双圆盾构隧道管片模型试验及结构分析万芳

双圆盾构隧道管片模型试验及结构分析

1前言

自从一百多年前盾构法隧道施工问世以来，以其无法代替的施工优势在隧道施工中逐渐确立了主导地位。近年来，盾构法施工又有了新的发展，机械化程度越来越高，各种异形盾构也随之出现，如已经研制成功的矩形盾构、椭圆形盾构、球形盾构、任意断面形以及多圆形盾构。其中，双圆盾构是十多年前由日本首先研制成功的，已经过多次工程试验。如用MF工法双圆泥水平衡式盾构进行了京叶线京桥隧道中东京都中央区段的工程施工，隧道长达619m。目前双圆盾构用于工程试验已累计超过2km。

由于双圆盾构在挖掘隧道时，其横断面为两个搭接的圆环断面，这种隧道的断面形状为双线铁路提供了所需的最低限度横断面，与一个大的单圆隧道和两个独立的中等大小的单圆隧道相比，具有开挖面积小、施工速度快、工程造价低、有效利用地下空间等优点。

我国已有近15个城市报批兴建地铁和轻轨，地铁和轻轨建设的高潮即将到来。双圆盾构的应用将大大加快地铁建设速度，降低成本。为了将这一世界先进的施工技术引入我国的隧道建设事业，并遵循公司以技术优势占领市场的指导思想，自90年代中期以来，隧道施工技术研究所先后进行了"双圆盾构工法的可行性研究"、"双圆盾构隧道整环结构试验"等超前性科研储备科研项目。

本次试验是以日本的双圆隧道衬砌结构形式为样本，按1∶3的比例制作了管片模型，进行结构试验。双圆盾构隧道整环衬砌原型见图1。

图1 双圆盾构隧道衬砌结构几何形状图

2双圆结构试验

在双圆盾构隧道整环结构试验的科研过程中，分别进行了单环通缝拼装及三环错缝拼装试验。在首次单环通缝拼装试验的基础上，于1999年4月先后进行了三次错缝拼装试验，加压设备和记录仪器全部进行了标定，应力采用钢筋计采集；应变采用应变片采集；变形采用位移计采集。试验是采用6点集中加载的方法，在隧道实际存在的周围土压力情况中是最危险的一种。荷载加压等级以3kN为一个等级，根据垂直压力(P1)与水平压力(P2)比值分别为1∶0.7，1∶1，1∶0.5三个不同的工况进行加载试验。三环错缝拼装模型结构的测试仪器布置见图2。

图2 测试仪器布置图

在试验中注意到，构件的破坏绝大多数是手孔位置破坏的，螺栓拉伸时对手孔处的混凝土造成拉、剪破坏，手孔处为最薄弱的环节。管片模型的手孔深53.8mm，孔距管片端头46mm，几乎所有破坏都能将这46mm厚的钢筋混凝土拉剪坏。单根螺栓所承受的拉力可达11.3kN，而手孔处所能承受的最大拉力为8.8kN。由于手孔的存在，该处的钢筋混凝土强度和刚度都降低了，按管片的横断面计算，管片的截面减少20%，抗弯刚度减少25.6%。因此管片破坏主要是手孔处混凝土拉剪破坏。构件破坏后的裂缝情况见图3。

图3 双圆隧道管片错缝拼装试验裂缝情况示意图

3结构受力分析

(1)位移变形分析

P1/P2为1∶0.7的垂直/水平压力比较接近上海地区的侧压力系数的变形情况。因此，主要对P1/P2为1∶0.7的工况进行分析，见图4、表1。当荷载较小时，结构变形不明显。垂直压缩量为0.4mm左右，水平方向基本不动。当P1加压超过126kN时，结构破坏，管片的变形情况见表1所示：此时垂直方向的压缩量为3.5mm，水平方向的拉伸量为0.78mm，中间立柱的压缩量为0.8mm。通过有限元分析得知，计算位移与实测位移趋势较为一致，亦是中间立柱压缩量最小。

在所有工况中(P1∶P2=1∶0.7，1∶1，1∶0.5)，在低水平的压力作用下，水平加压线EF方向的位移仅是两个垂直加压方向平均位移的3~15%。随着加压荷载不断增大，水平加载方向的水平位移与两个垂直加载方向的平均垂直位移之比为1∶4左右。

1∶0.7工况下管片的变形情况 表1

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