大直径盾构隧道环缝剪切机理研究

洪 弼 宸

(同济大学，上海 200092)



大直径盾构隧道环缝剪切机理研究

洪 弼 宸

(同济大学，上海 200092)

依托上海虹梅南路隧道工程，建立了大直径盾构隧道局部环缝数值模型，从径向顺剪、径向逆剪、切向剪切三方面，研究了螺栓在环缝剪切过程中的受力机理，并定量获得环缝错台—位移曲线，为类似问题的研究积累了经验。

盾构隧道，螺栓，环缝剪切，数值模拟

国内直径10 m以上大直径盾构隧道，环缝多无凹凸榫槽，且大多为斜螺栓连接，如广深港狮子洋隧道、南京纬三路隧道、上海长江隧道及上海虹梅南路隧道。由于大直径盾构隧道多穿越江河、明暗浜，其地质情况复杂，其纵向变形中的环缝剪切变形机理亟待研究。本文将依托上海虹梅南路隧道建立局部环缝数值模型，研究螺栓在环缝剪切过程中的受力机理，并定量获得环缝错台—位移曲线。

1 工程概况

上海虹梅南路隧道场地地貌类型为滨海平原，地势较为平坦，沿线地面标高在+4.10 m～+4.98 m。隧道穿越处黄浦江的宽度约为340 m，江底最深处标高约为-18.5 m。该隧道管片外径为14.5 m，内径为13.3 m，每环由10块通用楔形管片(楔形量40 mm)错缝拼装(环间和块间分别采用M27和M30斜螺栓连接)而成，管片厚度为600 mm，环宽为2 000 mm，混凝土强度C60，混凝土抗渗等级为P12。图1为该隧道管片布置示意图。

2 有限元模型

2.1 几何模型及网格划分

在ABAQUS中建立环缝局部数值模型，取环向1 m，纵向2 m，建立一个螺栓孔及螺栓，螺栓长792 mm。对模型做如下简化：只建立混凝土和螺栓，忽略管片钢筋；由于考察对象是螺栓，将管片在环向简化成直线，将环缝端面简化为平面。螺栓与螺栓孔之间、螺母内侧与手孔建立面—面接触，几何模型如图2所示，图3为有限元网格划分。

2.2 本构模型

管片混凝土等级为C60，本构模型采用ABAQUS内置混凝土损伤模型，该模型是在损伤塑性理论的基础上建立的，其目的是为了分析混凝土结构在循环加载条件下的力学响应而提供的普遍使用的材料模型。纵向螺栓的强度等级5.8级，屈服强度为400 MPa，极限强度500 MPa。盾构隧道所用螺栓为高强螺栓，属于硬钢，无明显流幅，无屈服平台。螺栓采用双折线模型。

2.3 加载工况

加载分径向逆剪、径向顺剪和切向剪切，荷载和边界条件见图4。采用施加位移荷载D(50 mm)的方法造成剪切；在施加位移荷载前，对螺栓施加100 MPa的预紧力。

3 计算结果分析

3.1 径向顺剪

图5为径向顺剪工况下剪切力—位移及管片接触力—位移曲线。从曲线看出顺剪下力—位移的变化有明显的阶段性，可将其分为三个阶段：

1)阶段一：螺栓受拉。从曲线中看出，随着剪切位移的发生，管片剪切力和接触力都随之产生，从几何上分析可知(见图6)，当管片手孔产生竖向位移Δ的同时，将此位移向螺栓轴线投影，即可以得到螺栓的受拉伸长0.5Δ，而螺栓受拉产生的反力T也作用在了管片上，其水平向分力Tx增加了两块管片间的接触力，同时也增加了管片间的静摩擦力。

螺栓在A点发生屈服，此时剪切位移为2.6 mm，管片间剪切力为263 kN。

2)阶段二：螺栓受弯剪。A点后螺栓进入受拉强化阶段，刚度提升有限，在剪切位移5 mm时，剪切面处螺栓接触到螺栓孔，螺栓开始发挥抗剪作用，但由于螺栓已进入屈服，其抗剪能力提升有限，而管片接触力有小幅度下降。从曲线中看出，螺栓在B点达到强度破坏，最终抗剪强度为323 kN。

3)阶段三：螺栓颈缩破坏。B点后螺栓开始出现颈缩，承载力迅速下降，从曲线中可以看出管片剪切力及接触力也迅速下降。

3.2 径向逆剪

图7为径向逆剪工况下剪切力—错台变形曲线，和径向顺剪结果类似，也可将其剪切行为分为三个阶段：

1)阶段一：初始摩擦力抗剪。剪切位移在4 mm前，螺栓孔与螺栓未发生接触，此阶段剪切抗力由螺栓预紧力造成的环间初始摩擦力提供，但由于逆剪使手孔与螺母逐渐脱离，螺栓预紧力逐渐丧失，所以管片接触力逐渐减小；而由于螺栓预紧力竖向分力与初始摩擦力相互抵消，管片间剪切力变化不大，维持在一个较小值(约为5 kN)。

2)阶段二：螺栓受剪。当剪切位移到达4 mm时，螺栓孔与螺栓发生接触，螺栓开始发挥抗剪作用，并在B点达到峰值，约为96 kN，管片间接触力有微小提升，但对抗剪贡献不大。

3)阶段三：螺栓弯剪破坏。进入B后，螺栓弯剪变形继续增

大，但承载力提升有限，且管片间接触力有所下降。从C点时螺栓受力云图，从图中可知螺栓最终在剪切平面和锚固端发生弯剪破坏。

3.3 切向剪切

图8为切向剪切工况下剪切力—错台变形曲线，根据计算结果可将其剪切行为分为四个阶段：

1)阶段一：初始摩擦力抗剪。剪切位移在4 mm前，螺栓孔与螺栓未发生接触，此阶段剪切抗力由螺栓预紧力造成的环间初始摩擦力提供，从曲线中看出，此阶段管片接触力约为64 kN，管片间剪切力约为52 kN。2)阶段二：螺栓受剪。当剪切位移到达4 mm时，螺栓孔与螺栓发生接触，螺栓开始发挥抗剪作用，并在B点达到峰值，约为116 kN，管片间接触力变化不大。而由于剪切方向与螺栓轴线正交，轴向伸长不明显，所以后端轴向应力不大。3)阶段三：螺栓拉剪变形。进入B后，螺栓锚固端及剪切平面处已屈服，变形明显增大，此时切向位移开始造成螺栓轴向受拉。和径向顺剪工况类似，螺栓受拉的反力作用在手孔处，进而提高管片间的接触力，从而提高了管片间的抗剪能力。到C点时，最终抗剪能力为232 kN。4)阶段四：螺栓破坏。进入点C后，螺栓锚固端及剪切平面处弯剪变形继续增大，而承载力不再提高，最终螺栓为弯剪破坏。

4 结语

本文依托上海虹梅南路隧道建立局部环缝数值模型，研究螺栓在环缝剪切过程中的受力机理，发现不同工况的曲线差异很大，径向顺剪最终抗剪能力为321 kN，径向逆剪只有96 kN，切向剪切介于二者之间为237 kN。

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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，在读硕士

U455.43

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