公軌合建盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片協(xié)同受力計(jì)算模型及其力學(xué)特性

中圖分類號(hào)：U452.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Computational Models for Cooperative Force-bearing of Internal Structure and Segments in Shield Tunnels Combined with Urban Road and Rail Transit and Their Mechanical Characteristics

ZHANG Xiwen1.2， JIANG Xiaotong2， YANG Dianyong ² ， MEN Yanqing ¹ LIU Xinjin'，SUN Wenhao ³ ， ZHANG Liangliang？

（1.Jinan Rail Transit Group Co.，Ltd.，Jinan 25OO14，Shandong，China; 2. School of Civil Engineering and Architecture，University of Jinan， Jinan 25oo22，Shandong，China; 3.China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 43O063，Hubei，China）

Abstract：Toexplorecooperative force-bearing characteristicsof internal structureand segmentsinshield tunels combined with urbanroad andrail transit andseek calculation models thatconform more toactual engineering situation， six calculation models forshield tunnels combined withurban roadandrail transit wereestablished byusing ABAQUS software，includingsinglesegmentmodel，singleinteralstructure model，model withinteralstructureandegmentidly connected，modelwith internal structureandsegments simplyhinged，model with internal structureandsegments doublehinged，andcalculationmodel with jointstiffess reduction（respectivelynumberedas model1，model2，，model 6）. Internal forceanddeformation distributions of internal structureandsegmentsunderactionof motorvehicleandtrainloads wereanalyzed.Theresults show thatbending moment calculated byusing model 2is thesmalest，while bending momentscalculated byusing model4and model5are thelargest.Aditional positive bending moment exertedon segments by self-weight of internal structure ranges from 859.3kN?m to 876.9kN?m ，and additional negative bending moment ranges from -770.5kN?m to -798.6kN?m .Among the calculation models for cooperative force-bearing of internal structure and segments，in terms of influences onbending moment in order from large to small according to connection modes，they are model 5，model 4，and model6 in sequence，and influence degrees of model 3 and model 6are close. In terms of strain under action of soil pressure loads as wellas vehicleand train loads inorder from large to small，they are model4，model 5，and model 6 in sequence，and strains of model 3and model6are close.Considering that in engineering practice，shieldsegmentsand internal concretestructureareusuallydesignedandcalculated separately，it is recommended toconstruct a calculation model for cooperative force-bearing of internal structure and segments in design processof shield tunnelscombined with urban roadandrail transit involving intermal structure.In engineering design，an appropriate calculation model should be selected according toconstruction processand connection mode.For the internal structure type combining prefabrication and cast-in-place，model 6 is more suitable.

Keywords：shield tunnelcombinedwithurbanroadandrail tansit;internalstructure;interalforceanalysis；computational model；mechanical characteristics；ABAQUS software

隨著隧道工程向大直徑和多功能方向發(fā)展[1]隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的型式正日益多樣化。直徑大于 10m 的隧道稱為大直徑盾構(gòu)隧道。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2021年底，國(guó)內(nèi)已修建118項(xiàng)大直徑盾構(gòu)隧道工程[2]，其中較多的是公軌合建盾構(gòu)隧道，如武漢三陽(yáng)路長(zhǎng)江隧道[3]、黃河隧道[4]等。大直徑盾構(gòu)隧道在施工和運(yùn)營(yíng)過程中會(huì)出現(xiàn)收斂變形[5]、地質(zhì)災(zāi)害[6]、隧道上浮[7和抗震[8]等諸多問題。

根據(jù)施工方案的不同，公軌合建盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為全現(xiàn)澆、全預(yù)制、預(yù)制與現(xiàn)澆相結(jié)合3種類型。盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)顯著的特點(diǎn)為內(nèi)力大、構(gòu)件小、配筋大[9]，一般單獨(dú)設(shè)計(jì)和計(jì)算。內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片的連接方式在設(shè)計(jì)中考慮較少，但是連接接頭是整個(gè)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)中較薄弱部位，連接方式和接頭剛度等影響整個(gè)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布、防水性能、抗震性能和整體穩(wěn)定性[10]。諸多學(xué)者對(duì)公軌合建盾構(gòu)隧道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)開展了研究，主要以內(nèi)部結(jié)構(gòu)型式的研究居多。楊繼范」針對(duì)某越江隧道的雙層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造性地提出通過采用帶預(yù)制牛腿的管片和上層預(yù)制混凝土道路板的方案，解決了上下層同時(shí)施工的要求，可高速、優(yōu)質(zhì)地完成隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的施工。郝曉玲[12]依托上海市北京西路—華夏西路電力電纜隧道，采用預(yù)制裝配構(gòu)件，并使用自行研制的專用多功能臺(tái)車，可實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件在隧道內(nèi)的快速施工，大幅縮短了施工周期。黃俊等[13]依托南京市緯三路過江盾構(gòu)隧道工程，提出2類盾構(gòu)隧道車道結(jié)構(gòu)預(yù)制化設(shè)計(jì)方案，深入討論了預(yù)制結(jié)構(gòu)的施工速度與靈活性，結(jié)果表明，相對(duì)于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，預(yù)制結(jié)構(gòu)的施工速度和靈活性較優(yōu)。唐飛等[14依托武漢三陽(yáng)路長(zhǎng)江隧道工程，對(duì)比了盾構(gòu)隧道內(nèi)部車道結(jié)構(gòu)和煙道板結(jié)構(gòu)在全現(xiàn)澆、全預(yù)制、中間箱涵預(yù)制3種方案下的力學(xué)性能、防水性能及工程造價(jià)優(yōu)、缺點(diǎn)，推薦內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，煙道板采用預(yù)制結(jié)構(gòu)。劉念等[15]提出預(yù)制構(gòu)件接頭連接的方案，并對(duì)比了預(yù)制化接頭形式，大幅提高了隧道內(nèi)部預(yù)制化程度。宋麗妹等[16-17]通過探討軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道預(yù)制拼裝方案和施工工藝，得出全預(yù)制拼裝技術(shù)是一種先進(jìn)的隧道建設(shè)新思路和方法的結(jié)論。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)隧道管片的力學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響，內(nèi)部結(jié)構(gòu)有承載作用，但是應(yīng)力集中現(xiàn)象也會(huì)發(fā)生[18-20]。雖然關(guān)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)型式的研究較多，但是考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片協(xié)同受力的研究較少。鑒于此，本文中采用ABAQUS軟件建立6種公軌合建盾構(gòu)隧道計(jì)算模型，分析汽車、列車荷載作用下公軌合建盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片的協(xié)同受力性能。

1計(jì)算模型建立

以公軌合建盾構(gòu)隧道常采用的預(yù)制與現(xiàn)澆相結(jié)合的內(nèi)部結(jié)構(gòu)型式為研究背景，采用ABAQUS軟件建模分析，其中內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由預(yù)制箱涵和預(yù)制車道板等結(jié)構(gòu)組成，公軌合建盾構(gòu)隧道的橫斷面如圖1[21-22]所示。采用鋼筋接駁器連接預(yù)制箱涵與預(yù)制車道板，如圖2所示。

考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片的連接方式，同時(shí)考慮預(yù)制箱涵與預(yù)制車道板的連接，建立6種公軌合建盾構(gòu)隧道計(jì)算模型，即單管片、單內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片固接、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片單鉸接、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片雙鉸接、接頭剛度折減計(jì)算模型，分別編號(hào)為模型 1，2，…，6 。在模型6中，根據(jù)施工工藝和連接方式折減接頭區(qū)一定范圍內(nèi)混凝土剛度：如果接頭采用搭接、簡(jiǎn)支等簡(jiǎn)單連接，則選取較小的折減剛度；如果采用錨固、鋼筋接駁等連接，則選取較大的折減剛度。本文中模型6的折減系數(shù)為0.3＼～0.9。6種計(jì)算模型簡(jiǎn)圖如圖3所示。

1）模型4（內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片單鉸接計(jì)算模型）（e）模型5（內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片雙鉸接計(jì)算模型）（f）模型6（接頭剛度折減計(jì)算模型）

xyz—笛卡兒坐標(biāo)系。

2 計(jì)算模型參數(shù)設(shè)置

在公軌合建盾構(gòu)隧道計(jì)算模型中，采用梁?jiǎn)卧M管片、預(yù)制箱涵和預(yù)制車道板，管片周圍設(shè)置彈簧單元以實(shí)現(xiàn)與土層的相互作用。彈簧的一端與管片的梁?jiǎn)卧B接在一起，另一端為固定約束，通過修改計(jì)算模型中的關(guān)鍵字使彈簧單元僅能承受壓力而不承受拉力。采用莫爾-庫(kù)侖模型模擬周圍土層，力學(xué)參數(shù)如表1所示。隧道管片與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)如表2所示。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的荷載主要為汽車、列車荷載。根據(jù)我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTGD60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[23]和TB/T3466—2016《鐵路列車荷載圖式》[24]，施加的汽車均布荷載 q₁ 為 10.5kN/m ，列車均布荷載 q₂ 為 48kN/m ，列車集中荷載 p₂ 為 150kN 位置如圖4所示。管片上的土壓力計(jì)算及分布如圖5所示。

σ₁ ！ σ₂ 一隧道頂部、底部豎向荷載；σ₃ ！ σ₄ 一隧道頂部、底部側(cè)向水平荷載。

3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片協(xié)同受力性能

3.1 彎矩

在汽車、列車荷載作用下，不同計(jì)算模型的彎矩分布云圖如圖6所示。從圖中可以看出，考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片的協(xié)同受力作用，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的彎矩在連接接頭處發(fā)生了變化。提取箱涵跨中、支座以及車道板跨中、支座等關(guān)鍵截面處的彎矩，結(jié)果如表3所示。由表可知：內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片的不同連接方式對(duì)公軌合建盾構(gòu)隧道整體的彎矩分布影響較大。當(dāng)選用模型2時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)支座為固定約束，最大彎矩為 212.7kN?m ，與模型3、4、5、6相比，計(jì)算所得彎矩偏小，工程設(shè)計(jì)不安全。當(dāng)選用模型3時(shí)，考慮管片作用且內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片固接，接頭為剛性連接，內(nèi)部結(jié)構(gòu)支座和跨中的彎矩相差相對(duì)較小。當(dāng)選用模型4、5時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片鉸接，支座處的彎矩為0，箱涵跨中和車道板跨中的彎矩較大。工程設(shè)計(jì)時(shí)采用最大彎矩控制截面的尺寸和配筋設(shè)計(jì)，選用模型4、5較安全，但是仍有優(yōu)化的空間。當(dāng)選用模型6時(shí)，能充分考慮真實(shí)的接頭連接狀況，與模型3相比，隨著折減系數(shù)的減小，跨中彎矩逐漸增大。

3.2 剪力與軸力

不同計(jì)算模型的剪力分布云圖如圖7所示。從圖中可以看出，相對(duì)于模型2，當(dāng)選用模型3、4、5、6，即考慮管片與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用時(shí)，剪力的分布在管片與內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接處、支座處、跨中處等位置出現(xiàn)較大差異。提取箱涵跨中、支座以及車道板跨中、支座等關(guān)鍵截面處的剪力與軸力，結(jié)果如表4、5所示。由表4、5可知：相對(duì)于模型3、4、5、6，利用模型2時(shí)計(jì)算所得內(nèi)部結(jié)構(gòu)的剪力與軸力較?。粌?nèi)部結(jié)構(gòu)與管片協(xié)同變形，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不僅受到汽車、列車荷載作用，還受到管片傳遞的作用力，導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重新分布。

① 模型2為單內(nèi)部結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。 ② 模型3為內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片固接計(jì)算模型。 ③ 模型4為內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片單鉸接計(jì)算模型。 ④ 模型5為勺部結(jié)構(gòu)與管片雙鉸接計(jì)算模型。 ⑤ 模型6為接頭剛度折減計(jì)算模型。

3.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)管片內(nèi)力的影響

設(shè)計(jì)管片時(shí)一般只考慮土體壓力荷載作用，常忽略內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)管片的影響。以模型3、4、5、6這4種內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片協(xié)同受力計(jì)算模型中的模型4為例，由內(nèi)部結(jié)構(gòu)自重及汽車、列車荷載引起的管片的附加內(nèi)力云圖如圖8所示。從圖中可以看出，內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)管片內(nèi)力的影響主要位于公軌合建盾構(gòu)隧道拱頂、拱底和拱腰。采用不同計(jì)算模型計(jì)算時(shí)，管片的附加內(nèi)力如表6所示。由表可知：在不同計(jì)算模型條件下，由內(nèi)部結(jié)構(gòu)自重引起的管片最大附加正彎矩為 859.3～876.9kN?m ，最大附加負(fù)彎矩為 -770.5～-798.6kN?m ，拱腰和拱底處的附加彎矩與土體壓力荷載作用下的彎矩方向相同，為不利影響。內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片協(xié)同受力計(jì)算模型按照連接方式對(duì)管片拱腰負(fù)彎矩和拱底正彎矩的影響由大到小的順序依次為模型5、4、6，模型3、6的影響程度接近。

3.4 應(yīng)變

圖9所示為不同計(jì)算模型的應(yīng)變分布云圖。從圖中可以看出：管片的應(yīng)變主要集中于左上角和右上角部位；內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形位于箱涵、車道板的支座以及地鐵車道板的跨中。內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片協(xié)同受力計(jì)算模型按照土體壓力荷載和汽車、列車荷載下應(yīng)變由大到小的順序依次為模型4、5、6，模型3、6的應(yīng)變接近。

4結(jié)論

本文中針對(duì)含有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的公軌合建盾構(gòu)隧道，采用ABAQUS軟件建立6種計(jì)算模型，對(duì)比了不同連接方式和接頭剛度對(duì)管片和內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，得出以下主要結(jié)論：

1）利用模型2計(jì)算所得的彎矩、剪力、軸力最小。內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片的不同連接方式對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分配影響較大，模型3在支座處的彎矩較大，而模型4、5在鉸接的支座處彎矩為0，跨中的彎矩則相應(yīng)變大。利用模型4、5計(jì)算所得的彎矩最大，最大值位于箱涵跨中。

2）作用于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的汽車、列車荷載除了引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化之外，也對(duì)管片產(chǎn)生附加彎矩，內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片協(xié)同受力計(jì)算模型按照連接方式對(duì)彎矩的影響由大到小的順序依次為模型5、4、6，模型3、6的影響程度接近。附加正彎矩為 859.3～ 876.9kN?m ，附加負(fù)彎矩為 -770.5～-798.6kN?m 。3）內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片協(xié)同受力計(jì)算模型按照土體壓力荷載及汽車、列車荷載作用下的應(yīng)變由大到小的順序依次為模型4、5、6，模型3、6的應(yīng)變接近。

4）6種計(jì)算模型適用于不同的隧道結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)施工工藝和連接方式選擇計(jì)算模型。對(duì)于全現(xiàn)澆型內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可選用模型3或模型4；對(duì)于預(yù)制與現(xiàn)澆相結(jié)合的內(nèi)部結(jié)構(gòu)型式，更宜選用模型6。

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（責(zé)任編輯：王 耘）