地鐵盾構隧道抗彎剛度有效率的模型試驗研究

楊 茜， 羅玉屏， 張振波， 王澤洋

(1.石家莊鐵道大學土木工程學院，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學交通運輸學院，河北 石家莊 050043)

城市地鐵盾構隧道是由多環(huán)管片通過環(huán)向與縱向螺栓拼接而成，螺栓會對隧道結構的橫縱向剛度產(chǎn)生不利影響。在現(xiàn)階段盾構隧道管片的結構設計方法中，修正慣用法認為隧道接縫處的接頭降低了整環(huán)管片的剛度，利用剛度折減系數(shù)即剛度有效η來描述管片整體剛度為ηEI(EI為均質管片的抗彎剛度)。

針對剛度有效率η這個關鍵指標，很多學者展開試驗研究。黃宏偉等[1]進行了2環(huán)盾構隧道橫向加載試驗，采用PE材料模擬管片，證明了隧道剛度有效率為一常數(shù)，并對上海地鐵盾構隧道進行研究，認為通縫、錯縫拼裝時隧道橫向剛度有效率分別是0.67和0.75；孫海東[2]開展了3環(huán)盾構隧道橫向加載試驗，試驗表明通縫、錯縫拼裝時橫向剛度有效率的范圍分別為0.10～0.19和0.30～0.61，錯縫拼裝可以更好的提高管片整體剛度；徐凌[3]進行了50環(huán)隧道模型加載試驗，試驗表明通縫、錯縫縱向剛度分別為完全均質隧道的1/8.77和1/7.69，部分均質隧道縱向剛度為完全均質隧道的1/6.90；葉飛等[4]采用有機玻璃模擬管片結構，鋼質和鋁質焊絲模擬環(huán)向和環(huán)間接頭，研究了25環(huán)通縫、錯縫和均質盾構隧道的縱向變形，認為隧道縱向變形與荷載基本呈線性關系，通縫、錯縫拼裝隧道縱向抗彎剛度有效率范圍分別為0.18～0.39和0.20～0.40；鐘小春等[5]用梁—彈簧模型和修正法計算管片的水平位移，并以最大水平位移為判別條件得到了管片剛度有效率；郭一帆[6]用PVC管模擬管片，用PE板和螺絲模擬環(huán)間接頭，模擬南京地鐵一號線實際工程對錯縫拼接和均質隧道進行室內加載試驗，得到錯縫拼接隧道的抗彎剛度有效率平均為0.19，取值范圍為0.15～0.26之間。

本文以城市地鐵單線單洞盾構隧道為研究對象，采用荷載-結構模型，通過2環(huán)盾構隧道管片橫向與21環(huán)盾構隧道管片縱向加載室內試驗，研究了隧道橫、縱向剛度有效率的取值。

1 試驗方案

室內模型試驗相似比為1∶25，盾構隧道管片外徑為250 mm，厚度為15 mm，環(huán)寬為50 mm，分別制作2環(huán)和21環(huán)隧道模型，管片間采用錯縫拼裝，管片分塊示意圖如圖1所示，錯縫拼裝位置如圖2所示。

1.1 試驗材料

管片混凝土采用高強石膏硅藻土混合材料，水∶石膏∶硅藻土=1∶1.8∶0.1，管片環(huán)向主筋為彈性模量E=1.82×104MPa、直徑為0.4 mm的鐵絲模擬管片主筋。根據(jù)文獻[6]和[7]，接頭的受力模式主要為受彎，因此只考慮轉動剛度對環(huán)向接頭的影響，通過在接頭位置開槽減小管片橫截面的慣性矩I來模擬環(huán)向螺栓對于管片抗彎剛度的影響，開槽位置見表1。同樣，縱向螺栓的彈性模量為41.2 GPa，根據(jù)相似理論關系和材料拉伸試驗，選用?3.2 mm的J50鐵焊絲作為縱向螺栓的相似材料，材料對比見表2。

表1 環(huán)向接頭對應槽縫深度

表2 管片縱向接頭對照表

1.2 試驗流程

試驗研究管片橫、縱向接頭抗彎剛度有效率，分別進行管片橫向加載與縱向加載試驗。

1.2.1 橫向加載試驗

多方加載更能反映隧道真實的受力狀態(tài)，但考慮到本試驗主要研究隧道結構在彈性階段的變形狀況，以此得到隧道橫向剛度的有效范圍，因此采用較為簡單的單向加載方式。橫向加載試驗具體試驗步驟為：制備、拼裝、固定襯砌管片→安裝監(jiān)測儀器→加載→分級加載→記錄分析數(shù)據(jù)。

均質管片和錯縫拼接管片均為2環(huán)管片，長度100 mm，安裝在自制混凝土支座上，支座的長×寬×高為150 mm×150 mm×50 mm。

測試試驗管片在荷載作用下的徑向位移，測點布置及加載示意見圖3。在模型頂部圓弧段上方放置砝碼盤并調準中心位置后加載，共分6級，每級荷載按照2倍速增長，初級荷載為12.75 N，第6級荷載為127.5 N，每一級荷載待結構變形穩(wěn)定后記錄數(shù)值。重復3次以上加載、卸載步驟，加載過程見圖4。

圖1 盾構隧道分塊示意圖 圖2 錯縫拼接位置圖 圖3 測點布置

圖4 橫向加載試驗過程

1.2.2 縱向加載試驗

文獻[4]認為拼裝方式對于管片縱向力學性能的影響有限，因此不再進行通縫和錯縫拼裝方式的對比試驗。縱向加載試驗管片為21片，長度為1 050 mm，管片固定在兩個混凝土支座上，管片與支座接觸為1環(huán)的寬度。千分表安裝在測點1～5上部，與管片保持垂直，如圖5所示。目前模型試驗的常用方法是在隧道中部施加集中荷載，因此本試驗亦采取中部加載方式，加載步驟與橫向加載試驗基本相同。

試驗共進行6級加載，初級荷載為100 N，每級荷載增加50 N，加載卸載過程同橫向加載試驗，加載過程見圖6。

圖5 管片制作及測點布置

圖6 縱向加載試驗過程

2 試驗結果與分析

2.1 橫向加載試驗結果

將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過相似比轉換成實際結果，得到2環(huán)錯縫拼裝管片與均質管片的結構荷載—變形曲線，其中管片向外位移為正，向內位移為負。見圖7。

圖7 管片荷載-變形曲線

從圖7可以看出，管片各位置的變形與荷載基本呈線性關系(各曲線擬合成過原點的直線)。通過計算得到了各擬合直線的斜率，各曲線的斜率之比是其對應橫向抗彎剛度的反比，因此，根據(jù)均質管片剛度和錯縫拼裝管片剛度的比例關系，得到了錯縫拼裝管片橫向剛度有效率η1，見表3。在集中力荷載作用下，錯縫拼接下管片橫向抗彎剛度的有效率約為0.76。

表3 變形曲線斜率及橫向剛度有效率

2.2 縱向加載試驗結果

將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過相似比轉換成實際結果，得到各測點的荷載—位移曲線，各測點變化趨勢相同，其測點3的變化狀況見圖8。均質管片、錯縫拼接管片的最終變形曲線如圖9所示。

圖8中顯示出管片的位移隨其所受荷載基本呈線性增大，圖9顯示位移隨距離荷載位置增大逐步減小，縱向接頭的存在減小了盾構隧道的縱向抗彎剛度。用錯縫拼接管片在同一測點的位移比值作為管片縱向抗彎剛度有效率，得到了荷載在跨中位置在各級荷載作用下的縱向剛度有效率，具體見圖10。

圖8 測點3管片荷載-位移曲線 圖9 管片縱向最終沉降曲線 圖10 管片縱向抗彎剛度有效率

由圖10可以看出，盾構隧道在彈性范圍內縱向剛度有效率隨荷載的增加而逐漸減小，錯縫拼接隧道縱向抗彎剛度有效率在0.20～0.35之間。

2.3 試驗結果分析

目前有許多文獻[3,5,8,9]從不同角度研究橫向抗彎剛度有效率，主要是理論解析和模型試驗兩種方法，文獻[5]和[8]主要采用的理論解析方法，范圍在0.4～0.8左右；文獻[3]和文獻[9]主要采用的是模型試驗，在0.30～0.75之間。本次試驗得到的錯縫拼接隧道橫向抗彎剛度有效率的取值與其他學者的試驗結果較為相近，存在差異的原因主要是研究方法、試驗材料、地層條件和加載方式的不同。縱向抗彎剛度有效率的研究結論為0.07～0.30，理論解析結果與試驗結果相比較小[3,4,5,10,11]，差異的產(chǎn)生主要受計算模型、試驗材料、結構與土層之間的受力情況等影響，特別是理論分析模型，需要在縱向受力機理上進行更多的研究。

3 結論

本文開展了盾構隧道管片橫向與縱向加載室內試驗，通過錯縫拼裝管片與均質管片對比試驗得到了隧道橫向和縱向剛度的有效率，結果顯示：

(1)隧道各位置的變形與荷載基本呈線性變化。

(2)通過試驗位移對比分析，得到了錯縫拼裝隧道橫向抗彎剛度有效率為0.76，縱向抗彎剛度有效率為0.20～0.35。