近些年来,随着区域供调水或跨流域调水工程的出现,需要修建大量的长距水工隧洞,TBM开挖方式和拼装管片衬砌可以降低工程难度、显著提高施工效率和安全性,是长距离隧洞施工方案的主要选择。对于衬砌管片拼装,错缝拼装方式相对于通缝拼装能够较大程度改善管片结构的受力和防渗特性,矩形管片是当前国内外用于错缝拼装的主要管片型式,而本文提出的平行四边形管片,属于一种新型管片,对应管片在每一环段具有相同的拼装顺序和位置,在整环推进的前提下,既保证了错缝效果,又可以具有比矩形管片更为快速的安装速度。但是由于平行四边形管片接缝具有一定倾角,接缝面与隧洞纵轴线不平行,可能会导致管片处于不利的受力状态。因此,本文基于某工程实际,依托ABAQUS有限元计算软件,建立三维地层衬砌结构模型,包含围岩、豆砾石、衬砌及螺栓结构,利用接触模拟管片间、管片与豆砾石间力的传递,全面研究了典型受力条件下平行四边形管片的受力特性,以期为平行四边形管片衬砌结构的应用提供支撑。主要研究内容及结论如下:(1)建立管片接缝倾角为15°的九环衬砌结构模型,研究TBM单护盾工作模式中管片在千斤顶推力作用下的受力特征。根据TBM直行、转弯和上扬/下行等典型姿态,规划了均匀(直行)、右偏心(左转弯)和下偏心(上扬)三种千斤顶推力方案。研究表明:直行状态时,靠近千斤顶的衬砌管片环、纵向接头相交处出现了一定程度的应力集中,接缝沿纵轴向端部呈张开状态,纵轴向中部呈闭合状态,管片间有一定的错位,整体变形协调性较好;右偏心和下偏心时,管片边角处的应力集中状态进一步加强,接缝张开和错位程度较为明显,整体变形协调性较低。(2)建立管片接缝倾角为15°的三环衬砌结构模型,研究内水压力作用下管片衬砌结构受力特征以及局部接缝处有无环向螺栓的影响。在内水压力作用下,管片向外变形,环向应力主要为拉应力,内侧中部应力较大,底部管片凹槽处应力集中且为拉应力最值出现位置;管片接缝均张开,但开度分布不均匀,沿径向外侧开度较大、内侧较小;环向螺栓均受拉,但不同接缝处的螺栓拉应力值差异较为明显。此外,相对于环向螺栓完备的情况,当接缝处无环向螺栓时,会导致接缝两侧管片应力较大区域向远离该接缝一侧偏移,同时该接缝处开度增大,相邻两接缝开度减小。(3)在接缝倾角为15°的三环衬砌结构模型基础上,研究外水压力作用下管片衬砌结构受力特征以及局部接缝处无环向螺栓的影响。在外水压力作用下,衬砌可以作为一个整体承受外水压力,衬砌环向压应力沿径向内侧较大、外侧较小,环向接头部位出现应力集中;管片接缝均呈闭合状态,但压力分布具有一定的不均匀性,沿径向外侧较小、内侧较大;环向螺栓均受压,整体压应力值较小。此外,相对于环向螺栓完备的情况,局部接缝处去除环向螺栓对管片受力和接缝形态基本没有影响。(4)通过改变管片接缝倾角,分别建立两类受力模型:九环模型承担施工期的千斤顶推力作用、三环模型承担运行期的内水压力作用和放空检修期的外水压力作用,研究管片接缝倾斜角度改变对管片结构受力特征的影响。单护盾工作模式下,管片轴向端头承受千斤顶作用,接缝倾斜角度越大,接头部位应力集中现象越严重,变形不均匀程度增加;接缝张开度/压力分布不均匀程度增大。内水压力作用下,管片接缝倾斜角度越大,管片中部内侧拉应力减小,接缝开度与环向螺栓应力也减小,底部凹槽处应力最值增大。外水压力作用下,管片接缝倾斜角度越大,压应力最值略有增大,管片环向接头部位压应力明显减小,接缝压力与环向螺栓应力也有所减小。综上所述:对于平行四边形管片,随着管片接缝倾角增大,在千斤顶推力作用下接头部位应力集中现象加强,各接缝形态差异性增大,对于接头安全和止水不利;在内水压力作用下整体接缝开度、外水压力作用下整体接缝压力均有一定减小,对运行期接缝处防渗和检修期接头受力较为有利。因此,建议平行四边形管片尽量避免在单护盾TBM开挖方式下使用,推荐在双护盾模式下应用,同时对底部管片凹槽进行回填处理,在保证结构安全的条件下,充分发挥其施工速度快的优势。