地铁盾构隧道管片结构受力特征模型试验研究
【摘 要】 以南京地铁区间盾构隧道为研究背景，通过大比例模型试验，对盾构隧道管片三种拼装方式的受力特征进行了深入研究。研究结果表明，拼装方式对管片受力特征有很大的影响，并提出了合理的管片拼装方式。
【关键词】 盾构隧道模型试验 管片拼装 通缝错缝
1前言
盾构法隧道衬砌结构是由若干弧形的管片拼装成环，然后每环之间逐一连接而成的，管片与管片、环与环之间通过螺栓或其他方式连接。管片的拼装力式有通缝和错缝两种。所有衬砌环的纵缝呈一直线的情况称之为通缝拼装；相邻两环间纵缝相互错开的情况称之为错缝拼装。不同的拼装方式必将对管片的受力特征有重大的影响。为探明在南京地区特定的地质条件下，不同管片拼装方式对管片受力特征的影响以及合理的管片拼装方式等问题，作者以南京地铁区间盾构隧道为研究背景，进行了考虑隧道与土体相互作用性的大比例尺模型试验研究。
2试验概况
2.1试验原型
隧道采用单层装配式钢筋混凝土管片衬砌，隧道内径5 500mm，管片厚350mm，宽1 200mm。
衬砌环分为6块，下部三块标准块的圆心角为67．5度，两邻接块的圆心角为68．0度，割顶块的圆心角为
11．5度。纵向接头16处，按22．5度等角度布置。分块图见图1。
图1 原型管片衬砌分块图
2．2相似材料
试验以几何相似比Cl=12和容重相似比Cr＝1为基础相似比，其他物理力学参数根据相似理论推围岩均采用特定比例的重晶石粉、石英砂、松香和凡士林的热融混合物模拟。这些混合材料在化学反应结束后，基本不受温度和湿度的影响，以高压方法加压成型，围岩模型和原型物理力学参数见1表管片混凝土采用水膏比为1：1．50的特种石膏材料，通过预制加工现场安装的方法模拟，力学指标以石膏终凝时的实验值为准，管片混凝土原型与模型的力学参数见表2；管片混凝土环向主筋的相似材料采用直径1．2miil的铁质材料通过原型与模型的等效抗弯日渡EA模拟。
表1 围岩模型和原型物理力学参数
全部试验在专门制作的台架式钢板试验模型槽内进行。试验模型槽用两组180工字钢对模型槽前后进行约束，其尺寸为2．8mxl．2mx0．2m，试体尺寸为0．517mx0．517mx0．200m，试验装置见图
2。试验时，将预先拼装好的模型管片埋人横向宽度为2．8m的地层相似材料中，管片的上部覆土深度为20Cm，下部深度为95cm，然后在相似材料的上面加上底部宽度为20cm的承载梁。在承载梁的上面用加载系统分级加载。加载至管片结构完全破坏。
2.4试验量测项目及方法
(1)管片内力
以11．25度为单位在管片周边典型位置布置测点，采用在管片内、外侧对称布设环向电阻应变片方式测读内外侧应变值，以此获得内外侧的应变后计算出管片的截面内力。一环管片总共布置了32个测点。
(2)管片环周边径向位移
以45度为单位在管片周边典型位置布置测点，用千分之一精度的差动变压器式位移计进行量测。一环管片总共布置了8个测点。
(3)围岩与管片间接触压力
以45度为单位在管片周边典型位置布置测点，用精密土压力盒量测围岩与管片间的接触压力。一环管片总共布置了8个测点。
(4)测点布置
各次试验的测点布置见图3。
2．5 试验系列
根据试验要求和试验的具体条件，在相同条件下按三种不同拼装方式进行试验。试验拼装方式见表4
3 试验结果整理与分析
试验结果包括管片内力、管片环周边径向位移和围岩与管片间的接触压力。所有结果都是试验值通过相似关系换算得到的原型值。将部分结果列于图4-图9。
根据试验结果可以得出如下分析：错缝拼装结构的轴力分布与通缝拼装大致相似，但有突变点出现，局部位置轴力有所降低：错缝45度管片最大轴力大于错缝22．5度管片最大轴力；错缝拼装结构中弯矩分布与通缝拼装大致相似，但也有突变点出现，局部位置弯矩略大于通缝拼装结构，45度大弯矩大于错缝22．5度管片的最大弯矩；通缝拼装结构位移量要稍大于错缝拼装结构，但增幅不大，45度错缝管片位移量小于22．5度错缝管片位移量；通缝拼装管片与周围土体压力呈对称分布，最大土压力小于错缝拼装，45度错缝拼装最大土压力最大，22．5度错缝错缝拼装时，所受土压力变化大。
4 结论
(1)在相同条件下，错缝式拼装结构中的内力分布总体规律与通缝式拼装结构大致相似，但有突变点出现，局部位置的弯矩略大于通缝式拼装结构，而相应轴力有所降低。
(2)在相同条件下，通缝式拼装结构的位移量值要稍大于错缝式拼装结构，但绝对值增幅不大。
(3)在错缝式拼装时，尽管各种条件相同，但采用各种不同错缝式拼装方式时，结构衬砌内力和位移均有较大差异。
