一种盾构（TBM）隧道管片衬砌接缝试验加载方法

摘要

本发明提供了一种盾构(TBM)隧道管片衬砌接缝试验加载方法，该方法首先依据经典志波模型计算整环管片衬砌的受力，然后确定研究区域并明确其混凝土和螺栓的受力特征，据此分三种情况反推试验时的外荷载。本发明旨在尽可能使试验研究区域的受力与其整环中的受力状态趋于一致，进而使简化的管片衬砌接缝试验准确的模拟管片衬砌整环的受力特征；同时实现方式简易可行，安全可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及测试技术领域，尤其涉及一种盾构(TBM)隧道管片衬砌接缝试验加载方法。

背景技术

盾构(TBM)隧道由于其施工快速、优质、高效、安全的特点，近年来逐渐在我国铁路、公路工程中得到广泛应用。盾构隧道的衬砌结构主要由预制管片拼装而成，TBM隧道也大量采用预制管片衬砌，由此管片衬砌间将产生大量的接缝，这些接缝往往是隧道的薄弱部位，对衬砌环的受力与变形有着显著的影响，因此，研究接缝的力学性质显得十分必要。目前，对盾构(TBM)隧道管片衬砌接缝的研究中原型加载试验被广泛采用，由于整环足尺原型试验进行起来难度大、成本高，故试验一般将两块管片拼接而成的接缝作为研究对象。试验的加载方式对整个试验起着至关重要的作用，现有的加载思路为：先施加水平荷载以导入轴力，根据不同的轴力荷载水平，按钢筋混凝土截面计算方法，确定螺栓达到屈服所对应的弯矩值，在此基础上施加竖向荷载导入相应的弯矩。

在研究盾构(TBM)隧道管片衬砌接缝力学性能试验中，以两块管片拼接而成的接缝作为研究对象，应尽可能使其受力状态与整环可能存在的受力状态一致，上述常规加载方法一定程度上并不能达到这一要求，对隧道整环受力状态的模拟不够全面和准确。根据经典志波模型(见附图1)，隧道纵向受弯时，应力沿截面呈线性分布，一般应选择应力最大的区域作为研究对象，故研究区域极有可能出现全截面受压或全截面被拉开的状态。当接缝混凝土全截面受压时，压力主要由混凝土承担，当接缝被拉开时，拉力则仅由螺栓承担。显然上述常规加载方法均由混凝土和螺栓共同受力，且由于混凝土和螺栓各自受力情况不明确，对接缝力学机理无法做详细分析。所以，需要一种能够明确接缝端面混凝土和螺栓受力特征，并且能够更全面准确的对接缝受力状态进行模拟的安全可靠的加载方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种盾构(TBM)隧道管片衬砌接缝试验加载方法，可以明确接缝端面混凝土和螺栓的受力特征，并且更准确的模拟接缝的受力状态，从而提高试验的精确度；同时实现方式简易可行，安全可靠。

为达到上述目的，本发明的加载思路是：根据经典志波模型分析研究区域的受力特点，从接缝实际的受力状态出发分三种情况考虑，反推试验中荷载的施加方式及大小。本发明的目的通过如下技术方案实现：一种盾构(TBM)隧道管片衬砌接缝试验加载方法，其特征包括以下步骤：

(1)试验管片浇筑，将曲线型管片用自行浇筑的直线型管片代替，在接缝端面处按实际情况进行浇模。

(2)将浇筑的管片在标准条件下养护28天，基于经典志波模型根据工程实际及试验要求计算各荷载组合作用下整环管片受力状态。

(3)确定研究区域接缝受力特征，反推试验中需要施加的外荷载。①若研究区域全截面受压，则压力视为全部由接缝混凝土承担，按其压应力分布规律，计算管片所受轴力及弯矩大小，进一步将弯矩换算为需要施加的竖向荷载。②若研究区域截面被拉开，则拉力视为全部由螺栓承担。此时，忽略弯矩对接缝的影响，将整环状态计算得到的应力全部近似转化为拉力。③若研究区域同时存在受压区和受拉区，则压力主要由混凝土承担，拉力主要由螺栓承担。此时，可按常规方法加载，分级设定轴力水平并计算相应的弯矩值。

(4)根据上一步计算确定的加载方式和荷载大小分别按下述方法施加荷载。特别注意的是，当管片重力较大可能对试验产生不可忽略的影响时，需设置摩擦系数较小的支座以抵消重力。①首先按计算所得数值直接施加轴力，然后施加竖向力导入弯矩。②管片被拉开时，只需按计算数值直接施加轴力。③按计算得到的数值分级导入轴力，针对不同的轴力水平施加竖向力导入相应的弯矩。

所述试验用管片可为自行浇筑的直线型管片。

所述研究区域接缝受力特征由整环管片衬砌在各种荷载组合作用下得到。所述外荷载包括轴力和弯矩，其值由接缝受力状态反推得到。

所述轴力可直接导入。

所述弯矩通过施加竖向荷载导入。

本发明试验加载方法的力学原理是：

1.在各种荷载组合作用下，依据经典志波模型得到整环管片衬砌的受力状态，以此确定拼接管片衬砌接缝试验的研究区域，明确其受力特征。

2.由接缝混凝土端面应力分布以及螺栓的受力特征，根据材料力学公式及钢筋混凝土截面计算方法反推所需外荷载。

3.轴力可在管片两端直接施加，弯矩通过施加两个等大的竖向荷载，在包含接缝的两竖向荷载中间区域形成纯弯区段，避免生成剪力影响试验。

附图说明

图1为整环管片衬砌受弯时其受力特征示意图。

其中(a)为变形图，(b)为志波模型应力分布图，圈出部分为研究区域。

图2为本发明的盾构(TBM)隧道管片衬砌接缝试验加载方法力学原理示意图，将拉弯或压弯的状态等效为轴力和弯矩共同作用。

其中(a)为接缝全截面受压，(b)为接缝被拉开,(c)为同时存在受拉区和受压区。

图3为本发明的盾构(TBM)隧道管片衬砌接缝试验加载原理示意图。

其中(a)为同时施加轴力和弯矩，(b)为仅螺栓受拉时施加轴力。

图4为本发明的盾构(TBM)隧道管片衬砌接缝试验加载示意图。

其中(a)为试验加载俯视图，(b)为试验加载正视图。图中：1千斤顶；2荷载分配梁；3可动支座；4螺栓；5试件；6传力杆

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步描述。

本实例试验对盾构(TBM)隧道横向接缝在地震力作用下的力学性能进行研究，限于条件无法进行环间的完整足尺试验，在此选用单根螺栓构件的足尺模型试验。

一般而言，在地震荷载作用下，盾构(TBM)隧道纵向会产生轴向拉力、轴向压力以及纵向弯曲。当隧道受轴向拉(压)力时，环间接头所有螺栓受力特征相同。此种情况下试验简单明了，这里不做讨论。当盾构(TBM) 隧道受纵向弯曲时，根据志波经典纵向抗弯模型，拉应力或压应力的最大位置位于管片衬砌环的最外侧(见图1)，故本单根螺栓试验模型针对此区域进行研究。

根据志波模型计算发现，接缝受拉弯时，研究区域内侧应力仅比外侧小5％，接缝受压弯时，外侧应力比内侧大44％。这也进一步验证了接缝被拉开时忽略弯矩的合理性。故盾构(TBM)隧道受弯时，试验模型加载方式见图3.

用自行浇筑的直线型管片代替曲线型管片拼接进行试验，加载方法包括以下步骤：

(1)自行浇筑单螺栓直线型管片构件，构件浇筑后按照现有的混凝土养护条件和方法(依据现行国家标准《普通混凝土力学性能试验方法》)养护28天。

(2)根据前期计算，分析接缝端面混凝土应力分布及螺栓受力,对接缝可能出现的三种受力特征分别设计试验。

(3)根据材料力学公式及钢筋混凝土截面计算方法确定需导入的轴力和弯矩。

①研究区域全截面受压时，端面混凝土应力分布见图2(a)，所需轴力 N＝X₂A₁，弯矩M＝X₁W_Z这里A₁为试件接缝端面面积，W_Z为抗弯截面模量。

②研究区域截面被拉开时，端面附近混凝土横截面应力分布近似如图2(b)，但接缝被拉开时，混凝土显然不承受拉力，全部拉力由螺栓承担，此时弯矩作用忽略不计，仅施加轴力N＝X₂A₂，这里的A₂为单根螺栓受拉影响面积，即整环横截面面积比螺栓个数。

③研究区域同时存在受压区和受拉区时(见图2(c))，根据最大轴力水平将轴力合理分级，针对每一轴力水平计算相应弯矩，按先轴力后弯矩的顺序依次施加荷载。

(4)根据前述加载方式及计算得到的荷载大小加载进行试验。实际加载示意图见图4.

应当理解，本发明提供了一种开创性的加载方法，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过分析推理或有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。