熊曉暉

(中鐵十一局集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430061)

1 引言

隧道質(zhì)量缺陷會(huì)給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來巨大災(zāi)難[1－2]。隧道襯砌工程質(zhì)量問題屢見不鮮，應(yīng)國(guó)剛等[3]列舉了國(guó)內(nèi)外運(yùn)營(yíng)隧道襯砌混凝土掉塊引起的安全事故，提出襯砌施工縫缺陷是襯砌混凝土掉塊的重要誘因[4]。襯砌施工過程中，前板二襯混凝土脫模時(shí)間過早，后板二襯澆筑模板臺(tái)車就位時(shí)頂推力過大將會(huì)造成前板二襯混凝土端頭開裂并形成月牙形裂縫[5]；端頭模板安裝拼接不嚴(yán)密將導(dǎo)致混凝土澆筑過程中漏漿，使止水帶周邊的混凝土不密實(shí)，嚴(yán)重降低二襯混凝土的強(qiáng)度和耐久性能[6－7]。

隧道襯砌混凝土施工質(zhì)量及標(biāo)準(zhǔn)化施工要求在不斷提高，隧道二襯兩板混凝土之間的施工質(zhì)量直接影響襯砌混凝土的總體質(zhì)量。傳統(tǒng)施工工法中，兩板二襯混凝土之間的搭接定位直接通過二襯臺(tái)車進(jìn)行，容易造成兩板二襯施工縫位置的混凝土被臺(tái)車頂裂；上一板二襯混凝土與本板二襯端頭鋼模板直接接觸容易形成錯(cuò)臺(tái)[8]。因此，傳統(tǒng)施工工法中隧道兩板二襯混凝土搭接處外觀質(zhì)量和實(shí)體質(zhì)量均極易出現(xiàn)缺陷，傳統(tǒng)端頭搭接形式無法滿足施工需求。

為了解決二襯混凝土搭接處的質(zhì)量缺陷問題，黎庶等[9]開展了單線鐵路隧道襯砌臺(tái)車軟性搭接改造施工技術(shù)研究。張民慶等[10]開展了V型槽零搭接橡膠緩沖式襯砌臺(tái)車技術(shù)研究。中鐵十一局提出了隧道二襯端頭模板壓力可視化軟搭接技術(shù)，如圖1所示。二襯模板頂升控制系統(tǒng)有效解決了隧道二襯施工縫易錯(cuò)臺(tái)和二襯端頭混凝土易被二襯臺(tái)車鋼模板頂裂等問題。其技術(shù)方案為:在二襯臺(tái)車靠近上一板二襯搭接板底部加裝橡膠板，橡膠板與二襯臺(tái)車鋼模板在環(huán)向上曲率一致。橡膠板上安裝有壓力感應(yīng)芯片，壓力感應(yīng)芯片與控制箱連接，澆筑時(shí)通過壓力感應(yīng)芯片采集二襯搭接板底部的壓力，實(shí)時(shí)掌握上一板混凝土受到的壓力，控制本板鋼模板的安裝過程，防止二襯臺(tái)車頂裂上一板二襯端頭混凝土，同時(shí)避免施工縫錯(cuò)臺(tái)。

圖1 隧道二襯端頭模板軟搭接裝置

隧道二襯端頭模板軟搭接裝置涉及的力學(xué)過程比較復(fù)雜，頂升壓力需要精確控制。本文采用數(shù)值方法對(duì)二襯端頭模板軟搭接進(jìn)行模擬，主要目的:(1)對(duì)頂升過程進(jìn)行模擬，掌握頂升時(shí)軟搭接的變形特性以及第一板混凝土的壓力分布，為合理選擇頂升壓力及頂升位移提供依據(jù)。(2)優(yōu)化軟搭接及鋼模板形狀及尺寸。由于軟搭接為橡膠材料，是典型的超彈性材料[11]，具有體積不可壓縮性，需要掌握軟搭接的變形過程，對(duì)軟搭接和鋼模板的形狀尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。(3)合理布置軟搭接上的壓力傳感器，施工過程中第一板混凝土受到的頂升壓力通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳感器的壓力值直觀反饋，軟搭接與混凝土接觸面上的壓力分布并非均勻，需要選擇具有代表性的壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)反映混凝土受到的壓力。

2 軟搭接數(shù)值模型

對(duì)軟搭接裝置進(jìn)行數(shù)值模擬主要是為考察橡膠材料在第二板模板安裝過程中的變形和受力問題，軟搭接結(jié)構(gòu)和已澆筑混凝土的受力過程可以簡(jiǎn)化成平面應(yīng)變問題。

2.1 數(shù)值模型計(jì)算域

軟搭接橫截面積較小，選取全域作為計(jì)算域；第一板混凝土在模板安裝過程中的應(yīng)力分布是關(guān)注的重點(diǎn)，混凝土計(jì)算域需要充分考慮軟搭接接觸處的應(yīng)力，厚度取二襯混凝土的平均厚度，寬度取2倍軟搭接寬度；第二板鋼模板的剛度遠(yuǎn)大于軟搭接，可以考慮為剛性部件。數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 軟搭接數(shù)值模型計(jì)算域示意

2.2 數(shù)值模型材料參數(shù)

混凝土材料考慮混凝土拆模時(shí)的力學(xué)性能，其材料參數(shù)采用?混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范?規(guī)定的數(shù)值。軟搭接采用普通橡膠材料，拉壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。采用Ogden公式[12]描述其超彈性性質(zhì)，即用級(jí)數(shù)形式描繪體積不可壓縮橡膠類材料的應(yīng)變能函數(shù)W:

圖3 軟搭接拉壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

式中:αn、μn為材料的待定常數(shù)；λ為材料的拉伸比。采用最小二乘法擬合橡膠材料的拉壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得Ogden公式描述的本構(gòu)關(guān)系參數(shù)。

2.3 數(shù)值模型邊界條件

數(shù)值模型將軟搭接裝置簡(jiǎn)化成平面應(yīng)變問題，第一板混凝土左側(cè)面和頂面施加固定約束；軟搭接和第一板混凝土之間采用接觸非線性邊界條件，法向行為設(shè)置為硬接觸，切向行為為罰函數(shù)；軟搭接用螺栓固結(jié)在鋼模板上；為了增加軟搭接的可壓縮性，采用中空橡膠帶，在軟搭接大變形過程中可能會(huì)發(fā)生相互擠壓嵌入現(xiàn)象，軟搭接中空部分為自接觸邊界條件；用位移邊界條件模擬第二板鋼模板的安裝過程，根據(jù)不同模擬要求，鋼模板在豎直方向有2～7 mm的位移。

3 軟搭接優(yōu)化分析

3.1 預(yù)留變形空間的影響

在裝配過程中第二板鋼模板擠壓軟搭接產(chǎn)生較大變形，由于橡膠材料的不可壓縮性，其會(huì)充滿模板與混凝土之間的縫隙，縫隙大小不同將會(huì)產(chǎn)生不同的界面壓力?？疾烊N變形空間，分別命名為模型1、模型2和模型3:模型1預(yù)留的變形空間最小，模型2通過鋼模板交界面處的斜切口預(yù)留一定的變形空間，模型3預(yù)留了較大的變形空間。

圖4a～圖4c為模型1～模型3鋼模板裝配完成后混凝土和橡膠材料的壓應(yīng)力分布云圖。模型1因?yàn)轭A(yù)留空間小，鋼模板尚未安裝到位即引起混凝土的破壞，云圖中黑色部分壓應(yīng)力超過10 MPa，第一板混凝土局部失效；模型2和模型3中鋼模板裝配完成后，混凝土壓應(yīng)力均小于10 MPa，模型2橡膠材料幾乎充滿預(yù)留變形空間，模型3中預(yù)留的變形空間尚有空隙，第二板二襯混凝土澆筑后將在接縫處產(chǎn)生毛刺等缺陷。

圖4d～圖4f為模型1～模型3鋼模板裝配完成后混凝土和橡膠材料界面的接觸壓應(yīng)力分布云圖。模型1界面上的壓應(yīng)力分布十分不均勻，靠近混凝土自由面的界面壓應(yīng)力遠(yuǎn)大于10 MPa；模型2和模型3界面壓應(yīng)力分布比較均勻，界面壓應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在軟搭接的中心處，該值與第一板混凝土材料內(nèi)部的壓應(yīng)力結(jié)果接近(均為8 MPa左右)，因此，沿軟搭接橫截面中心線附近布置壓應(yīng)力傳感器能準(zhǔn)確反映第一板混凝土在鋼模板裝配過程中的應(yīng)力變化狀態(tài)。

圖4 鋼模板軟搭接模型混凝土壓應(yīng)力和接觸界面壓應(yīng)力分布云圖

3.2 界面摩擦系數(shù)的影響

在鋼模板裝配過程中橡膠材料的主要變形發(fā)生在與混凝土接觸的界面上，界面的接觸力學(xué)性能會(huì)對(duì)混凝土的應(yīng)力分布產(chǎn)生重要影響。基于模型2分析橡膠材料與混凝土界面不同摩擦系數(shù)下模板裝配過程中混凝土的應(yīng)力分布規(guī)律和接觸壓應(yīng)力分布規(guī)律。結(jié)果表明，隨著界面摩擦系數(shù)增加，鋼模板安裝到位后第一板混凝土內(nèi)部的最大壓應(yīng)力增加，且高壓應(yīng)力區(qū)域顯著擴(kuò)大，如圖5所示，界面摩擦系數(shù)大于0.3時(shí)，局部混凝土內(nèi)部壓應(yīng)力大于10 MPa，位于第一板混凝土的自由面附近，摩擦系數(shù)越大，大于10 MPa的區(qū)域相應(yīng)越大。其原因?yàn)槟Σ料禂?shù)增加時(shí)混凝土對(duì)橡膠材料的側(cè)向約束增加，相互作用力也隨之增加，橡膠材料側(cè)向變形減小，摩擦系數(shù)為0.5時(shí)裝配完成后剩余的預(yù)留變形空間顯著大于摩擦系數(shù)為0.1的情形。為了使橡膠材料充分變形，減小混凝土內(nèi)部的壓應(yīng)力，應(yīng)適當(dāng)降低混凝土和橡膠材料的界面摩擦系數(shù)。

圖5 界面摩擦系數(shù)不同時(shí)鋼模板軟搭接模型壓應(yīng)力分布云圖

3.3 中空軟搭接

為了增加軟搭接的可壓縮性，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果模擬了橡膠材料壓縮率為21%的情形?？疾靸煞N中空軟搭接模型:模型4假定軟搭接裝配時(shí)與鋼模板之間不留縫隙，模型5假定軟搭接裝配時(shí)與鋼模板之間預(yù)留2 mm縫隙。計(jì)算結(jié)果表明，軟搭接與鋼模板之間不留縫隙時(shí)，第一板混凝土角部出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大壓應(yīng)力超過17 MPa，如圖6所示。其原因是中空軟搭接在壓縮過程中產(chǎn)生了橫向變形，導(dǎo)致混凝土角部局部受力不均。模型5中空軟搭接的橫向約束減弱，混凝土角部應(yīng)力比較均勻，角部最大壓應(yīng)力約2 MPa，有效避免了應(yīng)力集中現(xiàn)象。模型4中最大接觸壓應(yīng)力超過了20 MPa，出現(xiàn)在第一板混凝土最外側(cè)角部，局部混凝土極易出現(xiàn)擠壓破壞，造成月牙裂紋等缺陷；模型5中最大接觸壓應(yīng)力約3.67 MPa，應(yīng)力分布比較均勻，最大接觸壓應(yīng)力出現(xiàn)在軟搭接中心線附近，再次說明在中心線位置布置壓應(yīng)力傳感器能準(zhǔn)確反映第一板混凝土在鋼模板裝配過程中的應(yīng)力變化狀態(tài)。采用中空軟搭接，混凝土最大壓應(yīng)力明顯降低，因此采用中空的軟搭接更能在惡劣施工環(huán)境中保護(hù)第一板澆筑的混凝土。

圖6 中空軟搭接混凝土最大壓應(yīng)力云圖

4 軟搭接工程應(yīng)用

為了提高鐵路隧道襯砌質(zhì)量，避免隧道拱頂出現(xiàn)空洞，防止鐵路運(yùn)營(yíng)過程中發(fā)生隧道拱頂混凝土掉塊現(xiàn)象，中鐵十一局開展了隧道二襯智能信息化澆筑技術(shù)研發(fā)，開發(fā)了隧道二襯混凝土澆筑控制系統(tǒng)，如圖7所示，實(shí)現(xiàn)了二襯澆筑信息化管理，有效解決了隧道襯砌空洞的難題。

圖7 隧道二襯混凝土澆筑控制系統(tǒng)

PLC控制分析模塊是信息化澆筑系統(tǒng)的控制中心，可在臺(tái)車軟搭接控制模塊中設(shè)置上一板二襯混凝土可承受的最大壓力值。當(dāng)橡膠板上的壓力感應(yīng)芯片測(cè)得的搭接壓力大于該最大壓力值時(shí)，PLC控制分析模塊發(fā)出報(bào)警指令，模板頂升系統(tǒng)停止頂伸，確保不頂裂上一板襯砌混凝土，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和可視化操作。隧道二襯澆筑信息化系統(tǒng)在貴南高鐵項(xiàng)目的應(yīng)用表明，臺(tái)車控制中心可有效指揮和監(jiān)控二襯信息化澆筑系統(tǒng)各組成模塊運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)了二襯混凝土澆筑數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、自動(dòng)分析和自動(dòng)控制。柔性搭接臺(tái)車有效消除了二襯接縫處的月牙形裂紋、漏漿、灌注不密實(shí)、缺棱掉角等施工縫缺陷。

5 結(jié)束語(yǔ)

軟搭接是解決襯砌施工縫缺陷的關(guān)鍵技術(shù)，通過對(duì)二襯端頭模板軟搭接裝置的數(shù)值計(jì)算可以得出以下結(jié)論:

(1)在鋼模板與軟搭接之間預(yù)留適當(dāng)?shù)淖冃慰臻g十分重要，無論采用實(shí)心橡膠軟搭接還是中空橡膠軟搭接，預(yù)留變形空間能夠有效避免第一板混凝土產(chǎn)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(2)降低混凝土和橡膠材料的界面摩擦系數(shù)，可使橡膠材料充分變形，減小混凝土內(nèi)部的壓應(yīng)力。

(3)采用中空軟搭接能夠有效降低混凝土與軟搭接之間的接觸壓應(yīng)力，更好保護(hù)第一板現(xiàn)澆混凝土。

(4)采用中空軟搭接最大接觸壓應(yīng)力出現(xiàn)在軟搭接中心線附近，在中心線位置布置壓應(yīng)力傳感器能比較準(zhǔn)確反映第一板混凝土在鋼模板裝配過程中的應(yīng)力變化狀態(tài)。

(5)貴南高鐵項(xiàng)目隧道襯砌軟搭接臺(tái)車應(yīng)用結(jié)果表明，柔性搭接臺(tái)車能有效消除二襯接縫處月牙形裂紋、漏漿、缺棱掉角等施工縫缺陷。