管片厚度对大直径盾构隧道受力及变形的影响

管片厚度对大直径盾构隧道受力及变形的影响

高元伟

中交一公局集团隧道局盾构中心

摘要：我国经济正处于高速发展阶段，。而基建已然成为我国保持长远发展重要基础盾构隧道是地铁建设重要环节，为提升建设质量，会选择将盾构隧道扩大直径，这导致其管片厚度和隧道直径比值产生一定程度影响。本文将大直径盾构隧道作为研究对象，并关注管片厚度与隧道受力和变形情况，旨在为我国基建提供思考方向，推动我国经济健康发展。
关键词：管片厚度；盾构隧道；受力变形

前言：为推动我国基建发展，超过10米以上的大直径盾构隧道开始应用于实践当中。可是，我国现有隧道设计依旧利用以往隧道衬砌，这导致在盾构隧道扩大直径后，其断面覆盖率提升，让衬砌数量明显提升，进而造成管片环原有抗弯性能下降。而且，在管片厚度和隧道直径比值逐渐缩小影响下，导致隧道结构抵荷载性能也会降低，有必要对其细致剖析，为以后盾构隧道建设提供打下良好基础。

1试验选材

本文选择某大直径的公路盾构隧道，其衬砌直径超过十米，混凝土等级为C60。由十块管片构成全环，并使用错缝拼装完成建造。作为衬砌环重要位置的管片接头，会对管片结构表现力学性质直接影响。为保证接头拥有良好可控性，且在模型隧道中需要增设传感器用于收集数据，所以本文在管片外侧位置通过开槽方式完成纵缝接头的模拟操作。因为环管片并不会在接头位置产生严重错动，所以根据原型隧道在环缝位置设共计七十六条螺栓，也在模型试验使用合适钢棒代替螺栓，让模型基础架构和原型隧道相符，保证管片在后续实验中稳定应用。共设置五组模拟试验，以原型隧道的实际管片厚度进行分组，以六十毫米作为由一组，做到合理描述隧道真实情况，将其当成研究对象使用^[1]。而对管片厚度微调，控制隧道直径，管片厚度和隧道直径之比则会由较低数值上升到较高数值，变化幅度超过2%，符合原型隧道实际应用，也可以让模型试验更具有参考价值。

2试验方案

本试验采用卧式模型，由模拟外界向隧道施加压力的液压系统、用于采集试验数据信息数据系统，以及模拟隧道的环形设备构成。在模型试验中，模型尺寸和相似比保持相同增长幅度，从而有效控制试验误差，还可以提升测试精准度。本试验选择1:15作为相似比。而卧式装置可以不考虑重力影响。环形设备内置持荷梁，让施加于一点的荷载可以科学转化成覆盖管片的均布荷载，让本试验可以有效模拟管片投入应用真实受力。而液压系统内置1吨量程的千斤顶，在液压油泵合理操作下，控制液压系统向模型施加压力。同时，为让荷载可以做到实时监测数值，有效控制荷载大小，将以电动与手动两种模式共同控制液压油泵，做到精准调整荷载。在设计方案时需要考虑到加载点应用数量，在参考南京大直径盾构隧道后，现以环向设计24个共3组个加载点，用于对结构真实荷载进行模拟，保证对称分布，划分成A、B、C三组，分别通过千斤顶控制荷载^[2]。其中，A组的6个加载点是模拟由隧道顶端承担向下的竖向荷载，以及由隧道底端承担向上的地基反力；B组的10个加载点是模拟由两侧对隧道施加侧向压力；B组的8个加载点是模拟隧道过渡段带来压力，其取值是A组与B组均值。通过对本试验参照的原型隧道真实地质情况，并以足尺试验作为数据调整参考工具，可以合理划分成两个阶段：加载阶段，A组从受力0千帕增加至24.5千帕，B组为0.65倍A组数值，而C组则是A组与B组数值的一半。在A组为24.5千帕时，B组为15.93千帕；超载阶段，保证B组15.93千帕数据不变，A组继续提升受力，C组依旧和A组与B组保持原本关系。本试验修需要测量管片数据，包括变形与受力。对于变形测量，以管片内中环，根据90度作为间隔，在中环设置4组位移计，用于测量隧道的拱顶、拱顶底与拱腰在试验中产生变形；而受力则是于上中下环，其隧道内的中间位置粘贴应变片，并保持45度作为间隔，以放射形设置24个测点。通过静态应变采集仪收集应变和位移数据信息，以温度补偿降低周边环境对试验不良干扰。

3试验结果

3.1隧道受力

以相似关系不考虑重力影响，可以对模型试验获得受力数据直接和原型隧道完成换算。以三环隧道的错缝拼装表现，中环管片可以有效反应盾构隧道真实受力，所以将拱顶、拱腰与拱底作为研究对象。拱顶和拱底两处，在管片厚度提升时，隧道内表面会出现以受拉到受压变化，最后回归到受拉一种变化；而外部施加荷载保持相同，这两处拉受力会在管片厚度提升范围降低。以应力受力关系，在拉受力降低时，拉应力同样会缩小。可以证明在管片厚度提升时，可以对拱顶与拱底位置混凝土达到其自身抗拉极限情况有效延缓，并大幅度降低该部位发生开裂现象。而两侧拱腰的内表面不断被两侧施加压力，在外部施加荷载提升，受力先进入增加状态，在超载时，受力变化幅度进一步加快；在外部施加荷载保持一致，两侧拱腰实际压受力会在管片厚度提升逐渐降低。在衬砌厚度进一步提升，隧道的截面弯矩在提升的同时，其轴力下降，这让隧道的截面受力从小偏心转变为大偏心。而小偏心受力会拥有较小偏心距，真让隧道在同一截面位置拉应力和压应力较为接近；在结构产生大偏心受力，会让偏心距明显提升，这让隧道截面产生大拉应力。可是混凝土在抗拉表现要略差于抗压能力，这让应力在超出其抗拉最大承受力后，会出现裂缝。可以总结为管片厚度提升对于结构受力并不会产生良性影响。而且，在两侧拱腰位置更容易产生裂缝，其是作为隧道重要持力位置存在，需要在后期运营中额外重视养护工作。

3.2隧道变形

根据模型获得试验数据以相似关系1:15转化成原型隧道相应数据信息，并绘制成相应数据图。从图分析可知，以规范设计荷载条件下，在隧道中所有各角度实际变形均在10毫米以内，而且变形会在外部施加荷载提升逐渐增加，两者保持线性条件。在超载时，角度变形会受到外部施加荷载影响，而呈现快速增加趋势，其增加速率也在逐渐加快，两者保持指数型增加条件；而固定外部荷载后，在管片厚度提升，隧道变形会跟随管片厚度提升呈现下降趋势，其下降速率也会在管片厚度提升逐渐放缓。以超载条件下的固定外部荷载73.5千帕，管片厚度以450毫米逐渐增加650毫米，其变形幅度会从13.6毫米降低到4.5毫米，在管片厚度从600毫米提升到650毫米，其管片变形获得最大缩减度66.9%。对该结果展开分析，提升管片厚度可以有效提高隧道的抗变形性能根本原因，是因为在管片发生变形后，会对梁轴线的曲率半径产生影响，即 ，，t为管片厚度。根据该关系可以发现，管片厚度的三次方与曲率半径呈正比关系^[3]。所以，在提升管片厚度时，可以让处于超载条件下的管片变形有效控制，可是在管片厚度超过某个限度后，继续提高管片厚度，并不会对变形产生更强影响，变形控制收益会逐渐下降。

结论：本文对盾构隧道展开研究，并也分析出提高管片厚度可以降低管片变形这一结论，但是在超过某个临界值后，管片厚度进一步增加会逐渐降低变形影响。同时，隧道在拱顶与拱底位置内侧也会在出现从受拉往受压进行过渡，再回到受拉，有效避免该部位在后续使用产生严重开裂。但是，在实际应用中仍需要以工程项目实际建设为主，以科学方式提升盾构隧道质量，为我国经济建设贡献力量。

参考文献

[1]郭文琦,陈健,王士民,等.二衬厚度对盾构隧道双层衬砌纵向力学性能的影响[J].铁道标准设计,2020,64;698(02):146-152.

[2]田海洋.软土深埋大直径盾构法隧道施工受力及变形特性研究[J].隧道与轨道交通,2020,128(01):16-19+72.

[3]肖明清,张忆,薛光桥.盾构法隧道管片环缝面不平整对结构受力影响研究[J].隧道建设,2020,040(002):153-161.