裝配式圓形襯砌環結構變形特性試驗研究

袁 勇畢湘利柳 獻王 輝

（1.同濟大學地下建筑與工程系，200092，上海；2.上海申通地鐵集團有限公司，201103，上海∥第一作者，教授）

裝配式圓形襯砌環結構變形特性試驗研究

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（1.同濟大學地下建筑與工程系，200092，上海；2.上海申通地鐵集團有限公司，201103，上?！蔚谝蛔髡撸淌冢?/p>

盾構隧道一般采用預制管片拼裝的方式施做襯砌結構。荷載作用下襯砌結構的徑向位移及管片間接縫內外側的張合位移是衡量這類裝配式結構變形狀態的基本指標。通過圓形拼裝襯砌環結構的極限承載試驗，獲得了襯砌環結構徑向位移和接縫張合位移隨荷載發展的曲線，分析給出了其關鍵性能點的荷載、整體變形、徑向位移、直徑變化率以及接縫張合位移。

盾構隧道；裝配式結構；襯砌環；變形特性

First-author's address Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，200092，Shanghai，China

0 引 言

在隧道的日常檢測維護中發現，盾構隧道中常用的裝配式圓形襯砌環結構（以下簡為“襯砌環”）均存在不同程度的變形。襯砌環結構變形是反映結構受力特點和工作狀態的重要特征之一，如變形過大將嚴重影響隧道結構的適用性和耐久性。

針對軟土地區盾構隧道襯砌環變形，文獻［1］根據上海地鐵隧道結構長期監測數據和監護實踐，研究了其變形規律，討論了隧道結構襯砌環“橫鴨蛋”式變形狀態：頂底塊管片外弧面受壓、內弧面受拉，接頭外弧面閉合、內弧面張開，腰部接頭內側閉合、外側張開，接頭兩側管片內壁局部受壓；文獻［2］統計了上海軌道交通8號線三個盾構隧道區間的襯砌結構變形現場監測數據，分析了隧道收斂、接縫張開等變形的發展規律和相互關聯性，證實隧道結構襯砌環呈現“橫鴨蛋”變形：弧頂位置明顯的內張、標準塊位置外張，且前者量值明顯大于后者。在試驗研究方面，文獻［3］利用管片錯縫拼裝的三環襯砌結構的承載試驗研究錯縫拼裝襯砌結構的徑向變形包括管片撓曲變形和由于接縫轉角引起的相對變形規律，發現處于中間位置的襯砌環徑向變形主要是由于管片撓曲變形引起，而兩側位置由管片撓曲和接縫轉角引起的襯砌環徑向變形均較為明顯；文獻［4］通過對德國Elbe河第四座水底隧道進行三環錯縫1：1足尺試驗發現：最大轉角發生在鄰接的縱縫，所有縱縫均未破壞，管片最大變形發生在“中間環”的腰部，“關鍵塊”對于隧道環的整體變形沒有影響。在為隧道設計提供了重要參考依據的試驗方面。文獻［5］針對雙圓盾構錯縫拼裝襯砌進行足尺試驗研究，研究雙圓盾構襯砌在錯縫拼裝下的內力和變形，為襯砌結構的設計提供依據。研究發現錯縫拼裝結構比通縫拼裝結構可提高20%的承載力，且變形遠小于通縫拼裝變形量，是其1/5～1/6，中間立柱受力和變形均勻。文獻［6］針對上海長江隧道襯砌結構進行整環足尺試驗研究，驗證襯砌管片的承載力和穩定性，驗證施工荷載作用下結構的可靠性。試驗結果表明，襯砌管片的鋼筋應力、連接螺栓應力、接縫錯動值和張角均小于設計容許值。

總結現有研究可見，國內主要以現場監測數據為基礎研討襯砌環的變形特征，由于現場條件的限制，監測數據尚無法獲得襯砌環管片各接縫外側的張開（壓緊）量。而國內外針對盾構隧道所進行的足尺試驗研究也多為設計驗證性試驗。由于破壞試驗研究較少，對襯砌結構的極限荷載及變形認識不足，故難以準確評估運營地鐵襯砌結構工作狀態和安全系數。本文以典型盾構裝配式圓形襯砌環結構為對象，進行通縫拼裝襯砌結構極限承載試驗，以探求隧道結構襯砌環受荷后的變形特征，分析襯砌結構徑向位移和接縫的張合位移隨荷載的發展規律。

1　試驗方案

1.1試驗試件

試驗采用的鋼筋混凝土預制管片厚0.35 m、環寬（沿隧道縱向尺寸）1.2 m。拼裝出的圓環狀襯砌結構外徑為6.2 m、內徑為5.5 m。全環分為4種類型的6塊預制管片（如圖1所示），包括1個封頂塊（F塊）、2個鄰接塊（L1和L2塊）、2個標準塊（B1和B2塊）和1個底塊（D塊）。管片間接頭采用上海盾構隧道襯砌環結構典型接頭（見圖2），且每個接頭使用2根5.8級M30螺栓連接以抵抗剪力作用。管片拼裝完成后，各接頭處環向螺栓未施加預緊力，因此初始狀態下各接縫存在1 cm左右的間隙。

圖1　試驗用圓環狀襯砌結構

圖2　襯砌環結構典型接頭構造

1.2加載系統

1.2.1加載裝置

本試驗根據地鐵襯砌環結構受力特點，采用多個集中荷載近似等代地層壓力分布荷載。圓形裝配式襯砌環水平放置，24個拉桿式反力架構成匯于中心鋼環的12對對拉加載框架，整個加載裝置為一個自平衡體系［7］（如圖3所示）。每個拉桿式反力架由1個千斤頂、1個荷載分配梁、1個持荷梁和2個鋼拉桿構成。其中，千斤頂提供荷載，持荷梁為主動加壓的墊梁，荷載分配梁用于將荷載沿管片環寬均勻施加。結合結構有限元預分析計算結果，千斤頂所需提供的最大水平荷載為980 k N、相應的最大位移為400 mm。

圖3　加載裝置布置平面示意

1.2.2加載方式

根據軟土地層中等埋深條件盾構隧道設計方式，24個加載點分為P1、P2、P3三組，如圖4所示。其中，P1組有6個加載點（3對對拉加載框架），所加荷載代表隧道頂部所受的豎向土壓力和底部的地基反力；襯砌環左右兩側的P2組有10個加載點（5對對拉加載框架），代表作用于隧道結構所受的側向土壓力，側向土壓力系數取0.65；其他位置8個加載點構成P3組（4對對拉加載框架），所加荷載為豎向土壓力和側向土壓力之間的過渡。

圖4　環向荷載分組

試驗采用單調加載方式，即中間過程無卸載。每個組中各加載點的加載時間和荷載值均相同。試驗加載分為等比例勻速加載、等比例慢速加載、側向荷載恒定3個階段。

（1）等比例勻速加載。荷載控制，同時施加P1組、P2組和P3組荷載，使荷載P1由0 k N分10級加載至300 k N，每級荷載增量為30 k N。加載過程中維持P2=0.65×P1、P3=（P1+P2）/2=0.825× P1。

（2）等比例慢速加載。荷載控制，同時施加P1組、P2組和P3組荷載，使荷載P1由300 kN分30級加載至445 kN，P1的每級荷載增量為5 kN。加載過程中維持P2=0.65×P1、P3=（P1+P2）/2= 0.825×P1。

（3）固定側向荷載加載。位移控制，維持P2= 275 k N，P3=（P1+P2）/2，P1與P3持續加載直至加載到襯砌環的極限狀態，并記錄各組荷載的數值。

加載過程中，如襯砌環發生以下現象則認為其達到了極限狀態：①豎直徑向位移達到400 mm；②接縫處環向螺栓拉斷或拉流；③管片表面出現0.3 mm寬度以上的裂縫；④管片出現邊長30 mm以上的混凝土塊崩角。

1.3襯砌結構位移量測方案

襯砌結構需要關注的變形包括襯砌環的徑向變形、管片接頭的張角變形，以及管片本身變形。其中，襯砌環的徑向變形和接頭的張角變形常用以衡量襯砌環結構極限變形能力，故試驗中重點測量了襯砌環上各點的徑向位移和接縫處管片內外側相對位移。

1.3.1襯砌環的徑向位移

每個觀測方向上設置兩個拉線位移計，拉線的一端固定在中心鋼環上（圓心處），另一端固定在管片上。由于整個加載裝置為一個自平衡體系，中心鋼環在加載過程中位置保持不變，因此每個位移計的測量結果即為測點到圓心距離的變化。將同一直徑方向上兩位移計所測結果相加，即可得到該直徑方向管片上對應兩點的相對位移，即為襯砌環徑向位移。其中管片向環內位移為負，向環外位移為正。

圖5　位移測點布置

1.3.2接縫處管片內外側相對位移

在徑向荷載作用下，管片接頭變形包括襯砌環接縫處管片內外側的張合（張開或壓緊）、接縫沿徑向的錯動、接頭管片的局部擠壓變形。因本次試驗過程中接縫錯動量不顯著，且管片局部擠壓變形對襯砌環工作狀態不起控制作用，故僅主要敘述接縫處管片內外側張合變形的量測。

測量管片接頭的接縫張合量時，可在各接縫位置的管片內外側布設1對頂針式位移計（見圖6）。測試結果以接縫張開為正，以接縫壓緊為負。

圖6　接縫相對位移測量示意圖

2　試驗現象及結果

2.1試驗現象

通縫拼裝襯砌環足尺極限承載試驗加載結束后，襯砌環結構全貌如圖7所示。在加載初始階段（P1＜120 k N），襯砌環結構整體斷面形狀由正圓的“李子”形逐漸變成橢圓形的“橄欖”形，隨荷載的持續增加斷面形狀變為“扁桃”形；襯砌環頂部和底部向管片環內發生位移，腰部向管片環外發生位移。結合混凝土應變數據，圓環襯砌結構頂部管片F、底部管片D外弧面受壓，內弧面受拉；腰部管片B1、B2外弧面受拉，內弧面受壓。鄰接塊管片L1、L2外側主要受壓，在靠近與腰部管片B1、B2接縫處出現部分受拉區域，內弧面則主要受拉，在靠近與腰部管片B1、B2接縫處出現部分受壓區域。

圖7　加載結束襯砌環結構全貌

施加第4級荷載（P1=117 kN）期間，襯砌環管片底塊D和鄰接塊L1和L2外弧面出現肉眼可觀察裂縫，隨著荷載的增加，裂縫繼續發展。加載結束后，對襯砌環管片內外裂縫開展位置和程度進行統計，管片結構裂縫基本分布在受拉區域，即襯砌環D塊內弧面和B1、B2塊外弧面，而F塊和L1、L2塊內弧面裂縫發展不明顯。

襯砌環管片間接縫處的拼裝初始張開隨著荷載增加先發生壓緊，當施加第3級荷載（P1=85 kN）期間，接縫逐漸壓緊至基本閉合。隨著荷載的繼續增大，管片間接縫的內外側發生相對張合位移，襯砌環頂部（8°和352°）和底部（148°和222°）的接縫內側張開、外側壓緊；襯砌環腰部（73°和287°）的接縫內側壓緊、外側張開。

加載結束后，222°接縫處管片外弧面、287°接縫處管片內弧面、352°接縫處管片外弧面混凝土局部發生破碎剝落，73°接縫處管片內弧面、138°接縫處管片外弧面混凝土發生受壓開裂。

2.2位移測試結果

2.2.1襯砌環結構的徑向位移

試驗過程中，每個位移計的測量結果為測點到圓心的距離變化量，將同一觀測直徑上兩位移計所測結果相加，可得到襯砌環該直徑方向上的徑向位移。根據測試結果可畫出豎直）和水平）徑向位移隨荷載發展曲線，如圖8所示。圖中徑向位移為負時表示管片襯砌環發生向環內的位移，徑向位移為正時表示管片襯砌環發生向環外的位移。

根據圖8，豎直徑向位移向內，水平徑向位移向外；豎直和水平方向上徑向位移隨荷載變化的發展趨勢基本一致，數值上也十分接近。徑向位移隨荷載變化曲線大致可分為三個階段：

（1）階段I——壓緊階段：加載初期（P1＜120 k N），徑向位移隨荷載發展較快，且呈現非線性，考慮是由于襯砌環拼裝完成后接縫處止水帶未壓密；

（2）階段II——彈性階段：加載中段（120 k N＜P1＜360 k N），徑向位移發展較為平緩，隨荷載呈近似線性增加，襯砌環彈性變形，結構整體處于彈性工作階段；

（3）階段III——塑性階段：加載后期（P1＞360 k N），徑向位移隨荷載增大而迅速發展，并有波動，表明襯砌環局部破壞，整體發生塑性變形，但徑向位移隨荷載發展趨勢仍可視為線性關系，且斜率較大。

圖8　徑向位移隨荷載發展曲線

2.2.2接縫的張合位移

從測量接縫張合的6對位移計中，讀取8°（FL2）接縫、73°（L2-B2）接縫和138°（B2-D）接縫的內外側相對位移數據，并繪制接縫張合量隨荷載變化的曲線如圖9所示。圖9中接縫閉合位移為“負”，接縫張開位移為“正”?？梢?，不同位置接縫的張合位移特征不同，總體而言，F-L2接縫和B2-D接縫均為外側閉合、內側張開，L2-B2接縫則相反。

（1）F-L2接縫。開始加載時，內外側位移均為負（閉合），判斷是接縫止水帶壓密而致；當荷載達到100 k N后，接縫內側張開，外側仍為壓緊；加載中段（120 k N＜P1＜360 k N），接縫內外側位移隨荷載增長，但較為緩慢；當荷載增大到360 kN后，接縫內外側的位移均隨荷載增加而迅速發展，最終管片內側位移大于外側位移。

（2）L2-B2接縫。加載初期（P1＜120 k N）接縫外側張開量緩于內側閉合量；加載中段（120 kN＜P1＜360 k N）接縫內外側位移隨荷載緩慢增加；當荷載增大到360 k N后，接縫處內外側的相對位移隨荷載增加而迅速發展，最終管片外側位移大于內側位移。

（3）B2-D接縫。接縫外側閉合位移在加載初期（P1＜120 k N）隨荷載發展較快，閉合后基本不隨荷載變化；接縫內側位移在P1＜360 k N階段，隨著荷載的增加緩慢發展；加載后期（P1＞360 k N）接縫內外側位移隨荷載增加而迅速發展。

圖9　接縫張合位移隨荷載發展曲線

2.2.3襯砌環結構整體變形形態

根據6對拉線位移計的測試結果，可繪制出襯砌環結構受荷后的整體形態玫瑰圖（見圖10）。如果忽略拼裝誤差，初始狀態（P1=0 k N）襯砌環為直徑6 200 mm的“李子”狀正圓；隨荷載增加，襯砌環頂（0°）底（180°）發生向內位移，而腰部（90°和270°）發生向外位移，襯砌環整體逐漸變成“橄欖”狀的橢圓形；徑向位移達到階段III后，襯砌環整體呈現“扁桃”狀。

圖10　典型荷載水平襯砌環外輪廓（位移放大系數10）

3　襯砌環結構的相對變形

工程上常用襯砌環結構的相對變形量描述襯砌結構的力學形態，如山嶺隧道的收斂變形、圓形管涵的橢圓度等。這里，采用圓形襯砌結構的外徑變化率

式中：

μ——圓形襯砌環結構的直徑變化率；

D——圓形襯砌環的外徑；

ΔD——圓形襯砌環外徑的變化量，即徑向位移量。

4　結語

本文根據圓形通縫拼裝襯砌結構試驗測試變形測試數據，討論襯砌結構加載過程中特征部位的位移曲線和整體變形形態，得到以下結論：

圖11　相對變形隨荷載發展曲線

（1）本試驗條件下，管片拼裝式圓形襯砌環結構的徑向位移和管片接縫處的張合位移隨荷載的發展趨勢基本可以劃分為壓緊段、彈性段、塑性段三個階段。壓緊階段（P1＜120 k N），位移量值不大但發展較快；彈性階段（120 k N＜P1＜360 k N），位移發展趨勢呈平緩線性；塑性階段（P1＞360 k N），位移總體呈現線性迅速發展，局部有跳躍波動。

（2）襯砌環結構豎直徑向位移向內、水平徑向位移向外，隨荷載發展趨勢相似，量值接近。

（3）襯砌環的頂、底接縫外側閉合、內側張開，腰部接縫內側閉合、外側張開；同一接縫的張開量與閉合量并不相等。

（4）襯砌環結構受荷后，整體形狀由初始的“李子”狀正圓形逐漸變成“橄欖”狀的橢圓形，超過極限荷載后形狀變為“扁桃”形。

（5）超過極限荷載后襯砌環結構的直徑變化率可達25‰。

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［7］ 同濟大學.地鐵盾構隧道極限承載試驗研究［R］.上海：同濟大學，2013.

（4）減免稅費。項目運營期稅費主要有所得稅、營業稅、城市維護建設稅、教育費附加等。本項目財務狀況差，可申請減免或返還。但隨著目前營業稅改增值稅政策的試行，稅費具體方案和歸屬尚不明確，因此，暫不予考慮。

綜合來看，根據項目預測運量，從最大程度吸引客流、培育居民出行習慣，結合其它城市尤其是西部城市類似項目票價、區域總體收入和消費水平以及心理承受能力等因素分析，本項目不宜采用高運價方案。從資產保值和持續發展角度考慮，不推薦免提折舊方案。結合項目初近期運量水平較低、社會公益性強的特點，應積極爭取采用優惠單一電價。同時，應采取土地開發補貼，制定綜合物業開發、沿線單位有償受益等政策性措施，或設立軌道交通專項基金，積極申請低息貸款，以改善項目財務狀況。

4　其它政策建議

根據類似項目的運營管理經驗和目前國內運營管理發展趨勢，本項目建成后可能會采取委托管理方式。即委托具備鐵路管理能力和實力，有較為成熟運營經驗或具有軌道交通行業專業背景的企業，以組建運營公司的形式，負責運營管理和養護維修。從促進項目建設與運營順暢銜接考慮，宜及早選擇和明確被委托方，以便于其在建設過程中提前介入和籌劃，有效控制成本。

參考文獻

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［3］ 鄭曉莉，陳峰.公私合作模式在城市軌道交通中的應用［J］.城市軌道交通研究，2010，13（7）：93.

（收稿日期：2015-03-31）

Experiment of Deforming Characteristics of the Assembled Circular Lining Structure

Yuan Yong，Bi Xiangli，Liu Xian，Wang Hui

Lining structures of shield tunnel are normally assembled by prefabricated segments.The characteristics of the radial deformation and the opening of segment joints under load are basic indexes for the evaluation of the structural performance.Based on an ultimate load experiment of circular assembled lining ring structure，the straight joint assembling shield tunnel structure，curves of radial deformation and opening of joints are obtained.In this paper，the key points of the deformation of the structure are analyzed，including the load at performance points，integral deformation，radial displacement，diameter change rate and joint displacement.

shield tunnel；assembled structure；lining ring；deformation characteristics

U 456.3+1

10.16037/j.1007-869x.2015.07.007

2014-02-21）