盾構隧道接縫對結構內力的影響研究

陶 斌

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 概述

盾構法隧道結構一般是由管片拼裝而成的。由于相鄰管片之間的接縫處需設置防水密封墊溝槽、嵌縫槽、倒角等構造措施，因而接縫處的剛度較小，也削弱了結構的整體剛度、改變了局部應力狀態，使結構的計算模型也更為復雜。不同時期世界各國的學者對盾構隧道襯砌結構設計理論和接縫的計算模擬進行了系統的研究與發展[1]。由于修正慣用計算法和梁-彈簧模型基本能體現結構的主要受力特征，且使用方便，因此成為我國盾構隧道橫向計算中最常用的方法。

圖1為修正慣用計算法的荷載系統，垂直方向的地基抗力假定為均布荷載，水平方向的地基抗力則假定為自由環頂部向左右45°～135°區間的均布荷載（三角形）。由于在錯縫拼裝時，彎矩并不是全部都由管片接縫傳遞，其中一部分彎矩通過環之間的剪切阻力傳遞給相鄰環（見圖2）。因此，通過對比研究試驗結果和計算結果的差別，引入了彎曲剛度有效率η和彎矩提高率ξ，來評價結構的整體剛度與接縫處的內力。

圖1 慣用法/修正慣用法荷載系統

圖2 錯縫拼裝彎矩傳遞及分配示意圖

梁-彈簧模型是將管片主截面簡化為曲梁或直梁，將管片接頭模擬為轉動彈簧，將管片環接頭模擬為剪切彈簧，用以考慮由于接頭引起的襯砌環剛度降低和錯縫拼裝效應的一種計算方法。梁-彈簧模型用轉動剛度（Kθ）來描述管片接頭的性能，對于縱向螺栓的剪力傳遞通過設置剪切彈簧（徑向剪切剛度Kn和切向剪切剛度Kt）來實現，具體模型如圖3所示。管片接頭間各彈簧的轉動剛度由試驗或經驗確定。

上述兩個計算模型中的主要參數——修正慣用計算法中的剛度有效率η和彎矩提高率ξ以及梁-彈簧模型中的接頭轉動剛度Kθ，需經試驗確定。眾多試驗表明[2]，接縫剛度與接縫處的軸力、彎矩有關。由于試驗時基本按照接縫的實際構造進行，因此可以認為試驗結果基本能夠正確體現接縫剛度與內力的關系，如將接縫原型試驗結果用于修正慣用計算法和梁-彈簧模型中，則計算結果的可信度較高（否則達不到理想效果）。但正是由于試驗只針對一種接縫構造，因此也就很少探究接縫構造對剛度的影響。同時，在設計方案比較階段，對每一種接縫方案均進行原型試驗是不現實的。

為此，本文探討了計算模型中如何考慮接縫構造的影響，以及如何通過改變接縫的構造達到優化調整隧道結構內力的目的。

圖3 梁-彈簧模型示意圖

2 接縫構造對內力影響機理

2.1 管片接縫常用構造

圖4 常用的管片接縫構造圖

盾構隧道管片接縫的常用構造如圖4所示。接縫必須滿足以下兩個方面的要求：一是防水性能要求，二是受力與傳力的要求。在防水構造方面，其型式較為固定，一般均是在接縫外側設置防水密封墊溝槽，在溝槽內安裝防水密封墊，通過密封墊的擠壓進行防水。對于無榫槽構造，直接利用混凝土接觸面傳遞彎矩、軸力、剪力。混凝土接觸面的大小及其偏離管片厚度中心線的程度對內力將會產生一定的影響。

2.2 接縫構造對內力影響的機理分析

圖5 直梁中部有無缺口對內力的影響

如圖5所示，對于底部固定的等截面直梁，當其頂部截面中心作用一壓力時，梁上無彎矩分布；但當直梁中部有偏心缺口時，將產生一定的彎矩，且彎矩的大小與缺口的偏心方向和偏心程度有關。

圖6 圓環有無缺口對內力的影響

如圖6所示，對于等截面圓環，當外周作用勻布的壓力時，圓環只有軸力而無彎矩；但當圓環設置均勻對稱分布的4個偏心缺口時，將產生一定的彎矩，且彎矩的大小與缺口的偏心方向和偏心程度有關。

3 考慮接縫構造的改進計算模型

根據上述機理分析，采用目前常用的修正慣用計算法或梁-彈簧模型進行盾構隧道結構內力分析時，為考慮接縫構造的影響，較好的辦法是調整每塊管片的計算軸線，即根據襯砌環的設計分塊方式。將每塊管片兩側接縫處的混凝土接觸面的形心作為單元梁的節點，將每塊管片厚度中線的圓弧中心也作為單元梁的節點，再將該3個節點采用圓弧擬合，以此圓弧作為該塊管片的計算軸線，如圖7。

圖7 無榫槽接縫的計算軸線擬合示意

4 接縫構造對結構內力影響分析

盾構隧道襯砌環彎矩一般拱頂處為最大正彎矩區，兩側為最大負彎矩區，且負彎矩絕對值小于正彎矩值。如果接縫偏心產生的附加負彎矩出現在拱頂，則可以降低襯砌環最大正彎矩的值，從而可以起到優化結構內力的效果。

4.1 無榫槽接縫構造的案例分析

某超大直徑水下盾構隧道內徑13.3 m，外徑14.5 m，管片厚0.6 m，環寬2.0 m，襯砌環采用9＋1分塊方式，其中封頂塊圓弧角度為其他塊的1/3。接縫處為無榫槽構造，混凝土接觸面的形心位于管片厚度中心線內側39 mm（見圖4）。

以該隧道所穿越的代表性斷面之一為例，對模型改進前后的計算內力對比如下。

4.1.1 采用修正慣用計算法分析

常用的修正慣用計算法得到的結構彎矩與軸力如圖8所示。當考慮接縫構造的偏心影響時，將接縫對稱設置在拱頂兩側，計算軸線進行擬合后，由修正慣用計算法得到的結構彎矩與軸力如圖9所示。對比可知，采用改進后的模型后，隧道最大正彎矩由1 215 kN·m/環減少至 1 153 kN·m/環；對應的軸力為3 413 kN和3 408 kN，基本相同。隧道最大負彎矩由637 kN·m/環增大至705 kN·m/環，對應的軸力為4 546 kN和4 544 kN，基本相同。最大正負彎矩比由1.91減少至1.64，接縫構造對內力的調整具有較明顯的效果。

圖8 不考慮接縫構造影響的結構內力圖

圖9 接縫在拱頂兩側時結構內力圖

當接縫恰好設置在拱頂時，擬合后的計算軸線得到的結構彎矩與軸力如圖10所示。與不考慮接縫影響計算結果對比可知，此時隧道最大正彎矩由1 215 kN·m/環增大至 1 334 kN·m/環；最大負彎矩由637 kN·m/環增大至742 kN·m/環；襯砌環軸力基本不變，接縫的構造同樣對內力產生了一定的影響。

圖10 接縫在拱頂時結構內力

4.1.2 采用梁-彈簧模型分析

常用的梁-彈簧模型得到的結構彎矩與軸力如圖11所示。考慮接縫構造的影響，擬合軸線計算得到的結構彎矩與軸力如圖12和圖13所示。對比可知，采用改進后的模型，當接縫避開拱頂時，隧道最大正彎矩由1 199 kN·m/環減少至1 070 kN·m/環，最大負彎矩由708 kN·m/環增至714 kN·m/環，對應的軸力基本相同；正負彎矩比由1.69減少至1.49。

圖11 不考慮接縫構造影響的結構內力

當接縫正在拱頂時，隧道最大正彎矩由1 199 kN·m/環增大至 1 279 kN·m/環，最大負彎矩由708 kN·/m環增大至847 kN·m/環，對應的軸力基本相同。

圖12 接縫在拱頂兩側時結構內力圖

圖13 接縫在拱頂時結構內力圖

根據上述工程實例的分析，可見無論采用梁彈簧模型計算還是修正慣用法計算，所得規律一致：考慮接縫構造影響后，當接縫布置在拱頂兩側時，拱頂處最大正彎矩減小，兩側最大負彎矩增大，正負彎矩比減小；當拱頂有接縫時，襯砌環的最大正彎矩反而增大。故利用接縫構造對內力影響的規律，通過變換接縫的位置可以調整最大正、負彎矩的峰值。

5 結論

a）盾構隧道接縫構造對結構內力的分布有一定的影響，可以利用該特點對結構設計進行優化，即盡可能使接縫處的混凝土接觸面的形心位于管片厚度中心線內側，且偏離距離越大，對彎矩的調整作用越大。同時管片拼裝時應避免接縫位于正拱頂。

b）采用常用的修正慣用計算法或梁-彈簧模型進行盾構隧道結構內力分析時，宜根據具體的接縫構造設計方案對計算軸線進行適當調整，使計算結果更接近實際。

c）今后可以建立一種“通用”的接縫剛度試驗方法，即對于某一給定厚度的管片，試驗時可以將混凝土接觸面的形心與管片厚度中心線重合，通過一系列的試驗得出剛度與彎矩、軸力、接觸面高度與管片厚度的比值三者之間的關系后，再用于理論計算，而接觸面的偏心影響可以在計算模型中考慮。