盾构隧道接头部位作为薄弱环节，其抗弯刚度对管片受力及变形具有直接影响。国内外已开展大量管片接头力学性能研究工作，曾东洋等 ^[1]通过数值方法研究管片接头应力和变形规律;Y.L.Jin等 ^[2]通过室内试验与数值模拟的结合，研究输水隧道中使用的2种节段接头力学行为;何川等 ^[3]在梁-弹簧模型的基础上，针对2种采用不同螺栓和手孔设计的管片，分析管片接头抗弯刚度、螺栓应力;封坤等 ^[4]以狮子洋隧道工程为背景，通过接头足尺试验，研究管片接头抗弯性能、破坏特征;W.Q.Ding等 ^[5]通过试验和有限元模拟，研究输水隧道节段接头机械性能，提出考虑管片接头分段节点力学模型。X.J.Li等 ^[6]建立考虑接头预埋件和接头螺栓等细节构造影响的精细化接头模型，并对接头机械性能进行分析;严佳梁 ^[7]对隧道常用的接头形式进行整理并对比分析，得出短直螺栓连接接头抗弯刚度和防水性能优于单弯螺栓连接接头的结论;朱瑶宏等 ^[8]开展顶部超载和周边卸载2种工况下管片接头极限承载力试验，对比分析不同螺栓形式的接头受力性能。现有关于管片接头性能的研究中，对高水头下盾构隧道不同螺栓连接管片接头受力性能的分析较少。

　　 目前，水下盾构隧道管片纵缝接头采用的连接螺栓主要有斜螺栓和弯螺栓 ^[9]。与常规环境下的盾构隧道相比，水下盾构隧道往往处于高水头环境下，管片接头力学性能和变形特征等有所不同。以湛江湾跨海盾构隧道为研究对象，采用数值仿真分析方法建立管片接头有限元模型，分析不同荷载工况下斜螺栓连接和弯螺栓连接管片接头受力性能，并比较2种螺栓形式的影响。

　　 湛江湾跨海盾构隧道工程是鉴江供水枢纽工程的关键控制性工程，北接南三岛，南连东海岛，总长达2.75km。该隧道位于湛江港咽喉要道，地理位置特殊，水文地质条件复杂，管片结构承受高达60m水头压力。盾构隧道外径6.0m，内径5.1m，管片厚0.45m，幅宽1.5m，整环由1块封顶块、2块邻接块、3块标准块拼装而成。环、纵缝接头均采用长561mm的M30不锈钢高强斜螺栓连接，单环布置12根环向螺栓，环间布置10根纵向螺栓。此外，通过设置2处定位棒槽和环间凹凸榫槽确保管片拼装的精确性。管片接头细部构造如图1所示。

　　 为更好地反映管片接头三维空间效应，采用MIDAS FEA软件建立隧道三维有限元模型。为更准确地反映盾构隧道实际情况，止水条、定位棒和连接螺栓均采用实体单元。考虑局部加载的影响，根据圣维南原理，结合管片实际情况，将弧形管片简化为直板形管片(见图2)。为便于对比分析，弯螺栓和斜螺栓在接缝部位处的中心高度保持一致。

　　 盾构隧道数值模型主要由管片、钢筋、连接螺栓组成，并考虑止水条、定位棒等细部构造，因此需对混凝土、钢材、橡胶、塑料等材料的力学行为进行定义。混凝土采用总应变裂缝模型模拟，钢材采用Von Mises本构模型模拟，橡胶及塑料采用理想弹性体模拟。按GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015年版) ^[10]定义混凝土单轴受拉、受压应力-应变关系及钢材屈服硬化行为。表1所示为模型所用材料的主要物理力学参数。

　　 钢筋与混凝土间设置为无滑移接触关系;管片与管片、管片与螺栓间法向上设置为硬接触关系，切向上遵循库仑摩擦定律。管片与管片、管片与螺栓间的接触摩擦系数分别取0.6,0.3 ^[11]。

　　 参考文献[4]，采用以下加载方式:管片接头所受的弯矩M通过在接头中间位置施加竖直向下的集中力F实现，即M=Fa,a为加载点至管片端面的距离，a=l/2(l为单块管片的长度)，分别在2块管片两端以水平均布面荷载P的形式施加轴力N，如图3所示。边界条件为一端铰接，另一端为仅约束竖向位移的可动铰接。同时，为防止管片侧向扭转，在管片两端均设置y向约束。

　　 分别施加1 000,2 000,3 000,3 600,4 000kN轴力，本工程隧道在最不利工况下衬砌结构受到的最大轴力为3 600kN。

　　 斜螺栓连接管片接头在不同轴力作用下的极限承载力不同，接缝张开量与正弯矩关系曲线如图4所示。由图4可知，当管片接头受3 600kN轴力作用时，其所能承受的极限弯矩为800kN·m;接缝张开量变化表现出明显的非线性，当弯矩较小时，接缝张开量几乎不增加，但随着弯矩增至一定水平后，张开量呈现显著的增长趋势;轴力越大，对初始阶段接缝张开量的约束作用越强，接头抗弯承载力越大。轴力对接缝张开量的约束作用可分为2阶段:(1)当轴力≤3 000kN时，轴力的约束作用不明显，在弯矩较小的情况下张开量大幅增长，随后接头迅速破坏，承载力较低;(2)当轴力>3 000kN时，轴力的约束作用较明显，张开量随着弯矩的增加变化缓慢，接头承载力得到提高。由此可知，接头所受轴力越大，越有利于提高其抗弯承载力。

　　 图4中各条关系曲线表现出相似的变化趋势，可将其划分为4阶段，以轴力3 600kN为例进行分析(见图5)。

　　 1)小变形阶段(AB阶段)弯矩为0～450kN·m，此阶段接缝张开量和螺栓应力增长趋势不明显，主要因为接头在轴力的约束作用下，较小的弯矩使接缝产生变形的作用有限。同理，螺栓应力的变化也不明显。

　　 2)变形快速增长阶段(BC阶段)弯矩为450～560kN·m，该阶段接缝张开量随着弯矩的增加增幅较快，当弯矩为500～560kN·m时尤为明显，此时接缝张开量由2.1mm快速增至7.9mm。此阶段螺栓应力变化明显，螺栓快速进入屈服阶段并不断强化。此阶段管片混凝土受压区快速减小，并向螺栓位置处逼近，最终越过螺栓所在区域。

　　 3)变形抑制阶段(CD阶段)弯矩为560～770kN·m，此阶段接缝张开量及螺栓应力随着弯矩的增加变化减缓，主要因为当弯矩为560kN·m时，接缝处管片混凝土接触并相互挤压，在一定程度上抑制接缝的张开，且外弧面混凝土受压性能得到发挥，抑制接缝变形的快速增长，此阶段接头抗弯刚度增大。

　　 4)破坏阶段(DE阶段)弯矩>770kN·m，管片接头变形突增，当弯矩达800kN·m时发生破坏，此时螺栓应力大于极限抗拉强度。此阶段管片接头承载力大幅下降，为防止发生安全事故，在实际工程中应避免管片接头处于此种受力状态。

　　 由于管片接头螺栓在接缝中所处位置的特点，使得管片内、外侧构造不同，因此，负弯矩作用下接缝变形情况在一定程度上有异于正弯矩工况，且不同轴力作用时，接头抗弯承载力也不同。接缝张开量与负弯矩关系曲线如图6所示。由图6可知，当管片接头受3 600kN轴力作用时，其所能承受的极限负弯矩为670kN·m;接缝张开量与正弯矩工况下的变化规律相似。轴力对接缝张开量的约束作用也可分为2阶段:(1)当轴力≤3 000kN时，轴力的约束作用不显著，接缝张开量在负弯矩较小时表现出快速增长趋势，接头承载力较低;(2)当轴力>3 000kN时，轴力的约束作用较明显，接缝张开量随着负弯矩的增加变化缓慢，接头承载力得到提高。比较正、负弯矩工况下的接缝张开量可知，正弯矩工况下的轴力约束作用明显。以轴力3 600kN为例，正弯矩工况下接缝张开量显著增长发生在弯矩>450kN·m后，而负弯矩工况下则发生在弯矩>400kN·m后。轴力为3 600kN时的接缝张开量、螺栓应力与负弯矩关系曲线如图7所示，同样可划分为以下4阶段。

　　 1)小变形阶段(A₁B₁阶段)弯矩为0～400kN·m，此阶段接缝张开量和螺栓应力几乎不增长，主要因为弯矩较小，且轴力发挥显著的约束作用。

　　 2)变形快速增长阶段(B₁C₁阶段)弯矩为400～500kN·m，此阶段接缝张开量随着弯矩的增加变化较快，当弯矩为400～450kN·m时尤为明显，此时接缝张开量由0.3mm快速增至2.7mm。螺栓应力急剧增加直至屈服，管片混凝土受压区快速减小，并向螺栓位置处逼近，最终越过螺栓所在区域。随着弯矩的增加，轴力对接缝张开量的约束作用已大大削弱。

　　 3)变形抑制阶段(C₁D₁阶段)弯矩为500～620kN·m，此阶段接缝张开量变化减缓。当弯矩为500kN·m时，接缝处内弧面混凝土接触，使得接头抗弯刚度增大，接缝张开量随着弯矩的增加变化减缓。

　　 4)破坏阶段(D₁E₁阶段)弯矩>620kN·m，接缝张开量增幅变大，螺栓应力随着弯矩的增加小幅增长。此阶段接头承载力较小，当弯矩>670kN·m时接头发生破坏，此时接缝张开量为6.3mm，此工况下的接头承载力较正弯矩工况下小16%。由于接头破坏未出现明显征兆，建议将此阶段作为接头受荷的安全储备阶段。

　　 弯螺栓连接管片接头接缝张开量与正弯矩关系曲线如图8所示，由图8可知，当管片接头受3 600kN轴力作用时，其所能承受的极限弯矩为840kN·m;接缝张开量变化趋势与斜螺栓接头相似;轴力越大，其对初始阶段接缝张开量的约束作用越强，接头抗弯承载力越大。轴力的约束作用可分为2阶段，与斜螺栓接头规律相似。

　　 轴力3 600kN时的接缝张开量、螺栓应力与正弯矩关系曲线如图9所示，根据曲线特征可划分为以下4阶段。

　　 1)小变形阶段(A₂B₂阶段)弯矩为0～450kN·m，由于轴力的约束作用，接缝张开量和螺栓应力几乎不增长。

　　 2)变形快速增长阶段(B₂C₂阶段)弯矩为450～560kN·m，此阶段接缝张开量随着弯矩的增加增幅加快，张开量由0.2mm快速增至6.3mm。螺栓应力出现明显变化，螺栓快速屈服并不断强化。此后随着弯矩的增加，轴力的约束作用大大削弱。

　　 3)变形抑制阶段(C₂D₂阶段)弯矩为560～770kN·m，此阶段接缝张开量变化减缓，螺栓应力增长减缓。当弯矩达560kN·m时，接缝处外弧面混凝土接触，随着弯矩的增加，外弧面混凝土受压性能得到发挥，抑制张开量的快速增长，此阶段接头抗弯刚度增大。

　　 4)破坏阶段(D₂E₂阶段)弯矩>770kN·m，接缝张开量再次大幅度增加，混凝土受压区持续减小。此阶段接头变形快速增大，当弯矩>840kN·m时，接头发生破坏，螺栓应力大于极限抗拉强度。此阶段宜作为接头受荷的安全储备阶段，实际工程中应避免接头受力处于此阶段。

　　 弯螺栓连接管片接头接缝张开量与负弯矩关系曲线如图10所示，由图10可知，当管片接头受3 600kN轴力作用时，其所能承受的极限负弯矩为750kN·m;轴力对接缝张开量的约束作用也可分为2阶段，与斜螺栓接头规律相似。轴力越大，对初始阶段接缝张开量的约束作用越强，接头抗弯承载力越大。轴力相同时，正弯矩工况下的约束作用大于负弯矩工况。以轴力3 600kN为例，正弯矩工况下接缝张开量显著增加发生在弯矩>450kN·m后，而负弯矩工况下则发生在弯矩>350kN·m后。轴力3 600kN时的接缝张开量、螺栓应力与负弯矩关系曲线如图11所示，根据曲线特征划分为以下4阶段。

　　 1)小变形阶段(A₃B₃阶段)弯矩为0～350kN·m，接缝张开量和螺栓应力几乎不增长，此阶段弯矩较小，且轴力的约束作用明显。

　　 2)变形快速增长阶段(B₃C₃阶段)弯矩为350～500kN·m，此阶段张开量变化加快，当弯矩为400～450kN·m时尤为明显，此时张开量由1.2mm快速增至3.5mm。螺栓应力在此阶段急剧增长，混凝土受压区快速减小，并向螺栓位置处逼近，最终越过螺栓所在区域。此阶段接头承受的弯矩增至一定水平，轴力对接缝张开量的约束作用已大大削弱。

　　 3)变形抑制阶段(C₃D₃阶段)弯矩为500～620kN·m，此阶段接缝张开量变化减缓，螺栓应力接近屈服应力。当弯矩为500kN·m时，接缝处内弧面混凝土接触，使得接头抗弯刚度增大，接缝张开量随着弯矩的增加而增幅减缓。

　　 4)破坏阶段(D₃E₃阶段)弯矩>620kN·m，接缝张开量增幅变大，螺栓屈服后应力基本不增长。此阶段管片变形未出现大幅度波动，当弯矩增至750kN·m时接头发生破坏，此时接缝张开量为6.2mm，此工况下的接头承载力较正弯矩工况下小11%。鉴于接头破坏未出现明显征兆，建议将此阶段作为接头受荷的安全储备阶段。

　　 以1 000,4 000kN轴力作用为例，分析可知，正、负弯矩作用下，当轴力一定时，随着弯矩的增加，弯、斜螺栓连接接头接缝张开量均呈非线性增长趋势，且轴力越大，接头极限弯矩越大。总体而言，斜螺栓对接缝张开量的抑制作用略优于弯螺栓。但当轴力增至一定程度后，斜螺栓连接接头承载力略低于弯螺栓连接接头，在高水头下，弯螺栓连接接头承载力较斜螺栓提高3%～11%。综合考虑弯、斜螺栓性能及施工便易性，斜螺栓更具优势。

　　 以湛江湾工程为背景，通过调查水下盾构隧道接头连接螺栓情况，采用数值方法分析得到2种螺栓连接形式的管片接头在不同轴力作用下的受力性能。

　　 1)管片接头所受轴力不同时，随着弯矩的增加，斜、弯螺栓连接接头接缝张开量和螺栓应力均呈相似的变化趋势，且均可根据接缝张开量与弯矩关系曲线划分为小变形阶段、变形快速增长阶段、变形抑制阶段、破坏阶段。轴力越大，其对初始阶段接缝张开量的约束作用越强，接头极限承载力越大。

　　 2)斜、弯螺栓连接接头承载力在负弯矩工况下较正弯矩工况下分别小16%,11%，且在正弯矩工况下2种螺栓管片破坏时的接缝张开量较负弯矩工况大。

　　 3)斜、弯螺栓连接接头加载时的承载力均表现出轴力越大承载力越大的特点。在高水头下，弯螺栓连接接头承载力较斜螺栓提高3%～11%。综合考虑螺栓性能及施工便易性，可优先选择斜螺栓作为管片接头的连接螺栓。