水下盾構(gòu)法鐵路隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)的原型加載試驗(yàn)研究

何 川，封 坤，晏啟祥，齊 春

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031;2.西南交通大學(xué)地下工程系，成都 610031)

1 前言

鐵路作為長(zhǎng)距離交通的重要手段，成為保障我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石[1]。隨著我國(guó)高速鐵路的大力建設(shè)，新建鐵路中隧道數(shù)量、隧線比急劇增大，鐵路隧道常常面臨著穿越江河等水域阻隔的難題[2]。

我國(guó)采用盾構(gòu)法修建水下隧道的技術(shù)很成熟，近年來(lái)多座水下隧道均采用了盾構(gòu)法修建[3～5]，如杭州慶春路隧道、上海崇明越江隧道、武漢長(zhǎng)江隧道、南京長(zhǎng)江隧道等，將其應(yīng)用于水下鐵路隧道的修建，前景十分廣闊。

對(duì)于水下鐵路盾構(gòu)法隧道，由于穿越距離長(zhǎng)、埋置較深、所處水文地質(zhì)條件復(fù)雜，所要求結(jié)構(gòu)斷面大，其受力性能不同于一般鐵路隧道或地鐵區(qū)間隧道[6～7]，對(duì)其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的評(píng)價(jià)十分關(guān)鍵，有必要對(duì)原型隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)原型試驗(yàn)開(kāi)展較少，2000年及2004年，上海和廣州地鐵曾進(jìn)行了1∶1水平整環(huán)試驗(yàn)[8～9];2003 年，日本曾進(jìn)行了雙圓斷面盾構(gòu)襯砌原型試驗(yàn)[10];2005年，上海崇明隧道曾對(duì)其襯砌整環(huán)進(jìn)行了加載試驗(yàn)[11]。上述試驗(yàn)均采用了多點(diǎn)施加綜合荷載的加載方式，即將土壓和水壓混合在一起施加。而水下盾構(gòu)隧道所受土壓和水壓這兩種力之間關(guān)聯(lián)性差，通常以水壓成分為主導(dǎo)，因此要較真實(shí)地測(cè)試出擬建水下隧道結(jié)構(gòu)的各種力學(xué)特征，須將水壓及土壓分離控制。

2 工程概況

獅子洋隧道是我國(guó)第一條水下鐵路隧道，也是我國(guó)第一條采用盾構(gòu)法施工的水下長(zhǎng)隧，該隧道工程范圍全長(zhǎng)10.8 km，盾構(gòu)段長(zhǎng)9.34 km，目標(biāo)速度值世界第一，設(shè)計(jì)行車(chē)速度為350 km/h，被譽(yù)為“中國(guó)鐵路世紀(jì)隧道”。

隧道位于東涌站—虎門(mén)站區(qū)間，下穿獅子洋等多條河道，縱斷面圖見(jiàn)圖1。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)化泥質(zhì)粉砂巖、弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、砂礫巖，穿越弱風(fēng)化基巖、半巖半土、第四系覆蓋物地層的長(zhǎng)度分別占掘進(jìn)長(zhǎng)度的73.3%、13.3%、13.4%?；鶐r的最大單抗壓強(qiáng)度為82.8 MPa，基巖層的滲透系數(shù)達(dá)6.4×10－4m/s。隧道承受最大水壓力達(dá)0.67 MPa，為目前國(guó)內(nèi)水壓力最大的盾構(gòu)隧道。

圖1 獅子洋隧道工程縱斷面圖Fig.1 Longitudinal profile of Shiziyang shield tunnel project

隧道采用單層裝配式鋼筋混凝土管片襯砌，并且在入口段施設(shè)一層厚為300 mm的素混凝土作為滿足高速鐵路隧道功能要求的襯砌。隧道外直徑10800 mm，內(nèi)直徑9800 mm，管片厚度500 mm，管片采用通用環(huán)拼裝，平均幅寬2000 mm，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，封頂塊圓心角為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2所示。

圖2 獅子洋隧道工程管片布置圖Fig.2 Segment layout of Shiziyang shield tunnel

3 試驗(yàn)裝置及量測(cè)系統(tǒng)

3.1 試驗(yàn)裝置

根據(jù)獅子洋隧道結(jié)構(gòu)特征和荷載條件，采用“多功能盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)體試驗(yàn)系統(tǒng)”裝置，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)在通縫及錯(cuò)縫拼裝條件下分別進(jìn)行加載，見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 單環(huán)(通縫)管片結(jié)構(gòu)加載實(shí)況Fig.3 Sketch of straight assembling segmental lining structure test

如圖5所示，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。

圖4 組合環(huán)(錯(cuò)縫)管片結(jié)構(gòu)加載圖Fig.4 Sketch of staggered assembling segmental lining structure test

圖5 原型盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)加載示意圖Fig.5 Diagram of load application

3.2 加載模式

試驗(yàn)針對(duì)最不利的情況進(jìn)行加載研究，具體加載布置見(jiàn)圖6。對(duì)于單環(huán)(通縫)的情況，管片布置如圖6中內(nèi)環(huán)的情況;對(duì)于組合環(huán)(錯(cuò)縫)的情況，分別將上下半環(huán)相對(duì)中間目標(biāo)環(huán)管片旋轉(zhuǎn)180°布置。

3.3 試驗(yàn)系列

試驗(yàn)分別模擬了 20 m、30 m、40 m、50 m、60 m水壓，10 m、20 m、30 m、40 m、50 m 土壓等情況，采用若干級(jí)小步長(zhǎng)分級(jí)加載加至目標(biāo)荷載，每級(jí)穩(wěn)載時(shí)間不低于10 min，待應(yīng)變儀和位移計(jì)數(shù)值顯示穩(wěn)定后開(kāi)始讀數(shù)，試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)加載工況見(jiàn)表1。

圖6 加載布置圖Fig.6 Plan of load mode

表1 試驗(yàn)加載工況Table 1 Load cases

3.4 量測(cè)系統(tǒng)

試驗(yàn)測(cè)試的內(nèi)容包括管片襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形、接縫張開(kāi)以及混凝土裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，并于關(guān)鍵區(qū)域預(yù)埋混凝土應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)，以保證測(cè)試的準(zhǔn)確性。

1)管片襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力。采用膠基電阻應(yīng)變片以16°21'49.09″為單位在管片環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)、外側(cè)對(duì)稱(chēng)布設(shè)，測(cè)試內(nèi)外側(cè)應(yīng)變值，以此計(jì)算出管片環(huán)結(jié)構(gòu)截面內(nèi)力，并于關(guān)鍵區(qū)域布置應(yīng)變片，考察應(yīng)力狀態(tài)，如圖7所示。

圖7 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.7 Layout of surface strain sensor

2)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)，沿圓周分布12個(gè)徑向測(cè)點(diǎn)，每30°設(shè)置一處，對(duì)于組合環(huán)管片(錯(cuò)縫拼裝)，由于上下半環(huán)與中間環(huán)位移有差異，遂于上下半環(huán)各設(shè)置12個(gè)徑向測(cè)點(diǎn)，亦按30°均布。位移量測(cè)采用0.01 mm精度的差動(dòng)式位移傳感器，如圖8所示。

圖8 管片徑向位移測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.8 Layout of radial displacement measuring points

3)管片縱縫張開(kāi)量。在管片目標(biāo)環(huán)接縫處上下側(cè)，沿內(nèi)弧面和外弧面布置兩對(duì)鋼弦式位移測(cè)縫計(jì)，對(duì)接縫的張開(kāi)進(jìn)行實(shí)時(shí)量測(cè)，如圖9所示。

圖9 管片縱縫張開(kāi)量測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.9 Layout of longitudinal seam stretchingamount measuring points

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 不同水壓條件下管片襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)特征

獅子洋隧道的大部分區(qū)段位于江底，受水位影響明顯。隨著珠江水位漲落，管片襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力將有所不同，試驗(yàn)分別用水壓力為20 m、30 m、40 m、50 m、60 m對(duì)應(yīng)不同的土壓力情況，對(duì)通縫拼裝與錯(cuò)縫拼裝兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載研究。

4.1.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化

從通縫拼裝管片的加載情況來(lái)看，如圖10所示，隨著水壓增大，最大正、負(fù)彎矩都呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)。對(duì)于10 m土壓，當(dāng)結(jié)構(gòu)承受高水壓時(shí)(50 m、60 m水壓)，通縫結(jié)構(gòu)最大正、負(fù)彎矩有明顯增幅，這是由于高水壓使結(jié)構(gòu)軸力顯著增加，從而增強(qiáng)了通縫管片的整體剛度，引起結(jié)構(gòu)彎矩增長(zhǎng)。而當(dāng)土壓較大時(shí)，彎矩增長(zhǎng)并不明顯。

圖10 不同土壓條件下通縫拼裝結(jié)構(gòu)最大彎矩隨水壓變化圖Fig.10 The maximum bending moment of straight assembling structure changing with water pressure under different earth pressure

當(dāng)通縫結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫后，彎矩增長(zhǎng)較明顯。當(dāng)土壓從30 m增至40 m時(shí)，結(jié)構(gòu)最大正、負(fù)彎矩增幅達(dá) 31.66%和 24.89%。

不同條件下錯(cuò)縫拼裝管片最大彎矩隨水壓的變化如圖11所示，與通縫相似，彈性狀態(tài)下彎矩隨水壓的增加緩慢增長(zhǎng)。當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫時(shí)，彎矩明顯增大，如土壓50 m的情況，當(dāng)水壓由60 m降至50 m時(shí)，最大正彎矩由511.07 kN·m增至548.71 kN·m，增幅達(dá)7.39%，最大負(fù)彎矩由－389.10 kN·m增至 －410.94 kN·m，增幅達(dá) 5.68%;而當(dāng)水壓由50 m降至40 m時(shí)，最大正彎矩增至656.05 kN·m，增幅達(dá)19.56%，最大負(fù)彎矩增至－459.14 kN·m，增幅達(dá)11.73%。可見(jiàn)，隨著裂縫的不斷開(kāi)展，結(jié)構(gòu)彎矩迅速增長(zhǎng)且非線性變化顯著。

圖11 不同土壓條件下錯(cuò)縫拼裝結(jié)構(gòu)最大彎矩隨水壓變化圖Fig.11 The maximum bending moment of staggered assembling structure changing with water pressure under different earth pressure

選取30 m土壓的情況，將通縫與錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)軸力的變化情況進(jìn)行對(duì)比，如圖12所示，實(shí)線為最大軸力，虛線為最小軸力，隨著水壓增大，二者顯著增大，相同荷載條件下錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)最大軸力均略大于通縫結(jié)構(gòu)，其最小軸力略小于通縫結(jié)構(gòu)，而當(dāng)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂時(shí)，水壓力由30 m降至20 m，兩者最大軸力并未降低，而最小軸力降幅明顯，其中通縫結(jié)構(gòu)最小軸力由5267.00 kN降至4056.90 kN，降幅為 22.98%，錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)最小軸力由5475.20 kN降至4244.80 kN，降幅為22.47%?？梢?jiàn)，結(jié)構(gòu)開(kāi)裂時(shí)，錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)最小軸力的降幅小于通縫結(jié)構(gòu)，而最大軸力降幅不顯著。

圖12 結(jié)構(gòu)軸力隨水壓變化圖Fig.12 Axial force changing with water pressure

從結(jié)構(gòu)偏心距的變化來(lái)看，隨水壓增大，結(jié)構(gòu)偏心距減小，如圖13所示。當(dāng)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂時(shí)，通縫與錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)偏心距均增加，通縫結(jié)構(gòu)由于軸力的驟減，使其偏心距顯著增大。

圖13 結(jié)構(gòu)最大偏心距隨水壓變化圖Fig.13 The maximum eccentricity changing with water pressure

4.1.2 結(jié)構(gòu)形變的發(fā)展

選取30 m土壓的情況，將通縫與錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)形變的發(fā)展情況進(jìn)行對(duì)比，如圖14所示，隨著水壓的增長(zhǎng)，二者的最大變形量緩慢增長(zhǎng)，通縫結(jié)構(gòu)的變形量大于錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)。而當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生裂縫時(shí)，二者最大變形量大幅增加，當(dāng)水壓從30 m降至20 m時(shí)，通縫結(jié)構(gòu)最大變形量由9.035 mm增至11.798 mm，增幅達(dá)30.58%;錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)最大變形量由7.399 mm增至9.001 mm，增幅達(dá)21.65%，可見(jiàn)，錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)形變的控制更好，結(jié)構(gòu)開(kāi)裂后變形開(kāi)展更為緩慢。

圖14 結(jié)構(gòu)最大變形量隨水壓變化圖Fig.14 The maximum deformation changing with water pressure

4.1.3 縱縫張開(kāi)的變化

從結(jié)構(gòu)縱縫張開(kāi)的情況看，隨水壓增加，通縫與錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)的縱縫張開(kāi)量均呈減小的趨勢(shì)。如圖15所示，30 m土壓的情況，在彈性狀態(tài)下，通縫結(jié)構(gòu)最大縱縫張開(kāi)量大于錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)，而當(dāng)水壓從30 m降至20 m時(shí)，結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，此時(shí)通縫結(jié)構(gòu)最大張開(kāi)量由0.804 mm增至1.32 mm，增幅達(dá) 64.13%;錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)最大張開(kāi)量由0.71 mm增至1.099 mm，增幅為54.7%，可見(jiàn)，彈性狀態(tài)下高水壓對(duì)于結(jié)構(gòu)張開(kāi)量的控制有益。

圖15 縱縫最大張開(kāi)量隨水壓變化圖Fig.15 The maximum longitudinal seam stretchingamount changing with water pressure

4.2 高水壓條件下不同土壓對(duì)管片襯砌結(jié)構(gòu)的影響

試驗(yàn)著重對(duì)于高水壓條件下(60 m水壓力)通縫拼裝與錯(cuò)縫拼裝兩種結(jié)構(gòu)在不同土壓力的情況進(jìn)行了加載研究。

4.2.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化

從兩種結(jié)構(gòu)的彎矩來(lái)看，在高水壓條件下，隨著土壓增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)最大正負(fù)彎矩逐步增長(zhǎng)，相對(duì)而言，錯(cuò)縫拼裝結(jié)構(gòu)的彎矩量值較大，如圖16所示。而當(dāng)通縫結(jié)構(gòu)于40 m土壓時(shí)出現(xiàn)裂縫后，其結(jié)構(gòu)最大正負(fù)彎矩顯著增加，其中最大正彎矩變化尤為明顯，由272.435 kN·m 變化至 658.699 kN·m，增幅達(dá)141.78%。

圖16 高水壓條件下結(jié)構(gòu)最大彎矩隨土壓變化圖Fig.16 The maximum bending moment changing with earth pressure under high water pressure

從兩種結(jié)構(gòu)的軸力變化來(lái)看，在高水壓條件下，隨著土壓增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)最大、最小軸力有所增長(zhǎng)，但增幅不大。在彈性狀態(tài)下，錯(cuò)縫與通縫拼裝結(jié)構(gòu)的軸力基本處于同一水平，如圖17所示。而當(dāng)通縫結(jié)構(gòu)于40 m土壓時(shí)出現(xiàn)裂縫后，其結(jié)構(gòu)最大、最小軸力明顯降低，而最小軸力的降幅更為明顯，由8336.00 kN降至6020.20 kN，降幅達(dá)27.78%。

圖17 高水壓條件下結(jié)構(gòu)軸力隨土壓變化圖Fig.17 Axial force changing with earth pressure under high water pressure

從結(jié)構(gòu)偏心距的變化來(lái)看，在高水壓條件下，隨著土壓增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)最大偏心距逐步增長(zhǎng)，相對(duì)而言，錯(cuò)縫拼裝結(jié)構(gòu)的最大偏心距量值較大，如圖18所示。而當(dāng)通縫結(jié)構(gòu)于40 m土壓時(shí)出現(xiàn)裂縫后，其結(jié)構(gòu)最大偏心距由0.033 m驟增至0.109 m，明顯大于錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)的情況。

圖18 高水壓條件下結(jié)構(gòu)最大偏心距隨土壓變化圖Fig.18 The maximum eccentricity changing with earth pressure under high water pressure

4.2.2 結(jié)構(gòu)形變的發(fā)展

從結(jié)構(gòu)形變的發(fā)展來(lái)看，在高水壓條件下，隨著土壓增長(zhǎng)，通縫與錯(cuò)縫拼裝結(jié)構(gòu)變形量均逐步增長(zhǎng)。當(dāng)通縫結(jié)構(gòu)于40 m土壓時(shí)出現(xiàn)裂縫后，其結(jié)構(gòu)最大變形量由9.994 mm驟增至26 mm，明顯大于錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)的情況?？梢?jiàn)在高水壓條件下，錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)對(duì)于結(jié)構(gòu)最大變形量的控制能力更強(qiáng)。

圖19 高水壓條件下結(jié)構(gòu)最大變形量隨土壓變化圖Fig.19 The maximum deformation changing with earth pressure under high water pressure

4.2.3 縱縫張開(kāi)的變化

從結(jié)構(gòu)縱縫張開(kāi)的情況來(lái)看，在高水壓條件下，隨著土壓增長(zhǎng)，通縫與錯(cuò)縫拼裝結(jié)構(gòu)變形量均逐步增長(zhǎng)，通縫結(jié)構(gòu)最大縱縫張開(kāi)量略大于錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)。當(dāng)通縫結(jié)構(gòu)于40 m土壓時(shí)出現(xiàn)裂縫后，其結(jié)構(gòu)最大縱縫張開(kāi)量由0.597 mm驟增至1.605 mm，明顯大于錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)的情況?？梢?jiàn)，在高水壓條件下，錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)對(duì)于結(jié)構(gòu)縱縫張開(kāi)的控制能力更強(qiáng)。

圖20 高水壓條件下縱縫最大張開(kāi)量隨土壓變化圖Fig.20 The maximum longitudinal seam stretchingamount changing with earth pressure under high water pressure

4.3 榫式接頭管片結(jié)構(gòu)在通縫與錯(cuò)縫拼裝下的破壞特征

獅子洋隧道管片結(jié)構(gòu)縱縫的設(shè)計(jì)，采用了榫式接頭結(jié)構(gòu)，如圖21所示。其優(yōu)點(diǎn)在于能夠有效地減小拼裝誤差，然而由于縱縫接觸面上榫頭與榫槽等細(xì)部結(jié)構(gòu)的存在，給結(jié)構(gòu)局部受力，特別是高水壓條件下結(jié)構(gòu)的力學(xué)分布帶來(lái)了不利的影響。

圖21 榫式接頭結(jié)構(gòu)(單位:mm)Fig.21 Plan of longitudinal seam joint(unit:mm)

由于高水壓條件下結(jié)構(gòu)通常軸力較大，而通縫結(jié)構(gòu)受力后產(chǎn)生的變形顯著，縱縫張開(kāi)較大，實(shí)際受壓區(qū)域很小，局部壓應(yīng)力已超過(guò)混凝土承載力，多處接縫突然出現(xiàn)大面積壓潰與剪壞，剪壞區(qū)多沿環(huán)向螺栓的走向發(fā)展，如圖22～圖25所示，B3塊、L2塊縱縫出現(xiàn)從榫頭處沿結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的剪切裂縫，B5塊與F塊出現(xiàn)從榫頭處沿結(jié)構(gòu)外側(cè)的剪切裂縫與壓潰區(qū)。

圖22 B3塊內(nèi)側(cè)接縫處剪壞Fig.22 Shear failure at inside longitudinal seam of B3

圖23 L2塊內(nèi)側(cè)接縫處剪壞Fig.23 Shear failure at inside longitudinal seam of L2

圖24 B5塊外側(cè)接縫處剪壞Fig.24 Shear failure at outside longitudinal seam of B5

圖25 F塊外側(cè)接縫處剪壞Fig.25 Shear failure at outside longitudinal seam of F

高水壓條件下通縫管片結(jié)構(gòu)的破壞過(guò)程，大致可分為幾個(gè)階段，首先拱頂與拱底變形顯著增加，管片內(nèi)弧面邊沿出現(xiàn)可見(jiàn)微裂縫→內(nèi)弧面裂縫發(fā)展，縱縫處局部壓潰→內(nèi)弧面出現(xiàn)貫通裂縫，外弧面出現(xiàn)可見(jiàn)微裂縫→結(jié)構(gòu)大變形，出現(xiàn)多處壓潰區(qū)，局部接縫突然剪壞→內(nèi)弧面出現(xiàn)多條貫通裂縫，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。

而對(duì)于錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)整體性好于通縫，結(jié)構(gòu)變形、縱縫張開(kāi)量較小，不易發(fā)生結(jié)構(gòu)縱縫處的剪切破壞。其破壞過(guò)程為，拱頂與拱底變形增大，管片內(nèi)弧面出現(xiàn)可見(jiàn)微裂縫→管片內(nèi)弧面裂縫緩慢發(fā)展→管片內(nèi)弧面出現(xiàn)貫通裂縫，外弧面出現(xiàn)微裂縫→結(jié)構(gòu)變形顯著，出現(xiàn)多處貫通裂縫→荷載不變，位移不斷增大，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。

5 結(jié)語(yǔ)

采用“多功能盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)體試驗(yàn)系統(tǒng)”裝置對(duì)獅子洋隧道原型管片結(jié)構(gòu)在通縫與錯(cuò)縫兩種拼裝方式下進(jìn)行了加載試驗(yàn)，得出有益結(jié)論如下:

1)在正常使用狀態(tài)下，隨著水壓力的不斷加大，在不同的土壓條件下通縫與錯(cuò)縫拼裝管片結(jié)構(gòu)的最大正負(fù)彎矩均略有增長(zhǎng)，軸力的增長(zhǎng)較為顯著，結(jié)構(gòu)最大偏心矩均明顯減小。兩種結(jié)構(gòu)最大變形量緩慢增加，縱縫最大張開(kāi)量明顯減小。

2)高水壓條件下，隨著土壓力的增加，通縫與錯(cuò)縫拼裝管片結(jié)構(gòu)的最大正、負(fù)彎矩均顯著增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)最大偏心矩均明顯增加，最大變形量與縱縫最大張開(kāi)量緩慢增加，錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)對(duì)于結(jié)構(gòu)內(nèi)力與形變的控制能力更強(qiáng)。

3)當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫時(shí)，通縫拼裝結(jié)構(gòu)彎矩驟增，結(jié)構(gòu)最小軸力驟減，結(jié)構(gòu)最大偏心矩驟增，最大變形量與縱縫最大張開(kāi)量均顯著增大。而錯(cuò)縫結(jié)構(gòu)開(kāi)裂后內(nèi)力增幅小于通縫，其最大變形量與縱縫最大張開(kāi)量的增長(zhǎng)并不大，高水壓明顯減緩了結(jié)構(gòu)內(nèi)力與形變的發(fā)展。錯(cuò)縫拼裝結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性好于通縫結(jié)構(gòu)，對(duì)于水下隧道，錯(cuò)縫拼裝結(jié)構(gòu)對(duì)于接縫張開(kāi)量的控制作用尤為明顯。

4)榫式管片在通縫拼裝時(shí)，結(jié)構(gòu)縱縫附近區(qū)域在高水壓條件下易發(fā)生局部剪切破壞，須嚴(yán)格控制其變形與縱縫張開(kāi)量的發(fā)展。

5)對(duì)于水下盾構(gòu)法隧道榫式管片，出于結(jié)構(gòu)防水、承載力、破壞特征以及長(zhǎng)期安全儲(chǔ)備等方面的綜合考慮，建議優(yōu)先采用錯(cuò)縫拼裝方式。

[1] 孫永福.西部鐵路通道建設(shè)及政策措施[J] .中國(guó)工程科學(xué)，2010，12(6):18 －24.

[2] 錢(qián)七虎.從河床沖淤分析沉管法修建長(zhǎng)江水下隧道問(wèn)題[C] //錢(qián)七虎院士論文集，北京:科學(xué)出版社，2007.

[3] 何 川，張建剛，楊 征.武漢長(zhǎng)江隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)特征模型試驗(yàn)研究[J] .土木工程學(xué)報(bào)，2008，41(12):85－89.

[4] 何 川，封 坤，楊 雄.南京長(zhǎng)江隧道超大斷面管片襯砌結(jié)構(gòu)體的相似模型試驗(yàn)研究[J] .巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(11):2260－2269.

[5] 黃 融.上海崇明越江通道長(zhǎng)江隧道工程綜述(一)——長(zhǎng)江隧道工程設(shè)計(jì)[J] .地下工程與隧道，2008(1):2－8.

[6] 蘇宗賢.盾構(gòu)隧道管片襯砌內(nèi)力分析的殼－彈簧－接觸模型及其應(yīng)用[J] .工程力學(xué)，2007，24(10):131－136.

[7] 唐志成，何 川，林 剛，地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)力學(xué)行為模型試驗(yàn)研究[J] .巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27(1):85－89.

[8] 王如路，宋 博，王 祺，等.雙圓盾構(gòu)隧道襯砌錯(cuò)縫拼裝整環(huán)試驗(yàn)及結(jié)構(gòu)分析[J] .地下工程與隧道，2001(1):12－15.

[9] 郭智杰，魯 亮，劉祖華.雙圓盾構(gòu)法隧道襯砌1∶1結(jié)構(gòu)試驗(yàn)加載方法研究[J] .結(jié)構(gòu)工程師，2004(3):64－71.

[10] Hiroshi Nakamura，Toshikazu Kubota，Mamoru Furukawa，et al.Unified construction of running track tunnel and crossover tunnel for subway by rectangular shape double track cross-section shield machine[J] .Tunneling and Underground Space Technology，2003，18:253－262.

[11] 王 彪，劉祖華，魯 亮.上海崇明越江隧道襯砌整環(huán)試驗(yàn)加載方法研究[J] .施工技術(shù)，2006，35(增刊):52 －54.