地鐵盾構(gòu)隧道抗彎剛度有效率的模型試驗(yàn)研究

楊 茜， 羅玉屏， 張振波， 王澤洋

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，河北 石家莊 050043)

城市地鐵盾構(gòu)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(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的橫縱向剛度產(chǎn)生不利影響。在現(xiàn)階段盾構(gòu)隧道管片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中，修正慣用法認(rèn)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(zhì)管片的抗彎剛度)。

針對(duì)剛度有效率η這個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，很多學(xué)者展開試驗(yàn)研究。黃宏偉等[1]進(jìn)行了2環(huán)盾構(gòu)隧道橫向加載試驗(yàn)，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(duì)上海地鐵盾構(gòu)隧道進(jìn)行研究，認(rèn)為通縫、錯(cuò)縫拼裝時(shí)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(gòu)隧道橫向加載試驗(yàn)，試驗(yàn)表明通縫、錯(cuò)縫拼裝時(shí)橫向剛度有效率的范圍分別為0.10～0.19和0.30～0.61，錯(cuò)縫拼裝可以更好的提高管片整體剛度；徐凌[3]進(jìn)行了50環(huán)隧道模型加載試驗(yàn)，試驗(yàn)表明通縫、錯(cuò)縫縱向剛度分別為完全均質(zhì)隧道的1/8.77和1/7.69，部分均質(zhì)隧道縱向剛度為完全均質(zhì)隧道的1/6.90；葉飛等[4]采用有機(jī)玻璃模擬管片結(jié)構(gòu)，鋼質(zhì)和鋁質(zhì)焊絲模擬環(huán)向和環(huán)間接頭，研究了25環(huán)通縫、錯(cuò)縫和均質(zhì)盾構(gòu)隧道的縱向變形，認(rèn)為隧道縱向變形與荷載基本呈線性關(guān)系，通縫、錯(cuò)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(jì)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(hào)線實(shí)際工程對(duì)錯(cuò)縫拼接和均質(zhì)隧道進(jìn)行室內(nèi)加載試驗(yàn)，得到錯(cuò)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(gòu)隧道為研究對(duì)象，采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，通過2環(huán)盾構(gòu)隧道管片橫向與21環(huán)盾構(gòu)隧道管片縱向加載室內(nèi)試驗(yàn)，研究了隧道橫、縱向剛度有效率的取值。

1 試驗(yàn)方案

室內(nèi)模型試驗(yàn)相似比為1∶25，盾構(gòu)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(cuò)縫拼裝，管片分塊示意圖如圖1所示，錯(cuò)縫拼裝位置如圖2所示。

1.1 試驗(yàn)材料

管片混凝土采用高強(qiáng)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(xiàn)[6]和[7]，接頭的受力模式主要為受彎，因此只考慮轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)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(duì)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(guān)系和材料拉伸試驗(yàn)，選用?3.2 mm的J50鐵焊絲作為縱向螺栓的相似材料，材料對(duì)比見表2。

表1 環(huán)向接頭對(duì)應(yīng)槽縫深度

表2 管片縱向接頭對(duì)照表

1.2 試驗(yàn)流程

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

1.2.1 橫向加載試驗(yàn)

多方加載更能反映隧道真實(shí)的受力狀態(tài)，但考慮到本試驗(yàn)主要研究隧道結(jié)構(gòu)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(jiǎn)單的單向加載方式。橫向加載試驗(yàn)具體試驗(yàn)步驟為：制備、拼裝、固定襯砌管片→安裝監(jiān)測(cè)儀器→加載→分級(jí)加載→記錄分析數(shù)據(jù)。

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

測(cè)試試驗(yàn)管片在荷載作用下的徑向位移，測(cè)點(diǎn)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(diào)準(zhǔn)中心位置后加載，共分6級(jí)，每級(jí)荷載按照2倍速增長(zhǎng)，初級(jí)荷載為12.75 N，第6級(jí)荷載為127.5 N，每一級(jí)荷載待結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定后記錄數(shù)值。重復(fù)3次以上加載、卸載步驟，加載過程見圖4。

圖1 盾構(gòu)隧道分塊示意圖 圖2 錯(cuò)縫拼接位置圖 圖3 測(cè)點(diǎn)布置

圖4 橫向加載試驗(yàn)過程

1.2.2 縱向加載試驗(yàn)

文獻(xiàn)[4]認(rèn)為拼裝方式對(duì)于管片縱向力學(xué)性能的影響有限，因此不再進(jìn)行通縫和錯(cuò)縫拼裝方式的對(duì)比試驗(yàn)?？v向加載試驗(yàn)管片為21片，長(zhǎng)度為1 050 mm，管片固定在兩個(gè)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(cè)點(diǎn)1～5上部，與管片保持垂直，如圖5所示。目前模型試驗(yàn)的常用方法是在隧道中部施加集中荷載，因此本試驗(yàn)亦采取中部加載方式，加載步驟與橫向加載試驗(yàn)基本相同。

試驗(yàn)共進(jìn)行6級(jí)加載，初級(jí)荷載為100 N，每級(jí)荷載增加50 N，加載卸載過程同橫向加載試驗(yàn)，加載過程見圖6。

圖5 管片制作及測(cè)點(diǎn)布置

圖6 縱向加載試驗(yàn)過程

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 橫向加載試驗(yàn)結(jié)果

將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過相似比轉(zhuǎn)換成實(shí)際結(jié)果，得到2環(huán)錯(cuò)縫拼裝管片與均質(zhì)管片的結(jié)構(gòu)荷載—變形曲線，其中管片向外位移為正，向內(nèi)位移為負(fù)。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(guān)系(各曲線擬合成過原點(diǎn)的直線)。通過計(jì)算得到了各擬合直線的斜率，各曲線的斜率之比是其對(duì)應(yīng)橫向抗彎剛度的反比，因此，根據(jù)均質(zhì)管片剛度和錯(cuò)縫拼裝管片剛度的比例關(guān)系，得到了錯(cuò)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(cuò)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(yàn)結(jié)果

將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過相似比轉(zhuǎn)換成實(shí)際結(jié)果，得到各測(cè)點(diǎn)的荷載—位移曲線，各測(cè)點(diǎn)變化趨勢(shì)相同，其測(cè)點(diǎn)3的變化狀況見圖8。均質(zhì)管片、錯(cuò)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(gòu)隧道的縱向抗彎剛度。用錯(cuò)縫拼接管片在同一測(cè)點(diǎn)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(jí)荷載作用下的縱向剛度有效率，具體見圖10。

圖8 測(cè)點(diǎn)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(gòu)隧道在彈性范圍內(nèi)縱向剛度有效率隨荷載的增加而逐漸減小，錯(cuò)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(yàn)結(jié)果分析

目前有許多文獻(xiàn)[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(yàn)兩種方法，文獻(xiàn)[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(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[9]主要采用的是模型試驗(yàn)，在0.30～0.75之間。本次試驗(yàn)得到的錯(cuò)縫拼接隧道橫向抗彎剛度有效率的取值與其他學(xué)者的試驗(yàn)結(jié)果較為相近，存在差異的原因主要是研究方法、試驗(yàn)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(jié)論為0.07～0.30，理論解析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比較小[3,4,5,10,11]，差異的產(chǎn)生主要受計(jì)算模型、試驗(yàn)材料、結(jié)構(gòu)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(jī)理上進(jìn)行更多的研究。

3 結(jié)論

本文開展了盾構(gòu)隧道管片橫向與縱向加載室內(nèi)試驗(yàn)，通過錯(cuò)縫拼裝管片與均質(zhì)管片對(duì)比試驗(yàn)得到了隧道橫向和縱向剛度的有效率，結(jié)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(yàn)位移對(duì)比分析，得到了錯(cuò)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。