关于对盾构管片受力特性及耐久性的研究

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【摘要】近几年来国家的城市人口在不断的增加，随之而来是对地铁需求的增加，而盾构作为地铁施工中的一种既安全又经济又能保证施工进程的隧道施工方法就得到了广泛的应用。通常盾构隧道衬砌是一种管片，且该盾构管片长期处于腐蚀性环境下，因此在施工选择上要格外谨慎，必须保证其在规定的结构形式下能够达到设计寿命，因此本文就从研究盾构管片的受力特性入手，分析研究盾构管片的耐久性特质，以便能够更好的改进盾构管片的性能使得其在地铁等地下隧道工程中应用时间更久，更具安全保障性。

【关键字】盾构管片 受力特性 耐久性研究

盾构隧道通常是采用单层的管片进行衬砌的，因此衬砌所用管片质量要求是十分严格的。必须既能保证隧道的长期稳定，还要满足隧道的防水要求。那么想要达到这样的要求就需要在盾构隧道设计和施工中做好管片的受力分析。这是因为管片的受力特征及受力条件对其性能影响十分大，因此本文就以研究盾构管片的受力特性及耐久性为重点进行详细的研究。

1盾构管片的受力数值分析

盾构法时目前地铁隧道施工最常用的方法，但从现场施工案例中可以知道，在盾构推进的过程当中，易在衬砌混凝土的管片接头附近产生破坏现象，造成连接钢筋环的脱落或混凝土的破坏。因此若能研究出盾构管片的破坏机理，将对今后地铁隧道的施工带来极大的便利，为以后的施工和设计提供更多的理论依据，因此本文首先对盾构衬砌的混凝土管片进行受力分析研究。

1.1 盾构管片的受力分析的计算模型

盾构管片受力分析的研究方法有很多种，大致可以分为现场试验和模型试验两种，而由于现场试验所需要的人力物力均较多，因此我们通常会选择模型进行试验，而本文则是在应用梁-弹簧法对盾构管片的模型进行受力分析，并提出受力分析的标准。

（1）计算方法的确定

梁-弹簧法是一种将盾构管片的主截面模拟成梁、将管片环向接头模拟成旋转弹簧，将管片的径向接头模拟成剪切弹簧，用地基弹簧来表示地基与管片环之间的相互作用的设计计算方法。主要的计算原理有将弯曲的盾构管片看做一个个梁单元，如果单元长度去的足够小就可以用直梁代替曲梁单元；管片间的接头单元则采用3个虚拟的非线性弹簧来模拟接头部分的剪切、转动和轴向受力状态。

（2）受力模型的确定

本次选用的受力分析模型为梁-接头不连续模型，其主要特点为结构是非线性的，且一般认为该模型的接头单元具有抗拉伸的作用，可以适用于任何情形的材料模式。其主要的应用原理为接头模型采用两管片间的接头离散成双结构点的接头单元构成，而将管片错缝拼接下环间接头的纵向加强作用看做模型中的剪切作用，同时对计算的模型进行构造面模拟和螺栓模拟。

（3）模拟计算后管片的受力特性

本次模拟实验的计算方法及模型建立在上文中已经详细介绍，为了便于模拟实验的进行和数值分析，便具有一定的实验条件限制：①实验中隧道的坡度为0°；②接头面为为一个完全的平面；③对螺栓孔忽略不计；④只选取隧道区间的一段进行模拟。具体的模拟实验过程不再详细赘述，从现有实验的结果可以得知以下的结论：

①随着盾构管片受到的推力的增大，其所受到的拉应力也呈现出增长趋势，由此应变也在逐渐增大，而且最大应力出现在管片中部的环缝内表面，最有可能造成管片的破损。随着推力的增大环间螺栓应力逐渐变小，而块间螺栓应力随着推力的增大在一定的推力范围内没有太大变化；

②随着所受推力偏角的增大，盾构管片的拉应力呈现逐渐增长趋势，应变也不断增大，最大的应力还是出现在管片中部环缝内表面环缝附近；而随着盾构所受推力偏角的增大，环间螺栓应力和块间螺栓应力均随之不断增大；

③随着注浆压力的增大，盾构管片的拉应力呈现缓慢增长的特点，应变也随之增大，最大应力出现的部位还是在管片中部的环缝附近，而环间螺栓应力和块间螺栓应力则随着注浆压力的增大而变小；

④随着盾构管片螺栓半径的增大，其拉应力是呈现逐渐增长的趋势，应变也随之增加，当螺栓半径增大约5mm通过变换埋深可获得最大变化幅度，而环间螺栓应力和块间螺栓应力则随着螺栓半径的增大而逐渐变小，而且在螺栓半径增大5mm时，对块间螺栓应力影响比较大。

经实践证明上述的模拟过程得出的结论与实际的施工经验具有一致性。

2 盾构管片的耐久性研究

盾构管片大多用于地下工程当中，较易因外力条件而遭受腐蚀，导致其强度及承载能力降低，因而对结构材料的耐久性进行研究是十分必要的。主要的研究内容为盾构管片在外荷载条件下，既满足结构承载的要求，还要在施工完成的后的一段时间内正常应用。

2.1影响盾构管片耐久性因素的详细分析

对于盾构管片而言，其强度及承载能力降低的主要因素有：地下水中的氯离子、碳化作用、供电系统产生的杂散电流影响等，因此对于盾构管片耐久性分析需要综合考虑所有的因素。

（1）氯离子的影响：氯离子对管片的腐蚀是需要达到一定浓度才能开始，其侵蚀方式具有很多种具体要根据所处的环境确定，但其运动是一个线性过程。通过Fick 第二定律进行模拟计算后发现单纯有氯离子的侵蚀作用导致管片开始生锈的时间约为82年。

（2）碳化作用：碳化作用会使得管片表面的保护膜被破坏进而引起更深的腐蚀，导致管片的强度降低，根据相关的公式数据得出了隧道管片衬砌结构碳化开始生锈的时间约为87年。

（3）供电系统产生的杂散电流会影响管片的开裂时间，对于不同部位的影响程度不同，导致开裂的时间也不相同。

运用模糊评价的方法将上述提到的因素综合起来，可以得出盾构管片的耐久性寿命在100年以上。

3总述

本文以研究盾构管片的受力特性及耐性性分析为重点进行了相关的阐释，从上文可以看出管片的受力特性收到诸多因素的影响，因此在具体的施工过程中要注意合理的运用已有的理论依据，减少施工失误；而在管片的耐久分析中提到了影响管片耐久性的多种因素，因此在实际的施工设计过程中尽量避免以上因素对于管片的腐蚀作用，不断改进技术提高施工质量。

参考文献

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[2] 曾东洋；何川；；盾构隧道衬砌结构内力计算方法的对比分析研究[J]；地下空间与工程学报；2005年05期

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