地鐵盾構隧道管片結構受力特征模型試驗研究


【摘 要】 以南京地鐵區間盾構隧道為研究背景，通過大比例模型試驗，對盾構隧道管片三種拼裝方式的受力特征進行了深入研究。研究結果表明，拼裝方式對管片受力特征有很大的影響，并提出了合理的管片拼裝方式。
【關鍵詞】 盾構隧道模型試驗 管片拼裝 通縫錯縫

1前言
盾構法隧道襯砌結構是由若干弧形的管片拼裝成環，然后每環之間逐一連接而成的，管片與管片、環與環之間通過螺栓或其他方式連接。管片的拼裝力式有通縫和錯縫兩種。所有襯砌環的縱縫呈一直線的情況稱之為通縫拼裝；相鄰兩環間縱縫相互錯開的情況稱之為錯縫拼裝。不同的拼裝方式必將對管片的受力特征有重大的影響。為探明在南京地區特定的地質條件下，不同管片拼裝方式對管片受力特征的影響以及合理的管片拼裝方式等問題，作者以南京地鐵區間盾構隧道為研究背景，進行了考慮隧道與土體相互作用性的大比例尺模型試驗研究。
2試驗概況
2.1試驗原型
隧道采用單層裝配式鋼筋混凝土管片襯砌，隧道內徑5 500mm，管片厚350mm，寬1 200mm。
襯砌環分為6塊，下部三塊標準塊的圓心角為67．5度，兩鄰接塊的圓心角為68．0度，割頂塊的圓心角為
11．5度。縱向接頭16處，按22．5度等角度布置。分塊圖見圖1。

圖1 原型管片襯砌分塊圖

2．2相似材料
試驗以幾何相似比Cl=12和容重相似比Cr＝1為基礎相似比，其他物理力學參數根據相似理論推圍巖均采用特定比例的重晶石粉、石英砂、松香和凡士林的熱融混合物模擬。這些混合材料在化學反應結束后，基本不受溫度和濕度的影響，以高壓方法加壓成型，圍巖模型和原型物理力學參數見1表管片混凝土采用水膏比為1：1．50的特種石膏材料，通過預制加工現場安裝的方法模擬，力學指標以石膏終凝時的實驗值為準，管片混凝土原型與模型的力學參數見表2；管片混凝土環向主筋的相似材料采用直徑1．2miil的鐵質材料通過原型與模型的等效抗彎日渡EA模擬。
表1 圍巖模型和原型物理力學參數

全部試驗在專門制作的臺架式鋼板試驗模型槽內進行。試驗模型槽用兩組180工字鋼對模型槽前后進行約束，其尺寸為2．8mxl．2mx0．2m，試體尺寸為0．517mx0．517mx0．200m，試驗裝置見圖
2。試驗時，將預先拼裝好的模型管片埋人橫向寬度為2．8m的地層相似材料中，管片的上部覆土深度為20Cm，下部深度為95cm，然后在相似材料的上面加上底部寬度為20cm的承載梁。在承載梁的上面用加載系統分級加載。加載至管片結構完全破壞。

2.4試驗量測項目及方法
(1)管片內力
以11．25度為單位在管片周邊典型位置布置測點，采用在管片內、外側對稱布設環向電阻應變片方式測讀內外側應變值，以此獲得內外側的應變后計算出管片的截面內力。一環管片總共布置了32個測點。
(2)管片環周邊徑向位移
以45度為單位在管片周邊典型位置布置測點，用千分之一精度的差動變壓器式位移計進行量測。一環管片總共布置了8個測點。
(3)圍巖與管片間接觸壓力
以45度為單位在管片周邊典型位置布置測點，用精密土壓力盒量測圍巖與管片間的接觸壓力。一環管片總共布置了8個測點。
(4)測點布置
各次試驗的測點布置見圖3。

2．5 試驗系列
根據試驗要求和試驗的具體條件，在相同條件下按三種不同拼裝方式進行試驗。試驗拼裝方式見表4

3 試驗結果整理與分析
試驗結果包括管片內力、管片環周邊徑向位移和圍巖與管片間的接觸壓力。所有結果都是試驗值通過相似關系換算得到的原型值。將部分結果列于圖4-圖9。

根據試驗結果可以得出如下分析：錯縫拼裝結構的軸力分布與通縫拼裝大致相似，但有突變點出現，局部位置軸力有所降低：錯縫45度管片最大軸力大于錯縫22．5度管片最大軸力；錯縫拼裝結構中彎矩分布與通縫拼裝大致相似，但也有突變點出現，局部位置彎矩略大于通縫拼裝結構，45度大彎矩大于錯縫22．5度管片的最大彎矩；通縫拼裝結構位移量要稍大于錯縫拼裝結構，但增幅不大，45度錯縫管片位移量小于22．5度錯縫管片位移量；通縫拼裝管片與周圍土體壓力呈對稱分布，最大土壓力小于錯縫拼裝，45度錯縫拼裝最大土壓力最大，22．5度錯縫錯縫拼裝時，所受土壓力變化大。

4 結論
(1)在相同條件下，錯縫式拼裝結構中的內力分布總體規律與通縫式拼裝結構大致相似，但有突變點出現，局部位置的彎矩略大于通縫式拼裝結構，而相應軸力有所降低。
(2)在相同條件下，通縫式拼裝結構的位移量值要稍大于錯縫式拼裝結構，但絕對值增幅不大。
(3)在錯縫式拼裝時，盡管各種條件相同，但采用各種不同錯縫式拼裝方式時，結構襯砌內力和位移均有較大差異。