朱明勇 耿歐 孫倩 孫亞瓊

1.徐州地鐵集團(tuán)有限公司 221000 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 徐州221116

引言

隨著大中型城市人口數(shù)量的增加，城鎮(zhèn)化進(jìn)程快速發(fā)展與居民出行需求迅速增長(zhǎng)的矛盾日益明顯。城市軌道交通既解決了交通擁堵、能源消耗及環(huán)境污染等眾多問(wèn)題，又有利于引導(dǎo)土地開發(fā)、優(yōu)化城市結(jié)構(gòu)，符合城市可持續(xù)發(fā)展理念［1，2］。我國(guó)城市軌道目前已進(jìn)入快速階段，截至2021年6月30日，中國(guó)內(nèi)地共有49 個(gè)城市開通城軌線路，總里程為8448.67km。

隨著城市軌道交通工程使用年限的增加，我國(guó)部分城市的軌道交通線路已經(jīng)進(jìn)入了“老年期”［3］，個(gè)別城市的盾構(gòu)隧道也由于不均勻堆載、鄰近軌道線路施工等原因出現(xiàn)了裂縫、滲漏水和徑向變形等問(wèn)題。因此，針對(duì)盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)可能的損傷特征，尋求經(jīng)濟(jì)合理的維護(hù)加固技術(shù)，以此提高隧道結(jié)構(gòu)的耐久壽命是十分必要的［4，5］。

W. H. N. C針對(duì)葡萄牙里斯本的一條盾構(gòu)隧道地鐵線路，從目視評(píng)估、幾何評(píng)估、機(jī)械評(píng)估和化學(xué)評(píng)估四個(gè)角度對(duì)隧道的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行評(píng)估，提出在已有隧道內(nèi)修建二級(jí)隧道的維修措施［6］。柳獻(xiàn)［7－9］采用整環(huán)和半環(huán)粘鋼加固法，研究了盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的極限承載力、荷載位移曲線和加固后關(guān)鍵性能點(diǎn)，提出粘接面破壞時(shí)整體結(jié)構(gòu)破壞的原因，并建立了相關(guān)非線性簡(jiǎn)化模型。劉梓圣［10］采用粘貼芳綸纖維布（AFRP）的方法對(duì)盾構(gòu)隧道防水和開裂問(wèn)題進(jìn)行了研究。在普通混凝土結(jié)構(gòu)的加固上，采用FRP 進(jìn)行加固的較多，近年來(lái)FRP加固也開始在盾構(gòu)隧道中使用［11－13］。另外，波紋鋼板［14］、鋼管混凝土［15］、空心鋼管外側(cè)粘貼高強(qiáng)纖維，內(nèi)腔填充高強(qiáng)自密實(shí)砂漿形成三層復(fù)合材料疊合襯砌［16］等加固方法也先后用于盾構(gòu)隧道的加固。

目前，研究盾構(gòu)隧道管片的加固前后的力學(xué)特性，大多是采用縮尺或者采用切割的方法取部分管片進(jìn)行試驗(yàn)。另外，在管片加固試驗(yàn)中，大多是在未損傷的管片上直接加固，這與實(shí)際工程中的損傷后加固有所不同，沒(méi)有考慮加固時(shí)機(jī)與管片服役期間產(chǎn)生的損傷帶來(lái)的不利影響。本文以徐州軌道交通盾構(gòu)隧道實(shí)際使用的管片為對(duì)象，分別對(duì)中埋和超深埋兩種不同埋深的管片進(jìn)行加固前后的力學(xué)性能試驗(yàn)。得出了內(nèi)粘鋼板對(duì)損傷管片的極限承載力、鋼筋應(yīng)力、管片撓度及裂縫開展規(guī)律的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果可為實(shí)際工程中盾構(gòu)隧道的維護(hù)加固提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件設(shè)計(jì)

徐州市軌道交通盾構(gòu)隧道由6 塊管片組成，分別是一個(gè)封頂塊（KT）、兩個(gè)鄰接塊（BT）和三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊（AT）組成。試驗(yàn)中選用足尺中埋標(biāo)準(zhǔn)塊管片S1、S2 和超深埋標(biāo)準(zhǔn)塊管片S3、S4，管片外徑均為6.1m，內(nèi)徑5.5m，管片厚350mm，寬1.2m，外弧面弧長(zhǎng)3651.1mm，內(nèi)弧面弧長(zhǎng)3238.8mm，圓心角度為67.5°。管片混凝土強(qiáng)度均為C50，鋼筋采用HPB300 級(jí)、HRB400 級(jí)鋼，其中中埋管片內(nèi)弧面縱筋直徑為20mm，外弧面為18mm；超深埋管片內(nèi)弧面縱筋直徑為25mm，外弧面為22mm。外側(cè)縱筋保護(hù)層厚度均為55mm，內(nèi)側(cè)為50mm。管片幾何尺寸及配筋圖如圖1、圖2 所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)塊管片結(jié)構(gòu)圖（單位： mm）Fig.1 Structural diagram of standard block segment（unit：mm）

圖2 標(biāo)準(zhǔn)塊管片配筋圖Fig.2 Reinforcement diagram of standard segmen

試驗(yàn)中，對(duì)中埋管片S1 和超深埋管片S3 進(jìn)行抗彎力學(xué)性能試驗(yàn)，對(duì)中埋S2 管片和超深埋S4 管片則先對(duì)試件進(jìn)行加載，產(chǎn)生一定損傷后卸載；然后采用弧形鋼板加固，加固后進(jìn)行二次加載試驗(yàn)。具體試件設(shè)計(jì)見表1。

表1 試件編號(hào)及加固條件Tab.1 Test specimen number and reinforcement conditions

加固時(shí)，每片鋼板上開5 個(gè)直徑10mm 的小孔，在管片的對(duì)應(yīng)位置鉆孔并釘入M10 ×80mm的膨脹螺絲起到臨時(shí)固定的作用，在混凝土和鋼板之間灌入雙組份環(huán)氧粘鋼膠，厚度約3mm ～5mm，加固后試件如圖3 所示。

圖3 內(nèi)粘鋼板加固Fig.3 Internal bonding steel plate reinforcement

1.2 加載裝置及支座設(shè)計(jì)

參考《盾構(gòu)隧道管片質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ／T 164—2012），本試驗(yàn)自主設(shè)計(jì)了一套鋼支座，支座通過(guò)鋼錨桿錨固于實(shí)驗(yàn)室地面?？紤]到管片兩端的凹凸結(jié)構(gòu)，為了防止應(yīng)力集中和節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了與管片兩端相吻合的支座表面，使端部充分接觸受力，其中左端固定不動(dòng)，右端梯形連接塊與底座之間設(shè)置多條截面為三角形的鋼板，形成線接觸，同時(shí)右端可以水平滑動(dòng)，支座及加載裝置如圖4 所示。

圖4 加載裝置圖Fig.4 Loading device diagram

1.3 量測(cè)方案

本試驗(yàn)中量測(cè)內(nèi)容主要包括：管片位移，混凝土應(yīng)變，鋼板的應(yīng)變，內(nèi)部鋼筋應(yīng)力以及管片裂縫的開展情況。其中管片的位移用量程50mm的位移計(jì)測(cè)量，共計(jì)6 個(gè)點(diǎn)，其中4 個(gè)點(diǎn)垂直布置在管片內(nèi)弧面底部，另外2 個(gè)水平布置在管片可滑動(dòng)端，測(cè)點(diǎn)布置位置示意圖如圖5 所示?；炷翍?yīng)變和鋼板應(yīng)變分別通過(guò)型號(hào)為BX120-80AA的混凝土應(yīng)變片和型號(hào)為BE120-3AA的鋼筋應(yīng)變片測(cè)量，接入DH3816 數(shù)據(jù)采集儀獲得，測(cè)點(diǎn)布置如圖6 所示。內(nèi)部鋼筋應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量使用常州市鼎創(chuàng)工程儀器有限公司生產(chǎn)的振弦式鋼筋計(jì)，在試件澆筑前提前綁在鋼筋指定位置上，用電線引出并做好編號(hào)標(biāo)記。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中裂縫的開展情況通過(guò)肉眼觀察，并用紅色水筆大致描出裂縫開展路徑，使用裂縫觀測(cè)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裂縫寬度，記錄最大裂縫寬度和位置。

圖5 位移計(jì)布置示意圖（單位： mm）Fig.5 Layout diagram of displacement meter（unit：mm）

圖6 混凝土應(yīng)變片布置圖（單位： mm）Fig.6 Layout of concrete strain gauge（unit：mm）

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 管片加固前后破壞特征

對(duì)于未加固中埋管片S1，當(dāng)跨中彎矩達(dá)到117.5kN·m 時(shí)，管片側(cè)面靠近中線處先出現(xiàn)兩條裂縫，當(dāng)跨中彎矩達(dá)到205kN·m 時(shí)，最大裂縫寬度達(dá)到0.2mm，內(nèi)弧面中間位置最早出現(xiàn)貫通裂縫。豎向荷載繼續(xù)增大，跨中彎矩達(dá)到352kN·m 時(shí)，內(nèi)弧面已經(jīng)出現(xiàn)多條貫通裂縫，且裂縫都對(duì)稱分布，內(nèi)弧面裂縫寬度達(dá)到1.5mm。側(cè)面斜裂縫處的混凝土有微微鼓起的趨勢(shì)。當(dāng)跨中彎矩達(dá)到440.6kN·m 時(shí)，管片側(cè)面的裂縫最大裂縫寬度達(dá)到1mm。當(dāng)達(dá)到499.4kN·m 時(shí)，管片固定端外弧面被壓碎，露出內(nèi)部鋼筋，側(cè)面裂縫快速向上延伸至外弧面，如圖7 所示。

圖7 S1 試件破壞Fig.7 S1 specimen crushed

對(duì)于中埋管片S2，按上述方法加荷到400kN·m后卸載，然后粘貼鋼板加固。加固后再次進(jìn)行加載試驗(yàn)。由于加固前管片上已有裂縫，在二次加載初期，沒(méi)有新的裂縫產(chǎn)生。當(dāng)跨中彎矩達(dá)到350kN·m 左右時(shí)，管片中心往滑動(dòng)端方向大約每200mm位置出現(xiàn)一條新的延伸裂縫，裂縫長(zhǎng)度在150mm ～200mm之間，共有4 條。最外側(cè)裂縫位置在鋼板的端部。當(dāng)荷載達(dá)到440kN·m時(shí)，可滑動(dòng)端靠近端部的兩條裂縫有向上、斜向延伸的趨勢(shì)；而固定的一端也對(duì)稱出現(xiàn)裂縫，且斜向延伸趨勢(shì)更明顯。當(dāng)荷載達(dá)到470kN·m 時(shí)，固定一端的混凝土從鋼板端部位置斜向上開裂，并出現(xiàn)混凝土壓碎的聲音，鋼板攜帶部分粘接混凝土開始剝落，與鋼板粘接部位的混凝土掉渣，裂縫呈30°夾角斜向延伸至加載點(diǎn)。此時(shí)停止加載，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，其破壞特征如圖8 所示。此時(shí)未出現(xiàn)固定端上部混凝土壓碎現(xiàn)象，且滑動(dòng)端管片與鋼板之間無(wú)剝離，裂縫破壞程度也沒(méi)有固定端嚴(yán)重。

圖8 S2 試件破壞特征Fig.8 Failure characteristics of S2 specimen

2.2 位移與荷載

位移計(jì)固定在內(nèi)弧面，探頭朝上頂住構(gòu)件，位移向下增大為負(fù)，向上增大為正。從圖9 兩圖中都能明顯看到：中埋加固管片S2 的荷載-位移曲線在最外側(cè)，向里依次是超深埋管片S4，超深埋未加固管片S3 和未加固中埋管片S1。在試驗(yàn)初期，彎矩小于145kN·m 時(shí)，四塊管片的彎矩-位移曲線大致重合，位移隨彎矩變化緩慢。當(dāng)彎矩大于145kN·m 時(shí)，四條曲線開始按照加固與否兩兩分離，首先是未加固兩管片S1 和S3 為一組，曲線斜率變小，即隨著彎矩增大，管片位移增大明顯，此時(shí)管片側(cè)面底部混凝土開始出現(xiàn)裂縫，管片剛度減小，位移隨荷載變化明顯。當(dāng)彎矩達(dá)到321kN·m時(shí)，管片S4 的跨中位移和加載點(diǎn)下部位移發(fā)生突變，并在彎矩達(dá)到528kN·m的時(shí)候出現(xiàn)拐點(diǎn)，有進(jìn)入平臺(tái)段的趨勢(shì)，此時(shí)管片位移劇增，千斤頂所加壓力驟降，內(nèi)弧面混凝土的裂縫增大，伴隨開裂聲，有混凝土塊掉落，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。對(duì)管片S2，彎矩達(dá)到353kN·m 時(shí)，彎矩-位移曲線斜率減小，直到達(dá)到442kN·m時(shí)，位移突增進(jìn)入平臺(tái)段，管片側(cè)面裂縫以肉眼可見的速度快速向外弧面延伸，下部混凝土破碎掉渣。

圖9 跨中彎矩-位移曲線Fig.9 Curve of mid span moment with displacement curve

2.3 混凝土應(yīng)變

混凝土應(yīng)變正值為拉應(yīng)變，負(fù)值為壓應(yīng)變。選取管片下部?jī)?nèi)弧面測(cè)點(diǎn)1 和管片側(cè)面靠近外弧面1／3 處一測(cè)點(diǎn)2 分析，測(cè)點(diǎn)1、2 與加載點(diǎn)在同一豎直平面內(nèi)。對(duì)內(nèi)弧面1 號(hào)測(cè)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，加載初期，中埋管片S1、S2 和超深埋管片S3、S4 的混凝土應(yīng)變隨荷載增大變化不大。當(dāng)荷載繼續(xù)增大到200kN·m 和142kN·m 時(shí)，圖10a 中S1 和S3 的管片應(yīng)變開始劇增，并很快進(jìn)入平臺(tái)段；當(dāng)荷載達(dá)到409kN·m和323kN·m時(shí)，加固后的管片S2 和S4 的混凝土應(yīng)變劇增進(jìn)入平臺(tái)段，加固使得混凝土應(yīng)變進(jìn)入平臺(tái)段時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載值增大了1.0 ～1.2 倍。

圖10 跨中彎矩-混凝土應(yīng)變曲線Fig.10 Curve of mid span moment with concrete strain

對(duì)管片側(cè)面的測(cè)點(diǎn)2 來(lái)說(shuō)，加固后中埋管片的混凝土應(yīng)變劇增對(duì)應(yīng)的荷載值提高了20%，而超深埋管片的混凝土應(yīng)變曲線拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)荷載值沒(méi)有變化。

可見內(nèi)粘鋼板加固對(duì)內(nèi)弧面的混凝土開裂有較好的控制作用，能有效減緩混凝土的開裂，對(duì)側(cè)面混凝土開裂的延緩作用不明顯，且在中埋管片上的效果明顯優(yōu)于超深埋管片。

2.4 鋼板應(yīng)變與剝離情況

通過(guò)圖11 可以明顯看出：鋼板應(yīng)變曲線在后期都會(huì)有明顯的折回或者隨荷載的增大應(yīng)變不變，這可能是因?yàn)楹笃阡摪迮c混凝土剝離后，整體受力結(jié)構(gòu)失效，而此時(shí)根據(jù)鋼板的變形量可知鋼板變形還處于彈性階段，所以應(yīng)變有減小和回縮至0 的現(xiàn)象發(fā)生，而且發(fā)生在未剝離端；剝離端鋼板的應(yīng)變是達(dá)到一定值后不再變化。

圖11 跨中彎矩-鋼板應(yīng)變曲線Fig.11 Curve of mid moment with steel plate strain

兩種不同埋深的管片進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)：在加載初期和中期，兩種管片內(nèi)粘鋼板的應(yīng)變曲線大致重合，斜率一致，而且S2 的鋼板最大應(yīng)變普遍大于S4，當(dāng)S4 的鋼板應(yīng)變出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)，S2 的鋼板應(yīng)變還在增大，相比S4，S2 出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載值普遍提高24%。

3 結(jié)論

對(duì)不同損傷程度的中埋管片和超深埋管片進(jìn)行粘貼鋼板加固，對(duì)比未加固及加固后管片的力學(xué)性能和破壞特征，得到以下結(jié)論：

（1）加固后的管片破壞位置與未加固管片不同，鋼板加固后，管片最終破壞是從粘貼鋼板端部開始，鋼板與原構(gòu)件發(fā)生剝離破壞，在剝離產(chǎn)生后裂縫開展迅速，與水平向夾角約為30°粘貼鋼板加固后，鋼板端部處是薄弱點(diǎn)，實(shí)際工程中應(yīng)盡可能重點(diǎn)關(guān)注加固鋼板端部，必要時(shí)應(yīng)采取措施加強(qiáng)鋼板端部的連接。

（2）內(nèi)粘鋼板加固對(duì)限制內(nèi)弧面混凝土應(yīng)變的效果較明顯，加固后，應(yīng)變曲線進(jìn)入平臺(tái)段時(shí)的彎矩值是未加固管片的1.2 ～2.5 倍；但對(duì)側(cè)面裂縫開展和混凝土應(yīng)變的增大抑制效果不大。

（3）粘貼鋼板的應(yīng)變隨荷載呈先增大后減小的特點(diǎn)，從應(yīng)變大小來(lái)看，S3 和S4 的鋼板都承擔(dān)了較大荷載，但是結(jié)合前面測(cè)得的數(shù)據(jù)綜合分析，此規(guī)格內(nèi)粘鋼板下S3 的加固效果更好，應(yīng)該與加固時(shí)管片的損傷狀況有很大關(guān)系。

（4）與中埋管片相比，超深埋管片粘貼鋼板后，不同位置鋼板應(yīng)變差距較大，鋼板受力不均勻，也可考慮是削弱加固效果的一個(gè)原因，可以在后續(xù)研究中再針對(duì)此點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)研究，在實(shí)際工程加固方案制定時(shí)應(yīng)該考慮超深埋管片或者說(shuō)配筋率較大管片的這一特點(diǎn)。