地铁盾构隧道抗弯刚度有效率的模型试验研究

杨 茜， 罗玉屏， 张振波， 王泽洋

(1.石家庄铁道大学土木工程学院，河北 石家庄 050043；2.石家庄铁道大学交通运输学院，河北 石家庄 050043)

城市地铁盾构隧道是由多环管片通过环向与纵向螺栓拼接而成，螺栓会对隧道结构的横纵向刚度产生不利影响。在现阶段盾构隧道管片的结构设计方法中，修正惯用法认为隧道接缝处的接头降低了整环管片的刚度，利用刚度折减系数即刚度有效η来描述管片整体刚度为ηEI(EI为均质管片的抗弯刚度)。

针对刚度有效率η这个关键指标，很多学者展开试验研究。黄宏伟等[1]进行了2环盾构隧道横向加载试验，采用PE材料模拟管片，证明了隧道刚度有效率为一常数，并对上海地铁盾构隧道进行研究，认为通缝、错缝拼装时隧道横向刚度有效率分别是0.67和0.75；孙海东[2]开展了3环盾构隧道横向加载试验，试验表明通缝、错缝拼装时横向刚度有效率的范围分别为0.10～0.19和0.30～0.61，错缝拼装可以更好的提高管片整体刚度；徐凌[3]进行了50环隧道模型加载试验，试验表明通缝、错缝纵向刚度分别为完全均质隧道的1/8.77和1/7.69，部分均质隧道纵向刚度为完全均质隧道的1/6.90；叶飞等[4]采用有机玻璃模拟管片结构，钢质和铝质焊丝模拟环向和环间接头，研究了25环通缝、错缝和均质盾构隧道的纵向变形，认为隧道纵向变形与荷载基本呈线性关系，通缝、错缝拼装隧道纵向抗弯刚度有效率范围分别为0.18～0.39和0.20～0.40；钟小春等[5]用梁—弹簧模型和修正法计算管片的水平位移，并以最大水平位移为判别条件得到了管片刚度有效率；郭一帆[6]用PVC管模拟管片，用PE板和螺丝模拟环间接头，模拟南京地铁一号线实际工程对错缝拼接和均质隧道进行室内加载试验，得到错缝拼接隧道的抗弯刚度有效率平均为0.19，取值范围为0.15～0.26之间。

本文以城市地铁单线单洞盾构隧道为研究对象，采用荷载-结构模型，通过2环盾构隧道管片横向与21环盾构隧道管片纵向加载室内试验，研究了隧道横、纵向刚度有效率的取值。

1 试验方案

室内模型试验相似比为1∶25，盾构隧道管片外径为250 mm，厚度为15 mm，环宽为50 mm，分别制作2环和21环隧道模型，管片间采用错缝拼装，管片分块示意图如图1所示，错缝拼装位置如图2所示。

1.1 试验材料

管片混凝土采用高强石膏硅藻土混合材料，水∶石膏∶硅藻土=1∶1.8∶0.1，管片环向主筋为弹性模量E=1.82×104MPa、直径为0.4 mm的铁丝模拟管片主筋。根据文献[6]和[7]，接头的受力模式主要为受弯，因此只考虑转动刚度对环向接头的影响，通过在接头位置开槽减小管片横截面的惯性矩I来模拟环向螺栓对于管片抗弯刚度的影响，开槽位置见表1。同样，纵向螺栓的弹性模量为41.2 GPa，根据相似理论关系和材料拉伸试验，选用∅3.2 mm的J50铁焊丝作为纵向螺栓的相似材料，材料对比见表2。

表1 环向接头对应槽缝深度

表2 管片纵向接头对照表

1.2 试验流程

试验研究管片横、纵向接头抗弯刚度有效率，分别进行管片横向加载与纵向加载试验。

1.2.1 横向加载试验

多方加载更能反映隧道真实的受力状态，但考虑到本试验主要研究隧道结构在弹性阶段的变形状况，以此得到隧道横向刚度的有效范围，因此采用较为简单的单向加载方式。横向加载试验具体试验步骤为：制备、拼装、固定衬砌管片→安装监测仪器→加载→分级加载→记录分析数据。

均质管片和错缝拼接管片均为2环管片，长度100 mm，安装在自制混凝土支座上，支座的长×宽×高为150 mm×150 mm×50 mm。

测试试验管片在荷载作用下的径向位移，测点布置及加载示意见图3。在模型顶部圆弧段上方放置砝码盘并调准中心位置后加载，共分6级，每级荷载按照2倍速增长，初级荷载为12.75 N，第6级荷载为127.5 N，每一级荷载待结构变形稳定后记录数值。重复3次以上加载、卸载步骤，加载过程见图4。

图1 盾构隧道分块示意图 图2 错缝拼接位置图 图3 测点布置

图4 横向加载试验过程

1.2.2 纵向加载试验

文献[4]认为拼装方式对于管片纵向力学性能的影响有限，因此不再进行通缝和错缝拼装方式的对比试验。纵向加载试验管片为21片，长度为1 050 mm，管片固定在两个混凝土支座上，管片与支座接触为1环的宽度。千分表安装在测点1～5上部，与管片保持垂直，如图5所示。目前模型试验的常用方法是在隧道中部施加集中荷载，因此本试验亦采取中部加载方式，加载步骤与横向加载试验基本相同。

试验共进行6级加载，初级荷载为100 N，每级荷载增加50 N，加载卸载过程同横向加载试验，加载过程见图6。

图5 管片制作及测点布置

图6 纵向加载试验过程

2 试验结果与分析

2.1 横向加载试验结果

将监测数据通过相似比转换成实际结果，得到2环错缝拼装管片与均质管片的结构荷载—变形曲线，其中管片向外位移为正，向内位移为负。见图7。

图7 管片荷载-变形曲线

从图7可以看出，管片各位置的变形与荷载基本呈线性关系(各曲线拟合成过原点的直线)。通过计算得到了各拟合直线的斜率，各曲线的斜率之比是其对应横向抗弯刚度的反比，因此，根据均质管片刚度和错缝拼装管片刚度的比例关系，得到了错缝拼装管片横向刚度有效率η1，见表3。在集中力荷载作用下，错缝拼接下管片横向抗弯刚度的有效率约为0.76。

表3 变形曲线斜率及横向刚度有效率

2.2 纵向加载试验结果

将监测数据通过相似比转换成实际结果，得到各测点的荷载—位移曲线，各测点变化趋势相同，其测点3的变化状况见图8。均质管片、错缝拼接管片的最终变形曲线如图9所示。

图8中显示出管片的位移随其所受荷载基本呈线性增大，图9显示位移随距离荷载位置增大逐步减小，纵向接头的存在减小了盾构隧道的纵向抗弯刚度。用错缝拼接管片在同一测点的位移比值作为管片纵向抗弯刚度有效率，得到了荷载在跨中位置在各级荷载作用下的纵向刚度有效率，具体见图10。

图8 测点3管片荷载-位移曲线 图9 管片纵向最终沉降曲线 图10 管片纵向抗弯刚度有效率

由图10可以看出，盾构隧道在弹性范围内纵向刚度有效率随荷载的增加而逐渐减小，错缝拼接隧道纵向抗弯刚度有效率在0.20～0.35之间。

2.3 试验结果分析

目前有许多文献[3,5,8,9]从不同角度研究横向抗弯刚度有效率，主要是理论解析和模型试验两种方法，文献[5]和[8]主要采用的理论解析方法，范围在0.4～0.8左右；文献[3]和文献[9]主要采用的是模型试验，在0.30～0.75之间。本次试验得到的错缝拼接隧道横向抗弯刚度有效率的取值与其他学者的试验结果较为相近，存在差异的原因主要是研究方法、试验材料、地层条件和加载方式的不同。纵向抗弯刚度有效率的研究结论为0.07～0.30，理论解析结果与试验结果相比较小[3,4,5,10,11]，差异的产生主要受计算模型、试验材料、结构与土层之间的受力情况等影响，特别是理论分析模型，需要在纵向受力机理上进行更多的研究。

3 结论

本文开展了盾构隧道管片横向与纵向加载室内试验，通过错缝拼装管片与均质管片对比试验得到了隧道横向和纵向刚度的有效率，结果显示：

(1)隧道各位置的变形与荷载基本呈线性变化。

(2)通过试验位移对比分析，得到了错缝拼装隧道横向抗弯刚度有效率为0.76，纵向抗弯刚度有效率为0.20～0.35。