǎng)作用下的安全狀態(tài)。

估算管片內(nèi)由于推進(jìn)缸推力作用誘發(fā)的應(yīng)力場(chǎng)必須采用一個(gè)適宜的計(jì)算模型。因?yàn)橥七M(jìn)缸承載板與管片之間的接觸面積相對(duì)管片橫斷面來(lái)說(shuō)是比較小的，因此采用二維薄殼混凝土構(gòu)件的計(jì)算模型進(jìn)行分析。圖2是用于計(jì)算橫向拉力的構(gòu)件應(yīng)力圖。

圖1 掘進(jìn)時(shí)荷載情況

圖2 頂推力作用下的應(yīng)力圖

圖中的不同曲線代表著橫向拉應(yīng)力與計(jì)算點(diǎn)到推進(jìn)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(guān)系。

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

實(shí)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(yīng)為3.4。

運(yùn)用圖2所示的應(yīng)力圖并附設(shè)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(gè)推進(jìn)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(yīng)于橫向拉力Z的管片混凝土平均拉應(yīng)力為：σt＝ Z／（B ×t）＝90／ （1600×250） ＝0.225MPa

顯然，推進(jìn)缸推力誘發(fā)的管片拉應(yīng)力絕對(duì)小于混凝土的抗拉強(qiáng)度。實(shí)際采用Rck＝30MPa混凝土，其軸向抗拉強(qiáng)度為fctm＝2.6MPa，因此相應(yīng)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(jìn)缸推力引起的橫向拉應(yīng)力，實(shí)際抗拉安全系數(shù)比上面計(jì)算的值要大得多。

3 預(yù)制管片裂縫的理論分析

管片相對(duì)來(lái)說(shuō)主要是一種特定的軸向拉力作用，彎矩對(duì)它的作用是次要的。

計(jì)算軸向拉力和彎矩引起的應(yīng)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(dǎo)出M與N 之間的關(guān)系，并可以用它來(lái)作為判斷管片是否會(huì)開裂的準(zhǔn)則。

圖3 三種類型管片的M－N關(guān)系圖

圖3中給出了對(duì)應(yīng)于不同類型管片的M與N之間的關(guān)系，這些關(guān)系是采用相應(yīng)于每一類型管片的混凝土抗拉強(qiáng)度和配筋參數(shù)獲得的。圖中的三個(gè)點(diǎn)分別與針對(duì)三種管片類型所設(shè)計(jì)的M－N組合相對(duì)應(yīng)，這些點(diǎn)都位于圖中的安全區(qū)域。這就說(shuō)明，在設(shè)計(jì)的圍巖壓力作用下，三種管片都不會(huì)開裂，因?yàn)楣芷瑑?nèi)的應(yīng)力不可能超過(guò)管片的撓曲抗拉強(qiáng)度。

4 季節(jié)性溫度變化對(duì)襯砌的影響

根據(jù)我國(guó) 《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二十四章第十八節(jié)中提供的計(jì)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(duì)稱應(yīng)力場(chǎng)的。

圖4 季節(jié)性溫度變化引起的管片應(yīng)力變化

圖5 季節(jié)性溫度變化引起的管片應(yīng)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(duì)應(yīng)于Ⅲ類和Ⅳ類圍巖的計(jì)算結(jié)果。這些結(jié)論表明，在當(dāng)襯砌內(nèi)壁的年溫度變化在0℃～25℃之間時(shí)，襯砌內(nèi)壁處的相應(yīng)真實(shí)溫度徐變應(yīng)力將在＋2.6MPa到－2.6MPa之間變動(dòng)。因此不會(huì)因?yàn)榧竟?jié)性溫度變化而發(fā)生開裂。

5 襯砌管片出現(xiàn)裂縫的實(shí)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(zhǎng)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(guò)管片的整個(gè)寬度。另外，管片接縫處的最大錯(cuò)臺(tái)達(dá)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(qiáng)度有關(guān)。由于圍巖壓力在襯砌內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力不可能導(dǎo)致管片裂縫，實(shí)際管片開裂的原因只能從以下方面去分析。

5.1 掘進(jìn)機(jī)所施加的推力偏心

掘進(jìn)機(jī)的推力通過(guò)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(guò)該管片轉(zhuǎn)移到早先安裝的管片上。精確對(duì)準(zhǔn)管片是順利有效地轉(zhuǎn)移掘進(jìn)機(jī)推力的必要條件之一。

即使在精確對(duì)準(zhǔn)的前提下，管片所受的作用力也是傾斜的，因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)對(duì)掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭總推力的反作用力并不是集中在各推進(jìn)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(cuò)位比較大的話，就有可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，因?yàn)檫@時(shí)用于傳遞掘進(jìn)缸推力的接觸面積變小了，從而使得接觸應(yīng)力大大升高。

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

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

b＝700mm，為推進(jìn)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(yīng)力就會(huì)生高到大約0.6MPa。

以上兩個(gè)計(jì)算結(jié)果分別小于混凝土的抗壓和抗拉強(qiáng)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?yàn)殡S著承載板下或前后兩個(gè)管片之間接觸面積的減少，管片內(nèi)相應(yīng)的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力會(huì)迅速增長(zhǎng)。

上面的分析表明，混凝土的抗拉強(qiáng)度是至關(guān)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(shè)置的生產(chǎn)線預(yù)制，管片在離開生產(chǎn)線之前需接受蒸汽養(yǎng)護(hù)。

蒸汽養(yǎng)護(hù)的目的是為了在較短的時(shí)間內(nèi)讓管片達(dá)到其設(shè)計(jì)強(qiáng)度，同時(shí)提高生產(chǎn)效率。在對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)，通常采用低壓處理。

混凝土的最終強(qiáng)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(guò)程中的變化也是不同的。如果早期養(yǎng)護(hù)的時(shí)間太短，而熱處理的過(guò)程又太快，管片內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生微裂縫。這些微裂縫會(huì)降低混凝土的最終抗拉強(qiáng)度。

另外一個(gè)降低混凝土強(qiáng)度的原因與管片在結(jié)束蒸汽養(yǎng)護(hù)后，接受擱置冷卻的一個(gè)短暫過(guò)程有關(guān)。管片從蒸養(yǎng)室出來(lái)時(shí)的溫度在70℃～80℃，此時(shí)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(huì)更大一些）。

管片外表面迅速冷卻在其內(nèi)部形成一個(gè)很大的溫度梯度。另外快速失去水分也會(huì)在管片內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力。這些因素都會(huì)導(dǎo)致在管片內(nèi)混凝土中形成微裂紋，因?yàn)榛炷吝€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(rèn)真控制管片養(yǎng)護(hù)過(guò)程中溫度與水分的變化。另外，至關(guān)重要的是新鮮混凝土料的振搗，只有通過(guò)仔細(xì)有效的振搗才有可能使拌和料所帶進(jìn)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(zhǎng)管片在進(jìn)出蒸護(hù)室前后的擱置時(shí)間，同時(shí)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(gè)方面。

（1）混凝土的抗拉強(qiáng)度降低了，因?yàn)檎麴B(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(jìn)機(jī)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(yù)制過(guò)程中出現(xiàn)缺陷，確保管片在各個(gè)操作過(guò)程中 （包括吊放、運(yùn)輸、安裝等）的受力情況符合設(shè)計(jì)要求，從而進(jìn)一步保證襯砌結(jié)構(gòu)的安全度，采取了以下幾個(gè)積極措施。

（1）專辟了一個(gè)拌和料的準(zhǔn)備場(chǎng)地，使得拌和時(shí)各組份的溫度和水分得到控制。另外對(duì)混凝土拌和料進(jìn)行預(yù)熱處理，以消除管片在進(jìn)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(jìn)出蒸養(yǎng)室時(shí)，增加預(yù)熱室。

（3）管片從蒸養(yǎng)室出來(lái)后的養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加到平均18h左右。天氣冷時(shí)，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(jìn)機(jī)的尾護(hù)盾被部分切除以恢復(fù)護(hù)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(jìn)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?zèng)]有出現(xiàn)裂縫。