地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)受力特征模型試驗研究


【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，對盾構(gòu)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(jié)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(guān)鍵詞】 盾構(gòu)隧道模型試驗 管片拼裝 通縫錯縫

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(qū)特定的地質(zhì)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(qū)間盾構(gòu)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(nèi)徑5 500mm，管片厚350mm，寬1 200mm。
襯砌環(huán)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(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)場安裝的方法模擬，力學(xué)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(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)

全部試驗在專門制作的臺架式鋼板試驗?zāi)Ｐ筒蹆?nèi)進行。試驗?zāi)Ｐ筒塾脙山M180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(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)分級加載。加載至管片結(jié)構(gòu)完全破壞。

2.4試驗量測項目及方法
(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點，采用在管片內(nèi)、外側(cè)對稱布設(shè)環(huán)向電阻應(yīng)變片方式測讀內(nèi)外側(cè)應(yīng)變值，以此獲得內(nèi)外側(cè)的應(yīng)變后計算出管片的截面內(nèi)力。一環(huán)管片總共布置了32個測點。
(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點，用千分之一精度的差動變壓器式位移計進行量測。一環(huán)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(huán)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(jù)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(jié)果整理與分析
試驗結(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)試驗結(jié)果可以得出如下分析：錯縫拼裝結(jié)構(gòu)的軸力分布與通縫拼裝大致相似，但有突變點出現(xiàn)，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(jié)構(gòu)中彎矩分布與通縫拼裝大致相似，但也有突變點出現(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)位移量要稍大于錯縫拼裝結(jié)構(gòu)，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(jié)論
(1)在相同條件下，錯縫式拼裝結(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縫式拼裝結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)襯砌內(nèi)力和位移均有較大差異。