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大断面水下盾构隧道原型结构加载试验系统的研发与应用

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第30卷第2期20ff年2只Chinege岩石力学与工程学报JournalofR0cicMechanicsandV01.30EngineeringNo.2Feb.,201I大断面水下盾构隧道原型结构加载试验系统的研发与应用何川1,封坤1,苏宗贤2(I.西南交通大学地下工程系,四川成都610031;2.港珠澳大桥管理局,广东珠海519015)摘要:针对大断面水下盾构隧道衬砌结构特点,提出管片结构(包括接缝结构及整环衬砌结构)的原型试验加载方法,并自主研发多功能盾构隧道结构加载试验系统,该系统可根据不同需求进行组装和拆卸,既可进行管片接头力学试验,又可成功将水压与土压分离,进行管片衬砌结构的加载试验。随后,采用该试验系统对南京长江隧道及珠江狮子洋隧道管片衬砌结构进行原型加载试验,包括错缝拼装、通缝拼装结构的加载试验,接头抗弯、抗剪试验等,并选取部分试验结果与数值计算对比,验证该试验加载方法对大断面盾构隧道结构体系进行系统研究的正确性及可靠性,为科研、设计和生产提供可靠的试验手段。关键词t隧道工程;水下盾构隧道;管片衬砌结构:原型试验;加载系统中图分类号:U45文献标识码:A文章编号:1000—6915(2011)02—0254—13DEVELOPMENTANDAPPLICATIoNoFLoADINGTESTSYSTEMoFPROToTYPESTRUCTUREFoRUNDER、7I,ATERSHIELDTUNNELLARGECRoSS.SECTIoNHEChuanl,FENGKunl,SUZongxian2WITH(1.DepartmentofTunnelandUndergroundEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu,Sichuan2.HongKo馏—历uhai--MacaoBridgeAuthority,Zhuhai,Cruangdong519015,China)610031,China;Abstract-Accordingtothefeaturesofunderwatershieldtunnelwithlargecross-section,allintegratedtestmethodisproposedforprototypesegmentalliningstructure,includingjointstructureandwholeringliningstructure.ThetO“MultifunctionShieldTunnelStructureLoadingTestSystem”hasbeendevelopedaccordingThesystemnotonlycanthetestmethod.themechanicsoftunnelandperformtheprototypetestofsegmentalliningstructure,butalsocantestjoints.ThenthroughthetestmethodandtestsystemareappliedtoprototypetestsforNanjingChangiiangGuangzhouShiziyangatunnel.Meanwhile,jointbendingastiffnessandshearstiffnessarebothobtainedsuccessfullyseriesoftests;andpartofresultsobtainedbyprototypetestsiscomparedwithnumericalresultstoverifytheaccuracyandreliabilityofthetestmethodandtestsystem,SOastoprovidereliabletestmeansforresearch,designandconstructionofunderwatershieldtunnelKeywords:tunnelingengineering;underwatershieldsy7stemprojects.tunnel;segmentliningstructure;prototypetest;loading按一定方式连接在一起协同受力的复杂结构111。针1引言对盾构隧道主体结构力学性能的研究,主要集中在2个方面,即管片接头力学性能与整体管片结构的受力特征。盾构隧道管片衬砌结构是由管片间接头将管片收藕日期l2010—08—24;修目日期l2010一10—20基金项目l国家霞点基础研究发展计划(973)项EI(2010CB732105);国家杰出青年科学基金项N(50925830)作者筲介l何)11(1964’),男,博士,1984年毕业于西南交通人学公路1=程专业,现任“长江学者”特聘教授,主要从事公路、铁路及城市地铁隧道等方面的教学与研究工作。E·mail:chuanhe21@163.corn万方数据第30卷第2期何J1I,等.大断面水下盾构隧道原型结构加载试验系统的研发与应用·255·接头既影响着管片内力传递分布又要承担自身受力和防水作用,因此,无论从整环衬砌结构受力安全还是接缝面局部承载与防水使用安全出发,对接头的分析研究都是必不可少的关键环节。张厚美等[2-61的研究表明,由于荷载条件、拼装方式、结构型式等差异,接头的力学性能变化很大。因此,对于大断面水下盾构隧道,有必要对原型管片接头力学性能进行加载试验。另外,从衬砌结构整体力学性能上看,目前对大型盾构隧道结构形变、内力变化规律等力学特征的研究,通常采用模型试验方法【7 ̄91。然而,由于模型结构的粗略化及模型材料的离散性,难以真实实现对管片结构的细部特征及结构承载能力、失稳、破坏特征等力学特性的模拟。为了验证衬砌管片的承载能力和稳定性,掌握管片结构细部真实受力与形变规律,有必要进行原型管片衬砌试验。对于管片接头实体试验,相关学者开展了一些原型试验研究,林光俊【lol进行了东京一共同沟工程的管片接头实体试验的加载试验;张厚美【ll】对穿黄隧洞采用双层衬砌管片接头进行了荷载试验,历时2a多,共使用了9对外管片接头试件,最后给出了相应拟合公式。对于整环管片衬砌结构,国内外也开展了~些原型试验,王如路等【l2’B】对上海和广州地铁进行了1:1水平整环试验;H.Nakamura等【14’15J进行了双圆断面盾构衬砌原型试验:王彪等1161对上海崇明隧道用44套千斤顶即44个对拉力近似模拟均布荷载进行加载,并将这些对拉力分成4组以调整大小模拟不同的荷载工况,这种加载方式采用多点施加综合荷载,即是将土压和水压混合在一起施加的。可见,目前对于整环原型管片衬砌结构的加载方法可归为2种:第一种方法是在地面挖一深坑,将管片结构水平安放在坑内进行加载,其反力由坑壁提供,如图1(a)所示:第二种方法将管片结构放置在地面,用若干千斤顶沿径向施加荷载来等效代替衬砌的实际受力情况,如图1(b)所示。对于水下盾构隧道,通常受到土压和水压2种力的作用,并且这2种力之间关联性差,而其轴力成分的影响不可忽略。因此要较真实地模拟测试出拟建隧道结构的各种力学特征,须对隧道结构独立地加载水压及土压,由此提出将水压力与土压力分离控制的整环原型管片衬砌加载方法。万方数据图l整环原型管片衬砌结构加载方法Fig。lLoadingmethodsofwholeringprototypesegmentliningstructure2原型管片结构加载方法2.1接头抗弯(剪)刚度加载方法采用双管片加载的接头模型,其边界条件为:模趔一端采用固定铰支座,另一端采用可动铰支座,使接头部位不产生赘余力;在管片体侧面布置链杆限位约束,以防止管片侧向扭曲变形。管片接头的弯矩和轴力是通过两端轴压荷载Ⅳ和上部压力荷载只.来实现的。管片接头处所受轴力值大小即为轴压荷载Ⅳ,而所受弯矩值大小即为M=气口。接头抗剪试验采用长度不同的2个试件,将短试件固定,而对长试件施加轴压荷载JV和剪切荷载昂。接头抗弯与抗剪加载模式如图2所示。2.2管片衬砌结构加载等效方法对于大断面水下盾构隧道,首先设定荷载模式如图3所示,图中,尺为隧道半径,P为竖向土压,^r.Ⅳ(a)抗弯加载模式·256·岩石力学与工程学报2011年N(b)抗剪加载模式图2接头抗弯与抗剪加载模式Fig.2Loadingmodesofsheartestandbendingtestforjoint9nq^铝陟图3荷载模式图Fig.3Sketchofloadmodeg为水平土压,尸w为水压,R为地层抗力。各项荷载的等效方法如下:(1)水压的等效将水压和土压对结构的作用分开考虑,对于水压,采用环箍模拟,如图4所示。图4环箍力与圆周压力等效示意图Fig.4Schemeofequivalentcircumferentialwaterpressureexceedbyhoopforce根据力学原理,可推导出环箍力和水压力的转换关系,设每环总环箍力为n作用在管片上的平均压应力为q,根据力的平衡关系,可得环箍力F与水头日的关系为F=Ⅳ心bR(1)式中:b为管片幅宽,扎为水的容重。(2)土压的等效万方数据从考虑结构受力的角度出发,采用对拉的集中力方式近似模拟土压作用,等效示意图如图5所示。图5土压力与对拉集中力等效示意图Fig.5SchemeofequivalentearthpressureexertedbyradialconcentratedforceZ誊≈.120嗽.701%卜鸠=塾≯%%J.若以弯矩等效,帆=Me,可得P=詈职 ̄0.785qR魄=丽‰‰≈1.426魄对于侧向土压,同样采用集中力来等效施加。(3)地层抗力的等效利用另一方向的对拉力导入地层抗力,原理简化如图6所示。图6地层抗力与对拉集中力等效示意图Fig.6Schemeofequivalentstratumresistanceexertedbyradialconcentratedforce根据力学原理,可得q第30卷第2期何川,等.大断面水下盾构隧道原型结构加载试验系统的研发与应用尸:婴RR ̄0.655PkR~丁c一2‘(4)3原型管片结构加载装置及量测系统3.1试验装置根据隧道结构特征和荷载条件,开发了多功能盾构隧道结构加载试验系统,见图7,可通过不同的组装方式,对隧道原型管片接头实体结构进行力学试验,及对整环衬砌结构在通缝与错缝拼装条件下分别进行加载试验,其系统架构见图8。图7多功能盾构隧道结构加载试验系统Fig.7Multi-purposeshieldtunnelstructureloadingtestsystem水下盾构隧道结构加载试验系统缝实体结构I整环原犁管片I接缝实体结构抗弯试验II衬砌结构加载试验l抗剪试验接缝抗弯刚度整环管片衬砌接缝抗剪刚度与力学性能研究受力特征研究与力学性能研究及抗弯能力评价与承载能力评价及抗剪能力评价对水下盾构隧道原犁结构整体力学性能研究并对其承载能力进行综合评价图8试验系统架构Fig.8Prototypetestsystemarchitecture对于原型管片接头实体结构加载,可将对拉梁作为提供反力装置,其中2根在下方提供弯矩或剪力荷载,2根在上方提供轴力荷载,成空间正交关系;而环箍梁则作为支座,三维示意图如图9所示。万方数据图9管片接头加载三维示意图Fig.9Thl'ee·dimensionalsketchofloadingofsegmentjoint对于整环衬砌结构的加载,采用对拉梁为管片环原型试验提供径向对拉力以对结构导入弯矩内力,环箍梁提供环向环箍力以导入轴力模拟水压。每根对拉梁上设4孔,钢绞线从孔内穿越,~端锚固于对拉梁,另一端锚固于另一对拉梁上的千斤项以实现张拉。环箍梁也同样设有孔位,钢绞线绕管片环一圈后张拉端与固定端设在同一根环箍梁上,见图10。图lO原型盾构隧道管片结构加载示意图Fig.10Loadingsketchofprototypeshieldtunnelsegmentstructure3.2环箍梁附加集中力的消除与减摩措施3.2.1环箍梁附加集中力的消除由于环箍千斤顶吨位和尺寸较大,环箍梁两侧钢绞线从弧形的管片外表面进入环箍梁时可能产生约14。~17。的张拉角,使环箍梁附近区域存在张拉空隙,并在环箍梁处产生较大的附加集中力,从而影响试验效果,如图ll所示。为了消除该附加集中力,在环箍梁两翼增加垫块,并对环箍梁开斜向孔,以减小该处钢绞线的夹角,如图12所示。经处理后,折角减小到39由其产生的附加集中力十分微小。3.2.2等效水压的减摩措施·258·岩石力学与工程学报2011年图11环箍梁附加集中力示意图Fig.11Sketchofadditionalconcentrationforceofhoopbeam两翼挚板环箍粱(a)示意图(b)安装图图12环箍梁两翼垫板Fig.12Wing·shapedplatesofhoopbeam由于晋通钢绞线与管片外弧回混凝土之I司厚摞损耗,导致环箍钢绞线拉力沿圆周分布不均匀。图13为环箍钢绞线与管片微元受力分析,假设在长度无限小的微元皿上,摩擦因数/2不变,则Ⅳgc。8了d0一/一蜓c。s萼:o(5)只一Ⅳgsin警一蜓sin警=o(6)万方数据(a)环箍钢绞线微元受力图Dy(b)管片微元受力图图13环箍钢绞线与管片微元受力分析Fig.13Forceanalysesofhoopstrandandasegmentdifferentialelementf=∥只,只=一疋(7)式中:M,蜓均为环箍钢绞线微元皿所受张拉力;厂为微元配所受的静摩擦力;Fw,只分别为管片微元与环箍钢绞线微元所受的法向接触压力。则由式(5)---(7)可得管片微元所受等效水压为瓦一—●d£O—dONsindp(8)/2sm一2托08T略去式(8)中微小量警,可得上E=一—/2d£0+22NdO(9)可见,随着环箍力虬自环箍梁主拉一侧沿圆周显著减小,引起等效水压只沿圆周减小。因此,采用无黏结钢绞线,消除了钢绞线与管片间的摩阻力,使∥趋于0,从而使得等效水压的施加不受摩阻力的影响,如图14所示。3.3量测系统3.3.1原型管片接头实体结构加载试验对于原型管片接头实体结构加载试验,测试的内容包括:管片垂直位移(挠度)、接缝张开角、接缝附近表面混凝土应变、支座沉降位移和裂缝的发展等。第30卷第2期何川,等.大断面水下盾构隧道原型结构加载试验系统的研发与应用·259·图14无黏结钢绞线的应用Fig.14Applicationofunbondedstrand(1)管片垂直位移(挠度)。管片垂直位移(挠度)由6支垂直方向的位移传感器和支座处的垂直方向位移传感器测量,管片承受正弯矩状态下外弧面位移计布置如图15所示。侧面·接内弧面一一《盈一塑——————侧面外弧面一—{二—一一一一一——+一I垂直位移计。水平位移计图15管片接头垂直位移测点布置示意图Fig.15Layoutofverticaldisplacementmeasuringpointsofsegmentjoint(2)接缝张开角。由安装在管片接缝侧面和内弧面的12支位移计测量测点水平位移,管片承受正弯矩状态下测点布置隋况如图16所示,由管片一侧上下2排测点的水平位移差及其高差可得出接缝的张开角的张开高度。图16接缝张开角测点布置示意图Fig.16Layoutofopeninganglemeasuringpointsofjoint(3)表面混凝土应变。接缝附近混凝土表面应万方数据变采用直接在混凝土表面贴长标距电阻应变片测量。测点主要布置在内弧面手孔周围、管片侧面接缝两侧及外弧面接缝两侧,以便重点研究接缝附近的应变分布情况以及应变在高度方向的分布规律,如图17所示,共布设43块长标距电阻应变片和14块应变花。侧面一一'卜■p一—坷一接-内弧面缝‘侧面—啼—畸一一外弧面71应变花一应变片图17接头表面应变测点布置示意图Fig.17Layoutofsurfacestrainmonitoringpointsofjoint3.3.2整环衬砌结构加载试验对于整环衬砌结构的加载试验,测试的内容包括:管片衬砌结构内力、变形、接缝张开量以及混凝土裂缝的产生和发展,并于关键区域预埋混凝土应变计、钢筋计,以保证测试的准确性。(1)管片衬砌结构内力。管片环的内力主要考虑截面的弯矩和轴力,在线弹性阶段,通过管片内外弧面成对的应变片与表面混凝土应变计获取,当结构表面出现裂缝后,采用预埋的混凝土应变计测试管片应变,如图18所示。(2)管片衬砌结构径向位移。管片环位移主要考察中间目标环,沿管片圆周在外弧面分布多个径向测点。位移量测采用0.01mm精度的差动式位移传感器,如图19所示。(3)管片纵缝张开量。在管片接缝处的内弧面和外弧面采用钢弦式位移测缝计进行量测,每条纵缝在内外弧面均布置有2个测缝计,对接缝的张开进行实时量测,如图20所示。·260·岩石力学与工程学报2011钜图18应变测点布置示意图Fig.18Layoutsofsurfacestrainmonitoringpoints2副对(a)示意图图19管片径向位移测点布置图Fig.19Layoutsofradialdisplacementmeasuringpoints口@主互口手孔口磬q兰旦(a)示意图(单位:mm)万方数据(b)实物图图20管片纵缝张开量测点布置图Fig.20Layoutsoflongitudinal¥camopeningamountmeasuringpointsofjoint4大断面水下盾构隧道原型管片结构加载实例对于大断面水下盾构隧道,从结构的体系特点看,原型试验应进行以下试验:(1)管片接头抗弯试验,测试其抗弯刚度和抗弯承载能力;(2)原型管片结构组合环加载试验,模拟错缝拼装的管片结构;(3)原型管片单环加载试验,模拟通缝拼装的管片结构。为此,采用本试验系统,分别对南京长江隧道及广州珠江狮子洋隧道管片衬砌结构进行了上述试验。4.1南京长江隧道隧道主体结构外直径14500rnm,内直径13300mm,管片厚度600mm,幅宽2000mm,衬砌环分成10块,封项块圆心角12。5l725.71”,邻接块与标准块圆心角均为38。34’17.14”。一环布置30颗环向螺栓,42颗纵向螺栓,纵向螺栓按4。27’和10。37755.7l”的角度交替布置,管片分块见图21,环向接头构造见图22。图2l南京长江隧道工程管片分块图Fig.21SegmentlayoutofNanjingChangjiangtunnel第30卷第2期何川,等.大断面水下盾构隧道原型结构加载试验系统的研发与应用·261·图22南京长江隧道管片环向接头构造图(单位:mm)Fig.22StructuralsketchofcircumferentialsegmentjointforNanjingChangiiangtunnel(unit:mm)4.1.1管片接头实体抗弯试验对于管片接头抗弯试验,为了方便地施加轴力和弯矩,试验中将曲线管片用自行浇注的直线管片代替,接缝端面细部构造按实际情况进行浇模,理论上其受力性能与原型一致。如图23所示,4根对拉梁为轴力和弯矩横梁提供反力,中间穿钢拉杆,2根环箍梁作为支座平衡弯曲横力,根据结构力学原理可知在接缝附近产生了纯弯矩。图23南京长江隧道接头抗弯试验概貌Fig.23SketchofbendingtestofjointforNanjingCh锄gjiangtunn。l根据南京长江隧道管片结构的具体受力情况,轴力按每级1000kN由3000kN增至8000kN,根据不同的轴向荷载水平,试验荷载施加顺序为先施加一定的水平荷载以导入轴力,在此基础上施加竖向荷载导入弯矩,直至接头最大张开量为2mrll左右时,卸掉所有竖向荷载,增加水平荷载,如此进行了弹性状态下的常规加载,得出不同轴力Ⅳ条件下的弯矩M与转角目关系曲线,如图24所示。常规加载完成之后,在轴力3500kN条件下进行了破坏加载试验,如图25所示。接头受弯破坏时,受压区混凝土彻底压碎,螺栓的套筒口部和附近混万方数据500一暑【000互500.喜。36045聋:髫∥”)。.缪害罗1000246I45o/(10一3rad)69}{一一}{78ⅣⅣⅣⅣⅣⅣ8叭∞的舛∞旺7蝌蝌蝌蝌蝌蝌图24不同轴力条件下接头抗弯试验弯矩与转角关系曲线Fig.24Relationofmomentandopeningangleunderdifferentaxialforces图25接头受弯破坏Fig.25Bendingfailureofsegmentjoint凝土被拔出。4.1.2管片接头实体抗剪试验对于管片接头抗剪试验,同样采用自行浇注的直线管片代替曲线管片,接缝端面细部构造按实际情况进行浇模,理论上其受力性能与原型一致。抗剪试验加载情况见图26,测得的接缝剪切刚度曲线见图27。当接缝剪切破坏时,接缝相对错动量达30mill,见图28,螺栓弯曲但并未断裂,在螺栓与螺栓孔接触部位的混凝土局部压溃,见图29。4.1.3整环原型管片结构加载试验对于管片单环与组合环加载试验,同样进行了多种荷载条件下的常规试验加载与破坏加载,如图30所示。I?1926。灞。鞫LadingdiagramofJo【ntn…t断NaⅢ1%【han目iangIunnd”『0c)05l】52.0m1】·¨≈~。FH27‘£_、"1^HU№㈣线Fm27Shearstiflhcss…cofjoint㈦29《恃^_|Ⅷ&IH*L¨=*Fig29BOilyieldingandco…ccnJshing试验廿制揽拟,20,3040.50.60m水¨以及10.2030.40,50m川J.锋f*一兑.采用打万方数据Im’PHOt“H3f)mc^K}】睡道M掣昔H^Il=城试啦Fig30Pm∞b伴segmentIQadlngtesbforNanjingch皿目】”BtunneI缀小步长分级加载至目标荷载.每级稳载时问不少于10rain,待麻变仪和位移汁数值挂币稳定后丌始读数。其所施加荷救的转换见嵌1.得j=|j批内力结果与辑|间荷载条件下梁一弹簧横州汁并结粜时比见裁2.结果分布见图3I。表ITableIC…rslonM∞倚戟}0搬oftestIoa☆m“I口Ldmn自*#☆1FH&^^{一¨n型坐兰竺旦坐旦土竺坐竖竺■兰尘旦土苎兰堡3002I7791835234l43,02479I24126等激豪一第30卷第2期何川,等.大断面水下盾构隧道原型结构加载试验系统的研发与应用·263·(c)变形分布(单位:mm)图3l试验与计算结果对比Fig.31Comparisonsbetweentestedandcalculatedresults可见,试验测得弯矩、轴力及变形的分布规律与计算结果相似,从量值上看,试验测得最大正、负弯矩均较计算值小,而轴力结果大于计算值。从差值上看,除最大负弯矩相差较大外,其他最值与计算结果相差不大。管片破坏主要以弯矩开裂为主,当裂缝出现后,裂缝处截面刚度降低、附近内力重新分布,如图32所示。4.2珠江狮子洋隧道狮子洋隧道采用单层装配式钢筋混凝土管片衬砌,隧道外直径10800mm,内直径9800mm,管片厚度500mm,管片采用通用环拼装,平均幅宽2000rrlm,衬砌环分成8块,纵缝布置24颗环向螺栓,纵向螺栓22颗,封顶块圆心角16。21'49.09”,邻接块和标准块中心线圆心角为49。5’27.27”,衬砌结构布置见图33,环向接头构造见图34。4.2.1管片接头实体试验万方数据图32管片开裂破坏Fig.32Segmentcracking图33狮子洋隧道工程管片分块图Fig.33SegmentlayoutofGuangzhouShiziyangtunnel图34狮子洋隧道管片环向接头构造图(单位:mm)Fig.34slluctIlralsketchofcircumferentialsegmentjointforGuangzhouShiziyangtunnel(unit:mill)根据狮子洋隧道的具体受力情况,轴力按每级000kN由3000kN增至9000kN,与南京长江隧mml道管片接头实体试验相似,试验荷载施加顺序为先施加一定的水平荷载以导入轴力,在此基础上施加竖向荷载导入弯矩,直至接头最大张开量为2左右时.卸掉所仃‘睁m荷城.增加水’r付救如此进行弹性状态t-的i苜舰加哉.枷找布置址鬻35.得出的弯砸轴力报“f0咒采见圈36f…n≈圈36擅^n弯试聃弯"一∞自mH≈咒最Fig36Relationshipsbetweenmoment…alm…dopening”glcofjointinbendinglcsI试验完J.1}后在6000kN轴山水1Fr进行了破坏试验。当接头碍曲供埘、刚,试件械音_;人毓掉块+受匿K压竹蝶梓被扭断.如阿37所*。万方数据mIf■mn㈣38狮Trf隧道螗刑督H№教试&Fig38Prolt)tyF哗…emloa‘Iing蚺bfor6u呜女0uShiziⅢg…el第30卷第2期何川,等.大断面水下盾构隧道原型结构加载试验系统的研发与应用·265·试验模拟了20,30,40,50,60m水压,以及10,20,30,40,50nl土压等情况。其所施加荷载的转换见表3,得到的内力结果与相同荷载条件下梁一弹簧模型计算对比见表4,结果分布见图39。表3试验荷载转换T曲le3ConverSionoftestlOa(1s模拟荷载试验加载水压上部土压侧压抗力环箍力上下对拉力左右对拉力P,/la'aP/kPaq/kPa/'k/Vd)a/(kN。环)/(kN·环),(kN·环)400160902.643201356.5947表4试验与计算结果对比Table4Comparisonsbetweentestedandcalculatedresults最人变形量最人正弯矩最人负弯矩最人轴力最小轴力数据类型/mm/(kN·m)/(kN·m)/kN/kN注:差值=(计算值一试验值)/i,t‘算值。(b)轴力分布(单位4.06(c)变形分布(单位:mm)图39试验与计算结果对比Fig.39Comparisonsbetweentestedandcalculatedresults万方数据可见,试验测得弯矩、轴力及变形的分布规律与计算结果相近。从差值上看,除轴力结果与计算值相差较大外,其他结果均相差不大。试验测得轴力的值域较计算结果广,可见实际结构受载时,其轴力的传递并不如计算理想。在高水压条件下,对通缝与错缝拼装结构进行破坏加载时,测得两结构不同的破坏特征:错缝拼装管片结构破坏主要以弯矩开裂为主,而通缝拼装结构则易在纵缝处发生压溃与剪切破坏,从而突然丧失承载能力(见图40)。(a)错缝拼装结构弯曲开裂破坏(b)通缝拼装结构纵裂缝处局部剪切破坏图40错缝拼装与通缝拼装结构破坏情况Fig.40Failureofstaggeredassemblingstructureandstraightassemblingstructure5结论(1)针对大断面水下盾构隧道衬砌结构特点,提出了原型管片结构(包括接缝结构及整环衬砌结构)的试验加载方法。(2)自主研发了多功能盾构隧道结构加载试验系统,成功将水压与土压分离对整环原型管片衬砌结构进行加载,并可进行管片接头实体结构抗弯、抗剪等试验,对于研究大断面水下盾构隧道结构的受力特征提供了有效手段。(3)针对国内2座大断面水下盾构隧道——南京长江隧道与广州珠江狮子洋隧道,成功开展了整·266·岩石力学与工程学报2011定环管片结构原型加载试验及接头实体结构的加载试验,对其接头力学性能及结构受力特征、破坏特征等进行了探索。(4)将试验结果与数值计算结果对比可见,试验内力与变形的分布规律与计算相同,量值相近,验证了该加载方法与试验系统的准确性与可靠性。参考文献(References):【l】刘建航,侯学渊.盾构法隧道【M】.北京:中国铁道出版社,1991.(LIEJi甜lllallg,HOUXueyuan.Shieldtunneling【M¨}eijing:ChinaRailwayPublishingHouse,1991.伽Chinese))【2】张厚美,过迟,傅德明.圆形隧道装配式衬砌接头刚度模型研究田.岩土工程学报,2000,22(3):309—313.(ZHANGHoumei,GUOChi,FUn蝇Astudythestiffm.ssmodelofcimdartunnelprefabricatedljIliIlg川.OdneseJownalofGeoteclmicalEngjI瞄血g,2000t22(3):309—313.(inChinese))【3】曾东洋.盾构隧道衬砌结构力学行为及施工对环境的影响研究f博士学位论文】【D】.成都:西南交通大学,2005.(ZENGDongyang.Researchthemechanicalbehaviorofshieldtunnelliningstructureandinfluencestheenvironmentinco衄呻cdon吼D.ThesislPl.Cbengdu:SouthwestJiaotongUniversity。2005.(inChinese))【4】廖少明,闫治国,宋博。等.钢纤维管片接头局部应力的数值模拟试验川.岩士工程学报,2006,28(5):653—659.(LIAOShaoming·YANZhiguo,SONG130,da1.NumericalmodelinglocalofSFRCtunnelsegmentjoints[J1.ChineseJournalofGeotechnicalEngineering,2006,28(5):653—659.(inChinese))15】曾东洋,何川.地铁盾构隧道管片接头抗弯刚度的数值计算m.西南交通大学学报,2004,39(6):744—748.(ZENGDongyang,HEChuaILNumericalsimulationofsegmantjointbondingstiffnessofm刨l"oshieldtunnel唧.JonmalofSouthwestJiaomngUniversity,2004,39(6):744—748.(inChinese))【6】陈俊生,莫海鸿.盾构隧道管片接头抗弯刚度的三维数值计算【J】.铁道学报,2009,31(4):87—91.(CHENJunsheng,MOl-laihong.Thrcc-dimcmionalFEManalysisflexuralrigidityofsegmentjointsinshieldtunnel[J].JournalofChinaRailwaySociety,2009t31(4):87—91.(inChinese))用何川,张建刚。杨征.武汉长江隧道管片衬砌结构力学特征模型试验研究【J】.土木工程学报,2008,41(12):85—90.(HEChuan。ZHANGJiangang,YANGZheng.ModelstudythemechanicalcharacteristicsofsegmentliningfortheWulmaYangtzeRivern皿d们.ChinaCivilEngineedngJournal。2008,41(12):85一∞.(inChinese))万方数据【s1何J11.封坤。杨雄.南京长江隧道超大断面管片村砌结构体的相似模型试验研究【J】.岩石力学与工程学报,2007·26(11):2260—2269.(HEChoan,FENGKun,YANGXiong.ModeltestoflargeprofilesegmentalliningforN姐jingChangjiangtmmel川.ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,2007,26(111:2260—2269.(inChinese))【明李围,何川.盾构隧道通用管片结构力学行为与控制拼装方式研究棚.铁道学报,2007,29(2):77—82.(LIWei,HEChnan.Studymechanicalbehaviorandcontrollingassemblingmodesoftmivcrsalsegmentliningforshieldtunnelffl.JournalofChinaRailwaySociety,2007,29(21:77‘82.(inChinese))【lO】林光俊.旺}七少J}口,力学特性扫j盯干口)合理的裂造方法c明1卜玉研究【博士学位论文lID].东京:早稻田大学,1997.【lil张厚美.装配式双层衬砌接头荷载试验与结构计算理论—卅i水北调中线穿黄隧洞结构计算模型研究【博士学位论文】【D】.上海:同济大学,2000.(ZHANGHoumei.Researchontheloadingandm.ucutmlmodelsofixefabricatedsegmentreinforcedbysecondaryliIl岫g卟D.rbesis][D].鼬酬:ToniUniversity,2000.(in例nese))【12】王如路,宋博,王祺,等.双圆盾构隧道衬砌错缝拼装整环试验及结构分析【J】.地下工程与隧道,2001,(1){12—15.(WANGRulu,SONGBo,WANGQi,eta1.Liningexperimentand鲥玎lctIⅡeanalysisofbi-circularshieldmnnelwithstaggeredjointspliceon∞鲷瑚船m.UndergrotmdEngin∞'emgandTtmels,2001,(1):12—15.(inChinese))【13】郭智杰,鲁亮。刘祖华.双圆盾构法隧道衬砌l:l结构试验加载方法研究【J】.结构工程师,2004,(3):64—71.(GUOZhijie,LULiang,LIEZuhua.Loadingmethodoftestfordouble-circularfaceshieldtunnellining[JI.StructuralEngineers,2004,(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作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):

何川, 封坤, 苏宗贤, HE Chuan, FENG Kun, SU Zongxian

何川,封坤,HE Chuan,FENG Kun(西南交通大学,地下工程系,四川,成都,610031), 苏宗贤,SU Zongxian(港珠澳大桥管理局,广东,珠海,519015)岩石力学与工程学报

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