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1、盾构隧道衬砌足尺整环结构试验方法研究盾构隧道衬砌足尺整环结构试验方法研究 ? 盾构隧道衬砌足尺整环结构试验方法研究 盾构隧道衬砌足尺整环结构试验方法研究 鲁 亮1，* 何燕清1 毕湘利2 王秀志2 孙越峰1 (1.同济大学结构工程与防灾研究所,上海200092;2.上海申通地铁集团有限公司,上海201103) 摘 要：足尺整环试验是研究盾构隧道衬砌结构性能的最有效手段,试验方法研究包括试验加载装置设计和测试内容设计两大部分。针对不同的试验对象和试验目的,需要设计不同的试验加载装置。对国内外已实施的整环衬砌结构试验加载装置进行归纳,总结了不同加载装置的结构形式及其适用性。最后,介绍了一个包括结构

2、加固过程的地铁隧道衬砌极限承载性能试验的具体内容和部分结果。 关键词：试验方法, 盾构隧道, 足尺试验, 衬砌结构, 加载装置 1 引 言 盾构法隧道施工已有110多年的历史,它以其他方法无可替代的优势在隧道建设中确立了重要地位。盾构隧道是交通基础设施,为轨道交通、公路交通或输水管路等的通道。近年来国内各大中城市地铁建设纷纷上马,盾构法隧道建设又有了很大的发展。隧道管线的支承结构又称为衬砌,是由一定宽度的钢筋混凝土环通过螺栓连接而成,衬砌环由数块管片经螺栓连接而成,盾构隧道衬砌是由盾构机在地下拼装而成。一般地铁隧道衬砌环的环宽为1.01.2 m、直径6.26.6 m,现有公路隧道的衬砌环环宽最

3、大达2.0 m、直径最大达15 m。除了常见的圆形钢筋混凝土隧道衬砌外,各种异形截面的隧道衬砌不断涌现,如矩形盾构隧道、椭圆形盾构隧道以及多圆盾构隧道等。盾构法隧道在施工方法上发展有MF工法、DOT工法和H&V工法等。 盾构隧道衬砌为地下结构,除了车辆作用、输水内压等使用荷载外,主要承受周边土体的水土压力,因为被深埋在地下,一旦出现垮塌、大量涌水等安全事故,其修复和处理相当困难,造成的人员和财产损失十分巨大。为了了解衬砌结构的力学性能,一般采用数值分析和试验研究的手段,其中11比例的原型结构试验是研究衬砌结构力学性能的最直接和最有效的手段。按照试验对象的不同,原型衬砌试验分为管片接头试验1-3

4、和整环试验两大类。管片接头试验研究管缝接头的抗弯、抗剪性能以及环缝接头的弯矩、剪力传递性能等。衬砌结构整环试验的规模大、内容多、过程复杂,是本文阐述的主要内容。 按照试验目的来分类,隧道衬砌整环试验分为设计验证试验、施工模拟试验和运行性能试验三大类。设计验证试验是模拟在设计荷载作用下,得到衬砌环的内力和变形值,据此优化结构截面尺寸、管片配筋、接头参数等,同时修正、验证设计所使用的数值分析模型。施工模拟试验是模拟某些施工工况,如自重荷载、上浮力、注浆作用等,以验证施工的可行性和施工工况下结构的承载性能。运行性能试验的研究目的和内容呈多样化,如模拟地面超载作用、管线边深基坑开挖引起的侧向卸载作用、

5、衬砌结构加固后的性能评估以及了解衬砌极限承载能力等。 2 隧道衬砌整环结构试验研究现状 国内外隧道衬砌结构整环足尺试验已有多例,综合而言,隧道衬砌整环试验的对象有单整环和三整环两种,试件均为平躺放置的衬砌环。一般通缝拼装的隧道衬砌采用单整环试验方法,错缝拼装的隧道衬砌采用三整环试验方法。三整环试验的目的是研究环与环之间的相互作用通过环缝传递的效应,试件一般由宽度一半的上半环、中全环和宽度一半的下半环构成。 2000年同济大学与上海市隧道工程轨道交通设计研究院合作完成地铁衬砌11水平整环试验。通过对上海、广州地铁两种衬砌整环加、卸载对比试验,实测两种衬砌结构在各级荷载作用下的整体变形、内力(轴力

6、、弯矩)分布、环向螺栓应力、管缝张角、管缝径向错动、混凝土表面应力、裂缝开展规律等,全面评价两种地铁衬砌变形、强度、抗裂、密封止水特性,给优化上海地铁衬砌结构、完善设计计算方法提供了依据。 上海地铁M8线是国内首次采用双圆截面衬砌结构的隧道工程,为了使结构的沿环向刚度更加均匀,采用了错缝拼装方式。同济大学与上海市隧道工程轨道交通设计研究院于2003年以M8线工程为背景,进行了双圆盾构隧道衬砌11错缝拼装整环试验4,见图1。 上海长江隧道是目前已建成的世界最大直径隧道,采用通用楔形衬砌结构错缝拼装,其衬砌结构外径15.0 m、内径13.7 m、环宽2.0 m(图2)。为了验证衬砌管片的承载能力和

7、稳定性、把握施工荷载作用下的结构受力与变形,研究人员于2006年进行了该衬砌结构足尺水平整环试验研究5-6。试件由上半环、中全环、下半环三部分构成,共使用44套千斤顶加载装置对试件进行加、卸载试验,垂直加载点共设44个,均匀分布在试件顶面上。试验结果对于大直径的衬砌结构设计、施工具有重要意义。 图1 地铁双圆衬砌三整环试验Fig.1 Three-ring test of metro DOT lining 图2 上海长江隧道衬砌三整环试验Fig.2 Three-ring lining test of Shanghai Changjiang tunnel 欧洲荷兰“绿色心脏”隧道进行了三整环衬砌结

8、构的足尺实验7,其衬砌结构外径10.44 m、内径9.54 m、环宽1.5 m，共设置了24个水平加载点、16个竖向加载点。 在日本,盾构隧道技术发展迅速,技术水平处于世界前列。2003年日本进行了双圆矩形盾构衬砌11足尺结构试验研究8,提出了一种新的盾构隧道断面形式,该衬砌为双圆矩形,其衬砌外层为钢结构,内部灌注混凝土,形成一种组合结构衬砌。试件分不带立柱和带立柱两种,加载方法也分为不带立柱和带立柱两种,前者在地面挖一深坑,将试件水平安放在坑内,在试件径向进行8点加载,其反力由坑壁承担;后者将试件放置在地面,加载装置为自平衡结构,加载方法为6点集中加载。试件采用三个整环进行错缝拼装,考虑了环

9、与环之间的相互作用。 德国易北河第四座公路隧道外径达13.75 m,建成当时为世界直径最大的隧道,为验证衬砌管片的承载能力和稳定性进行了11整环试验9,见图3。试验时在衬砌圆环中间设置了一个内径为7 m、厚度1.2 m的同心反力圆环,反力圆环与衬砌圆环之间通过96根钢拉杆相连。试验中96只穿心千斤顶通过拉杆对衬砌圆环施加压力来模拟作用在衬砌管片上的设计水土压力。共进行了五项试验:两项试验按照常规设计荷载进行加载,以得出衬砌圆环的承载力极限值;第三项试验通过减小侧向抗力系数,使得衬砌圆环呈现横向椭圆变形;第四项试验通过对衬砌圆环顶部卸载,使得衬砌圆环呈现竖向椭圆变形;第五项试验中,中全环封顶块的

10、轴线与铅垂线呈45角,即加载角度发生变化,模拟封顶块在环向不同位置的情形。 盾构隧道衬砌结构整环结构试验方法研究包括试验加载装置设计和测试内容设计两大部分内容。进行试验加载装置设计时,需要在保证满足荷载精度和稳定性的前提下,所设计的加载装置既要经济,又要安全可靠。 图3 易北河第四座公路隧道衬砌三整环试验Fig.3 Three-ring lining test of the 4th Elbe Highway tunnel 3 加载装置设计方法 隧道衬砌为深埋于地下的土木结构,所受到的周边土体的水土压力与埋置深度及土质条件有关,见图4。将衬砌环沿环向所有水土压力进行叠加后,得到大致如图5所示的荷

11、载图式(不考虑衬砌表面的切向荷载),图中,=qs/qt称为侧向压力系数,这是一个很重要的设计参数。再考虑到试验条件的限制,将沿衬砌表面的法向分布荷载等效为集中线荷载,这就是试验时千斤顶所施加的荷载。 图中,H0地下水位埋深(m);H1顶部静水头高度(m);q1顶部竖向土压力(kPa);q2底部地基竖向反力(kPa);qG拱背土压力(kPa);qW静水压力(kPa);e1顶部水平向土压力(kPa);e2底部水平向土压力(kPa);RH计算半径(m);g衬砌自重(kPa);计算截面与竖轴的夹角(),以逆时针为正。图4 隧道衬砌受力分析示意图Fig.4 Scketch of loadings on

12、the tunnel lining 图5 沿衬砌环表面的分布荷载Fig.5 Distributed load on the linings surface 通过对国内外已完成隧道衬砌整环结构试验的加载装置所做的调研,表明针对不同的试验对象和试验目的,各个试验加载装置具有多样化的结构形式和不同的特点。总结以往经验,在设计此类试验装置时,需要考虑如下问题:整体加载装置选型;水平加载点的数量;加载构件的受力形式;加载装置的空间位置;涉及的其他问题。以下就这几个问题分别加以阐述。 3.1 整体加载装置选型 隧道衬砌整环试验装置一般有反力坑加载装置和自平衡加载装置两种。两种加载装置各有优缺点,加载坑适合

13、长期进行尺寸比较单一的衬砌整环试验,荷载稳定可靠,造价较高。上海隧道股份公司建有类似的加载坑一座。自平衡加载装置相对比较灵活,更换部分构件后可适用于不同尺寸的试件,试验结束后可拆除、不占用场地,造价也相对便宜。从已完成的衬砌整环试验来看,多数采用造价低的自平衡加载装置。 3.2 加载点的数量 沿径向加载来模拟衬砌环周边土体的水土压力,加载点的数量是试验方案设计时需要考虑的一个重要参数。加载点数的选择涉及到荷载等效的原则,等效荷载的定义为在特定试验加载方式下所能得到的相同测量参数的荷载。为模拟衬砌环周边分布荷载,一般来说加载点越多,模拟的相似程度越高,但如果只要模拟关键截面的某个内力效应,只需要

14、少量的加载点就可以。同样是上海M8线双圆衬砌试验,可以采用六点集中加载(见文献10,图6),试验时使用三只液压千斤顶和三根拉杆来实现六点对拉加载,其加载装置简单、传力可靠,但是由于加载点过少,难以同时通过试验直接得到沿衬砌环的弯矩、轴力分布以及整体变形。也可以采用28点的加载方案(见文献4,图7),试验装置要复杂得多,但试验结果更接近实际情况。 图6 双圆衬砌整环试验6点加载方案Fig.6 Full-ring test of DOT with 6 loading points 3.3 加载装置中构件的受力形式 大型结构试验的加载装置由众多构件组成,一般要求结构体系为静定结构、传力途径明确,优先

15、使用抗拉压构件，尽量少使用抗弯抗剪构件。 图7 双圆衬砌整环试验28点加载方案Fig.7 Full-ring test of DOT with 28 loading points 比较一下衬砌环尺寸相当的易北河第四座公路隧道和上海长江隧道的三整环衬砌试验加载方案,见图8和图9(上面为对称的半幅平面图,下面为对称的半幅剖面图)。 图8 易北河第四座公路隧道衬砌试验装置(单位：mm)Fig.8 Test apparatus of the 4th Elbe Highway tunnel (Unit:mm) 图9 上海长江隧道衬砌试验装置 (单位:mm)Fig.9 Test apparatus of

16、the Shanghai Changjiang tunnel (Unit:mm) 可以看出,图8试验方案中的中心反力装置体量大,在环向偏心荷载作用下,中心反力环的弯矩很大,所以截面尺寸较大。另外,在图8方案中24个加载点共使用了96个穿心千斤顶,而在图9所示的上海长江隧道衬砌试验中,44个水平加载点只使用44个柱塞式千斤顶,加载装置造价比图8方案要经济得多。 3.4 加载装置中构件的空间布置 进行盾构隧道衬砌整环试验时,试件一般是平放的,多套水平加载装置模拟周边土体的水土压力,多套竖向加载装置模拟沿管线的衬砌环内的纵向力。水平加载装置比竖向加载装置复杂。特别是进行三整环试验时,要将水平荷载沿竖

17、向分为四等分荷载来考虑环间的荷载传递,见图10,为此需要两层分配梁来实现此功能。这些分配梁、加载梁等构件的空间位置需要考虑。图11为进行上海M8地铁隧道衬砌试验时,分配梁全部布置在试件的外面,而图9所示上海长江隧道衬砌试验时,分配梁均布置在试件内部。对此问题,有以下经验:受拉分配梁组件比受压分配梁组件稳定,不易失稳,宜优先考虑采用;当试件内部空间小、试件上不能开洞时,只能将分配梁组件布置在试件外面,此时需要考虑加载装置的稳定性问题。 图10 水平荷载沿竖向分配示意Fig.10 Scheme of horizontal load distributed along vertical direct

18、ion 图11 上海M8线地铁隧道衬砌试验装置剖面图(单位:mm)Fig.11 Section layout of the test apparatus of Shanghai Metro 8 tunnel lining (Unit:mm) 3.5 其他考虑事项 根据实践经验,在盾构隧道衬砌整环试验中,还需要在试验方案中仔细考虑如加载制度、减摩装置、轴力补偿方法等方面的问题。 (1) 试验加载制度。一般在进行设计验证性试验和施工模拟试验时,试件在试验过程中始终处于弹性阶段或刚度为正的阶段,采用荷载控制的加载制度可以满足试验要求;而在进行极限承载能力试验时,试件经历刚度退化为零直至试件完全破坏的

19、全过程,这时应采用先荷载控制后变形控制的加载制度,两种加载控制模式的转换点在设计荷载值附近。 (2) 减摩装置。试验时要求试件及加载装置与地面之间的摩擦力越小越好,尽量减小摩擦力的影响。减摩装置一般使用涂油钢球或聚四氟乙烯滑板。 (3) 管片轴力补偿方法。采用图6所示的少量加载点模拟周边水土压力时,关键截面的弯矩可以达到预设值时,一般不能同时满足管片的轴力达到预设值,这时需要对轴力进行补偿,轴力补偿一般采用预应力技术,见图1211。上海长江隧道衬砌整环试验进行模拟施工工况时,采取过类似技术。 图12 轴力预应力补偿措施Fig.12 Compensation of axis force by p

20、re-stressing technique 4 测试内容和测试技术 盾构隧道衬砌整环结构试验属于大型结构试验,测试规模较大、传感器种类多,动辄需要几百个测试通道的数据采集系统。下面按照测试内容、研究指标以及与测试参数相关的测试技术分别予以阐述。 4.1 测点布置原则 (1) 根据试验目的有针对性地布置测点。对于三整环衬砌试验,一般以测试中全环为主,上(下)半环为辅。 (2) 根据预分析结果,在计算结果值较大的位置和特征点布置测点,其它位置适当布置。 (3) 根据预分析结果数值的大小,选取适当的测试元件、仪器设备,以满足测试精度要求。 4.2 测试内容和研究指标 (1) 钢筋和混凝土表面应变。

21、用以测量关键截面混凝土和钢筋应力大小,经面内积分后,可以计算出截面内力(弯矩和轴力),研究试件应力和内力随外荷载的变化规律。 (2) 螺栓应变。研究螺栓内力及变形,特别是要记录受拉螺栓从受拉到拉流的全过程曲线。 (3) 衬砌环整体变形。研究衬砌环在外荷载作用下的变形规律。 (4) 管缝张角及错动。研究管缝张角开展及径向相对错动的规律。 (5) 混凝土表面裂缝及最终破坏形态。研究混凝土表面裂缝随荷载变化的开展规律,记录试件最终破坏部位、混凝土压酥和剥落情况、螺栓屈服、拉流情形等。 4.3 有关参数的测试技术 (1) 应变测量。包括混凝土表面应变、钢筋应变和螺栓应变等。测量混凝土表面应变一般采用5

22、8 mm长标距箔式应变片,当所贴应变片附近的混凝土出现开裂后,所测数据失效。钢筋应变测量方法为在绑扎钢筋笼时,在钢筋表面粘贴箔式应变片(用环氧树脂保护)或将钢筋主筋断开后接入振弦式钢筋计。螺栓应变片的粘贴方式有两种,一种是在螺栓表面开槽粘贴普通箔式应变片,另一种是在螺栓端部中心部位钻一个直径2 mm的小孔,植入特种胶基箔式应变片。 (2) 变形测量。变形(位移)包括试件整体变形、管缝张角、管缝两侧的管片相对错动。试件整体变形一般采用大量程的LVDT位移传感器,沿径向布置测量。测量管缝张角时,在管缝上下端的内外表面共布置4个位移计予以测量。测量管缝错动时,需要在管缝上下端跨缝设置两个位移计。 (

23、3) 裂缝及破坏形态。试验前,在混凝土内外表面画上20 cm见方的正交网格线,用于人工记录各级荷载下的裂缝开展情况,同时用影像手段记录试件破坏形态。 (4) 数据采集系统。数据自动采集采用多通道静态应变数据采集仪和电压信号数据采集仪。一般常见的静态应变数据采集仪的应变测量范围为-21042104,分辨率为1 、零漂不大于4 /h,系统不确定度,整套采集系统具有正确、可靠、快速(400个测点在10 s内采集完毕)等特点。 (5) 其他测试技术。在衬砌整环试验中,应用摄影测量技术可以自动记录局部区域试件的应变、变形;应用三维激光扫描技术可以测量试件的整体变形、破损处的变形,相对于传统的单点测量具有

24、一定优势。 5 某地铁隧道衬砌极限承载能力整环试验示例12-15 5.1 试验项目概况 某地铁隧道衬砌结构经过多年运营,现已出现不同程度破损,为了确保衬砌结构安全,需要了解衬砌结构的极限承载能力以及在多大结构变形情况下必需进行加固(加固时机问题),现有的衬砌结构加固采用内粘钢圈法,对此加固方法的效果也需要加以评估。试验中保持侧向土体抗力不变,分级增大竖向荷载,研究衬砌管片的内力、变形及裂缝开展等规律。 本试验项目共有5个试件,试件1试件3为原型试件,试件4、试件5为加固试件。加固试件的试验过程为,先将试件加载至一定的变形量,如顶-底相对位移为120 mm左右,保持此变形量不变,进行结构加固,等

25、加固材料完全固化后,接续加载至结构破坏。 地铁衬砌圆环试件的外径6.2 m、内径5.5 m、管片厚度0.35 m、环宽1.2 m。全环分为6块,其中1个封顶块(F块)、2个邻接块(L1和L2块)、2个标准块(B1和B2块)和1个底块(D块)。试件结构尺寸如图13所示。 5.2 加载及测试系统设计 试验中设置24点集中荷载来模拟连续分布的地层抗力、水土压力、地面超载等荷载,水平荷载分成P1、P2、P3共3组,土体侧压力系数为0.5和0.65两种,环向荷载分组见图14,组内每点荷载值相同,加载时完全同步。P1，P2和P3的数值关系为:P2=P1，P3=(P1+P2)/2。所有加载点荷载汇于中心反力

26、装置,构成自平衡加载系统,每个加载点由一根加载梁、一根持荷梁和两根钢拉杆构成(图15、图16)。根据有限元预分析结果,设计反力装置能提供的最大水平荷载100 t/点、对点最大位移400 mm。 图13 试件尺寸(单位：mm)Fig.13 Dimension of the specimen (Unit：mm) 由于篇幅所限,测点布置图省略,测点数量统计见表1。 图14 环向荷载分组Fig.14 Grouping of radial forces 表1 测点数统计Table 1 Amount of measuring points应变片位移计物理量混凝土应变螺栓应变接缝张角位移接缝径向错动衬砌环整

27、体变形传感器数量16024241212 5.3 试验结果 此试验项目共进行了5件衬砌整环试验，试验全貌如图17所示。衬砌环试件1试件3进行了极限承载能力试验,测试了原形衬砌环从荷载为零开始直至完全破坏的全过程,其中对试件1和3所施加荷载的侧压力系数=0.50,试件2的侧压力系数=0.65。 图15 加载装置布置剖面示意图(单位：mm)Fig.15 Sectional view of load apparatus (Unit：mm) 图16 加载装置布置平面示意图Fig.16 Plan of load apparatus 图17 试验全貌图Fig.17 Overall setup of the

28、test 衬砌环试件4和试件5进行了模拟加固试验,先按预设试验荷载加载至对点位移约等于120 mm,这里的对点位移是指封顶块中心(0)和底块中心(180)之间的相对位移,再对试件进行内粘钢圈加固,加固材料固化后继续加载至试件破坏。试验中的侧向压力系数=0.65。 试件1试验的全过程荷载-变形曲线见图18,在第31级荷载时,试件达到极限变形,试件1最大整体变形见图19。 同时采用有限元程序对试验结果进行了模拟,图20为未经加固试件的荷载-变形曲线,图21为加固试件的荷载-变形曲线,发现试验数据与数值分析数据吻合较好。这里的荷载以0端的P1为代表,变形指试件0和180之间的对点位移。 图18 P1

29、-0 与180对点位移曲线Fig.18 P1- curve between 0 and 180of specimen 1 图19 试件1最大变形图Fig.19 The maximum deformation of specimen 1 图20 未加固试件P1-对点位移曲线Fig.20 P1- curves of un-strengthened specimens 图21 加固试件的P1-对点位移曲线Fig.21 P1- curves of strengthened specimens 6 结 语 衬砌整环试验包括单环试验和三整环试验,在总结国内外已有试验项目的基础上,归纳了各种试验加载装置的设

30、计方案和各自的适用性,加载装置设计的内容包括整体装置方案、径向加载点的数量、装置构件载构件的受力形式、加载装置的空间位置等内容。 衬砌整环试验的测试内容包括应变测量、变形测量、裂缝开展和破坏形态记录等内容以及相应的测试技术。 参考文献： 1 兰学平,鲁亮,刘利惠.超大隧道衬砌管片接头力学性能试验研究J.结构工程师,2009,25(5):110-114. Lan Xueping,Lu Liang,Liu Lihui.Experimental study on mechanical properties for segment joints of super tunnel liningJ.Stru

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