超大直徑盾構隧道接頭抗彎性能影響因素研究

何歷超，姜 瑜,2

(1.北京市首發高速公路建設管理有限責任公司，北京 100161; 2.清華大學 機械工程學院, 北京 100084)

0 引言

目前針對直徑6 m左右的地鐵隧道研究較多，管片接頭力學特性更加明確。通過理論研究、試驗研究及數值模擬分析，可以更好地了解接頭的服役性能。其中，接頭的極限承載力、剛度和非線性變形特征是研究人員重點關注的領域。Liu等[1-2]以盾構隧道管片縱向螺栓接頭為研究對象,借助試驗方法全面分析了隧道管片縱縫的破壞機理,并揭示了錯縫拼裝對結構的影響。周海鷹等[3]基于襯砌結構荷載試驗，對影響接頭抗彎剛度的主要因素進行分析，并建立縱向接頭抗彎剛度計算模型。張穩軍等[4-7]對螺栓形式、螺栓等級、螺栓預緊力等因素對盾構隧道接頭力學性能和變形規律進行數值模擬研究。張景[8]以志波模型為基礎，采用解析方法推導了純彎、拉彎條件下環間接頭抗彎剛度的解析公式，并對各影響因素的敏感程度及影響方式進行深入研究。Li等[9-10]采用三維有限元法研究分析倫敦地鐵中螺栓鑄鐵隧道的受力特性，考慮了外部荷載、錨桿預緊力等實際工程因素下隧道行為，對實際工程具有一定的指導意義。

隨著隧道斷面尺寸的增大，管片厚度增大，接頭數量增多，造成接縫面構造趨于復雜，材料非線性和幾何非線性特征愈發明顯[11]。因此，不少專家學者針對大斷面盾構隧道接頭進行了深入研究。張力等[12]對獅子洋隧道和長江隧道的管片接頭抗彎剛度進行計算，并據此建立大斷面隧道管片接頭抗彎剛度取值經驗公式。鄭慶坂等[13]將橫向剛度和縱向剛度聯合起來，推導得到大斷面矩形盾構隧道縱向等效抗彎剛度解析解，并對管片寬厚比、管片厚度等因素的影響進行了研究。張力等[14-17]結合理論分析、數值模擬和試驗研究等多種方法分析了手孔及螺栓數量及布設位置、尺寸等對管片接頭抗彎性能及設計參數的影響。鄭勇波等[18]探究了混凝土碳化深度對接頭抗彎性能的不利影響。目前，小直徑盾構隧道接頭力學性能研究成果無法較好地適用于大直徑盾構隧道，因此，大直徑盾構隧道接頭力學性能及影響因素研究是必要且具有意義的。

綜上所述，目前針對管片接頭力學性能的研究大多局限于小直徑盾構隧道，而本研究依托北京東六環改造工程，通過ABAQUS有限元軟件建立超大直徑盾構隧道管片-接頭三維精細化模型，對超大直徑盾構隧道接頭抗彎性能的影響因素進行研究。

1 工程概況

東六環改造工程起于京哈高速施園橋南2 km，終于潞苑北大街，全線長度16 km，采用明挖法與盾構法相結合的施工方法。其中，盾構段隧道內徑14.1 m，襯砌厚度650 mm，環寬2 000 mm，屬于超大直徑盾構隧道。襯砌采用“1+2+7”式分塊，錯縫拼裝。襯砌管片為C60鋼筋混凝土，混凝土抗滲等級為P12。管片間采用斜螺栓連接，管片環向通過30顆M36螺栓，縱向通過56顆M36螺栓連接，螺栓等級為8.8級。

2 管片-接頭三維精細化數值模型

以盾構隧道標準塊為研究對象，建立管片-接頭三維數值模型，如圖1所示。管片內徑為14 100 mm，厚度為650 mm，環寬2 000 mm，圓心角為38.57°。管片間通過3根8.8級M36斜螺栓連接，手孔采用左二右一等間距交錯布置。為了便于收斂，忽略榫槽及密封墊的影響。

圖1 力學模型圖Fig.1 Mechanical model

混凝土材料等級為C60，彈性模量為36.2 GPa，泊松比為0.2?；炷敛捎盟苄該p傷本構模型，塑性損傷本構通過引入損傷因子，能夠較好地模擬混凝土材料剛度退化的現象[19]。以文獻[19]的公式計算混凝土參數，混凝土計算參數如表1所示。螺栓采用雙線性彈塑性本構，彈性模量采用210 GPa。

表1 C60混凝土計算參數Tab.1 C60 concrete calculation parameters

管片加載采用四點彎曲加載方式，左側設置固定鉸支座，右側設置活動鉸支座。管片兩側施加均布面力模擬軸力作用，豎向通過在管片上分割出小區域施加面力近似模擬集中力。接縫面附近施加豎向位移荷載，螺栓處施加預緊力。模型的邊界條件及加載方式如圖1所示。

管片與螺桿、管片與管片之間采用面-面接觸關系，管片混凝土之間摩擦系數為0.5，管片與螺桿間的摩擦系數為0.46.單元設置為C3D10。螺帽與混凝土之間采用Tie連接。圖2為管片和螺栓的三維精細化模型。

圖2 管片-接頭三維精細化模型Fig.2 Segment-joint 3D refinement model

3 接頭抗彎性能分析

3.1 軸力對接頭抗彎性能的影響

依據東六環地層荷載情況及設計說明書，分別施加軸力為3 000，6 000 kN及9 000 kN來探究軸力對于盾構隧道接頭抗彎性能的影響。提取接頭的彎矩-轉角曲線如圖3所示?？梢钥闯?，管片接頭的彎矩-轉角曲線大致呈現“三折線”階段。第1階段是施加軸力時管片閉合，接縫面全斷面受壓，接頭處呈現較大的抗彎剛度。隨著彎矩的進一步增大，管片發生張開，接縫面受壓面積減小，螺栓進入受拉狀態，此時管片接頭的抗彎剛度下降。當彎矩大于極限彎矩時，發生屈服，接頭的彎矩-張開度曲線呈現下降趨勢。

圖3 不同軸力作用下的管片接頭彎矩-轉角曲線Fig.3 Curves of bending moment vs. rotation angle of segment joint under different axial forces

提取張開量6 mm時螺栓應力云圖如圖4所示?？梢钥闯?，斜螺栓應力最大處均位于接縫面處，其次螺帽處同樣出現了應力集中現象。隨著軸力的增大，螺栓應力增大。當軸力為9 000 kN時，螺栓的最大Mises應力達到了603.7 MPa，接近了螺栓的屈服極限。

圖4 不同軸力條件下螺栓應力應變云圖(單位:Pa)Fig.4 Stress-strain nephograms of bolt under different axial forces(unit:Pa)

表2 抗彎剛度計算表Tab.2 Bending stiffness calculation table

管片接頭的極限抗彎承載力如表3所示，當軸力從3 000 kN上升到6 000 kN時，極限抗彎承載力提高了86.2%，當軸力從6 000 kN上升到9 000 kN時，極限承載力提高了26.9%。隨著軸力的提高，管片接頭的極限抗彎承載力也相應地提高，但受到軸力的影響卻在顯著下降。

表3 極限抗彎承載力Tab.3 Ultimate flexural capacity

3.2 斜螺栓角度對接頭抗彎性能的影響

目前斜螺栓角度通常依據工程經驗確定，但斜螺栓角度的變化可能會引起管片接頭力學性能的變化。保持斜螺栓在管片接縫面位置不變，工程調研結果顯示，目前國內常用的斜螺栓角度分別為52°～60°，建立不同斜螺栓角度的管片接頭模型，探究斜螺栓角度對盾構隧道接頭抗彎性能的影響。接頭的彎矩-轉角曲線如圖5所示，可以看出，接頭的彎矩-轉角曲線均呈現“三折線”趨勢?？箯潉偠扰c斜螺栓角度呈現先增后減的趨勢，當斜螺栓角度為56°時，接頭的抗彎剛度最大。隨著斜螺栓角度的增大，管片接頭的極限抗彎承載力在不斷地提高。當斜螺栓角度從52°增長到60°時，極限抗彎承載力從1 246 kN·m 增長到1 440 kN·m，提高了15.56%。

圖5 不同斜螺栓角度作用下的管片接頭彎矩-轉角曲線Fig.5 Curves of bending moment vs. rotation angle of segment joint under different inclined bolt angles

由圖5可以看出，當轉角達到0.003 8時，管片達到極限承載能力。進一步提取轉角為0.003 8時中間螺栓桿上側節點的Mises應力，如圖6所示。可以看出，斜螺栓應力呈現雙線性趨勢。隨著斜螺栓角度的增加，螺栓應力最大位置從接縫面附近向螺帽處移動。當角度過大時，螺栓最大應力位置回到接縫面附近。當斜螺栓角度為56°時，螺栓應力達到最大值，為288 MPa，螺栓仍處于彈性階段，說明螺栓受力狀態良好。

圖6 不同斜螺栓角度作用下的螺栓Mises應力曲線Fig.6 Mises stress curves of bolts under different inclined bolt angles

3.3 螺栓預緊力對接頭抗彎性能的影響

螺栓預緊力可以提高螺栓的使用壽命和可靠性，但過高的預緊力可能會造成管片局部壓潰，甚至導致連接的失效，因此探究螺栓預緊力對接頭抗彎性能的影響是十分必要的。分別對單根螺栓施加預緊力0，50，100 kN，接頭的彎矩-轉角曲線如圖7所示。可以看出，螺栓預緊力對管片接頭的極限承載能力影響不大，但對管片接頭的抗彎剛度卻有著明顯的影響。當螺栓的預緊力增加時，管片接頭的抗彎剛度也會隨之增加。當無預應力時，管片達到極限狀態的轉角為0.003 9，而提高螺栓預緊力到100 kN 時，轉角則下降到0.002 1，下降了46.2%，也可以有效地避免管片接頭的防水失效。

圖7 不同螺栓預緊力作用下的管片接頭彎矩-轉角曲線Fig.7 Curves of bending moment vs. rotation angle of segment joint under different bolt preload

4 結論

為了研究超大直徑盾構隧道接頭抗彎性能的影響因素，建立超大直徑盾構隧道管片-接頭三維精細化模型。通過數值計算結果可以得出以下結論：

(1)在壓彎荷載作用下，管片接頭的彎矩-張開度曲線呈現“三折線”階段。

(2)隨著軸力的增大，接頭的抗彎剛度呈現增長趨勢，且軸力較小時增速較快。軸力的增大也會引起管片接頭極限抗彎承載能力的提升。

(3)抗彎剛度與斜螺栓角度呈現先增后減的趨勢，當斜螺栓角度為56°時，接頭的抗彎剛度最大。隨著斜螺栓角度的增大，管片接頭的極限抗彎承載力在不斷地提高。

(4)螺栓預緊力對管片接頭的極限抗彎承載力影響不大，但對抗彎剛度卻有著顯著的影響，抗彎剛度隨著預緊力的增大而增大。