疊合式襯砌結(jié)構(gòu)檢修工況下極限承載能力試驗(yàn)研究

李代茂，嚴(yán)振瑞，唐欣薇，莫鍵豪，陳高敬

（1、廣東粵海珠三角供水有限公司 廣州511458；2、廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州510635；3、華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 廣州510640）

0 引言

珠江三角洲水資源配置工程西起佛山順德西江干流鯉魚洲，東至深圳公明水庫，沿途輸水至廣州高新沙水庫、東莞松木山水庫及深圳羅田水庫。為最大限度保護(hù)大灣區(qū)生態(tài)環(huán)境，工程全線采用地下深埋盾構(gòu)方式，在縱深40～60 m 地下空間建造，為未來發(fā)展預(yù)留寶貴的地表和淺層地下空間。

在項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)階段，工程師們提出一種“外襯管片-自密實(shí)混凝土填充層-內(nèi)襯鋼管”聯(lián)合受力的疊合式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念［1-3］，以應(yīng)對襯砌結(jié)構(gòu)在弱圍巖壓力下承受高內(nèi)水壓力（最大內(nèi)壓達(dá)1.5 MPa）的承載特點(diǎn)，并相應(yīng)開展基礎(chǔ)理論、大型試驗(yàn)及數(shù)值仿真工作，研究上述疊合式襯砌結(jié)構(gòu)在運(yùn)營狀態(tài)下的變形特征和承載機(jī)理［4-7］。

前期試驗(yàn)于中國建筑技術(shù)中心李遂試驗(yàn)基地開展，結(jié)果表明［7］，在輸水隧洞正常使用工況下，隨著內(nèi)水壓力不斷增加，疊合式襯砌結(jié)構(gòu)將發(fā)生沿徑向的不規(guī)則膨脹變形；當(dāng)內(nèi)壓達(dá)到0.600 MPa 時(shí)，自密實(shí)混凝土填充層將產(chǎn)生宏觀裂縫；當(dāng)內(nèi)壓超過0.965 MPa 時(shí)，疊合式襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)入破壞階段。經(jīng)歷高內(nèi)水壓力承載后，疊合式襯砌結(jié)構(gòu)已產(chǎn)生一定程度的損傷。當(dāng)輸水隧洞運(yùn)營一段時(shí)間進(jìn)入檢修工況時(shí)，損傷的襯砌結(jié)構(gòu)將承受外部非均勻水土壓力作用。為研究該狀態(tài)下襯砌結(jié)構(gòu)的極限承載能力，本文將基于前期試驗(yàn)成果開展疊合式襯砌結(jié)構(gòu)足尺模型試驗(yàn)研究，為保證結(jié)構(gòu)運(yùn)營安全提供指導(dǎo)與參考借鑒。

1 試驗(yàn)構(gòu)件

本次試驗(yàn)的研究對象為三層聯(lián)合受力的疊合式襯砌結(jié)構(gòu)，外襯為三環(huán)錯(cuò)縫拼裝的盾構(gòu)管片，管片外徑為6.0 m，內(nèi)徑為5.4 m，環(huán)寬為1.5 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55，環(huán)向受力主筋采用HRB400 級(jí)，內(nèi)外側(cè)均配置，內(nèi)側(cè)保護(hù)層厚度為30 mm，外側(cè)保護(hù)層厚度40 mm；管片塊間通過2根M24不銹鋼彎螺栓連接，管片環(huán)間通過10 根M24 不銹鋼彎螺栓連接，螺栓與螺母的機(jī)械性能等級(jí)均為A4-70 級(jí)；內(nèi)襯鋼管高度為4.5 m，內(nèi)徑為4.8 m，厚度為14 mm，材質(zhì)為Q345C；中襯自密實(shí)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。前期試驗(yàn)已對構(gòu)件進(jìn)行了1.0 MPa 的高內(nèi)壓運(yùn)營工況的研究工作，在對襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能及外觀鑒定時(shí)發(fā)現(xiàn)，自密實(shí)混凝土填充層已出現(xiàn)10道沿徑向貫通的宏觀裂縫。此外，外襯管片混凝土表面未見開裂現(xiàn)象，接縫張開量未超過2 mm 限值，鋼內(nèi)襯亦處于彈性工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)尚能繼續(xù)服役。

2 試驗(yàn)方案

2.1 加載方案

本試驗(yàn)采用臥式加載方式，加載裝置為全伺服液壓加載控制系統(tǒng)，單個(gè)千斤頂作動(dòng)器最大頂推力為200 t，油缸行程為±200 mm。

模擬隧洞結(jié)構(gòu)在檢修工況下的外部水土壓力如圖1所示，沿結(jié)構(gòu)全周等角度布置12個(gè)加載點(diǎn)。每個(gè)加載點(diǎn)處在豎向上分為上下兩層，整個(gè)加載裝置共24臺(tái)液壓千斤頂作動(dòng)器。同一排作動(dòng)器加載過程中協(xié)調(diào)進(jìn)退，分別承擔(dān)1.5環(huán)管片所需的等效頂推力。其中，P1為加載控制荷載，以200 kN 的梯度逐級(jí)增加；根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)資料，取P4= 0.57×P1；P2和P3則按角度進(jìn)行插值。

圖1 荷載分組示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Loading Group

2.2 測量方案

試驗(yàn)過程中，為有效揭示受損疊合式襯砌結(jié)構(gòu)在逐級(jí)增加的不均勻外壓作用下的力學(xué)性能與承載機(jī)理，選取中間環(huán)管片區(qū)域?yàn)闇y試目標(biāo)區(qū)域，采用BOF?DA分布式光纖［8-9］和傳統(tǒng)測量相結(jié)合的方式（見圖2），對管片接縫張開量、縱縫螺栓應(yīng)力、管片襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力、自密實(shí)混凝土裂縫開展情況、鋼管環(huán)向應(yīng)力進(jìn)行測量與采集，具體的測量方案如表1所示，傳感器布設(shè)現(xiàn)場如圖3所示。

圖2 測量系統(tǒng)示意圖Fig.2 The Diagram of Measurement System

表1 測量方案Tab.1 The Measurement Scheme

圖3 傳感器布設(shè)Fig.3 Placement of Sensor

3 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)在控制荷載組P1 單個(gè)作動(dòng)器頂推力值達(dá)140 t 時(shí)，受制于加載系統(tǒng)的承受能力，未進(jìn)一步繼續(xù)加大外壓，因此本次試驗(yàn)最大外壓P1=1 400 kN（即正常外載的1.75倍）時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。

圖4 自密實(shí)混凝土裂縫分布Fig.4 The Crack Distribution of SCC（mm）

圖5 自密實(shí)混凝土最大裂縫擴(kuò)展情況Fig.5 The Maximum Crack Propagatoin of SCC

圖6 接縫張開量-外壓變化曲線Fig.6 Joint Opening-External Loading Curves

圖7 縱縫螺栓應(yīng)力變化曲線Fig.7 Stress Curves of Longitudinal Bolts

圖8 管片跨中彎矩-外壓變化曲線Fig.8 Segment Mid Span Bending Moment-External Loading Curves

圖9 管片跨中軸力-外壓變化曲線Fig.9 Segment Mid Span Axial Force-External Loading Curves

圖10 內(nèi)襯鋼管環(huán)向應(yīng)力分布Fig.10 Circumferential Stress of the Steel Lining

試驗(yàn)結(jié)果如圖4～圖10 所示，圖中管片彎矩以使內(nèi)側(cè)受拉計(jì)為“+”，使外側(cè)受拉計(jì)為“-”；管片軸拉力計(jì)為“+”，軸壓力計(jì)為“-”；接縫張開計(jì)為“+”，閉合計(jì)為“-”；拉應(yīng)力計(jì)為“+”，壓應(yīng)力計(jì)為“-”。

3.1 自密實(shí)混凝土開裂情況

試驗(yàn)全過程未發(fā)現(xiàn)自密實(shí)混凝土掉塊、濺射或外襯管片混凝土開裂情況。完全卸載后，于結(jié)構(gòu)頂部端面觀察發(fā)現(xiàn)，自密實(shí)混凝土充填層的10道徑向宏觀裂縫進(jìn)一步發(fā)展，但未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的新裂縫，如圖4所示。最大裂縫出現(xiàn)在255°，寬度為1.43 mm，如圖5所示。

其中，左肩300°、右肩54°和右趾126°的裂縫寬度相較于試驗(yàn)加載前有所閉合，左腰255°、右腰90°、拱頂5°等角度的裂縫寬度則進(jìn)一步擴(kuò)大。由于結(jié)構(gòu)鋼管在右半?yún)^(qū)設(shè)置有栓釘，該區(qū)域自密實(shí)混凝土與鋼管有較好的結(jié)合性，有利于抑制右半?yún)^(qū)的裂縫進(jìn)一步擴(kuò)張。

3.2 接縫張開量

各接縫張開量隨外壓變化如圖6 所示（底部L1-B1 接縫張開量測點(diǎn)已損壞）。隨著外壓的逐級(jí)提高，各接頭呈閉合狀態(tài)，且量值增長平緩，當(dāng)外壓P1=1 400 kN時(shí)，在左趾位置的B1-B2 接縫出現(xiàn)最大接縫變化量-0.34 mm，試驗(yàn)全程未有接頭張開量達(dá)到2 mm限值。

3.3 螺栓應(yīng)力

圖7為縱縫螺栓應(yīng)力變化曲線（B2-B3接縫螺栓測點(diǎn)已損壞，圖中未予顯示）?？傮w來看，隨著外壓的增加，螺栓應(yīng)力變化幅度不大，承載穩(wěn)定。當(dāng)P1=1 400 kN時(shí)，最大受拉螺栓位于中間環(huán)管片左趾198°的B1-B2縱縫，為+203.78 MPa，占螺栓屈服強(qiáng)度的45.3%。

3.4 管片襯砌內(nèi)力

利用目標(biāo)環(huán)管片跨中鋼筋計(jì)實(shí)測數(shù)據(jù)，采用周順華等人［10］的計(jì)算方法，得到管片環(huán)各跨中截面的彎矩與軸力，如圖8、圖9所示。

由圖8可知，外襯管片整體主要表現(xiàn)為負(fù)彎矩，在右趾及左腰區(qū)域尤為明顯；隨著外壓的增加，各管片跨中截面彎矩增長加快，變化最顯著的為L1、B2 塊管片跨中彎矩。當(dāng)P1=1 400 kN 時(shí)，在左腰B2 跨中取得最大負(fù)彎矩-71.26 kN·m。

由圖9可知，在不均勻外壓作用下，管片主要表現(xiàn)為軸壓力，頂?shù)讌^(qū)域尤為顯著。隨著外壓增加，各管片跨中軸力變化規(guī)律與彎矩類似，呈增長加快趨勢，其中，B3 塊管片跨中變化最顯著，當(dāng)P1=1 400 kN 時(shí)，取得最大軸壓力-1 197.20 kN。

3.5 鋼內(nèi)襯環(huán)向應(yīng)力

由圖10可知，隨著外壓的增加，鋼內(nèi)襯主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力。當(dāng)P1=1 400 kN時(shí)，在268°處出現(xiàn)最大拉應(yīng)力（+50.3 MPa），在30°位置出現(xiàn)最大壓應(yīng)力（-34.6 MPa）。最大拉應(yīng)力僅占屈服強(qiáng)度的17.1%，鋼內(nèi)襯尚處于彈性工作狀態(tài)。

此外，鋼管應(yīng)力表現(xiàn)為左半?yún)^(qū)以拉應(yīng)力為主，而右半?yún)^(qū)則應(yīng)力波動(dòng)較為明顯，且均為最大壓應(yīng)力出現(xiàn)區(qū)域?？梢?，栓釘增強(qiáng)了內(nèi)襯鋼管與自密實(shí)混凝土的整體性，導(dǎo)致右半?yún)^(qū)應(yīng)力波動(dòng)明顯，但由于與自密實(shí)混凝土結(jié)合性較好，鋼管應(yīng)力水平總體量值不大。

4 結(jié)論

⑴疊合式襯砌結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷高內(nèi)壓作用后，自密實(shí)混凝土填充層已出現(xiàn)10道徑向貫通裂縫；疊合式襯砌結(jié)構(gòu)仍能發(fā)揮三層襯砌聯(lián)合受力性能，結(jié)構(gòu)整體仍能較好承受不均勻外載作用。

⑵在不均勻外部水土壓力作用下，自密實(shí)混凝土基本不分擔(dān)內(nèi)力，但沿徑向傳遞荷載至鋼管內(nèi)襯。當(dāng)外壓加至正常外荷載的1.75 倍時(shí)，鋼管仍處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)仍有較大承載能力。

⑶栓釘?shù)脑O(shè)置一定程度上有利于增強(qiáng)鋼內(nèi)襯與自密實(shí)混凝土的粘接性能，有利于抑制裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展。

⑷當(dāng)隧洞處于檢修工況時(shí)，圍巖、管片及自密實(shí)混凝土可能形成透水通道，外水壓力將直接作用于薄壁鋼管上，后續(xù)應(yīng)針對鋼管抗外壓屈曲穩(wěn)定問題開展深入研究。