蜂窝状六边形混凝土预制管片裂缝原因分析

梁晋平

（山西省万家寨引黄工程管理局，太原 030012）

1 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441.8km，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。

引黄一期工程有隧洞157km，其中8条隧洞计122km采用了6台双护盾全断面掘进机施工，创造了掘进机月成洞1821.51m的同类断面世界新记录和日掘进113m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1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。

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。

图1 掘进时荷载情况

图2 顶推力作用下的应力图

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：P＝F／（a×h）＝1500／ （700×250）＝8.6MPa。

实际采用Rck＝30MPa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＝0.357，可以根据模型算出距承载板下x≈0.8a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＝0.006F＝0.006×1500＝90kN。

相应于横向拉力Z的管片混凝土平均拉应力为：σt＝ Z／（B ×t）＝90／ （1600×250） ＝0.225MPa

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Rck＝30MPa混凝土，其轴向抗拉强度为fctm＝2.6MPa，因此相应的安全系数为：Fs＝fctm／σt＝2.6／0.225＝11。

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：σ＝－N／A±Mt／2J

式中，N是轴向力；M是弯矩。

取σ＝fcfm，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。

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M－N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。

图4 季节性温度变化引起的管片应力变化

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Ⅲ类和Ⅳ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℃～25℃之间时，衬砌内壁处的相应真实温度徐变应力将在＋2.6MPa到－2.6MPa之间变动。因此不会因为季节性温度变化而发生开裂。

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0.01mm到0.2mm之间，最大缝宽为0.6mm，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50mm。

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。

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50mm，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：

σ＝2F／（b×h）＝2×1500／ （700×200）＝21MPa式中：F＝1500kN，为一个推进缸所施加的推力；

b＝700mm，为推进缸承载板的宽度；

h＝200mm，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0.6MPa。

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。

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70℃～80℃，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60℃ （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18h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。