查紅星 桂 林 秦奕旻 柳 獻(xiàn)

(1.蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司，215004,蘇州；2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，200092，上?！蔚谝蛔髡?，高級(jí)工程師)

0 引言

在城市軌道交通領(lǐng)域，對(duì)盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的理解主要依賴于現(xiàn)行規(guī)范，如GB 50446—2018《盾構(gòu)法隧道施工及驗(yàn)收規(guī)范》[2]和CJJT 289—2018《城市軌道交通隧道結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[3]?？紤]到蘇州軌道交通盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)形式與其它城市的不盡相同，盾構(gòu)隧道穿越地層的物理力學(xué)性質(zhì)也具有一定的特殊性，如完全參照上述規(guī)范進(jìn)行建設(shè)和運(yùn)維尚存困難。為了更好理解蘇州軌道交通盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能并應(yīng)用于建設(shè)和運(yùn)維實(shí)踐，對(duì)蘇州軌道交通盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能開展足尺試驗(yàn)研究十分必要。

對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行足尺試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外已有一定的研究。文獻(xiàn)[4]開展了雙圓隧道襯砌錯(cuò)縫拼裝結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，并對(duì)結(jié)構(gòu)受力和變形進(jìn)行了計(jì)算分析。文獻(xiàn)[5]開展了類矩形盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)足尺試驗(yàn)，對(duì)正常運(yùn)營(yíng)和施工同步注漿工況下的受力性能進(jìn)行了分析研究，為新型盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工控制提供了技術(shù)支持和依據(jù)。以上研究主要針對(duì)異型斷面形式的盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)關(guān)注異型斷面隧道的施工控制、設(shè)計(jì)優(yōu)化等方面。研究結(jié)論對(duì)于圓形斷面隧道的參考價(jià)值有限。

在圓形斷面盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的足尺試驗(yàn)研究方面，文獻(xiàn)[6]對(duì)荷蘭“綠色心臟”隧道開展了足尺試驗(yàn)研究，分析了荷蘭軟土大斷面隧道的受力機(jī)制，并為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。文獻(xiàn)[7]介紹了外徑15 m的上海長(zhǎng)江隧道的足尺試驗(yàn)過程，獲得了襯砌環(huán)結(jié)構(gòu)的實(shí)有安全度，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了依據(jù)。文獻(xiàn)[8]針對(duì)外徑14.5 m的南京長(zhǎng)江隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了足尺試驗(yàn)研究，對(duì)不同拼裝方式下的不同破壞特征進(jìn)行了探討。文獻(xiàn)[9]針對(duì)上海軌道交通中埋管片進(jìn)行了超載工況下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)承載能力的足尺試驗(yàn)研究，對(duì)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的承載性能和破壞機(jī)理進(jìn)行了分析。以上研究主要針對(duì)大斷面或某一具體城市的盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)，研究結(jié)論對(duì)于圓形隧道的力學(xué)性能研究有一定價(jià)值。但考慮到隧道的結(jié)構(gòu)形式、細(xì)部構(gòu)造及地層性質(zhì)等差異，以上研究對(duì)蘇州的地鐵盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的適用性有限。

基于當(dāng)前蘇州軌道交通的建設(shè)和運(yùn)維實(shí)踐，本文設(shè)計(jì)和實(shí)施了頂部超載工況下的蘇州軌道交通盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)足尺試驗(yàn)，旨在掌握蘇州軌道交通盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力機(jī)制、破壞機(jī)理與極限承載力，為蘇州軌道交通后續(xù)的建設(shè)和運(yùn)維提供試驗(yàn)依據(jù)。以下將具體介紹試驗(yàn)方案和主要試驗(yàn)結(jié)論，并對(duì)結(jié)構(gòu)破壞過程和破壞機(jī)理進(jìn)行分析和討論。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)試件

本試驗(yàn)的試件參照蘇州軌道交通1—5號(hào)線錯(cuò)縫拼裝盾構(gòu)隧道原型管片制作。襯砌環(huán)外徑為6 200 mm，內(nèi)徑為5 500 mm，管片寬度為1 200 mm，管片厚度為350 mm。管片材料采用C50混凝土和HRB400鋼筋。襯砌環(huán)由1個(gè)封頂塊K(圓心角為22.5°)、2個(gè)鄰接塊B1和B2(圓心角為67.5°)，以及3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊A1、A2和A3(圓心角為67.5°)組成。試驗(yàn)采用環(huán)寬1.2 m的中全環(huán)和環(huán)寬0.6 m的上下半環(huán)。中全環(huán)與上下半環(huán)間采用錯(cuò)縫拼裝，封頂塊的位置偏離正上方±22.5°，如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)拼裝示意圖Fig.1 Diagram of shield tunnel lining rings assembly

襯砌環(huán)縱縫和環(huán)縫均采用5.8級(jí)M30彎螺栓連接。每條縱縫設(shè)置2根螺栓，每條環(huán)縫設(shè)置16根螺栓。管片端面采用平面式，環(huán)縫和縱縫接觸面皆不設(shè)凹凸榫槽，如圖2～3所示。

圖2 盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)縱縫構(gòu)造圖

1.2 加載裝置

加載裝置分水平加載裝置和豎向加載裝置兩部分，如圖4所示。水平加載裝置用以模擬試驗(yàn)環(huán)受到的水土荷載作用，豎向加載裝置用以模擬試驗(yàn)環(huán)環(huán)縫面上的縱向壓力。以15°為間隔在水平加載裝置上設(shè)置24個(gè)加載點(diǎn)，加載點(diǎn)均勻分布在試驗(yàn)環(huán)外側(cè)并指向圓心。每個(gè)加載點(diǎn)由自上而下的4個(gè)液壓千斤頂組成，分別作用于上半環(huán)、中全環(huán)和下半環(huán)。單個(gè)千斤頂能提供的最大荷載為100 t，最大位移為400 mm。

圖3 盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)縫構(gòu)造圖

圖4 盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)足尺試驗(yàn)加載裝置全景圖

豎向加載裝置共有8個(gè)加載點(diǎn)，每個(gè)加載點(diǎn)由2根加載梁、2個(gè)20 t張拉千斤頂和2根鋼絞線組成。通過千斤頂張拉鋼絞線，在管片環(huán)縫面上施加壓力。

1.3 加載方案

本試驗(yàn)的加載方案與文獻(xiàn)[10-12]的盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)足尺試驗(yàn)保持一致，通過加載裝置千斤頂施加集中荷載來模擬作用于隧道結(jié)構(gòu)上的水土荷載和地層抗力等。水平向24個(gè)加載點(diǎn)對(duì)稱分為3組(見圖5)：P1組，6個(gè)加載點(diǎn)，分布于頂部和底部；P2組，10個(gè)加載點(diǎn)，分布于兩腰部位；P3組，8個(gè)加載點(diǎn)，分布于肩部和趾部。試驗(yàn)前，基于試驗(yàn)結(jié)構(gòu)和實(shí)際結(jié)構(gòu)控制截面內(nèi)力和變形等效的原則，設(shè)計(jì)P1組、P2組和P3組各加載點(diǎn)集中力的大小。試驗(yàn)時(shí)，同組加載點(diǎn)千斤頂?shù)暮奢d相同。

圖5 加載方案的水平加載分組及荷載示意圖

豎向荷載F用于模擬盾構(gòu)機(jī)頂進(jìn)之后管片環(huán)縫面上殘余的頂推壓力。參照蘇州軌道交通實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)機(jī)總推力取1 000 t，殘余系數(shù)取0.15?？紤]到本次試驗(yàn)共設(shè)置8個(gè)豎向加載點(diǎn)，因此每個(gè)加載點(diǎn)的豎向荷載F=(1 000 t×0.15)/8=18.75 t。

試驗(yàn)加載過程分為3個(gè)階段，如圖6所示。

圖6 不同加載階段的荷載級(jí)曲線Fig.6 Curves of loading steps at different loading stages

1) 由零加載至正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的荷載：在豎向荷載F=187.5 kN施加完成后，P1加載點(diǎn)的荷載FP1由零加載至145 kN，P2加載點(diǎn)的荷載FP2由零加載至94 kN，P3加載點(diǎn)的荷載FP3由零加載至114 kN，達(dá)到正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。

2) 加載至頂部超載：繼續(xù)增大FP1，模擬隧道頂部承受超載作用，同時(shí)維持FP2=0.65FP1，F(xiàn)P3=0.48×(FP1+FP2)。

3) 繼續(xù)超載至極限狀態(tài)：FP2達(dá)到被動(dòng)土壓力，維持FP2=313 kN不變。繼續(xù)增大FP1，并保持FP3=0.48×(FP1+FP2)。

為方便后文描述，定義FP=2(FP1-FP2)，用以描述荷載大小[13]。其在量值上等于隧道在1.2 m環(huán)寬上所受到的頂部荷載與腰部荷載的差值，反映了試驗(yàn)隧道的受荷狀態(tài)。

1.4 測(cè)試方案

本次試驗(yàn)的測(cè)試項(xiàng)目主要有：結(jié)構(gòu)整體位移、縱縫張開、縱縫螺栓應(yīng)變、管片內(nèi)外側(cè)主筋應(yīng)變、管片內(nèi)外表面混凝土應(yīng)變、縱縫錯(cuò)臺(tái)、環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)、環(huán)縫螺栓應(yīng)變。在試驗(yàn)全過程中，人工觀測(cè)管片表面裂縫和破損的發(fā)展情況。測(cè)試方案中的測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試傳感器及測(cè)點(diǎn)數(shù)如表1所示，總測(cè)點(diǎn)數(shù)量為718個(gè)。中全環(huán)測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示。上半環(huán)和下半環(huán)的測(cè)點(diǎn)布置情況與中全環(huán)相同。

表1 測(cè)試方案中的測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試傳感器及測(cè)點(diǎn)數(shù)量

圖7 中全環(huán)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2 結(jié)構(gòu)破壞過程及破壞形態(tài)

2.1 結(jié)構(gòu)整體破壞情況

當(dāng)加載至結(jié)構(gòu)破壞(FP=456 kN)時(shí)，結(jié)構(gòu)整體破壞情況如圖8所示。

隧道圓環(huán)結(jié)構(gòu)為三次超靜定結(jié)構(gòu)。當(dāng)形成3個(gè)塑性鉸時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)成為靜定結(jié)構(gòu)。當(dāng)形成4個(gè)塑性鉸時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)成為機(jī)構(gòu)，喪失繼續(xù)承載的能力。在加載過程中，中全環(huán)依次形成以下4個(gè)塑性鉸：① 中全環(huán)168.75°管片截面的縱縫螺栓屈服、外弧面混凝土壓碎(圖8中照片①)；② 中全環(huán)101.25°管片截面的縱縫內(nèi)弧面螺栓屈服、混凝土壓碎(圖8中照片④，混凝土未剝落，但敲擊聲音清脆，提示已壓碎)；③ 中全環(huán)11.25°管片截面的縱縫螺栓屈服、外弧面混凝土壓碎(圖8中照片③)；④ 中全環(huán)270°截面管片外側(cè)主筋屈服(圖8中照片②，裂縫寬度0.5 mm)。

圖8 FP=456 kN時(shí)盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)整體破壞情況

由于上半環(huán)和下半環(huán)的拼裝角度關(guān)于中全環(huán)相對(duì)于0°～180°管片截面連線對(duì)稱。因此，上半環(huán)和下半環(huán)的破壞情況與中全環(huán)相似，且關(guān)于中全環(huán)相對(duì)于0°～180°管片截面連線對(duì)稱。在本文將著重介紹中全環(huán)的試驗(yàn)結(jié)果。

2.2 整體變形

中全環(huán)結(jié)構(gòu)變形如圖9所示。隧道結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)腰部向外擴(kuò)、頂?shù)紫騼?nèi)縮的“橫鴨蛋”變形趨勢(shì)。定義90°～270°管片截面連線長(zhǎng)度相對(duì)于設(shè)計(jì)內(nèi)徑的變化量為腰部收斂，定義0°～180°管片截面連線長(zhǎng)度相對(duì)于設(shè)計(jì)內(nèi)徑的變化量為頂?shù)资諗俊?/p>

圖9 中全環(huán)結(jié)構(gòu)變形示意圖Fig.9 Rose diagram for the overall deformation of middle ring

FP=101 kN時(shí)，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)處于正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。中全環(huán)腰部收斂為5.73 mm，頂?shù)资諗繛?1.79 mm，橢圓度為3.19‰。

FP=344 kN時(shí)，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)形成了3個(gè)塑性鉸，由超靜定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)殪o定結(jié)構(gòu)。此時(shí)，中全環(huán)腰部收斂為22.43 mm，頂?shù)资諗繛?4.55 mm，橢圓度為10.36‰。

FP=456 kN時(shí)，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的4個(gè)塑性鉸全部形成，達(dá)到極限狀態(tài)。此時(shí)，中全環(huán)腰部收斂為88.97 mm，頂?shù)资諗繛?9.58 mm，橢圓度為34.28‰。

2.3 縱縫變形

中全環(huán)11.25°、101.25°和168.75°管片截面的荷載-縱縫張開曲線如圖10所示。

圖10 不同管片截面的荷載-縱縫張開曲線

中全環(huán)11.25°管片截面的縱縫位于頂部，呈現(xiàn)內(nèi)側(cè)張開、外側(cè)閉合的變形趨勢(shì)。FP=344 kN時(shí)，內(nèi)側(cè)張開的變形速率增大，判斷此時(shí)縱縫螺栓屈服；FP=360 kN時(shí)，外側(cè)閉合的變形速率增大，判斷此時(shí)縱縫受壓邊緣的混凝土壓碎。

中全環(huán)101.25°管片截面的縱縫位于隧道右腰，呈現(xiàn)內(nèi)側(cè)閉合、外側(cè)張開的變形趨勢(shì)。類似地可判斷：FP=334 kN時(shí)，縱縫螺栓屈服；FP=392 kN時(shí)，縱縫受壓邊緣的混凝土壓碎。

中全環(huán)168.75°管片截面的縱縫位于隧道底部，呈現(xiàn)內(nèi)側(cè)張開、外側(cè)閉合的變形趨勢(shì)。類似地可判斷，F(xiàn)P=294 kN時(shí)，縱縫螺栓屈服。

2.4 縱縫螺栓應(yīng)變

中全環(huán)101.25°和168.75°管片截面的荷載-縱縫螺栓應(yīng)變曲線如圖11所示。螺栓應(yīng)變采用在表面粘貼應(yīng)變片的方式進(jìn)行測(cè)量。由于彎螺栓的受力狀態(tài)較為復(fù)雜，應(yīng)變片的粘貼位置不一定正好處于應(yīng)變最大處。因此，圖11中的應(yīng)變絕對(duì)量不能用于判斷螺栓屈服與否，但曲線斜率的變化趨勢(shì)可以用來作為判斷依據(jù)。

圖11 不同管片截面的荷載-縱縫螺栓應(yīng)變曲線

中全環(huán)101.25°管片截面的荷載-縱縫螺栓應(yīng)變曲線在FP=334 kN處斜率發(fā)生變化，表明此時(shí)101.25°管片截面的縱縫螺栓屈服。中全環(huán)168.75°管片截面的荷載-縱縫螺栓應(yīng)變曲線在FP=294 kN處斜率發(fā)生變化，表明此時(shí)168.75°管片截面的縱縫螺栓屈服。上述判斷與2.3節(jié)縱縫張開的分析結(jié)果匹配。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 破壞鏈與破壞機(jī)理

中全環(huán)的荷載-收斂變形曲線如圖12所示。

圖12 中全環(huán)荷載-收斂變形曲線Fig.12 Curve of load-convergence deformation of middle ring

中全環(huán)的結(jié)構(gòu)破壞過程如下所述：

1)FP從0增加到138.9 kN之前，未觀察到破壞現(xiàn)象。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示荷載和收斂變形基本呈線性關(guān)系。

2) 當(dāng)FP=138.9 kN時(shí)，中全環(huán)258.75°管片截面外弧面?zhèn)瘸霈F(xiàn)首條受彎裂縫。中全環(huán)初裂裂縫出現(xiàn)位置正好對(duì)應(yīng)上半環(huán)和下半環(huán)的縱縫所在角度。這是由于錯(cuò)縫效應(yīng)的存在，中全環(huán)258.75°管片截面彎矩較大，更易開裂。

3) 當(dāng)FP=294 kN時(shí)，中全環(huán)168.75°管片截面的縱縫螺栓屈服，第一個(gè)塑性鉸形成。經(jīng)檢查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，168.75°管片截面的縱縫內(nèi)弧面張開量、接縫螺栓應(yīng)變變化速率在本級(jí)荷載出現(xiàn)拐點(diǎn)，增長(zhǎng)速率加快。

4) 當(dāng)FP=334 kN時(shí)，中全環(huán)101.25°管片截面的縱縫螺栓屈服，第二個(gè)塑性鉸形成。經(jīng)檢查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，101.25°管片截面的縱縫外弧面張開量、接縫螺栓應(yīng)變變化速率在本級(jí)荷載出現(xiàn)拐點(diǎn)，增長(zhǎng)速率加快。

5) 當(dāng)FP=344 kN時(shí)，中全環(huán)11.25°管片截面的縱縫螺栓屈服，第三個(gè)塑性鉸形成。在同級(jí)荷載下，168.75°管片截面的縱縫外弧面混凝土壓碎。下一級(jí)荷載相對(duì)于本級(jí)荷載來說，荷載-收斂變形曲線的斜率減小28%，表明結(jié)構(gòu)整體剛度在本級(jí)荷載下降。

6) 當(dāng)FP=360 kN時(shí)，中全環(huán)11.25°管片截面的縱縫外弧面混凝土壓碎。經(jīng)檢查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，11.25°管片截面的縱縫外弧面壓緊量在本級(jí)荷載出現(xiàn)拐點(diǎn)，增長(zhǎng)速率加快。

7) 當(dāng)FP=392 kN時(shí)，中全環(huán)101.25°管片截面的縱縫內(nèi)弧面混凝土壓碎。經(jīng)檢查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，101.25°縱縫內(nèi)弧面壓緊量在本級(jí)荷載出現(xiàn)拐點(diǎn)，增長(zhǎng)速率加快。

8) 當(dāng)FP=440 kN時(shí)，中全環(huán)270°管片截面外弧面主筋應(yīng)變達(dá)到2 000 mε，主筋屈服，第四個(gè)塑性鉸形成。同時(shí)，采用塞尺觀測(cè)到270°管片截面外弧面裂縫最大寬度為0.5 mm。隧道圓環(huán)結(jié)構(gòu)為三次超靜定結(jié)構(gòu)。當(dāng)4個(gè)塑性鉸形成時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)成為機(jī)構(gòu)，不再具有繼續(xù)承載的能力。

3.2 錯(cuò)縫效應(yīng)分析

錯(cuò)縫效應(yīng)系指錯(cuò)縫拼裝盾構(gòu)隧道相鄰環(huán)間由于拼裝方式不同而產(chǎn)生環(huán)間不協(xié)調(diào)變形，使得環(huán)與環(huán)之間產(chǎn)生環(huán)間剪力和錯(cuò)臺(tái)，并由此導(dǎo)致與相鄰環(huán)縱縫正對(duì)的管片截面(錯(cuò)縫截面)彎矩有所提高的現(xiàn)象。本節(jié)將從裂縫分布、結(jié)構(gòu)內(nèi)力和環(huán)縫破壞來進(jìn)行分析。

3.2.1 裂縫分布

從裂縫分布的情況來看，裂縫最先出現(xiàn)在頂?shù)缀脱康腻e(cuò)縫截面位置。具體包括中全環(huán)內(nèi)弧面191.25°和348.75°管片截面、中全環(huán)外弧面258.75°管片截面、上下半環(huán)內(nèi)弧面11.25°和168.75°管片截面、上下半環(huán)外弧面101.25°管片截面。停止加載時(shí)，裂縫也多分布于上述位置。中全環(huán)裂縫照片如圖13所示。根據(jù)裂縫分布位置可知，由于錯(cuò)縫效應(yīng)的存在，錯(cuò)縫截面的管片彎矩有所增大。

圖13 不同管片截面處中全環(huán)裂縫照片F(xiàn)ig.13 Cracks of middle ring of different segment sections

3.2.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

基于試驗(yàn)應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，并與均質(zhì)圓環(huán)法的計(jì)算結(jié)果相對(duì)比，如圖14所示。兩者在大部分位置的計(jì)算結(jié)果較為符合。但在錯(cuò)縫截面處，中全環(huán)試驗(yàn)反算內(nèi)力結(jié)果較均質(zhì)圓環(huán)計(jì)算結(jié)果大約10%左右。由此可知，由于錯(cuò)縫效應(yīng)的存在，錯(cuò)縫截面的管片彎矩有所增大，且相對(duì)均質(zhì)圓環(huán)結(jié)果增大約10%左右。

圖14 中全環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)力(FP=101 kN，正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài))

3.2.3 環(huán)縫破壞

錯(cuò)縫效應(yīng)是由于相鄰環(huán)間的不均勻變形，并經(jīng)環(huán)縫面剪力的傳遞而產(chǎn)生的相鄰環(huán)管片的彎矩重分布現(xiàn)象。由于環(huán)縫面剪力是錯(cuò)縫效應(yīng)形成的重要因素，因此環(huán)縫面的破壞現(xiàn)象也能夠反映錯(cuò)縫效應(yīng)。

在試驗(yàn)過程中共計(jì)發(fā)現(xiàn)3處環(huán)縫破壞現(xiàn)象，分別位于11.25°管片截面的上半環(huán)-中全環(huán)環(huán)縫、22.5°管片截面的中全環(huán)-下半環(huán)環(huán)縫、236.25°管片截面的中全環(huán)-下半環(huán)環(huán)縫(見圖15)。在環(huán)縫面壓力和剪力的共同作用下，使得上述位置出現(xiàn)了壓剪破壞的現(xiàn)象。

圖15 不同管片截面處環(huán)縫破壞現(xiàn)象照片

4 結(jié)語

本文針對(duì)蘇州軌道交通盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)開展了足尺試驗(yàn)，獲取了隧道襯砌結(jié)構(gòu)的破壞模式和承載能力。研究結(jié)果表明：

1) 蘇州軌道交通盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的破壞鏈為：168.75°、101.25°和11.25°管片截面的縱縫螺栓相繼屈服，縱縫受壓側(cè)混凝土相繼壓碎。最終導(dǎo)致270°截面管片鋼筋屈服，4個(gè)塑性鉸全部形成，成為幾何可變機(jī)構(gòu)。

2) 在形成3個(gè)塑性鉸時(shí)，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)由超靜定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)殪o定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)整體剛度下降約28%。此時(shí)，中全環(huán)腰部收斂為22.43 mm，頂?shù)资諗繛?4.55 mm，橢圓度為10.36‰。表明，當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)橢圓度超過10.36‰時(shí)，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段，隧道變形對(duì)周邊環(huán)境擾動(dòng)較為敏感。

3) 在試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了一定的錯(cuò)縫效應(yīng)。與相鄰環(huán)縱縫正對(duì)的管片截面(錯(cuò)縫截面)表現(xiàn)出彎矩增大的現(xiàn)象。裂縫最先在上述截面出現(xiàn)和發(fā)展。另外，試驗(yàn)過程中觀察到了3處環(huán)縫壓剪破壞，反映了環(huán)間剪力的存在是導(dǎo)致錯(cuò)縫效應(yīng)的因素。

4) 根據(jù)試驗(yàn)應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反算得到的結(jié)構(gòu)內(nèi)力與均質(zhì)圓環(huán)的計(jì)算結(jié)果較為吻合，但在錯(cuò)縫截面處表現(xiàn)出彎矩增大的現(xiàn)象。錯(cuò)縫截面處試驗(yàn)反算內(nèi)力相對(duì)均質(zhì)圓環(huán)計(jì)算結(jié)果增大約10%。