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盾构隧道新型衬砌结构设计参数试验研究

（上海轨道交通十八号线发展有限公司）

管片接头是盾构隧道装配式衬砌管片的重要组成部分，接头的性能、经济性直接决定整个衬砌结构功能的发挥和建设成本。目前国内盾构隧道衬砌基本都使用螺栓作为连接件，包括短直螺栓、长直螺栓、弯螺栓、斜螺栓等。上海轨道交通18号线（下称“18号线”）盾构隧道新型衬砌结构环间采用了新型插入式快速接头，块间采用新型滑入式快速接头，衬砌结构受力性能尚不明确。为了确保衬砌结构的安全，需要系统地研究运营期管片结构的实际承载状态。为确定18号线衬砌结构的实际响应能力，验证衬砌结构设计的合理性，并为同类结构设计提供参考，有必要进行1∶1整环足尺试验。
盾构隧道衬砌设计大多采用修正惯用法进行。目前在国内外错缝拼装盾构隧道管片结构设计中，修正惯用法的计算参数弯曲刚度有效率（η）和错缝弯矩传递系数（ζ）大多凭借以往工程经验确定；也有学者进行模型试验研究，如日本土木工程师协会（JSCE）基于大量的工程经验和地上试验结果，推荐使用0.6≤η≤0.8，0.3≤ζ≤0.5；曹文宏等基于模型试验得出了隧道变形与荷载呈现明显线弹性关系的结论，得到了错缝拼装情况下η取值分别为0.67和0.75。上述经验取值是否适用于18号线新型衬砌结构尚需考证。
本文旨在通过整环试验了解新型衬砌结构在既定荷载条件下真实的结构内力和变形，并藉此得到不同隧道埋深、侧压力系数、纵向力下修正惯用法设计计算参数的取值，为新型衬砌结构的设计提供支持和依据。
1试验方案
1.1试验试件
试件采用18号线原型管片，衬砌环外径6600mm，内径5900mm，管片厚度350mm，环宽1200mm。管片采用C55混凝土和HRB400钢筋，全环由1块封顶块（F），2块邻接块（L1、L2），3块标准块（B1、B2、B3）组成。
试件块与块间采用滑入式快速连接件连接，每环沿环宽方向设置2个连接件；环与环间采用插入式快速连接件连接，盾构隧道圆形截面每隔22.5°设1个连接件。环缝接头和纵缝接头均为平面式，不设凹凸榫槽及定位棒。
试验衬砌环为环宽1200mm的中全环及环宽600mm的上、下半环拼装而成的三环结构，采用A/B错缝拼装，上半环相对中全环、中全环相对下半环封顶块均旋转了45°，如图1所示。

1.2加载装置
加载设备主要由水平加载装置、竖向加载装置和滑动支座组成（见图2）。

水平加载装置为千斤顶与中间钢环构成的自平衡加载系统，用于模拟隧道横向所受水土荷载、地层抗力等。
纵向加载装置由2个张拉千斤顶及对应拉索组成，用于模拟盾构机顶进之后残余的顶推力。
滑动支座用于保证试验管片的正常位移，减小结构与地面摩擦阻力。
试验中通过对隧道实际运营状态均布荷载下和集中荷载下隧道结构的变形、内力的比较，基于变形和控制截面内力等效的原则用以设计各千斤顶的顶力，实现对实际运营工况的模拟。
1.3试验工况
试验根据18号线浅埋（埋深10m）、中埋（埋深15m）、深埋（埋深20m）3种埋深运营工况进行设计，每个埋深考虑0.71和0.65两种侧压力系数；对埋深15m、侧压力系数为0.71的工况还考虑了0.075和0.15两种纵向力系数。试验工况见表1。

比较工况1、4、6或工况2、5可探讨不同埋深的影响；比较工况1、2或工况4、5可探讨不同侧压力的影响；比较工况3、4，可探讨不同纵向力的影响。
1.4加载方案
试验采用荷载控制的加载方式，各组千斤顶同步加载，分别按照设计荷载的0.20、0.40、0.60、0.70、0.80、0.85、0.90、0.95、1.00倍分9步加载至设计荷载；卸载时各组千斤顶分5步同步均匀卸载，每步卸载量均为设计荷载的0.20倍。
1.5测试方案
为探究新型衬砌结构在设计状态下的结构变形及内力，试验中测量和测试的内容包括结构收敛变形、主筋应变、混凝土应变，同时观测各级荷载下管片表面裂缝及接缝破损的发展情况。
2主要试验结果
根据试验结果，叙述各工况设计验算点下结构裂缝发展情况、结构收敛变形、结构内力。
2.1管片裂缝
加载过程中，结构在腰部外弧面对应相邻环接缝的截面易出现受弯裂缝：中全环裂缝集中在90°～100°外弧面，270°～280°外弧面；上、下半环裂缝集中在80°～90°外弧面，260°～280°外弧面。裂缝沿管片纵向平直分布，间距为10～20cm，宽度在0.02～0.20mm间，最大裂缝宽度出现在工况6的90°外弧面，达到了0.20mm。
各工况加载过程中，结构内弧面始终未出现裂缝。各工况结构中全环最大裂缝宽度及分布位置如表2所示。

2.2结构收敛变形
各设计工况结构收敛变形具有相同的趋势，呈“横鸭蛋式”（见图3），顶底向内收敛，腰部向外扩张，顶底和腰部收敛变形大小具有一致性。
顶底与腰部变形值见表3。

2.3结构内力
根据有限元预分析的结果，选取10个内力控制截面布设电阻应变片，测量主筋及混凝土表面应变；每个内力控制截面布设16个主筋应变片及8个混凝土应变片；在控制截面疏松处，适当加密应变片的布置。
进行内力计算时，假设截面应变满足“平截面假定”，根据测得的混凝土及主筋应变进行内力计算，得到衬砌结构在各设计工况下的控制截面内力。以工况5为例，轴力、弯矩如图4、图5所示。
3新型衬砌结构设计参数
3.1弯矩传递系数
取中全环在相邻环接缝位置处的截面进行计算，计算所有6个弯矩传递截面的弯矩传递系数。弯矩传递截面如图6所示。
弯矩传递后管片本体的弯矩是可测的，因此定义针对某一接缝截面的弯矩传递系数计算如下：

以工况6为例，计算弯矩传递系数ζ。将均质圆环模型计算得到的弯矩、轴力理论值与试验得到的实测值进行比较，结果见图7、图8。
比较弯矩传递截面均质圆环模型与整环试验测试得到的弯矩。根据式（1）计算得到工况6下结构各条接缝的弯矩传递系数，取最大值为该工况的弯矩传递系数ζ，即为0.09。工况1～5的计算过程与工况6基本相同。各工况截面的弯矩传递系数见表4。

3.2弯曲刚度有效率
根据修正惯用法中对于弯曲刚度有效率的定义，在数值模拟计算中通过将无接头衬砌环的刚度EI进行折减。根据经验，混凝土刚度折减系数分别取0.90、0.85、0.80、0.75、0.70、0.65、0.60，使其变形与相同条件下带接头的衬砌环的变形一致，则该折减系数即为弯曲刚度的有效率（见图9）。
定义当模型椭圆度与试验差值在20％以内、水平或竖直方向最大变形差值在10％以内时，模型与试验变形是一致的。此时模型的刚度折减系数即为结构的弯曲刚度有效率。
各工况截面的弯曲刚度有效率η见表5。

4结语
根据18号线新型衬砌结构正常运营工况的足尺试验研究，得到以下结论：
1）各正常运营工况下，结构最大裂缝宽度、收敛变形均能满足设计要求；计算得到的内力分布符合实际，可供设计时参考。
2）给出了各设计工况下的弯矩传递系数ζ及弯曲刚度有效率η的建议取值，可供设计时参考。
文章来源：（中国知网）

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