《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Influence of inclination angle on the failure mechanisms and shear capacity of concave-convex tenon connections in shield tunnel joints
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盾构隧道环形接缝凹凸榫连接的剪切性能与声发射特性研究，通过不同倾斜角的全尺实验和声发射监测，揭示其多阶段破坏机理及AE参数演化规律，建立包含几何参数的极限抗剪能力预测模型。
穆海星|冯坤|李家林|李家琦|郭文琪|周一莉|赵立祥|何川
教育部交通隧道工程重点实验室，西南交通大学，成都，中国
摘要
分布式凹凸榫接头是大截面盾构隧道环向接头中关键的抗剪和限位移构件，在确保接头稳定性方面起着重要作用。本研究在不同倾角下进行了全尺寸压缩-剪切试验，并结合声发射（AE）监测，系统研究了凹凸榫接头的力学行为和AE特征参数的变化规律。在此基础上，建立了精细的数值模型，并进一步分析了更广泛倾角范围内的力学响应。结果表明，压缩-剪切载荷下的变形和AE信号可以分为四个阶段。在第三阶段，45°情况下表现出多阶段渐进性破坏，b值出现两次急剧下降。基于RA-AF AE参数，提出了适用于凹凸榫接头的裂纹分类方程：AF = 0.448 × RA ? 103.067，表明剪切裂纹主导了破坏过程，其中45°情况下的剪切裂纹比例最高（86.9%）。随着倾角的增加，凹榫的破坏方式从直线段为主转变为弧形段为主，而凸榫则发生整体剪切破坏。开发了一种考虑倾角影响的剪切承载能力预测模型，该模型分别量化了凸榫的弧形段和直线段的承载贡献。这些发现为优化盾构隧道环向接头中凹凸榫接头的设计和损伤评估提供了基础。
引言
随着城市轨道交通、市政基础设施以及跨河和跨海通道建设的快速发展，由于其高效的施工方式和强大的适应性，盾构隧道得到了广泛应用（Feng等人，2022年；Liu等人，2020年；Liu等人，2017年；Liu等人，2018b年；Shen等人，2022年；Zhang和Zhao，2021年；Zhang等人，2024b年）。隧道结构由多个预制混凝土段组成，这些段通过环向接头环环连接（Ding等人，2021年；Guo等人，2025b年）。作为连接相邻环的关键结构构件，环向接头在施工过程中容易受到灌浆压力、顶进力和施工干扰的影响（Cho等人，2017年；Feng等人，2022年；Shi等人，2022年）。在运营阶段，它们还会受到地面沉降和地下水位波动引起的纵向不均匀变形的影响（Liang等人，2018年；Liang等人，2017年；Liu等人，2021b年；Liu等人，2021a年），这使得它们成为结构中的薄弱环节，损伤通常从这里开始（图1）。环向接头的力学性能直接影响隧道的整体变形控制和使用寿命，因此近年来成为研究热点。在各种接头构件中，凹凸榫接头作为抗剪和位置约束的关键元素（Guo等人，2023c年；Mu等人，2025年；Zhang等人，2022c年），在维持结构完整性方面起着决定性作用。因此，对其力学行为和破坏机制的深入研究十分必要。
尽管已经有很多关于盾构隧道接头力学行为的研究（Liu等人，2025a年；Liu等人，2025b年），但现有研究主要集中在环向接头的整体剪切响应上。Zhang等人（Zhang等人，2022a年；Zhang等人，2025年）进行了全尺寸实验研究，以考察装有剪切键的盾构隧道环向接头的剪切响应和破坏机制。利用光纤传感技术，他们揭示了混凝土中的裂纹传播特性以及剪切键、螺栓和钢筋的力传递行为。Zuo等人（Zuo等人，2022年）对用于油气管道的盾构隧道环向接头进行了正负剪切试验，分析了位错、剪切刚度和破坏机制，并强调了弯曲螺栓和凹凸榫接头在抗剪中的作用。Zhou等人（Zhou等人，2024年）对一种适用于大直径盾构隧道的新型套筒-直螺栓组合接头进行了全尺寸压缩-剪切试验，研究了完整的承载过程和破坏模式，并展示了轴向力的加固效果。Liu等人（Liu等人，2024年）利用混凝土损伤塑性（CDP）模型开发了三维数值模型，并通过全尺寸正负剪切试验结合分布式光纤传感和声发射监测，系统研究了在不同轴向力、螺栓预紧力和榫接头几何比例下的环向接头的剪切变形和破坏机制。Zhang等人（W. Zhang等人，2024年）通过实验和模拟研究了压缩-剪切载荷下滑动型快速节段接头的破坏模式，分析了轴向力、布局和节段厚度对剪切性能的影响。Zhang等人（Zhang等人，2025年）对盾构隧道中的销钉连接接头进行了一系列剪切试验，并提出了一个剪切承载能力的理论模型，研究了轴向力的影响。Guo等人（Guo等人，2023c年；Guo等人，2023b年；Guo等人，2025b年）研究了在复合压缩-剪切作用下含有倾斜螺栓和分布式凹凸榫接头的大截面盾构隧道环向接头。通过将全尺寸实验测试与数值分析相结合，他们揭示了与榫接头破坏和螺栓孔劣化相关的损伤机制，量化了凹凸榫接头的抗剪贡献，并利用声发射监测进一步表征了接头损伤的发展过程。尽管在大多数研究中，凹凸榫接头被广泛用作大直径盾构隧道环向接头中的常见抗剪和限位结构（Guo等人，2023c年；Mu等人，2025年；Zhang等人，2022c年），但它们很少被作为独立构件进行深入分析。传统研究往往忽视了它们的贡献，或者将其简化为等效的剪切刚度（Cheng等人，2021年；Wu等人，2015年；Wu等人，2018年），忽略了它们在复杂几何形状下的实际损伤演变、破坏模式和应力集中特性。因此，凹凸榫接头在接头破坏过程中的真实行为仍不甚明了。
与传统的连续带状凹凸榫接头结构相比，传统结构形式有限，适应复杂工作条件的能力较差，尤其是在存在装配误差和非均匀载荷的情况下，无法提供有效的多点约束和力学协调。相比之下，分布式凹凸榫接头沿盾构隧道节段接头的环向方向布置在多个位置。由于数量较多且布局灵活，这些分布式凹凸榫接头可以形成多点接触的抗剪子单元系统，提供更好的载荷分担能力和更高的破坏冗余性，如图2所示。
本研究中研究的分布式凹凸榫接头具有由两个半圆弧和两个直线段组成的跑道几何形状。在预制过程中，这些榫接头的直线段与隧道环的局部切线保持平行。由于这种环向布置，剪切载荷与榫接头纵轴之间的相对角度在接头不同位置是变化的。这些力传递角度，即倾角，决定了凹凸榫接头之间的具体几何楔形行为。具体来说，它们决定了初始接触是发生在弧形区域内的局部点接触，还是沿直线段的较大面积接触。这种变化导致位于不同环向坐标处的榫接头的损伤传播路径和破坏机制存在显著差异（Guo等人，2023b年）。因此，倾角是影响分布式凹凸榫接头系统在复杂地质载荷下结构性能和破坏行为的关键因素。
此外，在局部损伤不可见且无法重复破坏性试验的情况下，声发射（AE）技术是一种灵敏且高效的无损监测方法。它可以捕捉内部裂纹和损伤的实时起始和演变过程。虽然AE常用于监测钢筋混凝土和岩石结构中的损伤（Li等人，2022a年；Liu等人，2022年；Liu等人，2018a年；Yu等人，2024b年；Zheng等人，2022年），但关于盾构隧道节段接头破坏过程中AE信号特性的研究仍然有限。特别是，缺乏对分布式凹凸榫接头损伤演变机制和AE事件空间分布模式的系统分析。
鉴于此，本研究以分布式凹凸榫接头为研究对象。通过在不同倾角下进行的全尺寸压缩-剪切加载试验结合AE监测技术，系统研究了凹凸榫接头在剪切作用下的力传递过程、破坏模式和AE信号的变化规律。此外，建立了相应的精细数值模型，将分析范围扩展到更广泛的倾角条件，并在此基础上建立了分析模型，以预测不同倾角下凹凸榫接头的极限剪切承载能力。本研究的结果为盾构隧道环向接头的优化设计和健康状况评估提供了理论支持和技术指导。
工程背景
本研究以中国广州的海珠湾盾构隧道项目为参考，该项目中的节段衬砌系统主要由使用倾斜螺栓连接的钢筋混凝土段组成。所使用的混凝土等级为C60，钢筋包括HPB300和HRB400。相邻环之间采用环向接头。在海珠湾隧道中，每个接头包含两个倾斜螺栓和一组凹凸榫接头
凹凸榫接头的剪切力-接头位移行为
剪切载荷-接头位移曲线提供了凹凸榫接头结构抗剪性能的见解。图8展示了不同倾角下凹凸榫接头在压缩-剪切载荷下的变形响应。
如图8(a)、(b)和(c)所示，不同倾角下的凹凸榫接头试件的剪切载荷-位移关系表现出明显的非线性，并具有明显的阶段依赖性
数值模型的建立与验证
为了有效抵抗盾构隧道中的接头位移，大截面盾构隧道通常在整个环上采用分布式凹凸榫接头。基于以往研究的全尺寸实验结果，本文进一步研究了倾角对凹凸榫接头剪切力学行为的影响。更详细地分析了倾角，并对其角度分布进行了完整描述
结论
本研究通过全尺寸试验和声发射监测，系统分析了不同倾角下分布式凹凸榫接头在压缩-剪切载荷下的力学响应、损伤演变特性和声发射信号。在前期工作的基础上，本文建立了数值计算模型，并开发了一种计算凹凸榫接头极限剪切承载能力的方法
作者贡献声明
穆海星：撰写——原始草案，正式分析，数据整理。冯坤：撰写——审阅与编辑，监督，方法论，资金获取，概念化。李家林：调查，数据整理。李家琦：调查，数据整理。郭文琪：撰写——审阅与编辑，资金获取，概念化。周一莉：调查，正式分析，数据整理。赵立祥：方法论，调查，资金获取，数据整理。何川：监督，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（项目编号：U2468216、52508458）、中国博士后科学基金会的博士后奖学金计划（项目编号：2024M762695、GZB20250749）以及中央高校基本科研业务费（项目编号：2682025CX042）的财政支持。
