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预制拼装盾构隧道在地质突变区易因纵向地面变形导致接缝拉伸破坏。本文提出一种基于三层环形弹簧（TRS）的柔性接头装置，通过环形弹簧层间摩擦耗能和自锁机制实现刚度降低与位移控制双重功能。全尺寸试验和有限元模拟表明，TRS接头较传统螺栓接头刚度降低87%，最大荷载提升294%，能量耗散能力提高309%，并具备位移自适应调节能力，有效防止接缝开度过大引发的防水失效问题。该设计无需改变预制衬砌结构，即可显著提升隧道在复杂地质条件下的抗震性能。
张天军|赵贵峰|马玉红|黄浩明|董友|孔思华|杨振宇|李远海
广州大学地震工程研究与试验中心，中国广东省广州市510006
摘要
近年来，预制节段式盾构隧道因其施工效率高而得到越来越多的应用。然而，在地质变化剧烈的区域，盾构隧道接头在纵向地面变形作用下容易发生拉伸破坏。针对这一问题，提出了采用柔性接头来通过降低接头刚度来增强变形适应性。本研究提出了一种基于三层环形弹簧（TRS）的新型隧道柔性接头。该接头无需改变原有节段设计，同时具有额外的能量耗散能力，并包含位移限制机制，以防止传统柔性接头因过度变形而导致的防水失效。本文建立了TRS柔性接头的设计方法，并通过全尺寸局部轴向拉伸试验和有限元模拟，对比了TRS柔性接头试件与普通螺栓接头试件的力学性能和破坏过程。结果表明，TRS降低了接头刚度，具有良好的能量耗散和自复位特性。当接头变形达到设计目标时，TRS会从柔性状态转变为刚体状态，从而限制进一步变形并防止接头在防水极限内张开。此外，TRS显著减少了节段手孔区域的应变，有效减轻了拉伸损伤。在破坏载荷下，装有TRS的节段在更高载荷水平下进入塑性状态并发生破坏，表明其安全性得到了提升。总体而言，本研究提出了一种新的隧道保护方案，并阐明了其工作原理和性能优势。
引言
传统上，地下结构被认为对地震影响的抵抗力较强，因为周围岩体能够约束其变形，从而使得振动幅度小于地上结构。然而，地震后损坏调查的越来越多的证据表明，尤其是在强地面运动作用下的复杂地质条件下的隧道仍可能遭受严重破坏（Wang和Zhang，2013；Shen等，2014；Li等，2015；Chen等，2023）。特别是由螺栓连接的节段式衬砌组成的盾构隧道，其整体完整性往往有限，接头通常是决定抗震性能的最薄弱环节（Shen等，2025）。
如图1所示，盾构隧道在地震作用下主要受到轴向力和弯矩的耦合作用。在此过程中，隧道环体一侧受压，另一侧受拉。现有研究表明，在接头的压缩侧，相邻节段通过相互挤压传递载荷；而在拉伸侧，螺栓与节段共同抵抗施加的拉力（Han等，2024）。基于隧道的地震作用机理，全尺寸试验表明，在接头最大开口区域，环形接头主要承受拉力，这可能导致节段发生拉伸破坏。因此，采用最大接头开口对应的抗拉强度作为评估盾构隧道接头强度的标准（Guo等，2021；Guo等，2025）。纵向地震响应分析进一步表明，当隧道穿过地质不连续带时，环形接头的拉力约为普通区域的3至5倍，这是这些区域接头开口较大的主要原因（Han等，2023）。此外，全尺寸接头拉伸试验表明，隧道节段在拉伸载荷下容易进入塑性状态并最终破坏，表现为手孔区域因螺栓嵌固而产生裂纹和扩展。总之，当接头受到拉力作用时，应特别关注隧道功能的潜在丧失和整体结构安全性（Wang等，2021）。
近年来，隧道的抗震保护策略从提高结构刚度转向采用允许变形的柔性接头，使隧道能够适应土壤位移（Shen等，2020；Liu等，2017；Zhang等，2025）。先前的研究表明，用弹性垫圈（如橡胶垫圈）替换传统钢垫圈可以在一定程度上缓解手孔周围的应力集中。然而，它们的变形能力和能量耗散能力仍然有限，经常无法满足工程要求（Cheng等，2019；An等，2021；Yu和Wang，2021；Xin等，2020；Zheng等，2022）。为了提高抗震性能，已在浸没式隧道中采用了屈曲约束支撑（BRB），与未安装BRB的接头相比，显著改善了其滞回性能（Yu等，2017）。同样，测试了带有形状记忆合金（SMA）外环的环形弹簧，其作为隧道接头的力学性能得到了验证（Long等，2023），SMA杆也被用作柔性接头（Yang等，2025）。通过实验评估了它们的力学性能，并建立了盾构隧道-竖井结构的有限元模型，以研究其阻尼机制和抗震效果。
尽管柔性接头可以显著减少隧道损伤，但随之而来的刚度降低可能导致接头开口增大。一旦接头开口超过防水材料的限制，隧道的可用性可能会受到影响。因此，控制柔性接头的过度变形仍然是一个关键问题（Yu等，2013；Hu等，2015；Ingerslev，2005）。对装有限制装置的浸没式隧道进行的静态试验表明，基于实验和数值证据，纵向限制器可将接头开口位移减少20%至50%（Li等，2025）。因此，为避免可能危及结构完整性和功能的过度变形，应在柔性接头中加入有效的位移限制措施。
对现有文献和可用数据的回顾表明，许多现有的隧道柔性接头解决方案需要对隧道施工过程进行大幅修改。对于预制结构，这种修改不可避免地会增加成本。此外，许多现有柔性接头缺乏有效的限制措施，这很可能会导致隧道接头过早发生防水失效。此外，大多数现有研究仅关注装置本身的测试，而实际配置下的接头性能主要通过数值模拟进行评估。因此，需要开发能够在不改变原有隧道施工过程的情况下提供高能量耗散和集成限制功能的柔性接头。此外，还需要进行全尺寸隧道测试，以验证其力学性能，量化其对节段的影响，并捕捉从柔性运行到限制作用乃至最终破坏的整个响应过程。
作者提出了一种三层环形弹簧（TRS），这是一种新型的自复位摩擦能量耗散阻尼装置。与传统环形弹簧相比，相同外径下，TRS的最大载荷能力提高了294%，能量耗散能力提高了309%（Kong等，2025a；Yang等，2024）。作为隧道柔性接头的核心部件，TRS通过其自复位特性有效适应相邻节段之间的往复相对运动。此外，TRS在循环往复过程中通过摩擦耗散能量，从而增强隧道的能量耗散能力。通过适当的结构设计，TRS的环形部件可以紧密咬合，从柔性变形状态转变为刚体状态，从而提供固有的位移限制机制。TRS还包含多个可调设计参数，使其性能可以根据不同需求进行定制，而无需修改原有节段设计。
基于TRS的特性，本研究提出了适用于隧道的TRS柔性接头，并建立了其设计方法。随后设计了全尺寸的局部节段试件，并对隧道接头进行了拉伸试验，重点关注穿越地质不连续带时接头最大开口区域，该区域的拉伸响应最为显著。通过与普通螺栓接头的对比分析，明确了TRS柔性接头的工作机制，定量评估了其性能优势，并验证了其位移限制机制的有效性。此外，还进行了数值模拟，系统研究了TRS柔性接头试件和普通螺栓接头试件的应力和损伤分布。总体而言，本研究介绍了一种用于隧道纵向抗震的新装置，并提供了支持其优势的详细证据。
TRS柔性接头的工作原理和设计过程
TRS柔性接头用三层环形弹簧（TRS）装置替换了传统的弹性垫圈，该装置位于螺母和螺栓孔之间。如图2（a）所示，TRS组件包括外弹簧、内弹簧和中间弹簧，以及两侧的端弹簧。
TRS柔性接头的工作原理如图2（b）所示。当相邻节段张开时，会对TRS施加压力。
隧道节段组件的设计
本研究使用的试件基于中国苏通GIL综合管道隧道工程的全尺寸配置进行设计，以准确评估隧道TRS柔性接头的轴向拉伸力学性能。根据以往的研究（Wang等，2021），并考虑到环形接头变形主要是由纵向载荷引起的，而侧向约束效应可以忽略不计，因此将节段的侧向边界建模为自由边界（Guo等
循环载荷的结果
提取了A1-1至A1-4和B1-1至B1-4工况下接头的力学性能数据，生成了图8所示的滞回曲线。在循环载荷下，TRS柔性接头试件表现出三角形滞回环。
普通螺栓接头的加载刚度为108.91 kN/mm，而TRS柔性接头的加载刚度为13.08 kN/mm。这种刚度的显著降低使TRS接头能够通过柔性变形来适应土壤位移。
有限元（FE）模型的建立
根据测试部件的尺寸（图13），建立了TRS柔性接头试件和普通螺栓接头试件的FE模型。C3D8R单元用于模拟隧道节段、螺栓和TRS装置，而钢筋则用T3D2单元表示。混凝土节段采用C60混凝土的混凝土损伤塑性（CDP）模型进行模拟，以捕捉不可逆的累积塑性变形和刚度退化。
结论
本研究提出了一种基于新型三层环形弹簧的隧道TRS柔性接头，并介绍了相应的设计方法。为了解决隧道穿越地质变化剧烈区域时可能发生的严重拉伸损伤问题，对两个TRS柔性接头试件进行了全尺寸局部轴向拉伸试验和有限元模拟。研究了TRS柔性接头在循环载荷和破坏条件下的工作机制。
CRediT作者贡献声明
张天军：撰写——原始草稿、方法论、概念构思。赵贵峰：监督、资源协调、资金获取。马玉红：监督、资源协调、资金获取。黄浩明：研究、数据整理。董友：监督。孔思华：撰写——审稿与编辑。杨振宇：监督、资金获取。李远海：研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（资助编号：52378499、52478502、52308488）和广东省自然科学基金（资助编号：2023A1111120008、2024A1515012788）对本研究的财政支持。
