盾构隧道错缝对结构内力的影响

盾构隧道错缝对结构内力的影响

在中国，坍塌隧道技术已经使用了40多年。在盾构机械方面已从最初的敞开式盾构转入全面使用闭胸式盾构的时代,其中一个较为重要的研究问题就是通缝和错缝的问题。由于通缝具有拼装施工容易、施工效率高的优点为很多施工单位所青睐。而最近由于直观上错缝方式的结构优越性使得大多数盾构隧道工程均倾向于这一方式。但在我国工程界对如何选择接头型式这一问题的认识还不完全一致。因此研究通缝和错缝的差异,确定通缝和错缝的适用范围对于盾构隧道的设计、施工具有重要意义。本次试验则主要针对错缝对结构内力的影响进行研究。1混凝土应变计测点本次试验研究是在地铁区间试验段中进行现场试验,该试验段采用2环1循环的错缝拼装方式,2环之间相互错开22.5°。在横向接头处管片截面中间内外侧各预埋一个混凝土应变计(如图1)。接头螺栓应力用预制的螺栓应变计量测;而与之邻接的错缝环相同位置内外侧也埋设应变计。共预埋两个这样的测点(如图2所示)。通过对比这两个测点接头处和邻接环对应位置的内力值,分析错缝拼装对结构内力的影响。2计算模型2.1混凝土应力分析钢筋混凝土构件正截面承载力计算的基本模型可采用有关混凝土结构设计规范的规定。图3中,ξ1、ξ2为混凝土应变计读数。假定应变分布为线性关系且混凝土、钢筋变形一致,则ξ1、ξ2也为钢筋的应变值,同时可计算出应变沿截面的分布规律ξ(y)以及ξmax、ξmin。混凝土压应力计算公式:{上升段∶σ=σ0[2(ξξ0)-(ξξ0)2]水平段∶σ=σ0(1)式中:σ0=fcm=26MPa;混凝土压应力峰值对应应变ξ0=2000×10-6混凝土拉应力计算公式:{σ=Ec×ξ(ξ≤ξ0)σ=0(ξ＞ξ0)(2)式中:ξ0为混凝土极限拉应变。钢筋应力计算公式:{σ=Esξ1σ=Esξ2(3)式中:ξ1、ξ2为预埋应变计读数;由于现场实测混凝土应变最大值约为0.0007(<0.002),则混凝土塑性表现不明显,故可假定混凝土应变为线性分布,其计算简图如图4。计算公式:{Ν=∫h/2-h/2σ(y)bdy+(Τs+Τ′s)Μ=∫h/2-h/2σ(y)ybdy+Τs(h/2-a)-Τ′s(h/2-a′)(4)式中:Ts、T′s为钢筋的轴力;σ(y)为混凝土应力分布函数;h为管片截面高度。2.2接头面为平面的变形管片接头断面计算模型可采用类似的钢筋钢纤维混凝土构件正截面承载力计算的基本模型(把螺栓看成受拉钢筋)。管片接头断面在模型的建立过程中,将采用以下假设。(1)接头处的变形主要是由螺栓的变形、接头面混凝土的压缩变形引起的。(2)当接头尚未张开时,接头面为全截面承压,整个接头面保持为平面;当接头张开后,接头面上脱离区和压缩接触区各自保持为平面。计算公式:接缝张开前(全截面受压时):∑X=0,N+2Tb-C1-C2=0(5)∑Μ=0‚Νe-2Τb(d-h2)-C2h8=0(6)接缝张开后:∑X=0,N+2Tb-C=0(7)∑Μc=0‚Ν(e-h2+38y)-2Τb(d-38y)=0(8)式中:Tb为螺栓的轴向拉力;C1、C2、C为混凝土等效轴力。3数据分析3.1环间接接头弯矩m如表1所示,测点1的接头弯矩(Mj)和邻接环处弯矩(Ms)均为正弯矩,且Ms明显大于Mj,则管片在该处将发生相同方向的变形。但由于错缝拼装,接头处的刚度小于邻接环的刚度,使得管片变形不一致;而这种变形的不一致,又受到纵向螺栓、接触面摩擦力的约束,从而引起纵向螺栓受剪;同时由于管片环向接头存在一些铰的作用,因此可以认为弯矩并不是全部都经由管片接头传递,其一部分是利用环间接头纵向螺栓的剪切阻力传递给错缝拼装起来的邻接管片,具体见图6所示。因此在“η-ξ法”盾构设计中我们通过引入弯矩修正系数ξ对接头弯矩(Mj)和邻接环处弯矩(Ms)进行修正,如式(9)所示。由于通过现场试验我们已知Ms、Mj,根据式(9),则可反算出ξ,并按概率统计原理得到:ξ=0.501(设计的建议值0.3≤ξ≤0.5)。{接头∶Μj=(1-ξ)Μ管片∶Μs=(1+ξ)Μ(9)3.2管片无负相异如表2所示,测点2中,Ms、Mj正负相异,但数值相差不大;对于测点处弯矩出现了正负相异的现象,考虑到土压力的复杂性以及结构错缝拼装导致管片刚度的差异,在同一个位置处,两邻接管片出现正负相异的弯矩还是有可能的;因此在正负弯矩作用下,管片将发生方向不一致的变形,从而导致纵向螺栓对管片产生剪切阻力,纵向螺栓作用类似与管片间存在的弹簧作用;弯矩正负相异时,将使Ms、Mj都减小。而对于表2所示,初期Ms、Mj较大,之后迅速减小并趋于稳定,是由于螺栓孔与螺栓间存在空隙,初期两管片的错动,由于空隙的存在,纵向螺栓未与孔壁接触,故纵向螺栓不能提供剪切阻力,随着螺栓与孔壁的进一步的接触,螺栓将提供较大的剪切阻力,从而导致Ms、Mj迅速减小。4每次1000公里(1)ms、mj方向不一致方向一致时,采用“η-ξ法”进行盾构设计是可行的,同时ξ的试验值与设计建议采用值也较吻合;但当Ms、Mj方向不一致时,Ms、Mj均减小。希望今后能进行进一步的研究。(2)单孔和错孔之间的差异本质上是整个管内的刚度差异错缝的存在,使得管片环之间的螺栓可以发挥纵向加强作用,使得管片间接头处的薄弱部位得到加强从而增加了管片环整体的刚度。(3)盾构隧道衬砌管片