蜂窝状六边形混凝土预制管片裂缝原因分析.pdf

理 论研 究 蜂 窝状 六边形 混 凝土 预制 管 片裂缝 原 因分析 2 0 1 1年 第 4期 蜂窝状六边形混凝I - 预制管片裂缝原因分析 梁晋 平 ( 山西省万家寨弓 】 黄工程管理局，太原0 3 0 0 1 2 ) 【 摘要】 山西省万家寨引黄一期工程 1 5 7 k m隧洞中，有 1 2 2 k m采用 6台双护盾全断面掘进机施工。本文就 总干线 6 7 8 #隧洞采用双护盾全 断面掘进 机施 工初期 的 9 0 0 m 隧洞 ，衬砌 的六边形 混凝土 预制 管片部分 出现裂缝 的原 因，从推力缸作用 荷载 、裂缝的理论分析 、季节性温度变 化影 响、裂缝 实际 原因等方面进行 了总结分析 ，据此施工 中采取 了一些改进措施 ，取得 了较好的效果 。 【 关键词】 双护盾全断面掘进机 ；蜂窝状管 片 ；裂缝 原因 ；分析 【 D0I 编码】1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 8 1 3 0 5 2 0 1 1 0 4 0 1 9 【 中图分类号】 T V5 5 4 【 文献标 识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 8 1 3 0 5( 2 0 1 1 )O 4 0 0 5 4 0 3 l 工 程概 况 山西 省 万家寨 引 黄工程 位 于 山西省 西北部 ， 由 万家 寨水 利 枢纽 、总 干线 、南 干线 、联 接段 和北 干 线等部分组 成 ，输水 线路全长 4 4 1 8 k m，其 中总 干线 、南干线和联接段为一期工程 ，北干线为二期 工程 。 引黄 一 期 工 程 有 隧 洞 1 5 7 k m，其 中 8条 隧 洞 计 1 2 2 k m 采 用 了 6台双 护盾 全 断 面 掘 进 机 施 工 ， 创造 了掘 进机 月成 洞 1 8 2 1 5 1 IT I 的 同类 断 面世 界新 记录和 日掘进 1 1 3 m 的好成绩 。 然而 ，掘进机 在总 干线 8#隧洞开始 施工初 期 ，部分管片出现 了裂缝 ，现就 围岩和衬砌相互作 用 、管片 施工 出现 裂缝 理论 分析 、以及季 节性 温度 变化 对衬 砌 的影 响等几 方 面进行 初浅 分 析 。 2 隧洞衬砌 与掘 进机相互作用的荷载情况 掘进机的推力是通过辅助推力缸传递到衬砌管 片上的。这种作用在洞子轴线方 向上 ( 即纵向)的 推力在紧贴着推进缸承载板下面的管片内诱发一个 压应力场 。图 l 显示了这种相互作用及引起的管片 受力状 况 。 诱发压应力场沿着管片的宽度转移到已经装配 好的前一 环衬砌管片上 。在这个压应 力转移 的同 时 ，由于应力发生偏转在管片内产生一个横向拉应 力场 。因此 ，有必要论证管片在上述纵向受压和横 向受拉综合诱发应力场作用下的安全状态。 54 估算管片内由于推进缸推力作用诱发的应力场 必 须采用 一个 适 宜 的计 算模 型 。 因为 推进 缸承 载板 与 管片 之 间的接触 面 积相对 管 片横断 面来 说是 比较 小的，因此采用二维薄壳混凝土构件 的计算模型进 行分析 。图 2是用于计算横 向拉力的构件应力图。 m i lle p ： 摊涟靠抟 办 1 5 0 0 k N 喜 ： 蕾片t魔- 1 8 0 0 - t h ： 簟t攮 i l 2 5 0 M t ： 警片l【 囊- 盘 8 0 ： 豢簟攘童虞 - 7 0 0 d ： 蕾臂长度m 4 4 8 5 _ 图 1 掘进时荷载情况 l 广 l 一 一 二 ： 簧 = = r l i 辱 _ 1 l 0 | I 1 l 毽 国 一 o - 1 l a 2 1 0 ， 0 l F t 箍 t t 蠢 办 a ： 蕾者爵lh z t 直 乎 力 a t ： 1 5 乎 O t l b ， 。 迥 h ： 摹 膏 l - 。 I _ V t ： 簟U- l d ：片t魔t 2 O j ： 警片， l 童 l 图 2 顶推力作 用下的应力图 作者简介 ：梁晋平 ( 1 9 6 0年一)，男 ，高级工程师 。 理 论研 究 蜂窝 状六 边形 混凝 土预 制管 片裂 缝原 因分 析 2 0 1 1年 第 4期 图中的不同曲线代表着横向拉应力与计算点到 推进缸承载板之间的距离以及承载板宽度与构件宽 度之比之间的关系。 承载板下 的接触压力应为 ： PF n )一 1 5 0 0 ( 7 0 02 5 0 ) 一8 6 MPa。 实 际 采 用 R 一 3 0 MP a混 凝 土 ，则 管 片在 接 触压力 ( P) 作用下的安全系数应为 3 4 。 运用图 2所 示 的应力 图并 附设 下 面 的假定 ： d a 6和 B d一0 3 5 7，可以根据模型算出距承 载板下 z 0 8 a处 ，由作用在同一管片上的两个 推进缸的纵 向推力在管片 内引起的横 向拉力 ：Z一 0 0 0 6 F 一 0 0 06 1 5 0 0 9 0k N。 相 应 于横 向 拉 力 Z 的管 片混 凝 土 平 均 拉 应 力 为 ： 一 Z ( B f ) = = =9 0 ( 1 6 0 0 2 5 0) = = ： O 2 2 5M Pa 显然，推进缸推力诱发的管片拉应力绝对小于 混凝土 的抗拉 强度。实 际采 用 R 一3 0 MP a混凝 土 ，其 轴 向抗拉 强 度 为 f 一 2 6 MP a ， 因 此 相应 的安全 系数 为 ： F 一f 一2 6 0 2 2 5 1 1。 此外，由于管片 内布置的钢筋与混凝土配合共 同抵抗推进缸推力引起 的横 向拉应力 ，实际抗拉安 全系数 比上面计算 的值要大得多。 3 预 制管片裂缝的理论分析 管 片 相 对 来 说 主要 是 一 种 特 定 的 轴 向拉 力 作 用 ，弯矩 对 它 的作 用是 次要 的。 计算轴向拉力和弯矩引起的应力公式为： 一一 N A Mt 2 J 式中， N是轴向力；M 是弯矩。 取 一 咖 ，就可以导出M 与N 之间的关系， 并可 以用 它来 作为 判断 管片 是否会 开 裂 的准则 。 M 一 2 J( 、 A N + ， ) 轴 向力 N( k N ) 图 3 三种类型管片的 M N 关系 图 图 3中给出了对应 于不 同类型管片的 M 与 N 之间的关系，这些关系是采用相应于每一类型管片 的混凝土抗拉强度和配筋参数获得的 。图中的三个 点分别与针对三种管 片类型所设计 的 MN 组合 相对应 ，这些点都位于 图中的安全 区域 。这就说 明，在设计的围岩压力作用下 ，三种管片都不会开 裂 ，因为管 片 内的应力 不可 能超 过管 片 的挠 曲抗 拉 强 度 。 4 季 节性 温度变化对 衬砌 的影响 根据我国 水工设计手册第二十四章第十八 节中提供 的计算方法 ，是可 以算出由于温度变化在 隧 洞衬砌 中引起 的轴对 称应 力场 的 。 _ 6 也 0 - L 一 崖靠 40 O 1 0 0 i q 0 i -10 。0 3 饥 0 一t O 0 一e O 0 -6 00 30 0 60 t 0 9 0。 0 1 20 0 IS O 0te 0 021 0 0 2 tO 。02T O 0$0 0 0 3 30 0 38 0 0 I t 御 爰 ) 图 4 季 节性 温度 变化 引起 的管片应力变化 童 巷 一 女 女 3 O 0$ O a 0 1 2 0 0 I 5 0l O 2 1 0 0 t l O 0 l 7 O 0 3 0 S ) O 01 8 0 0 时抽 c 麦) 图 5 季节性 温度变化 引起 的管 片应 力变 化 图 4和图 5分别给出了 A 型管片和 B型管片 衬砌对应于类和类围岩的计算结果 。这些结论 表明，在当衬砌 内壁的年温度变化在 0 2 5 之 间时 ，衬砌 内壁处的相应真实温度徐变应力将在+ 2 6 MP a到 一 2 6 MP a之 间变 动 。因此 不 会 因 为 季 节 性温 度变 化而 发 生开裂 。 一 5 衬砌 管片 出现裂缝的实 际原 因分析 观察出现裂缝的管片可以得 出，裂缝的数量和 长度 都 是 不 规 则 的，裂 缝 宽 度 在 0 0 1 ram 到 0 2 ram 之 间 ，最 大缝 宽 为 0 6 mm，裂 缝 几 乎全 是 纵向分布的 ，并且他们极少穿过管片的整个宽度。 另外 ，管片接缝处的最大错台达 5 0 ram。 管片混凝土产生裂缝 的原因是多方面的，它们 直接与管片的受力情况以及混凝土的强度有关 。由 于围岩压力在衬砌 内产生的应力不可能导致管片裂 缝 ，实 际管 片开裂 的原 因 只能从 以下 方面 去分 析 。 55 理论研究 蜂窝状六边形混凝土预制管片裂缝原 因分析 2 0 1 1 年第 4期 5 1 掘进机所施加的推力偏心 掘进机的推力通过推力缸承载板先是施加最近 一 次 安装 的管 片上 ，然 后又 通过 该管 片转 移到 早先 安 装 的管 片上 。精 确对 准管 片是 顺利 有效 地转 移掘 进机推力的必要条件之一。 即使在精确对准的前提下，管片所受的作用力 也是倾斜的，因为整个系统对掘进机机头总推力 的 反作用力并不是集中在各推进缸的轴线上 。 此外 ，如 果 前 后 两 相 邻 管 片 之 间 的接 缝 不 平 整 ，也就 是 错 位 比较 大 的话 ，就 有 可 能会 出现 问 题 ，因为这时用于传递掘进缸推力 的接触面积变小 了，从而使得接触应力大大升高 。 偏心推力会在推进缸承载板下的管 片内产生一 个不均匀 的压应 力分布 ，其 最大值在 管片的 内壁 上 。如 果我 们假 设偏 心距 为 5 0 mm，并且 承 载板 下 的接触压力呈线性分布 ，可以计算 出管片内相应 的 最 大压 应力 ： 一 2 F ( 6 X )一2 1 5 o o ( 7 0 0 2 0 0 )一2 1 M a 式 中：F一1 5 0 0 k N，为一个推进缸所施加的推力 ； b一7 0 0 mm，为推进缸承载板的宽度 ； h= = = 2 0 0 mm，为承载板与管片之间 ，由于偏 心力作用而减少了的接触高度。 同样 的 ，管 片 内由于推 力诱 发 的环 向拉应 力 就 会 生 高到 大约 0 6 MP a 。 以上两个计算结果分别小于混凝土的抗压和抗 拉强度。但不可因此而大意，偏心荷载还是有可能 使管片处于极限状态的，因为随着承载板下或前后 两个管片之间接触面积 的减少 ，管片内相应的压应 力 和 拉应 力会 迅速 增 长 。 上面 的分析 表 明 ，混 凝土 的抗 拉强 度是 至关 重 要 的 。 5 2 管 片混 凝 土的质 量 引黄工程总干线 6 7 8 隧洞所需衬砌管片 由承包商在工地上专门设置的生产线预制 ，管片在 离 开生 产线 之前 需接 受蒸 汽养 护 。 蒸汽养护的 目的是为了在较短的时间内让管片 达到其设计强度 ，同时提高生产效率。在对混凝土 构件进行蒸汽养护时 ，通常采用低压处理 。 混凝土的最终强度在很大程度是取决于其新鲜拌 和料的特性。包括水、水泥、骨料 以及空气等，这些 不同性质的物质具有不同的膨胀性，因而在热处理过 程中的变化也是不同的。如果早期养护的时间太短， 而热处理的过程又太快，管片内就会产生微裂缝。这 些微裂缝会降低混凝土的最终抗拉强度。 5 6 另外一个降低混凝土强度的原因与管片在结束蒸 汽养护后 ，接受搁置冷却的一个短暂过程有关。管片 从蒸养室 出来时 的温度在 7 0 8 O ，此时如果让 管 片直接与蒸养室外部的空气接触 ，管 片外部 与 内部 的 温度差就有大约 6 O ( 冬季还会更大一些) 。 管片外表面迅速冷却在其 内部形成一个很大的 温度梯度 。另外快速失去水分也会在管片内产生拉 应力 。这些 因素都会导致在管片内混凝土中形成微 裂纹 ，因为混 凝土 还 尚未完全 固结 硬化 。 微裂 纹通 常是 可 以避免 的 ，只要采 用精 确配 合 比的拌和料 以及认真控制管片养护过程 中温度与水 分 的变化。另外 ，至关重要的是新鲜混凝土料 的振 捣 ，只有通过仔细有效的振捣才有可能使拌和料所 带进的空气含量降低到最小限度 。 为了防止管片表面的温度迅速下降，有必要延 长管片在进 出蒸护室前后的搁置时间 ，同时采用适 宜 的套 子覆 盖 管片 以防止 其失 水干 化 。 总之 ，管片出现意想不到的裂缝的原因可以归 咎于这样两个方面 。 ( 1 )混凝土的抗拉强度降低了，因为蒸养之后 管片的温度 和水分发生了突变 。 ( 2 )粗鲁操作引起的受力情况以及掘进机偏心 推力 的作 用 。 6 减少衬砌管片 出现裂缝 的措 施 为了最大限度地减少管片在预制过程 中出现缺 陷，确保管片在各个操作过程中 ( 包括 吊放、运输、 安装等)的受力情况符合设计要求 ，从而进一步保证 衬砌结构的安全度 ，采取 了以下几个积极措施 。 ( 1 )专 辟 了一个拌 和料 的 准备场 地 ，使得 拌 和 时各组份的温度和水分得到控制。另外对混凝土拌 和料进行预热处理，以消除管片在进入蒸养室之前 可能经受的由于早期温度变化产生的不 良影响。 ( 2 )在管片进出蒸养室时 ，增加预热室 。 ( 3 )管 片从 蒸养 室 出来后 的养 护时 间增 加到 平 均 1 8 h左右 。天气冷时 ，采用套子等物品覆盖管片 以防止其失水干化 ，以缩小管片内部的温度梯度以 及防止产生微裂缝。 ( 4 )掘进机的尾护盾被部分切除以恢复护盾与 管片外壁之间的正常间隔，从而避免在管片上产生 意外 的作用力 。 ( 5 )降低 推进 缸 的压力 以减 少作用 在 管片上 的 推力。 采取以上措施后，管片几乎就再没有出现裂缝。