循環(huán)荷載作用下公軌合建盾構(gòu)隧道的損傷特性

劉廣森 張西文 張亮亮 孫文昊 李春林

文章編號：1671-3559（2023）06-0720-07DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20230309.002

摘要： 為了研究循環(huán)荷載作用下公軌合建盾構(gòu)隧道的損傷分布特征和損傷演化規(guī)律，利用有限元軟件ABAQUS和混凝土塑性損傷模型，建立盾構(gòu)隧道及內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，分析循環(huán)荷載幅值為50、100、150 kN和不同循環(huán)次數(shù)時(shí)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷特性。結(jié)果表明：當(dāng)循環(huán)荷載作用于中間車道時(shí)，隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的拉致?lián)p傷主要位于邊跨面層和預(yù)制箱涵中部，并且拉致?lián)p傷范圍隨循環(huán)次數(shù)的增大而逐漸增大；壓致?lián)p傷主要集中在中跨面層和預(yù)制箱涵支座處路面，擴(kuò)散趨勢不明顯；內(nèi)部結(jié)構(gòu)的拉、壓致?lián)p傷隨循環(huán)荷載幅值的增大而增大，并且循環(huán)荷載幅值對內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷的影響遠(yuǎn)大于循環(huán)次數(shù)的影響；內(nèi)部結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變分布趨勢與拉致?lián)p傷分布趨勢相似，混凝土的材料特性使得塑性應(yīng)變在初始階段明顯增加，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，塑性應(yīng)變趨于緩慢增長。

關(guān)鍵詞： 損傷特性；公軌合建盾構(gòu)隧道；混凝土塑性損傷模型；循環(huán)荷載

中圖分類號： U45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Damage Characteristics of Highway-Metro Integrated Shield Tunnels Under Cyclic Load

LIU Guangsen1，ZHANG Xiwen1，ZHANG Liangliang2，SUN Wenhao2，LI Chunlin3

（1.School of Civil Engineering and Architecture，University of Jinan，Jinan 250022，Shandong，China;

2.China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430063，Hubei，China;

3.Jinan City Construction Group Co.，Ltd.，Jinan 250131，Shandong，China）

Abstract：To research damage distribution features and damage evolution laws of highway-metro integrated shield tunnels under cyclic load，a numerical model of shield tunnels and internal structure was established by using finite element software ABAQUS and concrete damaged plasticity model.Damage characteristics of tunnel internal structure were analyzed with cyclic load amplitudes of 50，100，150 kN and different cyclic numbers.The results show that tensile damage of tunnel internal structure is mainly located in the side span layer and the middle of prefabricated box culvert when the cyclic load acts on the middle lane，and the tensile damage range increases with the increase of cyclic numbers.Compressive damage mainly occurs on the mid span layer and the pavement at prefabricated box culvert supports，and the diffusion trend is not obvious.The tensile and compressive damage of internal structure increase with the increase of cyclic load amplitudes，and the impact of cyclic load amplitudes on internal structure damage is far greater than that of cyclic numbers.The plastic strain distribution trend of internal structure is similar to that of tensile damage.The material properties of concrete make the plastic strain increase significantly at the initial stage.With the increase of cyclic numbers，the plastic strain tends to increase slowly.

Keywords：damage characteristic;highway-metro integrated shield tunnel;concrete damaged plasticity model;cyclic load

收稿日期： 2022-06-21??????? 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時(shí)間：2023-03-10T10∶04∶01

基金項(xiàng)目： 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51708251）

第一作者簡介： 劉廣森（1997—），男，山東棗莊人。碩士研究生，研究方向?yàn)閹r土工程。E-mail： 964441783@qq.com。

通信作者簡介： 張西文（1987—），男，山東臨沂人。副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閹r土工程、地下工程等。E-mail： cea_zhangxw@

ujn.edu.cn。

網(wǎng)絡(luò)首發(fā)地址： https：//kns.cnki.net/kcms/detail/37.1378.N.20230309.0904.004.html

我國城鎮(zhèn)化建設(shè)已邁入高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵階段，地下空間工程迎來了新挑戰(zhàn)和發(fā)展機(jī)遇。 近20 a來，我國地下軌道交通工程在規(guī)模長度、工法和數(shù)量方面有了質(zhì)的飛躍［1-2］，盾構(gòu)技術(shù)越來越成熟［3-4］，超大斷面隧道［5-7］、長距離跨海隧道、公軌合建隧道［8］等多功能隧道在地下軌道工程中占比逐漸增大。 隨著隧道工程運(yùn)營時(shí)間和交通量的增加，隧道襯砌開裂、材料疲勞、螺栓失效等病害問題愈加突出［9-11］。 目前，已有較多學(xué)者對隧道工程的病害問題［12］進(jìn)行了相關(guān)研究。 趙天次等［13］研究了成蘭鐵路某隧道工程基于活動(dòng)斷層對隧道襯砌的損傷分布，得出隧道襯砌損傷受斷層傾角和埋深的影響規(guī)律。 徐利輝等［14］利用ANSYS軟件二次開發(fā)復(fù)雜應(yīng)力條件下的損傷本構(gòu)關(guān)系，研究了列車動(dòng)荷載作用下圓形隧道襯砌的損傷位置和發(fā)展過程。 陶連金等［15］對位于活動(dòng)斷裂層的盾構(gòu)圓形隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)混凝土裂縫寬度，將隧道損傷破壞分為4個(gè)等級。 謝文璽［16］通過模擬高速列車荷載作用于高速鐵路隧道的工況，對高速鐵路隧道的損傷演化規(guī)律和使用壽命進(jìn)行了研究。 任志坤［17］研究了襯砌脫空時(shí)隧道結(jié)構(gòu)受高速列車荷載作用的損傷和疲勞壽命。 蒙國往等［18］研究了隧道工程在循環(huán)爆破作用下小凈距隧道圍巖的損傷演化規(guī)律。

目前國內(nèi)關(guān)于地下隧道工程損傷的研究主要集中在高速列車振動(dòng)荷載、地震荷載和爆破荷載等作用下的隧道襯砌損傷演化規(guī)律和分布特征［19-21］，針對公軌合建盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷特性研究相對較少。 鑒于此，本文中以某公軌合建盾構(gòu)隧道作為研究對象，利用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)值建模和有限元計(jì)算，對循環(huán)荷載作用下現(xiàn)澆加預(yù)制相結(jié)合的隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷分布特征和損傷演化規(guī)律研究，分析內(nèi)部結(jié)構(gòu)中拉、壓致?lián)p傷發(fā)展趨勢和分布規(guī)律。

1? 工程概況及有限元模型

1.1? 工程概況

某公軌合建盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)為單管雙層結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)隧道上部空間為公路行車通道，下部空間為地鐵軌道交通和地下管廊，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)加預(yù)制結(jié)構(gòu)相結(jié)合的組合型式。內(nèi)部結(jié)構(gòu)型式為預(yù)制π型箱涵固定在盾構(gòu)隧道管片上，兩側(cè)為現(xiàn)澆的弧形內(nèi)襯，預(yù)制車道板搭接在中間預(yù)制箱涵和現(xiàn)澆弧形內(nèi)襯上，并使用混凝土進(jìn)行澆筑固定，預(yù)制箱涵之間使用強(qiáng)度為8.8級的 M24型高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接。盾構(gòu)隧道管片與內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

1.2? 有限元模型

利用有限元軟件ABAQUS建立沿盾構(gòu)隧道縱向5環(huán)長度為10 m的有限元模型，如圖2所示。本文中重點(diǎn)研究盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷特性，因此忽略周圍土層的影響，模型的邊界條件為在盾構(gòu)隧道管片最外側(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置固定邊界。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片均采用C3D8R型實(shí)體單元。連接螺栓設(shè)置為線性梁單元，采用內(nèi)置區(qū)域的約束方式布置在相互接觸的預(yù)制箱涵之間。預(yù)制結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)之間的連接處采用綁定約束。預(yù)制箱涵之間的接觸面設(shè)置為面-面接觸，切向設(shè)為罰函數(shù)，摩擦因數(shù)為0.8，法向設(shè)為硬接觸。

采用循環(huán)荷載模擬交通車輛荷載，設(shè)置2個(gè)位于中間車道且長度、寬度均為0.4 m的荷載作用面，荷載作用位置如圖2所示。以點(diǎn)耦合面布置集中力荷載，與預(yù)制箱涵中線距離為1.5 m，集中力間距為3 m。循環(huán)荷載幅值分別設(shè)置為50、100、150 kN。在ABAQUS軟件中，對集中力荷載附加不同頻率的幅值，使得荷載隨著時(shí)間的變化發(fā)生一定的波動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)周期循環(huán)。 步長為0.04 s，循環(huán)次數(shù)為1.65×105，以循環(huán)荷載幅值為100 kN且循環(huán)次數(shù)為10為例，循環(huán)荷載時(shí)程曲線如圖3所示。

在公軌合建盾構(gòu)隧道中，各部件均為裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，采用混凝土現(xiàn)澆的方式進(jìn)行綁定。 由于各部件與現(xiàn)澆混凝土之間具有材料差異性，因此在盾構(gòu)隧道中部1環(huán)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中選取部件中部位置和現(xiàn)澆混凝土附近部位10個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行損傷監(jiān)測，如圖4所示，其中MC為路面面層，XJ為弧形現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，XH為預(yù)制箱涵，GP為隧道管片，CDB為預(yù)制車道板。 10個(gè)特征點(diǎn)分別位于面層、預(yù)制箱涵、預(yù)制車道板、弧形現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)和隧道管片上的關(guān)鍵部位。

1.3? 材料參數(shù)

盾構(gòu)隧道管片材料為強(qiáng)度等級是C60的混凝土，預(yù)制結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)材料均為強(qiáng)度等級是C40的混凝土，選用ABAQUS軟件中的混凝土塑性損傷模型，該模型能反映混凝土材料剛度隨時(shí)間累積出現(xiàn)一定衰減退化的現(xiàn)象?；炷了苄該p傷模型的單軸循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。盾構(gòu)隧道各部位的基本物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示，塑性參數(shù)如表2所示。以強(qiáng)度等級為C40的混凝土為例，混凝土塑性損傷模型拉、壓致?lián)p傷參數(shù)分別如表3、4所示。

2? 盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷分析

2.1? 拉致?lián)p傷分析

當(dāng)循環(huán)荷載幅值分別為50、100、150 kN時(shí)，盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)的拉致?lián)p傷發(fā)展曲線如圖6所示。由圖可知，在不同荷載作用下，特征點(diǎn)XH-2、MC-3發(fā)生較大損傷。盾構(gòu)隧道各特征點(diǎn)的拉致?lián)p傷在循環(huán)荷載加載初期增長較快，隨著循環(huán)荷載次數(shù)的增加，內(nèi)部結(jié)構(gòu)各特征點(diǎn)的損傷量達(dá)到一定程度后，拉致?lián)p傷進(jìn)入緩慢增長階段。

以循環(huán)荷載幅值為50 kN為例，由圖6（a）可知，盾構(gòu)隧道特征點(diǎn)XH-2的拉致?lián)p傷為0.033，MC-3的拉致?lián)p傷為0.031，其余特征點(diǎn)的損傷量較小，距離荷載位置較近的區(qū)域拉致?lián)p傷不足0.005，并且增長幅度相對于特征點(diǎn)XH-2、MC-3的較平緩，離荷載位置較遠(yuǎn)區(qū)域的弧形現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)、隧道管片和預(yù)制車道板等尚未發(fā)生拉致?lián)p傷。

提取不同循環(huán)荷載幅值、不同循環(huán)次數(shù)時(shí)特征點(diǎn)XH-1的拉致?lián)p傷，如圖7所示。由圖可知，隨著循環(huán)荷載幅值的增大和循環(huán)次數(shù)的增加，特征點(diǎn)XH-1的拉致?lián)p傷明顯增大，而且循環(huán)荷載幅值對內(nèi)部結(jié)構(gòu)拉致?lián)p傷的影響遠(yuǎn)大于循環(huán)次數(shù)對內(nèi)結(jié)構(gòu)拉致?lián)p傷的影響。

圖8所示為在循環(huán)荷載幅值為100 kN的條件下，當(dāng)循環(huán)次數(shù)為104、1.65×105時(shí)，盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的拉致?lián)p傷分布云圖。由圖可知，拉致?lián)p傷主要集中在支座預(yù)制-現(xiàn)澆連接處和邊跨面層兩側(cè)，當(dāng)循環(huán)次數(shù)為1.65×105時(shí)，最大拉致?lián)p傷位于邊跨面層，拉致?lián)p傷約為0.082；其次為預(yù)制箱涵中間處，拉致?lián)p傷約為0.075，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷從呈現(xiàn)逐漸擴(kuò)展發(fā)散趨勢，損傷量逐漸增大。

2.2? 壓致?lián)p傷分析

當(dāng)循環(huán)荷載幅值分別為50、100、150 kN時(shí)，盾構(gòu)隧道內(nèi)部各特征點(diǎn)的壓致?lián)p傷發(fā)展曲線如圖9所示。由圖可知，在不同荷載作用下，特征點(diǎn)MC-3、MC-2發(fā)生較大的壓致?lián)p傷，發(fā)展趨勢與拉致?lián)p傷的一致，壓致?lián)p傷量在加載初期增長較快，隨著循環(huán)荷載次數(shù)的增加而進(jìn)入平緩增長階段。

當(dāng)循環(huán)荷載幅值為50 kN時(shí)，盾構(gòu)隧道特征點(diǎn)MC-3處的壓致?lián)p傷為0.000 7，各特征點(diǎn)的壓致?lián)p傷不足0.000 1且增長緩慢；隨著循環(huán)荷載幅值的增大，除特征點(diǎn)MC-3外，其他各特征點(diǎn)的壓致?lián)p傷逐漸增大。由于混凝土抗壓強(qiáng)度明顯大于抗拉強(qiáng)度，因此各特征點(diǎn)的壓致?lián)p傷遠(yuǎn)小于拉致?lián)p傷。

提取不同循環(huán)荷載幅值且不同循環(huán)次數(shù)時(shí)，盾構(gòu)隧道特征點(diǎn)MC-3的壓致?lián)p傷曲線如圖10所示。由圖可知，特征點(diǎn)MC-3的壓致?lián)p傷隨著循環(huán)荷載幅值和循環(huán)次數(shù)的增加而增加，循環(huán)荷載幅值大小對內(nèi)部結(jié)構(gòu)壓致?lián)p傷的影響大于循環(huán)次數(shù)的。

圖11所示為在循環(huán)荷載幅值為100 kN的條件下，當(dāng)循環(huán)次數(shù)為104、1.65×105時(shí)，盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的壓致?lián)p傷分布云圖。由圖可知，壓致?lián)p傷主要集中在預(yù)制-現(xiàn)澆連接處和路面面層。當(dāng)循環(huán)次數(shù)為1.65×105時(shí)，最大壓致?lián)p傷位于箱涵支座處面層，壓致?lián)p傷約為0.006；其次為路面面層，壓致?lián)p傷約為0.003。壓致?lián)p傷集中在面層與預(yù)制箱涵處，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，向面層及預(yù)制箱涵中部擴(kuò)展，損傷量逐漸增大。

混凝土材料的結(jié)構(gòu)特性使得盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的抗壓能力遠(yuǎn)大于抗拉能力，內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)區(qū)域壓致?lián)p傷的擴(kuò)散速度和損傷量遠(yuǎn)小于拉致?lián)p傷的。

3? 盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變

圖12所示為循環(huán)荷載幅值分別為50、100、150 kN時(shí)，盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)的塑性應(yīng)變發(fā)展曲線。由圖可知，在不同循環(huán)荷載作用下，各特征點(diǎn)的塑性應(yīng)變在循環(huán)荷載作用初期出現(xiàn)明顯增幅，隨后平穩(wěn)增長。由于混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)處于受力的初始階段，因此混凝土中空隙、裂隙不斷進(jìn)行壓合、緊密，結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性應(yīng)力重分布階段，受力形式發(fā)生變化，各特征點(diǎn)初期的塑性應(yīng)變變化明顯高于后續(xù)循環(huán)的。隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增加，內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)變趨于穩(wěn)定，塑性應(yīng)變趨于平穩(wěn)增加的趨勢。

圖13所示為在循環(huán)荷載幅值為150 kN的條件下，當(dāng)循環(huán)次數(shù)為1.65×105時(shí)，盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變的分布云圖。由圖可知，由于混凝土材料具有抗壓性較強(qiáng)的特性，因此塑性應(yīng)變分布趨勢與拉致?lián)p傷分布趨勢較相似，同時(shí)，塑性應(yīng)變集中在拉致?lián)p傷發(fā)生區(qū)域和壓致?lián)p傷較大區(qū)域。

4? 結(jié)論

本文中利用ABAQUS軟件和混凝土塑性損傷模型，對不同循環(huán)荷載作用下公軌合建盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷分布特征和發(fā)展規(guī)律進(jìn)行研究，得到以下主要結(jié)論：

1）公軌合建盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的拉致?lián)p傷主要集中在邊跨區(qū)域和預(yù)制箱涵中部區(qū)域，壓致?lián)p傷主要集中在中跨區(qū)域和預(yù)制箱涵支座區(qū)域，預(yù)制箱涵發(fā)生較大拉、壓致?lián)p傷，隨著長時(shí)間服役，易出現(xiàn)混凝土開裂等工程病害，對隧道安全和正常使用產(chǎn)生不利影響。

2）隨著循環(huán)次數(shù)的增加，拉致?lián)p傷由邊跨區(qū)域和預(yù)制箱涵中部向四周逐漸擴(kuò)大；壓致?lián)p傷主要在中跨區(qū)域和預(yù)制箱涵支座區(qū)域發(fā)展，距離荷載作用位置較遠(yuǎn)處的弧形現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)、隧道管片和預(yù)制車道板在循環(huán)荷載幅值較小的情況下未發(fā)生拉、壓致?lián)p傷。

3）內(nèi)部結(jié)構(gòu)在循環(huán)荷載作用下的塑性應(yīng)變集中在損傷量較大的區(qū)域，同時(shí)塑性應(yīng)變在初始階段明顯增大，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，進(jìn)入緩慢增長階段。

4）在循環(huán)荷載作用下，盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的預(yù)制箱涵中部和混凝土現(xiàn)澆處出現(xiàn)相對較大的拉、壓致?lián)p傷，對應(yīng)產(chǎn)生的塑性應(yīng)變相對較大，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意材料和連接的選取，在運(yùn)營期內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)。

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（責(zé)任編輯：王? 耘）