大斷面水下盾構(gòu)隧道橫向剛度能效的原型試驗(yàn)研究

大斷面水下盾構(gòu)隧道橫向剛度能效的原型試驗(yàn)研究

0正征用法公式由于名稱清晰、計(jì)算簡(jiǎn)單，這種改進(jìn)的通用方法適用于結(jié)構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)和研究。在該方法中，引入了剛調(diào)系數(shù)，即結(jié)構(gòu)橫向剛性，它代表了通過折疊和減去管座襯底環(huán)的總彎曲能力，包括環(huán)的方向和垂直連接），導(dǎo)致管座圍阻止結(jié)構(gòu)的總彎曲性能。對(duì)于大斷面水下盾構(gòu)隧道,采用修正慣用法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的問題主要存在于兩點(diǎn):其一,由于結(jié)構(gòu)尺寸(斷面、厚度、幅寬等)增大,導(dǎo)致一般地鐵隧道的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不適用;其二,結(jié)構(gòu)開裂工作狀態(tài)無法精確模擬,從而造成設(shè)計(jì)的不經(jīng)濟(jì)。采用修正慣用法計(jì)算的關(guān)鍵在于η的確定,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于η開展了許多研究。MuirWood等針對(duì)等分塊襯砌環(huán)提出了等效剛度建議公式,并給出了“橢圓形”初始土壓力的計(jì)算公式。劉建航等根據(jù)MuirWood提出的圍巖壓力公式,假定圓形隧道的形變模式為橢圓形,給出了η的彈性解析公式。Lee等假定了軟土淺埋隧道的荷載模式,提出了η的迭代解析方法,并通過模型試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證;同時(shí),認(rèn)為η與隧道半徑、管片厚度、地層抗力系數(shù)、接頭剛度等有關(guān),并針對(duì)均分管片環(huán)引入接頭剛度折減系數(shù)λ,給出了均分管片環(huán)η的計(jì)算式。鐘小春等采用最大水平位移等效的方法,從梁–彈簧模型的結(jié)果反推出η,并認(rèn)為荷載類型及拼裝方式對(duì)于η的影響不大。黃宏偉等針對(duì)上海地鐵2號(hào)線進(jìn)行了模型試驗(yàn),得出了該工程具體條件下通縫與錯(cuò)縫拼裝時(shí)的η值,錯(cuò)縫比通縫的η高約12%。上述研究多針對(duì)軟土條件下的淺埋地鐵盾構(gòu)隧道,所提出的解析公式多針對(duì)均分管片環(huán)等特殊結(jié)構(gòu),且對(duì)錯(cuò)縫與通縫情況下η的變化探討較少且結(jié)論不一。許多日本學(xué)者建議采用整環(huán)加載試驗(yàn)的方法來確定η。Uchida在東京灣高速公路隧道的設(shè)計(jì)中采用了勻質(zhì)圓環(huán)模型,采用η=0.8,并于隨后進(jìn)行了整環(huán)原型加載試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。由于大斷面水下盾構(gòu)隧道斷面大、埋深大、水壓高,常采用厚型、寬幅管片襯砌,受荷模式復(fù)雜,其接頭傳力機(jī)制多變。對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)型式、荷載水平、拼裝情況采用統(tǒng)一的kθ來求解η是不全面的,對(duì)于同一管片環(huán)不同位置的接頭,采用同一個(gè)kθ,也是不合理的。因此,大斷面水下盾構(gòu)隧道η的確定不同于淺埋地鐵隧道,目前可供參考較少且尚無成熟的研究方法。1結(jié)構(gòu)整體剛度對(duì)于結(jié)構(gòu)橫向剛度有效率的影響因素,上述研究均有不同程度的探討,可歸為三大類,即:(1)荷載模式及荷載水平;(2)結(jié)構(gòu)型式:包括管片材料、尺寸、分塊方式、接頭細(xì)部構(gòu)造等;(3)拼裝方式。從受荷模式來看,淺埋地鐵隧道主要以土壓作為主導(dǎo)因素,而大斷面水下盾構(gòu)隧道則往往以水壓為結(jié)構(gòu)性態(tài)的控制因素,水壓增大,有助于結(jié)構(gòu)整體剛度的增加。從拼裝方式來看,錯(cuò)縫拼裝由于環(huán)間的咬接作用強(qiáng),使得結(jié)構(gòu)整體剛度增加。而對(duì)于非均分塊管片環(huán)及“小封頂塊”型式,存在明顯的剛度削弱區(qū),拼裝方式對(duì)于η的影響更為顯著。從結(jié)構(gòu)型式來看,從理想的勻質(zhì)圓環(huán)體到真實(shí)的隧道結(jié)構(gòu),其關(guān)鍵在于環(huán)縫與縱縫的存在。研究表明,不同的分塊方式下,接頭的分布方式不一,結(jié)構(gòu)剛度不同,而環(huán)、縱接頭剛度的變化,對(duì)于結(jié)構(gòu)整體剛度的影響較大,尤其對(duì)于大斷面水下盾構(gòu)隧道,不同的荷載條件下接頭剛度差異很大。同時(shí),拼裝方式又對(duì)環(huán)間傳力效應(yīng)產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)整體剛度。因此,荷載條件、拼裝方式、結(jié)構(gòu)型式相互影響,并決定著η的變化。2橫向剛性壽命的初始模式2.1土壓、水壓力和抗力等因素的等效分析針對(duì)大斷面水下盾構(gòu)隧道,開展了整環(huán)原型加載試驗(yàn)。首先,設(shè)定荷載模式如圖1所示,各項(xiàng)荷載的等效方法如下:(1)水壓的等效試驗(yàn)將水壓和土壓對(duì)結(jié)構(gòu)的作用分開考慮。對(duì)于水壓,采用環(huán)箍模擬,如圖2所示。根據(jù)力學(xué)原理,可推導(dǎo)出環(huán)箍力和水壓力的轉(zhuǎn)換關(guān)系,設(shè)每環(huán)總環(huán)箍力為F,作用在管片上的平均壓應(yīng)力為qw,B為管片幅寬,r為外半徑,γw為水的容重,根據(jù)力的平衡關(guān)系,可得環(huán)箍力與水頭H的關(guān)系為(2)土壓的等效從考慮結(jié)構(gòu)受力的角度出發(fā),采用對(duì)拉的集中力方式近似模擬土壓作用,原理簡(jiǎn)化如圖3所示。根據(jù)力學(xué)原理,對(duì)于上方均布荷載p,略去軸力和剪力的高階影響,視其為均質(zhì)圓環(huán),則若以變形等效,UyA=UyB,可得若以彎矩等效,MA=MB,可得對(duì)于水平均布荷載q,采用同樣的方法等效加載。(3)地層抗力的等效利用另一方向的對(duì)拉力導(dǎo)入地層抗力Pk,原理簡(jiǎn)化如圖4所示。根據(jù)力學(xué)原理,可得2.2管片襯砌結(jié)構(gòu)剛度的數(shù)值計(jì)算結(jié)構(gòu)剛度為受外力作用的結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力,對(duì)于圓形管片襯砌結(jié)構(gòu),在荷載條件P(r,θ)下,沿某個(gè)方向上的剛度K(i)與該方向上結(jié)構(gòu)形變成反比,即將同一荷載條件下試驗(yàn)測(cè)得各方向上管片結(jié)構(gòu)的Ks(i)與不考慮折減(η=1)的勻質(zhì)圓環(huán)模型計(jì)算剛度Kj(i)相比,可得各方向上的相對(duì)剛度比α(i),即可見,在相同荷載條件下,相對(duì)剛度比α(i)與各方向上的直徑變化量δ(i)直接相關(guān)。而管片襯砌結(jié)構(gòu)的整體橫向抗彎剛度有效率η為評(píng)價(jià)管片襯砌結(jié)構(gòu)剛度的綜合參數(shù),因此選取諸方向中最大直徑變化量δsmax與其對(duì)應(yīng)同位置處δjmax的比值,即對(duì)于錯(cuò)縫管片結(jié)構(gòu),由于環(huán)間荷載的傳遞及相鄰環(huán)管片的相互作用,引起局部彎矩的增減。ξ體現(xiàn)為相同荷載條件下,與不同折減情況下的勻質(zhì)圓環(huán)模型計(jì)算結(jié)果相比,相同位置處測(cè)點(diǎn)k彎矩的增幅3試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試3.1對(duì)拉梁的張拉和環(huán)充拉采用“多功能盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)體試驗(yàn)系統(tǒng)”裝置(見圖5),可對(duì)盾構(gòu)隧道原型管片結(jié)構(gòu)在通縫及錯(cuò)縫拼裝條件下分別加載。對(duì)拉梁為管片環(huán)原型試驗(yàn)提供徑向?qū)σ詫?duì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)入彎矩內(nèi)力,環(huán)箍梁提供環(huán)向環(huán)箍力以導(dǎo)入軸力模擬水壓。每根對(duì)拉梁上設(shè)4孔,鋼絞線從孔內(nèi)穿越,一端錨固于對(duì)拉梁,另一端錨固于另一對(duì)拉梁上的千斤頂以實(shí)現(xiàn)張拉。環(huán)箍梁也同樣設(shè)有孔位,鋼絞線繞管片環(huán)一圈后張拉端與固定端設(shè)在同一根環(huán)箍梁上,見圖6。3.2管片襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力測(cè)量試驗(yàn)測(cè)試的內(nèi)容包括管片襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及各代表性測(cè)點(diǎn)徑向位移。(1)管片襯砌結(jié)構(gòu)徑向位移。管片環(huán)位移主要考察中間目標(biāo)環(huán),沿圓周以30為單位分布12個(gè)徑向測(cè)點(diǎn),對(duì)于錯(cuò)縫結(jié)構(gòu),主要觀測(cè)中間目標(biāo)環(huán)的形變,位移量測(cè)采用0.01mm精度的差動(dòng)式位移傳感器,如圖7所示。(2)管片襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力。對(duì)于錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)管片,采用膠基電阻應(yīng)變片在縱向螺栓對(duì)應(yīng)位置處沿管片環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)、外側(cè)對(duì)稱布設(shè),如圖8所示,以此測(cè)試錯(cuò)縫管片結(jié)構(gòu)彎矩的傳遞情況。4原型試驗(yàn)分析4.1結(jié)構(gòu)開裂對(duì)剛度的影響隧道主體結(jié)構(gòu)隧道外直徑為14500mm,內(nèi)直徑為13300mm,管片厚度為600mm,幅寬為2000mm,襯砌環(huán)分成10塊,封頂塊圓心角12°51′25.71″,鄰接塊與標(biāo)準(zhǔn)塊圓心角均為38°34′17.14″。一環(huán)布置30顆環(huán)向螺栓,42顆縱向螺栓,縱向螺栓按4°27′和10°37′55.71″的角度交替布置,襯砌結(jié)構(gòu)如圖9所示。對(duì)南京長(zhǎng)江隧道管片在通縫和錯(cuò)縫拼裝下分別進(jìn)行了原型加載試驗(yàn),見圖10。(1)管片結(jié)構(gòu)η的試驗(yàn)分析試驗(yàn)除了在線彈性狀態(tài)下對(duì)通、錯(cuò)縫管片分別進(jìn)行了常規(guī)加載外,還進(jìn)行了破壞加載,并實(shí)時(shí)監(jiān)控其位移的變化情況。對(duì)于通縫拼裝管片,在彈性狀態(tài)下,隨著水壓的增大,通縫管片結(jié)構(gòu)的剛度呈增長(zhǎng)趨勢(shì),如圖11所示。在土壓不變情況下,當(dāng)水壓小于50m時(shí),η的增幅較明顯,而當(dāng)水壓增至50m后,η的增幅很微小。當(dāng)結(jié)構(gòu)開裂后,高水壓在一定程度上有助于結(jié)構(gòu)剛度的保持。從圖12亦可見,在不同水壓條件下,隨著土壓的增大,通縫管片結(jié)構(gòu)的剛度減小。低水壓情況下,η的降幅更加明顯,可見高水壓對(duì)于通縫結(jié)構(gòu)η的保持是有益的。當(dāng)η降至0.5以下時(shí),通縫管片結(jié)構(gòu)出現(xiàn)可見裂縫,此時(shí)η隨水壓降低顯著減小,結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞時(shí),通縫管片結(jié)構(gòu)的η降至0.42。對(duì)于錯(cuò)縫拼裝管片,在彈性狀態(tài)下,隨著水壓的增大,結(jié)構(gòu)的剛度同樣呈增長(zhǎng)趨勢(shì),如圖13所示,但與通縫情況相比,增幅更為平緩。錯(cuò)縫情況下η曲線更平緩、密集,表明錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)對(duì)于η的保持更好。當(dāng)結(jié)構(gòu)開裂后,高水壓對(duì)于結(jié)構(gòu)剛度的保持有益。從圖14可見,在不同水壓條件下,隨著土壓的增大,錯(cuò)縫管片結(jié)構(gòu)的剛度減小。在低水壓或結(jié)構(gòu)開裂等情況下,η的降幅更為明顯。與通縫結(jié)構(gòu)相比,錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)的η在同等荷載條件下明顯較大。在彈性狀態(tài)至結(jié)構(gòu)開裂前,錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)η的變化范圍為0.6~0.72,通縫結(jié)構(gòu)為0.5~0.66。通縫結(jié)構(gòu)由于易產(chǎn)生形變,η的降低較錯(cuò)縫快,當(dāng)結(jié)構(gòu)開裂并接近破壞時(shí),通縫結(jié)構(gòu)η的降幅較大,而錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)的η并未突然降低,其延性比通縫結(jié)構(gòu)好,當(dāng)η降至0.6以下時(shí),錯(cuò)縫管片結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯裂縫,當(dāng)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞時(shí),錯(cuò)縫管片結(jié)構(gòu)的η降至0.45。(2)錯(cuò)縫管片結(jié)構(gòu)ξ的試驗(yàn)分析在測(cè)定了錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)中間環(huán)縱向螺栓對(duì)應(yīng)位置處的彎矩后,選取60m水壓,30m土壓工況,與考慮折減的勻質(zhì)圓環(huán)法得到的彎矩結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,并給出相應(yīng)的ξ的分布情況于圖15,16。從圖15,16中可見,錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)在拱頂(90°)、拱底(270°)以及兩側(cè)拱腰(40°,160°)附近彎矩均出現(xiàn)明顯的加強(qiáng),而其他區(qū)域并不明顯,反而由于出現(xiàn)符號(hào)相反的情況,導(dǎo)致ξ值失真。因此,選擇正彎區(qū)與負(fù)彎區(qū)的ξ,考察其發(fā)展規(guī)律。從圖17可以看出,在相同土壓條件下,正彎區(qū)與負(fù)彎區(qū)的ξ隨著水壓的增大,呈減小趨勢(shì),而在相同水壓條件下,隨著土壓的增大,呈增長(zhǎng)趨勢(shì)?？梢?水壓增長(zhǎng)使錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)的整體性增強(qiáng),η增大,從而使彎矩的不均勻傳遞減弱,土壓則反之。正彎區(qū)ξ的變化范圍為0.19~0.39,而負(fù)彎區(qū)為0.15~0.32。同等條件下正彎區(qū)的ξ大于負(fù)彎區(qū),而在曲線后段,負(fù)彎區(qū)ξ的變化更為平緩,可見高水壓對(duì)于負(fù)彎區(qū)ξ的影響較大,即對(duì)負(fù)彎區(qū)彎矩不均勻傳遞的限制好于正彎區(qū)。4.2管片試驗(yàn)分析試驗(yàn)結(jié)果獅子洋隧道采用單層裝配式鋼筋混凝土管片襯砌,隧道外直徑10800mm,內(nèi)直徑9800mm,管片厚度500mm,管片采用通用環(huán)拼裝,平均幅寬2000mm,襯砌環(huán)分成8塊,縱縫布置24顆環(huán)向螺栓,縱向螺栓22顆,封頂塊圓心角16°21′49.09″鄰接塊和標(biāo)準(zhǔn)塊中心線圓心角為49°5′27.27″,襯砌結(jié)構(gòu)布置如圖18所示。隧道盾構(gòu)段穿越地層為淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中粗砂、全風(fēng)化、弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、砂礫巖。隧道承受最大水壓力達(dá)0.67MPa,為目前國內(nèi)水壓力最大的盾構(gòu)隧道。對(duì)獅子洋隧道管片在通縫和錯(cuò)縫拼裝下分別進(jìn)行了原型加載試驗(yàn),見圖19。(1)管片結(jié)構(gòu)η的試驗(yàn)分析試驗(yàn)對(duì)獅子洋隧道通、錯(cuò)縫管片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了線彈性狀態(tài)下的常規(guī)加載和破壞加載。如圖20所示,對(duì)于通縫拼裝管片隨著水壓的增大,結(jié)構(gòu)的剛度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。彈性狀態(tài)下,當(dāng)水壓小于50m時(shí),η的增幅較明顯,而當(dāng)水壓增至50m后,η的增幅很微小。而當(dāng)結(jié)構(gòu)開裂后,η的增幅不顯著。當(dāng)η降至0.5以下時(shí),通縫管片結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯裂縫。結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時(shí),通縫管片結(jié)構(gòu)的η降至0.426。如圖21所示,對(duì)于錯(cuò)縫拼裝管片,隨著水壓的增大,結(jié)構(gòu)的剛度同樣呈增長(zhǎng)趨勢(shì),與通縫情況相比,錯(cuò)縫情況下η曲線更平緩,結(jié)構(gòu)對(duì)于η的保持更好。在彈性狀態(tài)至結(jié)構(gòu)開裂前,錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)η的變化范圍為0.6~0.76,通縫結(jié)構(gòu)為0.5~0.716。當(dāng)結(jié)構(gòu)開裂時(shí),錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)對(duì)于η的保持好于通縫結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞時(shí),η降至0.45。(2)錯(cuò)縫管片結(jié)構(gòu)ξ的試驗(yàn)分析在相同荷載條件下,正彎區(qū)與負(fù)彎區(qū)的ξ并不相同,從圖22可見,隨水壓增長(zhǎng),正彎區(qū)與負(fù)彎區(qū)的ξ均呈減小趨勢(shì)。從圖17可以看出,在相同土壓條件下,正彎區(qū)與負(fù)彎區(qū)的ξ隨著水壓的增大,呈減小趨勢(shì),而在相同水壓條件下,隨著土壓的增大,呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。可見,水壓增長(zhǎng)使錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)的整體性增強(qiáng),η增大,從而使彎矩的不均勻傳遞減弱,土壓則反之。正彎區(qū)ξ的變化范圍為0.11~0.32,而負(fù)彎區(qū)為0.1~0.297。同等條件下正彎區(qū)的ξ略大于負(fù)彎區(qū)。而在曲線后段,同樣可見負(fù)彎區(qū)ξ的變化小于正彎區(qū)。4.3對(duì)大型水下盾構(gòu)隧道錯(cuò)縫管片結(jié)構(gòu)的分析(1)ξ與η關(guān)系通過對(duì)上述兩座大斷面水下隧道錯(cuò)縫管片結(jié)構(gòu)η與ξ的變化規(guī)律進(jìn)行原型試驗(yàn)測(cè)試可知,二者密切相關(guān)且按一定規(guī)律變化。在η一定時(shí),正彎區(qū)與負(fù)彎區(qū)ξ不等。如圖23所示,對(duì)于南京長(zhǎng)江隧道錯(cuò)縫管片結(jié)構(gòu),正彎曲ξ與η呈線性關(guān)系,而負(fù)彎曲ξ隨η呈二次曲線變化。對(duì)于獅子洋隧道錯(cuò)縫管片結(jié)構(gòu),ξ與η的關(guān)系也呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律,如圖24所示。從兩隧道錯(cuò)縫管片結(jié)構(gòu)ξ與η的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知,大型水下盾構(gòu)錯(cuò)縫管片結(jié)構(gòu)正彎區(qū)ξ與η仍呈近似線性關(guān)系,負(fù)彎曲ξ隨η的變化近似為二次曲線,進(jìn)而擬合公式可得對(duì)于南京長(zhǎng)江隧道錯(cuò)縫管片結(jié)構(gòu):a=1.19,b=-1.37,對(duì)應(yīng)R2=0.9745;c=11.65,d=-33.04,e=23.7,對(duì)應(yīng)R2=0.9455。對(duì)于獅子洋隧道錯(cuò)縫管片結(jié)構(gòu):a=1.3,b=-1.55,對(duì)應(yīng)R2=0.9666;c=8.3,d=-21.85,e=14.55,對(duì)應(yīng)R2=0.9656。(2)對(duì)大型水下盾構(gòu)隧道η和ξ的建議比較兩隧道η及ξ可見,南京長(zhǎng)江隧道錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)的η值總體上小于獅子洋隧道。可見斷面越大,結(jié)構(gòu)越柔,η值越小,而相應(yīng)環(huán)間不均勻彎矩傳遞越明顯,ξ值則越大。因此,對(duì)于10m級(jí)大斷面水下盾構(gòu)隧道,建議其通縫拼裝結(jié)構(gòu)η的取值范圍為0.5~0.7,當(dāng)η小于0.5時(shí),結(jié)構(gòu)開裂,當(dāng)η接近0.4時(shí),結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。對(duì)于其錯(cuò)縫拼裝結(jié)構(gòu)η的取值范圍為0.6~0.8,當(dāng)η小于0.6時(shí),結(jié)構(gòu)開裂,當(dāng)η小于0.45時(shí),結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。建議正彎區(qū)ξ的取值范圍為0.1~0.35,負(fù)彎區(qū)為0.1~0.3。對(duì)于15m級(jí)超大斷面水下盾構(gòu)隧道,建議其通縫拼裝結(jié)構(gòu)η的取值范圍為0.5~0.65,當(dāng)η小于0.5時(shí)結(jié)構(gòu)開裂,當(dāng)η接近0.4時(shí)結(jié)構(gòu)失