裝配式電纜隧道結構拼接部位變形特征和結構沉降規律研究

付江鵬

（中鐵一局集團建筑安裝工程有限公司，陜西 西安 710016）

0 引言

目前,我國裝配式建筑正在蓬勃發展,已形成了較為完善的技術和標準體系,在工程中應用得十分廣泛。但裝配式地下空間結構因為地質情況復雜，易受周邊土體容易含水發生滲透等因素制約，應用較少[1]。

王衛東等人在地下工程預制裝配式技術領域，總結了預制裝配式地下車站和預制拼裝結合現澆疊合拱殼的無柱大跨地鐵車站建造技術的研究[2]。張穩軍等人基于現有地鐵盾構隧道襯砌結構建立復合管片及環向直螺栓接頭的三維精細化數值模型并進行了數值模擬計算[3]。李紅州研究設計了一種新型矩形隧道錯縫榫接式接頭，為了探討其力學性能，采用數值模擬方法，分析了接縫面交錯處變形變化規律[4]。魯得文等人利用MIDAS-GTS軟件對某淺埋偏壓隧道采用荷載結構法對其襯砌進行了受力分析[5]。

以上研究成果多與地下隧道結構技術改進有關，而裝配式電纜隧道結構拼接部位變形和結構沉降是工程關鍵問題，采用現場監測并不一定能防止施工質量問題的發生。所以，土-結構相互作用影響下的受力及變形數值模擬技術亟待提升，做好事前預防才是施工精細化的根本。

1 裝配式電纜隧道工程重點技術

1.1 地基處理

沈陽地鐵航天南路停車場工程位于渾南新區航天南路南側，哈大客專西側，哈大動車段北側地塊內。地下水類型為第四系孔隙潛水，賦存在場地砂類土中，場地穩定水位埋深7.80～10.80m。場地年平均凍土深度1.01m。

擬建裝配式電纜隧道場區原始地貌存在部分不良土質，管線CD段不可避免需要穿過廢棄河溝，河溝存在大量淤泥成為工程施工時的難點，見圖1。為保證場區內相關多個擬建建筑沉降均勻，采用分層碾壓換填處理，將結構下方1.1m厚的粉質黏土換填成中砂，換填后CD段具體地質情況見表1。

圖1 擬建裝配式電纜隧道場區原始地貌

表1 換填后CD段地質情況

1.2 標準段拼接構造

裝配式電纜隧道標準段截面的外部尺寸為2.30m×2.55m，頂板與側壁壁厚0.25m，底板厚度0.30m，縱向長度為2.50m。兩個標準段通過側壁板之間的拼接部位進行連接。裝配式電纜隧道拼接部位是否等同現澆是結構整體協調受力的關鍵，而且拼接部位的施工便利程度、結構防水、模具制作也是工程中難點。該工程拼接部位采用凹凸面卯榫形式，并貼設膨脹止水條，利用其遇水后具有可塑性與防水性的特點，將拼接部位接觸粗糙的地方緊密貼合，在預制板件拼接部位空隙處后澆混凝土，實現了拼接部位的良好連接和鋼筋的有效錨固，具體見圖2。

圖2 裝配式電纜隧道結構示意圖

2 裝配式電纜隧道有限元建模

2.1 結構建模

裝配式電纜隧道共10個標準段，總長25m，頂板埋深為1.2m。在結構與地基土的中間層，鋪設70mm厚的C15混凝土墊層保護結構。

采用ABAQUS中三維實體單元C3D8R模擬預制混凝土結構，用兩結點線性三維桁架單元T3D2模擬鋼筋，材料參數見表2。結構網格劃分采用單元尺寸為0.1m×0.1m，墊層網格單元尺寸0.3m×0.3m。裝配式電纜隧道各個構件采用面－面接觸，法向為硬接觸，切向為罰接觸，但是由于模型接觸面過多且在接觸發生時，由于接觸面應力突變可能會導致模型收斂困難，所以摩擦系數的選擇至關重要，經過多次模擬最終確定摩擦系數為0.6。混凝土和鋼筋的應力-應變曲線見圖3、圖4。

表2 材料參數

圖3 混凝土應力-應變曲線

圖4 鋼筋應力-應變曲線

鋼筋單元采用線彈性本構模型（見圖5），通過嵌固（Embedded Region）到混凝土單元中，不考慮兩者之間的滑移。混凝土單元采用損傷塑性模型，其屈服準則選用德魯克-普拉格準則，公式如下：

圖5 各部分建模及整體有限元模型

2.2 土體建模

土體長23m，寬25m，深度20m，采用實體單元C3D8R對土層進行模擬，該方式能夠模擬出土體與隧道協同受力，且能模擬出不同土層，與實際受力較接近[6]。土體網格單元尺寸為0.4m×0.4m，加密區單元尺寸為0.25m×0.25m。土-結構整體模型及網格加密見圖6。土體與裝配式電纜隧道接觸面采用面－面接觸，法向為硬接觸，切向為罰接觸，土體單元與混凝土單元的摩擦系數為0.4，具體材料參數見表2。同時定義X與Z軸方向前后邊界U1=0，U3=0，Y軸方向下表面邊界U2=0。

圖6 土-結構整體模型及網格加密

土體單元本構采用莫爾-庫侖彈塑性模型，其屈服條件在三維應力空間的表達式為[7]:

式中：

θcr——洛德角；

c——巖土黏聚力；

φ——內摩擦角；

I1——應力張量第一不變量；

J2——應力偏量第二不變量。

3 拼接部位有限元分析

3.1 拼接部位的應力分布

本文有限元計算模型具有顯著對稱性，因此選取左半跨（含跨中）的拼接部位進行分析，如圖7所示。

圖7 拼接部位分布示意圖

現列舉DMI～DM5斷面的Mises應力云圖，見圖8。從豎向應力分布情況來看，整體應力以壓應力為主；DM1斷面土體應力不均勻現象明顯，呈現“波浪形”；DM2～DM5斷面，除了隧道結構正下方土體，兩側土體應力分布均較為均勻。

圖8 斷面應力分布

提取拼接部位外側拼接縫JF1～JF5的應力，見圖9。由圖9可知，隨著接縫位置從跨端到跨中的變化，其應力也逐漸增加，最大應力出現在JF5，在混凝土抗拉設計值范圍之內，整個拼接部位受力性能良好。全部拼接部位混凝土受拉區均未達到開裂強度。

圖9 拼接部位的應力分布

3.2 拼接部位相對位移

拼接部位的相對位移是衡量結構安全性的重要指標。由圖10可知，JF1～JF5的相對位移與應力分布具有明顯相關性，最大相對位移出現在跨中JF5的下端，且拼接部位最大相對位移不超過1.3mm，變形微小滿足明挖法施工要求，為實現預制構件拼接膨脹止水條提供參考。

圖10 拼接部位的相對位移變化

3.3 最終沉降量預測分析

為了清晰直觀地分析裝配式電纜隧道最終整體沉降變形，列舉了結構整體的變形云圖和最終沉降數據，見圖11。由圖可知沉降形狀符合Peck模型的沉降預測公式結果[8]，沉降峰值發生在隧道跨中附近處，沉降量1.52mm實現了微沉降的目標。且電纜隧道結構的沉降是整體且連續的，拼接部位并沒有造成相鄰隧道管節之間沉降量突變的情況，連接性能良好，裝配式電纜隧道結構能夠協同受力，變形協調。

4 結束語

本文通過ABAQUS建立了土體與裝配式電纜隧道結構協同受力有限元分析模型，分析了拼接部位的變形特征及結構整體沉降規律，得到以下結論：

（1）考慮土-裝配式電纜隧道結構的相互作用，該種拼接方式相較于傳統方式，變形微小且均勻，連接性能良好，最大應力與相對位移出現在隧道中段附近，沒有應力集中及剛度突變，裝配式電纜隧道結構能夠協同受力，變形協調。

圖11 結構沉降

（2）基于不均勻土質換填后結構的安全問題，對土-裝配式電纜隧道結構的最終沉降量進行分析；結構的沉降是整體且連續的，整體沉降形狀符合Peck沉降預測公式結果，沉降峰值發生在隧道跨中附近處，跨中最大沉降1.52mm，實現了結構微沉降目標。