谈盾构隧道管片接头模型研究现状

郝晓斌

(同济大学结构工程与防灾研究所，上海 200092)

0 引言

盾构法隧道衬砌结构一般是由若干块弧形的管片通过螺栓或其他接头方式拼装而成的管片环。盾构隧道的接头性能对整条隧道有重要的作用，它在很大程度上决定了隧道结构的刚度与变形，也是隧道防水的重要环节。因此，针对盾构隧道接头的研究始终处于极其重要的位置。目前，国内对接头刚度的研究主要为接头试验研究和模型研究。接头试验说服力强，但经济成本大，模型研究相对广泛。

1 弹簧(弹性铰)模型法

此类模型用旋转弹簧、轴向弹簧及剪切弹簧模拟管片之间的接头部分，目前研究最多，应用最广泛的是包括中国设计规范在内的多国标准推荐使用的模型。由于接头的剪切刚度和轴向刚度对结构受力影响很小，转动刚度k 对受力影响很大，所以，弹簧模型研究多数集中在抗弯刚度模型。

根据接头的不同构造，学者提出了不同的接头力学模型。曾东洋等［1］和朱伟等［2］都考虑了受压混凝土作用，但前者将接头端面变形简化为两段直线，认为受压区混凝土和脱离区螺栓受拉形成接缝变形，建立如图1 所示模型，后者考虑传力衬垫和弹性密封橡胶因素，对接头受力分析得到接头抗弯刚度算法，进而简化为双直线抗弯刚度模型(见图2)。

图1 接头端面力学模型（一）

图2 接头端面力学模型（二）

还有学者如张厚美等［3］将接头板假定为不产生挠曲变形的刚性板，将衬垫及螺栓看作弹簧，对接缝两端均有衬垫作用的接头建立如图3 所示模型，此种模型即忽略接缝处混凝土受压影响。

2 接头单元法

与弹簧模型不同，接头单元可以模拟衬砌结构的不连续特性。盾构管片本身存在固有不连续接缝，接头单元法将管片离散为梁单元，而将两管片间的接头离散为接头单元。

朱合华、崔茂玉等［4］针对衬砌接头非线性、衬砌接头固有的非连续性提出了一种新型设计模型即梁—接头不连续模型，引进了古德曼单元的思想以期更好地解决接头非线性效应(见图4)。

图3 接头分析模型

许多学者应用古德曼单元思想发展了梁—接头不连续模型。图5 所示接头的每个节点考虑沿x 轴、y 轴、z 轴方向的线位移和沿z轴方向的角位移，这是朱伟等［5］采用古德曼单元思想将管片梁—接头模型中的不连续单元推广到三维提出了新型壳—接头弹簧模型。

图4 双节点接头单元

图5 三维壳—接头弹簧单元

董新平［6］提出了平面应力模型结合混凝土脆性破坏准则及不抗拉节理单元(Goodman 单元)作为接头分析计算模型，获得的结果能较好地逼近试验曲线(见图6)。

此外，也有研究者建立其他接头单元。刘学山［7］先从理论上推导出盾构隧道管片横向接头刚度，特别是抗弯刚度的表达式，然后代入接头单元的刚度矩阵，利用接头单元来模拟隧道接头的连接情况。孙金［8］将管片接缝处整体看作一种材料，建立一种薄层有限单元，并从双直线接头刚度模型给出此种单元的本构关系，避免了接缝构造复杂造成有限元模型建模困难(见图7)。

图6 董氏管片接头单元

图7 接头薄层单元

3 实体接触单元法

管片采用三维实体单元模拟(见图8)，管片接缝处用接触单元连接，可实现对接头性能的精细计算。

部分学者对直梁接头进行研究，例如曾东洋，何川［1］在对我国地铁单线区间盾构隧道衬砌结构及内力统计分析的基础上，引入面面接触单元和衬垫单元，采用三维有限元手段对盾构隧道管片纵向接头接缝端面转角和接头抗弯刚度进行了深入研究，通过转角、轴力、弯矩关系的拟合为接头抗弯刚度的确定提供参考。

部分学者采用弧形弯梁建模研究。廖少明等［9］为评价少筋钢纤维混凝土管片接头的力学性能，通过对管片采用实体单元模拟、连接螺栓采用杆单元模拟、两个接触面考虑接触关系，对管片接头及手孔在施工及使用阶段的局部应力进行了三维非线性有限元数值模拟试验(见图9)。

图8 管片三维模型示意图

图9 弧形管片有限元模型

张雪健，朱合华等［10］对管片接头建立三维数值模型，模拟了管片接头在正负弯矩作用下变形至破坏的全过程，并对三维有限元模拟混凝土本构选取以及模型边界条件处理提出建议。

4 结语

建立模型是研究盾构隧道管片接头力学性能的有效方法，其中弹簧(弹性铰)模型由于简便易懂，方便工程设计而研究最多，并且主要集中在接头抗弯刚度取值研究;梁—接头不连续模型研究更能体现盾构衬砌管片非连续特性，研究相对较少但体现了接头模型研究的先进方向;实体接触单元法精细直接，随着计算机性能提高，已成为接头力学性能研究中的常用方法，但多要相应试验作为支撑，而且需处理好接触、边界及计算收敛等问题。

［1］曾东洋，何 川.地铁盾构隧道管片接头抗弯刚度的数值计算［J］.西南交通大学学报，2004，39(6) :744-748.

［2］朱 伟，钟小春，秦建设.盾构衬砌管片接头力学分析及双直线刚度模型研究［J］.岩土力学，2006，27(12):2154-2158.

［3］张厚美，过 迟，付德明.圆形隧道装配式衬砌接头刚度模型研究［J］.岩土工程学报，2000，22(3) :309-313.

［4］朱合华，崔茂玉，杨金松.盾构衬砌管片的设计模型与荷载分布的研究［J］.岩土工程学报，2000，22(2) :190-194.

［5］朱 伟，黄正荣，梁精华.盾构衬砌管片的壳—弹簧设计模型研究［J］.岩土工程学报，2006，28(8) :940-947.

［6］董新平.极限荷载条件下盾构管片接头模型比较研究［J］.岩土工程学报，2013，35(6) :1178-1182.

［7］刘学山.盾构隧道管片横向接头刚度对内力影响的研究［J］.现代隧道技术，2003，40(4) :14-19.

［8］孙 金.盾构隧道装配式管片接头有限元分析方法［J］.岩土工程界，2009(8) :52-55.

［9］廖少明，闫治国，宋 博.钢纤维管片接头局部应力的数值模拟试验［J］.岩土工程学报，2006，28(5) :653-659.

［10］张雪健，庄晓莹，朱合华.盾构隧道管片接头三维数值模型边界条件研究［J］.隧道建设，2014，34(sup) :153-158.