大直径盾构隧道斜螺栓-凹凸榫环缝剪切特性足尺试验研究

田应飞,李明宇,,陈 健,曾 力,历朋林,3,李春林,余刘成

(1.郑州大学土木工程学院,郑州 450001； 2.中铁十四局集团有限公司,济南 250101；3.中铁十四局集团大盾构工程有限公司,南京 211800； 4.济南城隧建设工程有限公司,济南 250000)

截止2020年5月，全世界将近有56条盾构隧道开挖直径超过14m[1]，其中有69%的隧道采用泥水平衡式盾构施工。盾构掘进时受施工条件(穿越地表水系)和水文地质条件(高水压)影响，往往会发生较为严重的上浮，而上浮现象又会引起环缝错台。当环缝错台量增至一定值后，将进一步诱发环缝处管片碎裂、脱落，进而影响同步箱涵拼装质量，同时，相关研究表明，隧道环缝渗漏水较纵缝更为严重[2-4]。为此，依托济南黄河隧道工程，通过现场足尺管片加载试验，对错台发展过程中环缝处凹凸榫和连接螺栓的力学特性展开研究。

目前，针对盾构隧道管片接头剪切变形性能的研究，主要有管片接头力学性能试验[5-7]、理论推导[8-9]及数值模拟[10-13]方法。李冬梅等[14]对上海长江隧道管片环缝进行抗剪试验，对径向和切向剪切刚度进行了拟合，得到剪切刚度的计算式及环缝面的滑动摩擦系数取值范围；蒋首超等[15]研究了某矩形盾构接头在复合抗剪、考虑安装误差、凹凸榫单独抗剪3种工况下的性能，凹凸榫单独抗剪失效的原因为凹凸榫脱出；朱遥宏等[16]对设置有凹凸榫的环缝进行剪切试验，将小直径盾构隧道环缝抗剪分为3个阶段，接头抗剪强度主要受摩擦力和凹凸榫的咬合作用影响；张冬梅等[17-18]采用数值模拟的方法研究了斜螺栓接头的抗剪性能，提出了环缝变形的三级安全评价指标，指出凹凸榫显著提高环缝抗剪刚度和承载力，螺栓的顺向剪切与逆向剪切呈现不同剪切特性；巩一凡等[19]针对某类矩形纵缝接头进行抗剪性能研究，分析管片错台量与剪轴比关系，将其分为4个阶段，并对加载过程中的接头裂缝发展情况进行了采集；丁文其等[20]对类矩形接头在轴力、弯矩及剪力复合受力作用下进行了管片加载试验，将接头破坏过程分为3个阶段，剪力在正负弯矩工况对接头力学性能的影响不同，正弯矩下会降低接头抗弯性能；何源等[21]针对斜螺栓连接的破坏过程进行理论解析，将破坏过程分为3个阶段，斜螺栓的支撑条件及塑性铰产生过程对环缝抗剪刚度存在较大影响。

目前，针对斜螺栓接头研究集中于自行浇筑的直接缝，大直径盾构隧道环缝面常设有凹凸榫，而纵缝接头未设置凹凸榫，这就导致纵缝接头剪切特性不适用于环缝接头。相关研究集中于类矩形、双螺栓或四螺栓等纵缝接头形式，而对斜螺栓-凹凸榫环缝的剪切特性研究较少。二者之间的协同抗剪机理尚未明确，抗剪性能的影响因素(榫的位置、尺寸、螺栓预紧力)也未探明，接头抗剪失效的界限需进一步研究。

与传统隧道环形凹凸榫相比，分布式凹凸榫在环缝发生错台时，每个凹凸榫均能产生两个点接触或面接触，承受不同方向的剪切力，抑制错台变形。为探究分布式凹凸榫、斜螺栓环缝在管片上浮过程中抗剪性能，通过现场管片足尺试验，对管片错台过程中凹凸榫和斜螺栓的抗剪特性进行了研究。通过错台测点和螺栓应变分析了凹凸榫的接触状态及螺栓变形状态，对圆端型凹凸榫由点接触到面接触状态进行分析，并提出错台控制阈值。

1 试验研究工程背景

本试验位于济南黄河隧道工程现场，该工程为公轨合建盾构隧道，单层错缝拼装衬砌结构，衬砌环为“9+1”分块方式，管片外径15.2 m，内径13.9 m，厚650 mm，环宽2 m。衬砌环、纵缝分别设置28根、30根M36 mm斜螺栓，环、纵缝螺栓初始预紧力分别为265 kN和105 kN。为增加环缝抗剪刚度，每个环缝面额外增设28个分布式凹凸榫，环缝面局部构造如图1所示。

图1 环缝面尺寸(单位：mm)

2 试验方案设计

2.1 试件设计和加载设备

试验管片为济南黄河隧道衬砌标准块，考虑到试验设备尺寸和加载能力，将完整管片进行分割，忽略管片钢筋笼被分割对管片产生的影响，试验前将中间块与两端块采用纵向螺栓连接成试验试件。在水平加载端设置有1 000 mm×300 mm×150 mm加载垫块，模拟盾构施工情景，防止施加纵向轴力时混凝土被压裂。为使环缝面接近施工真实受力状态，按设计要求在环缝处粘贴传力衬垫，不考虑弹性密封垫对环缝受力的影响。

衬砌结构环缝在施工期受力主要为纵向的残余顶推力，同步注浆或二次注浆等产生的径向剪切力或非径向剪切力，以及纵向螺栓的预紧力。本试验设备可满足不同纵向轴力和径向剪切力的施加，试验也考虑了螺栓预紧力。试验加载设备由竖向反力门架、水平加载梁、拉筋、底部垫梁、加载架、垫块和千斤顶设备组成，竖向反力门架搭配千斤顶设备提供管片试件的竖向剪切力；两水平加载梁与拉筋构成自反力系统，通过水平千斤顶的加载为管片试件提供水平轴力；底部垫梁置于距两环缝200 mm的两端块处，为管片试件提供支反力；竖向荷载通过加载架被均分为纵向轴线两侧间距的线荷载(线荷载间距800 mm，视作均布荷载)。试验装置及加载示意如图2所示。

图2 管片加载设备及加载示意

2.2 试验加载方案

试验水平荷载加载量为600 kN，在施工过程中盾构单油缸顶推力平均值约为4 000 kN(单螺栓范围)，为施工期顶推力的0.15倍，将0.15作为运营期顶推力折减系数[16]。试验采用分级加载，图3为竖向荷载和水平荷载与加载时间之间的关系，加载方案为：(1)导入水平轴力，两水平千斤顶同时分3级加载，每级100 kN缓慢加载，单级加载完毕后持荷15 min再加载下一级；(2)导入竖向力，在0～300 kN区间，分6级，每级50 kN缓慢加载，单级加载完毕后持荷15 min再加载下一级；(3)竖向力在300～600 kN区间，竖向力加载改为25 kN/级，单级加载完毕后持荷15 min；(4)竖向力在600～1 000 kN区间，竖向力加载改为50 kN/级；(5)竖向力在超过1 000 kN破坏，竖向力加载量为25 kN/级。

图3 加载-时间关系

2.3 量测项目

本试验量测项目包括管片螺栓应变、环缝错台量和管片位移。环缝错台测点布置在管片外弧面环缝处，每处环缝设置3个，布置方法如图4所示。错台量和管片位移量测采用数显式百分表自动实时采集。

图4 测点布置及说明

采用120-3AA型应变片测量试验螺栓应变，如图5所示，预先在螺栓表面铣削出两条凹槽，槽尺寸为6 mm×3 mm，在凹槽中粘贴应变片。贴片位置考虑螺栓塑性区位置，螺栓测点在环缝面喇叭口附近密贴6个，上下各3个，单根螺栓共8个测点。试验管片拼装时，需预先通过水平千斤顶对管片施加轴向力，环缝闭合，再连接纵向螺栓，过程中未见管片损伤。

注：试验环缝1和环缝2位置螺栓测点编号分别为1-1～1-8和2-1～2-8；编号原则为两条引线槽从螺纹段向螺帽段依次编号螺栓1～4、5～8。图5 螺栓测点(单位：mm)

3 试验结果及分析

3.1 环缝错台量及管片位移

试验过程中，加载初期(0～200 kN)，两环缝错台量几乎不变。随着竖向荷载增加，环缝面产生滑动，环缝凹凸榫先接触，承担部分剪力，而螺栓的抗剪强度较弱，导致试验过程中无榫侧错台(测点1及测点4)增量高于有榫侧(测点3和测点6)，错台量及管片位移曲线如图6所示。图6中错台量曲线斜率变化与分级加载相关，竖向荷载达1175 kN后，无法继续持荷加载，随后错台量快速发展，直至产生较大错台破坏。管片位移测点在加载前中期，小于2 mm，说明两端管片沿纵向轴线方向稍微倾斜，倾斜量可忽略，表明环缝位置凹凸榫的贴合较严密。竖向荷载达峰值后，管片两端位移开始快速向下，笔者认为这与加载垫块的位置有关，为减小环缝螺栓在加载过程中力矩带来的影响，加载垫块中心位置距外弧面距离为450 mm。试验中管片外轮廓无裂缝开展，手孔位置混凝土未见异常。

图6 错台量及管片位移曲线

3.2 环缝错台量与剪轴比

错台量随剪轴比变化关系如图7所示。图中曲线均可划分为4个阶段。

图7(a)中，第1阶段，错台量发展缓慢，静摩擦力起控制作用，剪轴比为0～0.17。第2阶段，错台量随剪轴比增大近乎线性增长，测点3出现略微负增长，表明此位置块2略高于块1，剪轴比为0.17～0.67。由于螺栓预紧力及预埋螺母的锚固作用，此时螺栓的螺母端可视为固支，螺帽端视为沿螺栓轴向施加拉拔力的定向支座。此阶段依靠螺栓自身强度和凹凸榫共同抗剪，螺栓与螺栓孔间仍存在间隙。第3阶段，曲线斜率突变，环缝1凹凸榫及螺栓位置错台发展均加快，剪轴比为0.67～0.98，凹凸榫产生接触点且接触点不断滑移或混凝土逐步碎裂，进而发展成接触面，此阶段凹凸榫最大位移量由4.87 mm发展至12 mm。第4阶段，在剪轴比达0.98后，凹凸榫位置错台量突增，破坏有一定突发性，此时凹凸榫最大位移量由12 mm增至41.91 mm。过程中，除第4阶段外，各阶段错台占比分别为2.2%、31.23%及66.58%，其中，测点2(螺栓位置)在第2阶段至第3阶段错台的增幅为213.22%。环缝1(螺栓逆向受剪)上述受剪过程如图8所示，受剪期间凹凸榫的接触状态首先为点接触，混凝土脱落[11]，再发展为面接触，最终接触面滑移溃裂，凹凸榫失效。

图7(b)中，第1阶段与螺栓逆剪相同，静摩擦力控制，剪轴比为0～0.17。第2阶段，各测点错台量随剪轴比增大呈线性增长，剪轴比为0.17～0.88，此阶段依靠螺栓自身强度和凹凸榫共同抗剪。测点2错台小于测点5，主要原因为拼装初始错台量的影响，两测点的初始错台量分别为4.34 mm和0.47 mm。第3阶段，凹凸榫位置(测点6)错台量随剪轴比增大有一定减小，螺栓位置(测点5)错台量曲线斜率减小，剪轴比为0.88～0.98。第4阶段，在剪轴比达0.98后，由于环缝1错台量持续增大，无法持荷，环缝2位置错台几乎不再变化，无法进一步定量分析各阶段错台增量，因此，着重分析环缝1剪切作用。由上述分析可知，盾尾上浮或二次注浆工况下，螺栓逆剪侧错台量较顺剪侧更大，更易引起渗漏水。且设有分布式凹凸榫的衬砌结构，往往是凹凸榫先承受较大剪力，当榫面产生滑移或破损后螺栓承担剪力将逐步增大。

图7 错台量-剪轴比关系曲线

图8 螺栓及凹凸榫逆剪示意

3.3 纵向螺栓应变

本试验采用与施工现场相同的螺栓安装方式，对纵向螺栓施加同等预紧力，应变数据可定性反映螺栓应变情况，螺栓内力变化见图9。从图9(a)中看出，应变数据1-3、1-7呈现明显对称性，表明螺栓逆向剪切时测点1-3、1-7位置更接近螺栓塑性区。图9与图8进行对比分析，并在对应错台位置划分出螺栓应变分区，图9(a)中，第1阶段，应变呈降低趋势，表明在螺栓逆向剪切时，静摩擦阶段螺栓预紧力有所许松弛，剪轴比0～0.31；第2阶段，螺栓应变呈递增趋势，螺栓孔与螺栓的间隙慢慢闭合，但规律不明显，剪轴比0.31～0.67；第3阶段，螺栓应变迅速增大，各测点应变对称性明显，螺栓发生塑性变形，剪轴比0.67～0.98。螺栓逆剪时产生的塑性变形易使凹凸榫产生滑移，降低环缝抗剪能力。图9(b)中两侧测点数值较为接近。第1阶段螺栓应变增长缓慢，剪轴比0～0.08；第2阶段，螺栓应变随剪轴比增大呈线性增长，剪轴比0.08～0.88；第3阶段，螺栓应变随剪轴比增大近乎维持不变，剪轴比0.88～0.98。顺剪时螺栓受拉效果明显，凹凸榫间隙约为5 mm，螺栓不易发生塑性变形，环缝凹凸榫不易滑脱，抗剪效果强于螺栓逆剪情况。

图9 螺栓应变-剪轴比关系

根据图5中螺栓应变片位置信息，应变增量较快的位置易形成塑性铰，将1-1～1-8位置与图9中螺栓变形过程对应，其变形示意如图10所示，表明上述环缝错台现象的描述较为合理。

图10 螺栓变形示意

环缝错台-剪轴比关系与螺栓应变-剪轴比关系中各阶段剪轴比参数如表1所示。在第1阶段中，螺栓逆剪时螺栓应变略微降低，相较于环缝位置的剪轴比阈值也有所增大，螺栓受拉时机有所延后。逆剪时螺栓应变在剪轴比为0.08时就开始呈比例增长，说明逆剪时，螺栓受拉将提前，这与环缝构造有关。第2阶段与第3阶段，各螺栓应变阈值与环缝错台阈值一致，表明接头受力阶段较为合理。以此将环缝剪切划分为4个阶段：摩擦阶段(剪轴比0～0.17)、间隙闭合阶段(螺栓顺剪0.17～0.88，螺栓逆剪0.17～0.67)、强化阶段(螺栓顺剪0.88～，螺栓逆剪0.67～0.98)及破坏阶段(螺栓逆减0.98～)。

表1 各阶段剪轴比汇总

4 结论与讨论

依托济南黄河隧道工程，针对配置分布式圆端形凹凸榫的斜螺栓环缝接头，模拟管片真实受荷工况，通过管片环缝接头剪切加载试验，得出以下结论。

(1)环缝剪切破坏划分为4个阶段，摩擦阶段、间隙闭合阶段、强化阶段及破坏阶段。强化阶段相较间隙闭合阶段，环缝1螺栓位置错台增幅213.22%，除破坏阶段外，各阶段错台占比分别为2.2%、31.23%及66.58%，表明强化阶段作为主要抗剪阶段。施工中宜以强化阶段错台阈值12 mm作为控制指标(凹凸榫点接触相较于面接触更为不利)，当超过此值时，应采取措施减小环间错台量。

(2)衬砌管片受荷产生错台，相比于螺栓受顺向剪切环缝，螺栓受逆剪切环缝同一阶段错台发展更快，在施工中螺栓逆剪工况更易导致接头密封失效，发生渗漏水。

(3)螺栓逆剪时，塑性区主要为靠近预埋螺母位置及螺栓与环缝面螺栓孔位置。螺栓应变状态是使凹凸榫滑移压溃，进而引起错台快速增长的主要原因。

利用足尺管片进行环缝剪切试验，凹凸榫的接触状态先由点接触(应力集中)逐步发展为面接触。鉴于装置竖向加载能力不足，采用剪轴比的方式体现环缝的剪切特征，将环缝划分为不同阶段，并得出凹凸榫失效时量值，具有一定工程指导意义。另外试验针对环缝面及凹凸榫进行了应变采集，试件拼装及试验过程中损坏严重，并未采集到有效数据，未能分析凹凸榫的应变状态及裂缝开展情况，其中不足之处需在今后进一步研究中改进。