地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)受力特征模型試驗(yàn)研究


【摘 要】 以南京地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道為研究背景，通過大比例模型試驗(yàn)，對(duì)盾構(gòu)隧道管片三種拼裝方式的受力特征進(jìn)行了深入研究。研究結(jié)果表明，拼裝方式對(duì)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(guān)鍵詞】 盾構(gòu)隧道模型試驗(yàn) 管片拼裝 通縫錯(cuò)縫

1前言
盾構(gòu)法隧道襯砌結(jié)構(gòu)是由若干弧形的管片拼裝成環(huán)，然后每環(huán)之間逐一連接而成的，管片與管片、環(huán)與環(huán)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(cuò)縫兩種。所有襯砌環(huán)的縱縫呈一直線的情況稱之為通縫拼裝；相鄰兩環(huán)間縱縫相互錯(cuò)開的情況稱之為錯(cuò)縫拼裝。不同的拼裝方式必將對(duì)管片的受力特征有重大的影響。為探明在南京地區(qū)特定的地質(zhì)條件下，不同管片拼裝方式對(duì)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(qū)間盾構(gòu)隧道為研究背景，進(jìn)行了考慮隧道與土體相互作用性的大比例尺模型試驗(yàn)研究。
2試驗(yàn)概況
2.1試驗(yàn)原型
隧道采用單層裝配式鋼筋混凝土管片襯砌，隧道內(nèi)徑5 500mm，管片厚350mm，寬1 200mm。
襯砌環(huán)分為6塊，下部三塊標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)以幾何相似比Cl=12和容重相似比Cr＝1為基礎(chǔ)相似比，其他物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)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(xué)反應(yīng)結(jié)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(xué)參數(shù)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(yù)制加工現(xiàn)場(chǎng)安裝的方法模擬，力學(xué)指標(biāo)以石膏終凝時(shí)的實(shí)驗(yàn)值為準(zhǔn)，管片混凝土原型與模型的力學(xué)參數(shù)見表2；管片混凝土環(huán)向主筋的相似材料采用直徑1．2miil的鐵質(zhì)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(xué)參數(shù)

全部試驗(yàn)在專門制作的臺(tái)架式鋼板試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒蹆?nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒塾脙山M180工字鋼對(duì)模型槽前后進(jìn)行約束，其尺寸為2．8mxl．2mx0．2m，試體尺寸為0．517mx0．517mx0．200m，試驗(yàn)裝置見圖
2。試驗(yàn)時(shí)，將預(yù)先拼裝好的模型管片埋人橫向?qū)挾葹?．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(tǒng)分級(jí)加載。加載至管片結(jié)構(gòu)完全破壞。

2.4試驗(yàn)量測(cè)項(xiàng)目及方法
(1)管片內(nèi)力
以11．25度為單位在管片周邊典型位置布置測(cè)點(diǎn)，采用在管片內(nèi)、外側(cè)對(duì)稱布設(shè)環(huán)向電阻應(yīng)變片方式測(cè)讀內(nèi)外側(cè)應(yīng)變值，以此獲得內(nèi)外側(cè)的應(yīng)變后計(jì)算出管片的截面內(nèi)力。一環(huán)管片總共布置了32個(gè)測(cè)點(diǎn)。
(2)管片環(huán)周邊徑向位移
以45度為單位在管片周邊典型位置布置測(cè)點(diǎn)，用千分之一精度的差動(dòng)變壓器式位移計(jì)進(jìn)行量測(cè)。一環(huán)管片總共布置了8個(gè)測(cè)點(diǎn)。
(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(cè)點(diǎn)，用精密土壓力盒量測(cè)圍巖與管片間的接觸壓力。一環(huán)管片總共布置了8個(gè)測(cè)點(diǎn)。
(4)測(cè)點(diǎn)布置
各次試驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)布置見圖3。

2．5 試驗(yàn)系列
根據(jù)試驗(yàn)要求和試驗(yàn)的具體條件，在相同條件下按三種不同拼裝方式進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)拼裝方式見表4

3 試驗(yàn)結(jié)果整理與分析
試驗(yàn)結(jié)果包括管片內(nèi)力、管片環(huán)周邊徑向位移和圍巖與管片間的接觸壓力。所有結(jié)果都是試驗(yàn)值通過相似關(guān)系換算得到的原型值。將部分結(jié)果列于圖4-圖9。

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

4 結(jié)論
(1)在相同條件下，錯(cuò)縫式拼裝結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力分布總體規(guī)律與通縫式拼裝結(jié)構(gòu)大致相似，但有突變點(diǎn)出現(xiàn)，局部位置的彎矩略大于通縫式拼裝結(jié)構(gòu)，而相應(yīng)軸力有所降低。
(2)在相同條件下，通縫式拼裝結(jié)構(gòu)的位移量值要稍大于錯(cuò)縫式拼裝結(jié)構(gòu)，但絕對(duì)值增幅不大。
(3)在錯(cuò)縫式拼裝時(shí)，盡管各種條件相同，但采用各種不同錯(cuò)縫式拼裝方式時(shí)，結(jié)構(gòu)襯砌內(nèi)力和位移均有較大差異。