青草沙水源地原水工程输水隧道单层

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1 第 33 卷第 9 期岩土工程学报 Vol.33 No 年.9 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Sep 青草沙水源地原水工程输水隧道单层衬砌管片接头荷载试验研究闫治国 1, 2, 彭益成 1, 丁文其 1, 2, 朱合华 1, 2, 黄锋 1 (1. 同济大学土木工程学院地下建筑与工程系, 上海 ;2. 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室, 上海 ) 摘要 : 纵缝转角刚度纵缝 ( 环缝 ) 剪切刚度和弯矩传递系数是盾构隧道衬砌结构计算模型中的关键参数, 历来是本领域研究的重点和热点结合青草沙水源地原水工程, 通过管片接头原型荷载试验, 对上述关键计算参数进行研究试验结果表明正弯矩作用下接头转角刚度符合双直线模型, 负弯矩作用下转角刚度近似成线性, 而且不同的接头构造情况下纵缝转角刚度值和其变化规律不同在纵缝和环缝剪切试验中, 管片间的错动随荷载变化过程分为 3 个阶段, 其中错动主要发生在第二阶段弯矩传递试验表明弯矩传递系数随着荷载的增大而减小并且当纵缝转角刚度较大时, 弯矩传递系数较小, 反之亦然最后结合试验结果, 给出了盾构隧道衬砌结构计算模型关键参数具体取值范围和一些有益的结论, 以供盾构隧道衬砌结构设计计算参考关键词 : 盾构隧道 ; 管片接头 ; 原型试验 ; 转角刚度 ; 剪切刚度 ; 弯矩传递系数中图分类号 :TU451.5 文献标识码 :A 文章编号 : (2011) 作者简介 : 闫治国 (1977 ), 博士, 讲师, 主要从事地下建筑结构力学试验及抗火性能方面研究 yanzguo@126.com Load tests on segment joints of single lining structure of shield tunnel in Qingcaosha Water Conveyance Project YAN Zhi-guo 1, 2, PENG Yi-cheng 1, DING Wen-qi 1, 2, ZHU He-hua 1, 2, HUANG Feng 1 (1. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai , China; 2. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai , China) Abstract: The key parameters for models of lining structure of shield tunnels, such as bending stiffness of radial joints, shear stiffness of radial (circumferential) joints and moment transfer coefficient, have always been the research focus in this field. The above key parameters are studied by means of the prototype load tests on segment joints in Qingcaosha Water Conveyance Project. The test results indicate that under sagging moments the bending stiffness coincides with the bilinear model, and under hogging moments it is similar to the linear model. The bending stiffness of radial joint and its variation law are different from those of various joint structures. According to the results from shear tests the dislocation change process of radial (circumferential) joint can be divided into three stages. The dislocation occurs mainly at the second stage. The results of moment transfer tests indicate that the moment transfer coefficient decreases with the increase of load. The greater the bending stiffness of radial joint is, the less the moment transfer coefficient is, and vice versa. Finally, based on the test results, the value range of the key parameters for the models of lining structure of shield tunnels is put forward. Several beneficial conclusions for the design of lining structure of shield tunnels are drawn. Key words: shield tunnel; segment joint; prototype test; bending stiffness; shear stiffness; moment transfer coefficient 0 引言盾构隧道装配式衬砌结构由圆弧形管片通过环向螺栓拼接成环, 再通过纵向螺栓将单个管片环连接成管状结构构成隧道主体由于环向和纵向接头的存在, 盾构隧道装配式衬砌结构的力学特性较为复杂目前盾构隧道结构力学基本模型主要有以下 4 种 : 惯用法基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( ); 教育部新世纪优秀人才支持计划项目 (NCET ) 收稿日期 :

2 岩土工程学报 2011 年修正惯用法多铰圆环模型和梁弹簧模型 [1] 不少学者在上述基本模型的基础上进行了改进和表 1 过江段与岛域陆域段试件管片尺寸 Table 1 Dimension of specimen of river-cross section and island section mm 区段试件形式宽度 B 厚度 T 外径 D 内径 d 外弧长 L 内弧长 l 过江段

2 2 岩土工程学报 2011 年修正惯用法多铰圆环模型和梁弹簧模型 [1] 不少学者在上述基本模型的基础上进行了改进和表 1 过江段与岛域陆域段试件管片尺寸 Table 1 Dimension of specimen of river-cross section and island section mm 区段试件形式宽度 B 厚度 T 外径 D 内径 d 外弧长 L 内弧长 l 过江段岛域陆域段 A 试件块 B 试件块 A 试件块 B 试件块 [2] 完善如朱合华等从卡氏第二定理出发, 给出了梁 [3] - 弹簧模型的矩阵式 ; 侯公羽等对修正惯用法的简化进行修改, 认为管片各个截面处刚度为 EI, 接头部位的刚度为 kei, 并对折减系数 k 的数值进行确定 ; [4] 胡志平等从 Reissner-Mindlin 板单元入手, 提出了平 [5] 板壳弹性铰地基系统模型 ; 朱伟等提出了一种 [6] 新的壳弹簧设计模型 ; 苏宗贤等提出了地层结构模式下的壳弹簧接触计算模型在上述盾构管片结构计算模型中, 除惯用法和多铰圆环模型外, 使用其他模型计算时均无一例外地需要确定纵缝和环缝的抗弯或剪切刚度对于这些重要力学参数, 可以通过工程类比和经验法或通过建立接头刚度计算模型的解析方法确定 [7-9], 但更为直接有效和可靠的是通过衬砌整环试验管片接头试验方法确定 [10-13] 文献 [10] 研究了纵缝受荷载情况下的混凝土应变钢筋应力螺栓拉力纵缝张开量和裂缝开展情况文献 [12] 得到了环向接头在正负弯矩作用下的弯矩相对转角关系曲线试验结果表明, 接头转角随弯矩增加分为两段线性增加文献 [13] 验证了错缝拼装条件下环向接头抗弯刚度较大, 并得到了其取值范围本文在前人研究的基础上, 除了对纵缝抗弯力学特性进行深入研究外, 还对环缝纵缝剪切力学特性和错缝拼装条件下弯矩传递效应进行研究, 得到了关键力学参数的取值范围及其变化规律, 为工程设计和理论分析提供参考反复作用, 其荷载情况更为复杂再加之本工程是我国首次采用单层衬砌盾构法修建输水隧道, 无类似工程经验可供参考借鉴因此需开展管片接头原型试验, 对错缝拼装时管片间的弯矩传递分配情况环缝径向剪切刚度环缝切向剪切刚度以及纵缝径向剪切刚度纵缝承受正负弯矩的受力特性进行研究 2 试验内容与设备 2.1 试件形式试件分成岛域陆域段和过江段两大类其中每一类管片又分成 A 试件块和 B 试件块表 1 给出了每一类 A,B 试件块结构尺寸而 A,B 试件块结构如图 1 所示除了结构尺寸略有不同外, 过江段与岛域陆域段纵缝构造也不相同, 如图 2 所示 A,B 试件块可拼装成直接头和错缝夹片形式, 如图 3 过江段和岛域陆域段环向螺栓直径分别为 36 mm 和 40 mm, 机械性能 8.8 级, 纵向螺栓直径均为 30 mm, 机械性能 6.8 级 1 试验概况 1.1 工程背景青草沙水源地原水工程的目的通过横穿长江口的输水隧道将青草沙水库优质丰富的淡水输送至上海, 供生产生活之用本工程中的输水隧道是我国首次采用单层衬砌盾构法隧道修建输水隧道分为岛域陆域段和过江段 1.2 试验目的与一般的盾构法公路隧道不同, 输水隧道不仅承受外部水土压力, 而且在营运时还需承受内部水压的图 1 A,B 试件块尺寸图 Fig. 1 Structural diagrams of specimens A, B 2.2 测点布置本次试验中的测点主要分成两大类, 一类是内埋测点, 指的是布置于管片受力主筋测点, 主要包括正弦式混凝土应变计正弦式钢筋计 ; 另外一类是外置测点, 指的是布置于管片表面的测点, 主要为位移计错缝夹片试验测点布置如图 4 所示直接头试验测点布置与错缝夹片试验中间 A 试件块的测点布置一致, 因

2 岩土工程学报 2011 年此不予赘述表 2 试验部分工况荷载情况 Table 2 Load conditions of several tests 岛域段过江段工况名称工况编号纵向力横向力垂向力纵向力横向力垂向力 Z-1 1193-629 875-530 纵缝转角刚度试验 Z-2 1193-898 875-755 Z-3 495 650 345 530 Z-4 495

横向 ) 压力, 垂向力为正 ( 负 ) 表示试件受到正 ( 负 ) 弯矩 Fig. 4 Layout of measuring points in staggered joint tests 2.

3 2 岩土工程学报 2011 年此不予赘述表 2 试验部分工况荷载情况 Table 2 Load conditions of several tests 岛域段过江段工况名称工况编号纵向力横向力垂向力纵向力横向力垂向力 Z 纵缝转角刚度试验 Z Z Z 纵缝剪切刚度试验 Z 切向 C 环缝剪切刚度试验 C 径向 C 弯矩传递试验 C C 注 : 纵向力 ( 横向力 ) 为正表示试件受到纵向 ( 横向 ) 压力, 垂向力为正 ( 负 ) 表示试件受到正 ( 负 ) 弯矩 Fig. 4 Layout of measuring points in staggered joint tests 2.3 试验工况试验工况分为纵缝转角刚度试验 ( 包括正负弯矩两种形式 ), 纵缝剪切刚度试验, 环缝剪切刚度试验 ( 包括径向和切向两种形式 ) 和弯矩传递试验各个试验工况荷载情况详见表 2 值得一提的是, 在剪切试验时先施加横向力 ( 纵向力 ) 为纵缝 ( 环缝 ) 提供约束力, 然后施加剪切力 ; 在纵缝转角刚度试验时, 荷载施加过程分为 3 个阶段, 每个阶段先施加横向力后施加垂向力,3 个阶段分别占总荷载值的 40%,30% 和 30% 图 2 纵缝结构图 Fig. 2 Structural diagram of radial joint 3 试验结果分析 3.1 纵缝转角刚度图 5 为岛域段转角刚度试验得到的纵缝弯矩 ( 正弯矩 ) 和张角关系, 从图中可以明显看出随着弯矩的增加, 纵缝张角分两段线性增加, 因此不同阶段的纵缝转角刚度分别可表示为 K 1 和 K 2 另外, 由于 Z-3 工况的偏心距小于 Z-4 工况, 证明当偏心距较小时, 接头刚度较大, 并且出现刚度分界点的弯矩值也较小图 3 管片不同拼装形式 ( 以岛域段为例 ) Fig. 3 Different assembly forms of segments (with island section.as an example) 图 4 错缝夹片试验测点布置图图 5 岛域段弯矩 ( 正弯矩 ) 与纵缝张角关系 Fig. 5 Relationship between sagging moment and opening angle from tests on island section 过江管段具有类似的特点, 值得一提的是过江段

1388 岩土工程学报 2011 年试验中的 Z-3 工况由于荷载值和偏心距均较小, 因此试验结果只表现出纵缝张角随弯矩线性增长, 未表现出明显的分段线性特征正弯矩下过江段岛屿段纵缝刚度值详见表 3 表 3 正弯矩下纵缝转角刚度 Table 3 Bending stiffness of radial joint under sagging moment (kn m/rad)

.tests on island section 当纵向力较大时剪切刚度较大, 反映了纵向力对于环缝间剪切错动的约束作用表 4 列举了不同纵向力下环缝沿弧长方向每延米径向剪切刚度此外纵缝沿纵向每延米径向剪切刚度约为 200000 kn/m 环缝径向剪切试验中, 在剪切力较大的情况时, 裂缝首先出现在凹榫下侧并与纵向约成 45 角随着荷载继续增加, 凹榫下侧将完全剪切破坏, 图 8

4 1388 岩土工程学报 2011 年试验中的 Z-3 工况由于荷载值和偏心距均较小, 因此试验结果只表现出纵缝张角随弯矩线性增长, 未表现出明显的分段线性特征正弯矩下过江段岛屿段纵缝刚度值详见表 3 表 3 正弯矩下纵缝转角刚度 Table 3 Bending stiffness of radial joint under sagging moment (kn m/rad) 过江段岛域段工况 K 1 K 2 K 1 K 2 Z Z 在试验荷载下, 纵缝张角与纵缝负弯矩基本呈线性关系, 纵缝转角刚度随弯矩的增加略有变化由图 6 可知, 除岛域段的 Z-1 工况外, 其他 3 个工况得到的转角刚度约在 14300~20500 kn m/rad 之间..tests on island section 当纵向力较大时剪切刚度较大, 反映了纵向力对于环缝间剪切错动的约束作用表 4 列举了不同纵向力下环缝沿弧长方向每延米径向剪切刚度此外纵缝沿纵向每延米径向剪切刚度约为 kn/m 环缝径向剪切试验中, 在剪切力较大的情况时, 裂缝首先出现在凹榫下侧并与纵向约成 45 角随着荷载继续增加, 凹榫下侧将完全剪切破坏, 图 8 为环缝剪切试验中剪切破坏的 B 试件块, 该试件块的凹榫下部被剪切破坏 ( 图片中右下部分 ) 图 6 负弯矩与纵缝张角关系 Fig. 6 Relationship between hogging moment and opening angle 3.2 纵缝环缝剪切刚度根据试验结果显示, 剪切错动过程分为 3 个阶段 ( 如图 7):1 弹性密封垫间和混凝土间的静摩擦力起到抵抗外荷载的作用, 因此在此阶段剪切错动量基本为零 ;2 当剪切力大于一定时, 剪切错动明显产生并随着荷载基本呈线性增加 ;3 由于接缝可错动的间隙已经闭合, 螺栓和接缝处凸凹榫起到了抵抗剪切荷载的作用因此, 此阶段错动变形量基本为零值得一提的是, 剪切试验中的剪切错动量在卸载之后基本不可恢复图 8 环缝径向剪切试验试件凹榫破坏 Fig. 8 Shear failure of specimen B from radial shear test on circumferential joints 表 4 不同纵向力约束下环缝沿弧长方向每延米径向剪切刚度值 Table 4 Values of radial shear stiffness under various longitudinal forces 区段纵向力剪切刚度 /(10 5 kn m -1 ) 岛域段过江段弯矩传递系数在 A 试件块和 B 试件块上沿纵向每延米施加相同垂向荷载的情况下,A 试件块纵缝处钢筋应力明显小于 B 试件块跨中主筋应力 ( 正应力表示钢筋受拉, 反之受压 ), 如图 9 所示由此说明了弯矩传递效应的存在图 7 岛域段剪切试验剪切力与错动量关系 Fig. 7 Relationship between shear force and deformation from 图 9 过江管弯矩传递试验 A,B 试件块主筋应力随荷载变化关系

5 第 9 期闫治国, 等. 青草沙水源地原水工程输水隧道单层衬砌管片接头荷载试验研究 1389 Fig. 9 Relationship between load and rebar stress of specimens A and B from moment transfer test on cross-river section 从图 10 中可以看出, 随着纵缝弯矩的增大, 弯矩传递系数呈下降趋势过江段弯矩传递系数要大于岛域段, 大约在 0.5~0.75 之间, 这是由于过江段纵缝抗弯刚度小于岛域段当纵缝抗弯刚度较小时, 承受弯矩时变形较大, 因此需要两侧管片承担更多的弯矩致谢 : 本次试验得到了上海青草沙投资建设发展有限公司上海市政工程设计研究总院上海隧道工程轨道交通设计研究院上海隧道工程股份有限公司和宏润建设集团股份有限公司大力支持和密切配合, 在论文完成之际对上述各家单位和相关个人表示衷心感谢参考文献 : [1] 日本土木学会, 隧道标准规范 ( 盾构篇 ) 及解说 [M]. 朱伟, 译. 北京 : 中国建筑工业出版社, (Japanese Civil Engineering Institute. Shield tunnel design codes and explanation[m]. ZHU Wei, trans. Beijing: China Architecture & Building Press, (in Chinese)) [2] 朱合华, 陶履彬. 盾构隧道衬砌结构受力分析的梁 - 弹簧系统模型 [J]. 岩土力学, 1998, 19(2): (ZHU He-hua, 图 10 弯矩传递系数与纵缝弯矩关系图 Fig. 10 Relationship between moment transfer coefficient and moment in radial joint 4 结论本文就青草沙水源地原水工程输水隧道单层衬砌管片接头荷载试验的情况进行介绍, 并对试验现象和结果进行分析, 得出以下结论 : (1) 在正弯矩作用时, 纵缝转角刚度呈明显的分段线性规律, 可采用双直线模型进行拟合, 根据不同接头构造, 第一阶段纵缝转角刚度约在 15000~40000 kn m/rad 之间, 第二阶段约在 5000~15000 kn m/rad 之间 (2) 在负弯矩作用时, 纵缝转角刚度基本随荷载线性变化, 转角刚度约在 14300~20500 kn m/rad 之间 (3) 纵缝在承受正弯矩时, 小偏心情况下的纵缝转角刚度要大于大偏心情况并且纵缝转角刚度分段点的弯矩值较小在承受负弯矩时, 大小偏心情况下的纵缝转角刚度没有明显区别 (4) 在纵缝环缝剪切试验中, 剪切错动和荷载变化关系分为 3 个阶段, 第一, 第三阶段分别由于静摩擦力和凸凹榫与螺栓作用, 剪切错动基本不变化, 第二阶段是剪切错动主要发生的阶段此外, 剪切错动基本不可恢复环缝沿弧长方向每延米径向剪切刚度约在 ~ kn/m 之间, 纵缝沿纵向每延米径向剪切刚度约在 kn/m 左右 (5) 弯矩传递系数随着荷载的增大呈下降趋势当纵缝转角刚度较大时, 弯矩传递系数较小, 反之, 弯矩传递系数较大 TAO Lu-bin. Beam-spring system model for shield lining analysis[j]. Rock and Soil Mechanics, 1998, 19(2): (in Chinese)) [3] 侯公羽, 杨悦, 刘波. 盾构管片接头模型的改进及管片内力的数值计算 [J]. 岩石力学与工程学报, 2007, 26( 增刊 2): (HOU Gong-yu, YANG Yue, LIU Bo. Improved joint model of shield tunnel segments and numerical calculation of inner forces[j]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(S2): (in Chinese)) [4] 胡志平, 罗丽娟, 蔡志勇. 盾构隧道管片衬砌的平板壳 - 弹性铰 - 地基系统模型 [J]. 岩土力学, 2005, 26(9): (HU Zhi-ping, LUO Li-juan, CAI Zhi-yong. Study on flat shell-elastic hinge-foundation model in shield tunnel[j]. Rock and Soil Mechanics, 2005, 26(9): (in Chinese)) [5] 朱伟, 黄正荣, 梁精华. 盾构衬砌管片的壳 - 弹簧设计模型研究 [J]. 岩土工程学报, 2006, 28(8): (ZHU Wei, HUANG Zheng-rong, LIANG Jing-hua. Studies on shell-spring design model for segment of shield tunnels[j]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2006, 28(8): (in Chinese)) [6] 苏宗贤, 何川. 盾构隧道管片衬砌内力分析的壳 - 弹簧 - 接触模型及其应用 [J]. 工程力学, 2007, 24(10): (SU Zong-xian, HE Chuan. Shell-spring- contact model for shield tunnel segmental lining analysis and its application[j]. Engineering Mechanics, 2007, 24(10): (in Chinese)) [7] 村上博智ほか. シールド工事セダメントのセゲメント继手の拳动について [J]. 土木学会论文报告集, 1980, 296:

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Fig. 1 Frame calculation model 1 mm Table 1 Joints displacement mm

Fig. 1 Frame calculation model 1 mm Table 1 Joints displacement mm 33 2 2011 4 ol. 33 No. 2 Apr. 2011 1002-8412 2011 02-0104-08 1 1 1 2 361003 3. 361009 3 1. 361005 2. GB50023-2009 TU746. 3 A Study on Single-span RC Frame Reinforced with Steel Truss System Yuan Xing-ren