洪 弼 宸

(同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

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大直徑盾構(gòu)隧道環(huán)縫剪切機(jī)理研究

洪 弼 宸

(同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

依托上海虹梅南路隧道工程，建立了大直徑盾構(gòu)隧道局部環(huán)縫數(shù)值模型，從徑向順剪、徑向逆剪、切向剪切三方面，研究了螺栓在環(huán)縫剪切過程中的受力機(jī)理，并定量獲得環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)—位移曲線，為類似問題的研究積累了經(jīng)驗(yàn)。

盾構(gòu)隧道，螺栓，環(huán)縫剪切，數(shù)值模擬

國內(nèi)直徑10 m以上大直徑盾構(gòu)隧道，環(huán)縫多無凹凸榫槽，且大多為斜螺栓連接，如廣深港獅子洋隧道、南京緯三路隧道、上海長(zhǎng)江隧道及上海虹梅南路隧道。由于大直徑盾構(gòu)隧道多穿越江河、明暗浜，其地質(zhì)情況復(fù)雜，其縱向變形中的環(huán)縫剪切變形機(jī)理亟待研究。本文將依托上海虹梅南路隧道建立局部環(huán)縫數(shù)值模型，研究螺栓在環(huán)縫剪切過程中的受力機(jī)理，并定量獲得環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)—位移曲線。

1 工程概況

上海虹梅南路隧道場(chǎng)地地貌類型為濱海平原，地勢(shì)較為平坦，沿線地面標(biāo)高在+4.10 m～+4.98 m。隧道穿越處黃浦江的寬度約為340 m，江底最深處標(biāo)高約為-18.5 m。該隧道管片外徑為14.5 m，內(nèi)徑為13.3 m，每環(huán)由10塊通用楔形管片(楔形量40 mm)錯(cuò)縫拼裝(環(huán)間和塊間分別采用M27和M30斜螺栓連接)而成，管片厚度為600 mm，環(huán)寬為2 000 mm，混凝土強(qiáng)度C60，混凝土抗?jié)B等級(jí)為P12。圖1為該隧道管片布置示意圖。

2 有限元模型

2.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

在ABAQUS中建立環(huán)縫局部數(shù)值模型，取環(huán)向1 m，縱向2 m，建立一個(gè)螺栓孔及螺栓，螺栓長(zhǎng)792 mm。對(duì)模型做如下簡(jiǎn)化：只建立混凝土和螺栓，忽略管片鋼筋；由于考察對(duì)象是螺栓，將管片在環(huán)向簡(jiǎn)化成直線，將環(huán)縫端面簡(jiǎn)化為平面。螺栓與螺栓孔之間、螺母內(nèi)側(cè)與手孔建立面—面接觸，幾何模型如圖2所示，圖3為有限元網(wǎng)格劃分。

2.2 本構(gòu)模型

管片混凝土等級(jí)為C60，本構(gòu)模型采用ABAQUS內(nèi)置混凝土損傷模型，該模型是在損傷塑性理論的基礎(chǔ)上建立的，其目的是為了分析混凝土結(jié)構(gòu)在循環(huán)加載條件下的力學(xué)響應(yīng)而提供的普遍使用的材料模型?？v向螺栓的強(qiáng)度等級(jí)5.8級(jí)，屈服強(qiáng)度為400 MPa，極限強(qiáng)度500 MPa。盾構(gòu)隧道所用螺栓為高強(qiáng)螺栓，屬于硬鋼，無明顯流幅，無屈服平臺(tái)。螺栓采用雙折線模型。

2.3 加載工況

加載分徑向逆剪、徑向順剪和切向剪切，荷載和邊界條件見圖4。采用施加位移荷載D(50 mm)的方法造成剪切；在施加位移荷載前，對(duì)螺栓施加100 MPa的預(yù)緊力。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 徑向順剪

圖5為徑向順剪工況下剪切力—位移及管片接觸力—位移曲線。從曲線看出順剪下力—位移的變化有明顯的階段性，可將其分為三個(gè)階段：

1)階段一：螺栓受拉。從曲線中看出，隨著剪切位移的發(fā)生，管片剪切力和接觸力都隨之產(chǎn)生，從幾何上分析可知(見圖6)，當(dāng)管片手孔產(chǎn)生豎向位移Δ的同時(shí)，將此位移向螺栓軸線投影，即可以得到螺栓的受拉伸長(zhǎng)0.5Δ，而螺栓受拉產(chǎn)生的反力T也作用在了管片上，其水平向分力Tx增加了兩塊管片間的接觸力，同時(shí)也增加了管片間的靜摩擦力。

螺栓在A點(diǎn)發(fā)生屈服，此時(shí)剪切位移為2.6 mm，管片間剪切力為263 kN。

2)階段二：螺栓受彎剪。A點(diǎn)后螺栓進(jìn)入受拉強(qiáng)化階段，剛度提升有限，在剪切位移5 mm時(shí)，剪切面處螺栓接觸到螺栓孔，螺栓開始發(fā)揮抗剪作用，但由于螺栓已進(jìn)入屈服，其抗剪能力提升有限，而管片接觸力有小幅度下降。從曲線中看出，螺栓在B點(diǎn)達(dá)到強(qiáng)度破壞，最終抗剪強(qiáng)度為323 kN。

3)階段三：螺栓頸縮破壞。B點(diǎn)后螺栓開始出現(xiàn)頸縮，承載力迅速下降，從曲線中可以看出管片剪切力及接觸力也迅速下降。

3.2 徑向逆剪

圖7為徑向逆剪工況下剪切力—錯(cuò)臺(tái)變形曲線，和徑向順剪結(jié)果類似，也可將其剪切行為分為三個(gè)階段：

1)階段一：初始摩擦力抗剪。剪切位移在4 mm前，螺栓孔與螺栓未發(fā)生接觸，此階段剪切抗力由螺栓預(yù)緊力造成的環(huán)間初始摩擦力提供，但由于逆剪使手孔與螺母逐漸脫離，螺栓預(yù)緊力逐漸喪失，所以管片接觸力逐漸減小；而由于螺栓預(yù)緊力豎向分力與初始摩擦力相互抵消，管片間剪切力變化不大，維持在一個(gè)較小值(約為5 kN)。

2)階段二：螺栓受剪。當(dāng)剪切位移到達(dá)4 mm時(shí)，螺栓孔與螺栓發(fā)生接觸，螺栓開始發(fā)揮抗剪作用，并在B點(diǎn)達(dá)到峰值，約為96 kN，管片間接觸力有微小提升，但對(duì)抗剪貢獻(xiàn)不大。

3)階段三：螺栓彎剪破壞。進(jìn)入B后，螺栓彎剪變形繼續(xù)增

大，但承載力提升有限，且管片間接觸力有所下降。從C點(diǎn)時(shí)螺栓受力云圖，從圖中可知螺栓最終在剪切平面和錨固端發(fā)生彎剪破壞。

3.3 切向剪切

圖8為切向剪切工況下剪切力—錯(cuò)臺(tái)變形曲線，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可將其剪切行為分為四個(gè)階段：

1)階段一：初始摩擦力抗剪。剪切位移在4 mm前，螺栓孔與螺栓未發(fā)生接觸，此階段剪切抗力由螺栓預(yù)緊力造成的環(huán)間初始摩擦力提供，從曲線中看出，此階段管片接觸力約為64 kN，管片間剪切力約為52 kN。2)階段二：螺栓受剪。當(dāng)剪切位移到達(dá)4 mm時(shí)，螺栓孔與螺栓發(fā)生接觸，螺栓開始發(fā)揮抗剪作用，并在B點(diǎn)達(dá)到峰值，約為116 kN，管片間接觸力變化不大。而由于剪切方向與螺栓軸線正交，軸向伸長(zhǎng)不明顯，所以后端軸向應(yīng)力不大。3)階段三：螺栓拉剪變形。進(jìn)入B后，螺栓錨固端及剪切平面處已屈服，變形明顯增大，此時(shí)切向位移開始造成螺栓軸向受拉。和徑向順剪工況類似，螺栓受拉的反力作用在手孔處，進(jìn)而提高管片間的接觸力，從而提高了管片間的抗剪能力。到C點(diǎn)時(shí)，最終抗剪能力為232 kN。4)階段四：螺栓破壞。進(jìn)入點(diǎn)C后，螺栓錨固端及剪切平面處彎剪變形繼續(xù)增大，而承載力不再提高，最終螺栓為彎剪破壞。

4 結(jié)語

本文依托上海虹梅南路隧道建立局部環(huán)縫數(shù)值模型，研究螺栓在環(huán)縫剪切過程中的受力機(jī)理，發(fā)現(xiàn)不同工況的曲線差異很大，徑向順剪最終抗剪能力為321 kN，徑向逆剪只有96 kN，切向剪切介于二者之間為237 kN。

[1] 劉建航,侯學(xué)淵.盾構(gòu)法隧道[M].北京:科學(xué)出版社,1991.

[2] 林永國.地鐵隧道縱向變形結(jié)構(gòu)性能研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué),2001.

[3] 郭 瑞,何 川,蘇宗賢,等.盾構(gòu)隧道管片接頭抗剪力學(xué)性能研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2011,48(4):72-77.

[4] 胡如軍.盾構(gòu)隧道襯砌管片設(shè)計(jì)理論研究[D].南京:河海大學(xué),2002.

[5] 唐長(zhǎng)東.高水壓盾構(gòu)隧道整環(huán)管片的力學(xué)特性研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2012.

[6] 陳俊生,莫海鴻,黎振東.盾構(gòu)隧道管片接頭三維有限元分析[J].建筑結(jié)構(gòu),2006,36(10):85-87.

On circular seam shearing mechanism in large-diameter shield tunnels

Hong Bichen

(TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Based on the tunnel project at Hongmei South Road in Shanghai, the paper establishes the partial circular seam numeric model for the large-diameter shield tunnel, researches the stressed mechanism for the bolts in the circular seam shearing process from radial shear, radial inverse shear, tangential shear three aspects, achieves the circular seam stair-displacement curve, accumulate experience for similar problems.

shield tunnel, bolt, circular seam shearing, numeric simulation

1009-6825(2016)10-0157-02

2016-01-22

洪弼宸(1990- )，男，在讀碩士

U455.43

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