1、盾構管片接頭連接方式研究現狀1.概述盾構法1-3是暗挖法施工中的一種全機械化施工方法。它是將盾構機械在地中推進，通過盾構外殼和管片支承四周圍巖防止發生往隧道內的坍塌。同時在開挖面前方用切削裝置進行土體開挖，通過出土機械運出洞外，靠千斤頂在后部加壓頂進，并拼裝預制混凝土管片，形成隧道結構的一種機械化施工方法。通常采用盾構法施工的隧道，一環管片襯砌由數塊管片組成，環與環之間采用通縫或者錯縫拼裝形式。管片間的連接有沿隧道縱軸的縱向連接和與縱軸垂直的環向連接。連接方式有螺栓連接、無螺栓連接和一些其他的方式。由于其結構特點，接頭在整個結構之中具有非常關鍵的作用4,因此，對于盾構法隧道的研究特別集中在關于

2、接頭的各個方面，不管是其宏觀計算模型，還是微觀接頭構造，或者是各種因素對于接頭的性能影響以及接頭的防水構造等等，都得到了各國學者的充分重視。相比較國外的盾構工法發展，我國的盾構工法盡管起步較晚，但其發展速度伴隨著我國城市建設腳步在不斷加快，盾構工法以其噪聲低、環境影響小等諸多優勢在國內城市地鐵工程中已被廣泛使用，還有一些大型水利工程如南水北調穿黃隧洞工程同樣也采用盾構工法進行修筑，目前盾構工法已在城市隧道施工技術中確立了穩固的統治地位5。因此，有人將其稱為“城市隧道工法”。2 .管片接頭連接方式研究現狀2.1 常用構造部分本段主要討論鋼筋混凝土管片的接頭，其一般分為9個構造部分：連接件、定位裝

3、置（樺槽或定位棒）、傳力襯墊、密封墊和嵌縫，如圖1所示。圖1咕口憧頭樹部分2.2 接頭形式目前國內盾構隧道管片接頭常用形式以及盾構擴挖形成的特殊接頭形式如下2.2.1 柔性節點形式盾構管片的連接有多種形式的接頭構造類型。按螺栓形狀分，有直螺栓接頭和彎螺栓接頭按結構設計分，有雙排也有單排按螺栓種類分，有用銷釘或不用按接觸面分，有平面接觸、樺槽接觸或球鍍。從受力角度，柔性要求相鄰管片間允許產生微小的轉動與壓縮，使管片能產生一定的變形7。這種柔性接頭在國內普遍采用的形式有：樟槽式接頭：當隧道區間出現較大的縱向不均勻沉降時，凸起的樟槽塊可以提供較大的抗剪能力。但樺槽式連接的抗彎剛度很小，它不能抵抗外加

4、荷載引起的彎矩作用，必須依靠周圍圍巖的抗力達到自身的受力平衡。所以當出現沿徑向的不均勻沉降等原因引起的彎矩時，樺槽式接頭會很快出現較大的張開量，對管片整體性和防水性不利。其優點是安裝簡單，施工速度快而且造價低廉。目前樺槽式接頭在南京地鐵，上海金山隧道8采用。彎曲螺栓接頭，它與直螺栓相比造價高，接頭易變形，而且彎螺栓及管片鋼模在制作時若不能嚴格按照設計弧度與精度加工，施工時螺栓穿孔將會比較困難，特別是錯縫拼裝的時候，螺栓穿孔將會消耗大量的時間與人力。采用彎曲螺栓接頭，它被安置于由計算得到的彎曲最大的幾個環節，它通過幾層防水橡膠保證其密閉性，同時可以抵抗很大的彎矩，剪切位移，拉伸和壓縮。彎曲螺栓接

5、頭的柔性較好，應用面廣，目前北京，卜海，南京等地鐵9普遍都在使用。直螺栓接頭，直螺栓在達到一定螺栓預緊力的條件下，同樣具有較好的抗彎剛度，工程使用效果好，制作簡單，用料省，經濟合理。但還需要進行螺栓頭的處理，現有方法是加上速凝混凝上和一個塑料密封蓋。其經濟的造價，方便的安裝，現今仍得到廣泛的使用。圖為上海地鐵10采用的短直螺栓式接頭形式。國1.4好開蝶介式拔尖形式圖L5長汽螺櫛式接頭形式2.2.2 剛性節點形式多螺栓接頭，管片的剛性節點多是在柔性節點的基礎上，采取增加螺栓數量的手段增加接頭的抗彎抗剪剛度。剛度大，密封性好，在較大的地層應力下不易變形。一般在深埋隧道或海底隧道中使用。下圖為上海打

6、浦路隧道的盾構管片接頭形式。一彎一直兩根螺栓連接，結構剛度高，但成本大大提高，而且必須使用二次襯砌。插入式接頭：這一種接頭廣泛應用于日本的隧道管片環縫的連接11,分為鎖扣接頭和摩擦接頭，它們都是靠千斤頂丫接將雌雄接頭推牢，前者依靠鎖打的力量產生接頭需要的拉力，后者由其摩擦力、咬合力鎖住。它們安裝快捷方便，省掉了大量擰螺栓的人工及時間。如下圖所示。由于連接件相當短，所以變形長度很小，剛度較大另外由于沒有手孔和海在外面的金屬件，不川削弱管少乍結構，減少了滲水途徑，防水和防腐蝕的能力強，也無需二次襯砌，使用面很廣。銷插式接頭11,這樣的接頭抗剪、抗彎剛度大，連接便捷，沒有手孔，使用的材料有鋼的，也有

7、合成材料的.但由于插入安裝方便的考慮，往往楔形塊與塊之間有空隙，不利于防水，因此這一類接頭很多用于給排水工程，而且往往配合薄層的二次襯砌2.2.3 特殊節點形式TASRING接頭12,如圖所示，成功的應用于日本的許多盾構隧道縱縫的連接之中。它連接方便，配合各種插入式連接方式，可以僅靠千斤頂的推力安裝就位。2.3 接頭研究現狀相鄰管片間的剛度，直接影響了襯砌結構的整體剛度，它是襯砌結構分析中的重點13。管片環的變形與內力，與襯砌結構的相對剛度息息相關。管片間接頭的力學性態的展開研究，多體現在理論分析、數值模擬以及模型試驗等方面。隨著盾構施工技術的愈發成熟，盾構隧道管片的分塊數進行了準確的分類。一

8、般而言，更具隧道斷面和施工條件的不同，隧道管片的分塊數可分為6-10片。而分片數過多所帶來的拼裝方便的同時，會造成接頭處局部剛度減弱，使得整環的相對剛度變低，進而對整環結構受力變形產生影響。在錯縫拼裝中，應當充分考慮由管片環環間錯縫拼接引起的錯縫拼接效應即環間管片的剪力和變形的相互影響。接頭剛度，對于管片環的受力分析至關重要。接頭剛度可以根據實驗數據獲得，而接頭剛度計算理論的發展，使得盾構隧道管片的理論計算更加接近實際情況。針對管片接頭的課題，國內外專家學者作了大量工作，并取得了一定的研究成果：萬岸林針對預應力盾構隧道管片18技術進行大比例尺的接頭試驗，通過數值模擬，并與試驗據進行比較，可以看

9、出，試驗值與數值模擬值接頭張角的發展趨勢基本一致；并且，通過對預應力為400kN的工況進行模擬可以看出，提高預應力，則接頭抗彎剛度也會相應的提高。李周沛，歐陽娜通過建立管片接頭的精細三維有限元模型，對管片接頭進行不同彎矩、軸力組合下的數值荷載試驗，分析管片接頭的變形特征、剛度、管片應力分布、裂縫分布及彎曲螺栓軸力。接頭的存在不僅降低了管片環的剛度，也降低了管片環的承載力。管片允許承受的正彎矩荷載應根據實際工程狀況、接頭防水構造及應力、裂縫分布計算結果綜合確定。王玉龍，李彬襯21研究得出砌管片縱向和環向的螺栓賦予了這種裝配式襯砌結構介于連續和非連續介質的特殊力學行為；管片環向受力分析中的梁-彈簧

10、模型法關鍵在于確定接頭抗彎剛度，結合有限元分析系統ANSYS的單元類型，提出相應的接頭抗彎剛度數值試驗方法及利用銷釘單元的梁-彈簧模型方法。鄭俊基于滲流及固結理論，推導了流固耦合的數學模型及計算方法；通過理論分析各種管片計算模型，引出梁彈簧模型計算，并對梁彈簧模型的有限元理論進行介紹。通過理論上的分析和解析，為數值計算提供理論依據，并豐富了計算內容。郭瑞,何川等大斷面水下鐵路盾構隧道一獅子洋隧道工程為研究對象，運用有限元數值分析方法，并結合管片接頭原型抗彎試驗，研究環向管片接頭抗彎剛度，并運用梁一彈簧模型進行接頭抗彎剛度對整環管片結構內力影響的研究。在相同接頭彎矩條件下，接頭抗彎剛度隨軸力的增

11、加而增大；接頭抗彎剛度對管片軸力分布的影響微弱，對管片彎矩的影響顯著；隨接頭抗彎剛度的增大，整環管片的彎矩分布趨于均勻；在抗彎剛度取值范圍內，極值彎矩相差最大達80左右，極值軸力最大減小5左右，變形最大減小20左右。封坤等闡述了大型水下盾構隧道在設計階段、施工階段及長期運營階段可能存在的結構問題,董新平首先采用經典彈性接觸理論與試驗結果進行對比，在經典彈性接觸理論的接觸面光滑、彈性假設與試驗數據發生背離的背景下，提出了“接觸面缺陷”假設，并確定的參數進行的反分析結果與實測的管片軸向位移以及彎矩轉角曲線非常吻合。蔡恒在盾構法與淺埋暗挖法29-31結合建造地鐵車站綜合技術研究的課題基礎上,通過使用

12、大型分析軟件,采用數值模擬的方法,對照接頭模型試驗,對這一管片一結構特殊節點的受力特性進行了綜合分析，分析過程中考慮盾構管片接頭類型和接頭結構參數兩個主要因一素,重點分析了不同結構參數的調整對管片一結構節點力學行為的影響。同時本文作者所在課題組采用1:1的接頭原位模型試驗對該暗挖塔柱式地鐵車站的結構部位進行了驗證。張鵬通過力學解析與數值模擬相結合的方法對管片環向接頭性能進行了系統研究,并在兩種方法計算結果的基礎上,提出了環向接頭階段性剛度模型,為管片設計中環向接頭剛度的取用提供了一種計算模型;通過結合本文階段性剛度模型,系統比較了非連續介質管片計算模型與連續介質模型之間的差異。歐云龍提出了一種

13、盾構隧道管片接頭的短期加固方法，即當接頭張開量過大時，將預處理過的形狀記憶合金（ShapeMemoryAlloy,簡稱SMA）螺栓裝入相鄰管片的預留孔中并加熱，利用SMA的形狀記憶效應為管片接頭提供一定的閉合回復力，促使接頭張開量減小從而為后續長期加固創造有利條件。3 管片接頭選擇及位置優化接頭結構形式的選擇在盾構隧道的設計中有著舉足輕重的作用在盾構管片的設計中,管片的接頭剛度如果設計得太大,管片的應力也隨之加大,這將使對管片的強度要求過高；而如果管片的接頭剛度設計得太小,則管片的接縫變形又太,止水問題又比較突出。因此，選擇適當大小的接頭剛度,對于結構的受力狀態和結構的止水問題是至關重要的。而

14、在選擇接頭結構形式時,既要考慮到隧道承受的荷載、周圍的地質情況及防水要求等,又要考慮到施工方便、經濟合理、工期減短等方面進行最優化的組合設計。在接頭形式選擇中，還必須考慮到經濟適用性的問題。這里的經濟性需要考慮三個方面：材料加工成本，工期成本與人工費，養護維修成本。一種安裝方便，自動化程度高的接頭形式，可能會使材料和加工成本有所升高，但相應的人工費用和工期大幅度地減少，特別是另外涉及到的方面還包括生產工期減少帶來的附加效應在現在工程實施中顯得意義巨大；線的生產精度，施工設備、人員素質等，需要多方面考慮。國內管片標準是由螺栓連接，在管片內面有預留孔，因此露出的螺栓和接頭等有銹蝕的問題。國外總的趨

15、勢是將由螺栓緊固件的鋼筋混凝土管片更換為內表面光滑的鋼筋混凝土塊，用定位銷等各種連接件連成管片襯砌環，自動化程度相當高，大大減少了隧道的建設成本和工期，是在國內很有推廣前景的項目。在盾構法裝配式管片隧道設計中,應考慮接頭位置變化對襯砌結構剛度、內力變形、隧道防水等方面的影響;可以通過改動接頭位置,以獲得更加合理的內力分布,從而使襯砌結構設計更加經濟合理。封底塊大小對襯砌剛度影響較大,通過減小封底塊可使結構內力分布更加合理。接頭位置的變化不僅影響隧道周圍土層抗力的大小,而且也影響著抗力的分布形式,這在襯砌設計中應加以考慮。綜合考慮內力變形、防水、耐久等各方面的因素,并參照日本等國相近隧道的管片分塊形式,在上海某隧道工程現有管片分塊基礎上,本文試圖給出了接頭位置