循環荷載作用下公軌合建盾構隧道的損傷特性

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： 為了研究循環荷載作用下公軌合建盾構隧道的損傷分布特征和損傷演化規律，利用有限元軟件ABAQUS和混凝土塑性損傷模型，建立盾構隧道及內部結構數值模型，分析循環荷載幅值為50、100、150 kN和不同循環次數時隧道內部結構的損傷特性。結果表明：當循環荷載作用于中間車道時，隧道內部結構的拉致損傷主要位于邊跨面層和預制箱涵中部，并且拉致損傷范圍隨循環次數的增大而逐漸增大；壓致損傷主要集中在中跨面層和預制箱涵支座處路面，擴散趨勢不明顯；內部結構的拉、壓致損傷隨循環荷載幅值的增大而增大，并且循環荷載幅值對內部結構損傷的影響遠大于循環次數的影響；內部結構的塑性應變分布趨勢與拉致損傷分布趨勢相似，混凝土的材料特性使得塑性應變在初始階段明顯增加，隨著循環次數的增加，塑性應變趨于緩慢增長。

關鍵詞： 損傷特性；公軌合建盾構隧道；混凝土塑性損傷模型；循環荷載

中圖分類號： U45

文獻標志碼： 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??????? 網絡首發時間：2023-03-10T10∶04∶01

基金項目： 國家自然科學基金項目（51708251）

第一作者簡介： 劉廣森（1997—），男，山東棗莊人。碩士研究生，研究方向為巖土工程。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，碩士生導師，研究方向為巖土工程、地下工程等。E-mail： cea_zhangxw@

ujn.edu.cn。

網絡首發地址： https：//kns.cnki.net/kcms/detail/37.1378.N.20230309.0904.004.html

我國城鎮化建設已邁入高質量發展的關鍵階段，地下空間工程迎來了新挑戰和發展機遇。 近20 a來，我國地下軌道交通工程在規模長度、工法和數量方面有了質的飛躍［1-2］，盾構技術越來越成熟［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。 隨著隧道工程運營時間和交通量的增加，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，已有較多學者對隧道工程的病害問題［12］進行了相關研究。 趙天次等［13］研究了成蘭鐵路某隧道工程基于活動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律。 徐利輝等［14］利用ANSYS軟件二次開發復雜應力條件下的損傷本構關系，研究了列車動荷載作用下圓形隧道襯砌的損傷位置和發展過程。 陶連金等［15］對位于活動斷裂層的盾構圓形隧道結構進行計算分析，根據混凝土裂縫寬度，將隧道損傷破壞分為4個等級。 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律和使用壽命進行了研究。 任志坤［17］研究了襯砌脫空時隧道結構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爆破作用下小凈距隧道圍巖的損傷演化規律。

目前國內關于地下隧道工程損傷的研究主要集中在高速列車振動荷載、地震荷載和爆破荷載等作用下的隧道襯砌損傷演化規律和分布特征［19-21］，針對公軌合建盾構隧道內部結構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隧道作為研究對象，利用有限元軟件ABAQUS進行數值建模和有限元計算，對循環荷載作用下現澆加預制相結合的隧道內部結構進行損傷分布特征和損傷演化規律研究，分析內部結構中拉、壓致損傷發展趨勢和分布規律。

1? 工程概況及有限元模型

1.1? 工程概況

某公軌合建盾構隧道內部結構為單管雙層結構，盾構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，內部結構為現澆結構加預制結構相結合的組合型式。內部結構型式為預制π型箱涵固定在盾構隧道管片上，兩側為現澆的弧形內襯，預制車道板搭接在中間預制箱涵和現澆弧形內襯上，并使用混凝土進行澆筑固定，預制箱涵之間使用強度為8.8級的 M24型高強螺栓進行連接。盾構隧道管片與內部結構模型如圖1所示。

1.2? 有限元模型

利用有限元軟件ABAQUS建立沿盾構隧道縱向5環長度為10 m的有限元模型，如圖2所示。本文中重點研究盾構隧道內部結構的損傷特性，因此忽略周圍土層的影響，模型的邊界條件為在盾構隧道管片最外側節點設置固定邊界。

內部結構與管片均采用C3D8R型實體單元。連接螺栓設置為線性梁單元，采用內置區域的約束方式布置在相互接觸的預制箱涵之間。預制結構與現澆結構之間的連接處采用綁定約束。預制箱涵之間的接觸面設置為面-面接觸，切向設為罰函數，摩擦因數為0.8，法向設為硬接觸。

采用循環荷載模擬交通車輛荷載，設置2個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。以點耦合面布置集中力荷載，與預制箱涵中線距離為1.5 m，集中力間距為3 m。循環荷載幅值分別設置為50、100、150 kN。在ABAQUS軟件中，對集中力荷載附加不同頻率的幅值，使得荷載隨著時間的變化發生一定的波動，進而實現周期循環。 步長為0.04 s，循環次數為1.65×105，以循環荷載幅值為100 kN且循環次數為10為例，循環荷載時程曲線如圖3所示。

在公軌合建盾構隧道中，各部件均為裝配式混凝土結構，采用混凝土現澆的方式進行綁定。 由于各部件與現澆混凝土之間具有材料差異性，因此在盾構隧道中部1環的內部結構中選取部件中部位置和現澆混凝土附近部位10個特征點進行損傷監測，如圖4所示，其中MC為路面面層，XJ為弧形現澆結構，XH為預制箱涵，GP為隧道管片，CDB為預制車道板。 10個特征點分別位于面層、預制箱涵、預制車道板、弧形現澆結構和隧道管片上的關鍵部位。

1.3? 材料參數

盾構隧道管片材料為強度等級是C60的混凝土，預制結構與現澆結構材料均為強度等級是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間累積出現一定衰減退化的現象?；炷了苄該p傷模型的單軸循環應力-應變曲線如圖5所示。盾構隧道各部位的基本物理力學指標如表1所示，塑性參數如表2所示。以強度等級為C40的混凝土為例，混凝土塑性損傷模型拉、壓致損傷參數分別如表3、4所示。

2? 盾構隧道內部結構損傷分析

2.1? 拉致損傷分析

當循環荷載幅值分別為50、100、150 kN時，盾構隧道內部結構特征點的拉致損傷發展曲線如圖6所示。由圖可知，在不同荷載作用下，特征點XH-2、MC-3發生較大損傷。盾構隧道各特征點的拉致損傷在循環荷載加載初期增長較快，隨著循環荷載次數的增加，內部結構各特征點的損傷量達到一定程度后，拉致損傷進入緩慢增長階段。

以循環荷載幅值為50 kN為例，由圖6（a）可知，盾構隧道特征點XH-2的拉致損傷為0.033，MC-3的拉致損傷為0.031，其余特征點的損傷量較小，距離荷載位置較近的區域拉致損傷不足0.005，并且增長幅度相對于特征點XH-2、MC-3的較平緩，離荷載位置較遠區域的弧形現澆結構、隧道管片和預制車道板等尚未發生拉致損傷。

提取不同循環荷載幅值、不同循環次數時特征點XH-1的拉致損傷，如圖7所示。由圖可知，隨著循環荷載幅值的增大和循環次數的增加，特征點XH-1的拉致損傷明顯增大，而且循環荷載幅值對內部結構拉致損傷的影響遠大于循環次數對內結構拉致損傷的影響。

圖8所示為在循環荷載幅值為100 kN的條件下，當循環次數為104、1.65×105時，盾構隧道內部結構的拉致損傷分布云圖。由圖可知，拉致損傷主要集中在支座預制-現澆連接處和邊跨面層兩側，當循環次數為1.65×105時，最大拉致損傷位于邊跨面層，拉致損傷約為0.082；其次為預制箱涵中間處，拉致損傷約為0.075，隨著循環次數的增加，內部結構損傷從呈現逐漸擴展發散趨勢，損傷量逐漸增大。

2.2? 壓致損傷分析

當循環荷載幅值分別為50、100、150 kN時，盾構隧道內部各特征點的壓致損傷發展曲線如圖9所示。由圖可知，在不同荷載作用下，特征點MC-3、MC-2發生較大的壓致損傷，發展趨勢與拉致損傷的一致，壓致損傷量在加載初期增長較快，隨著循環荷載次數的增加而進入平緩增長階段。

當循環荷載幅值為50 kN時，盾構隧道特征點MC-3處的壓致損傷為0.000 7，各特征點的壓致損傷不足0.000 1且增長緩慢；隨著循環荷載幅值的增大，除特征點MC-3外，其他各特征點的壓致損傷逐漸增大。由于混凝土抗壓強度明顯大于抗拉強度，因此各特征點的壓致損傷遠小于拉致損傷。

提取不同循環荷載幅值且不同循環次數時，盾構隧道特征點MC-3的壓致損傷曲線如圖10所示。由圖可知，特征點MC-3的壓致損傷隨著循環荷載幅值和循環次數的增加而增加，循環荷載幅值大小對內部結構壓致損傷的影響大于循環次數的。

圖11所示為在循環荷載幅值為100 kN的條件下，當循環次數為104、1.65×105時，盾構隧道內部結構的壓致損傷分布云圖。由圖可知，壓致損傷主要集中在預制-現澆連接處和路面面層。當循環次數為1.65×105時，最大壓致損傷位于箱涵支座處面層，壓致損傷約為0.006；其次為路面面層，壓致損傷約為0.003。壓致損傷集中在面層與預制箱涵處，隨著循環次數的增加，向面層及預制箱涵中部擴展，損傷量逐漸增大。

混凝土材料的結構特性使得盾構隧道內部結構的抗壓能力遠大于抗拉能力，內部結構特征點區域壓致損傷的擴散速度和損傷量遠小于拉致損傷的。

3? 盾構隧道內部結構塑性應變

圖12所示為循環荷載幅值分別為50、100、150 kN時，盾構隧道內部結構特征點的塑性應變發展曲線。由圖可知，在不同循環荷載作用下，各特征點的塑性應變在循環荷載作用初期出現明顯增幅，隨后平穩增長。由于混凝土內部結構處于受力的初始階段，因此混凝土中空隙、裂隙不斷進行壓合、緊密，結構進入塑性應力重分布階段，受力形式發生變化，各特征點初期的塑性應變變化明顯高于后續循環的。隨著循環次數的不斷增加，內部結構應變趨于穩定，塑性應變趨于平穩增加的趨勢。

圖13所示為在循環荷載幅值為150 kN的條件下，當循環次數為1.65×105時，盾構隧道內部結構的塑性應變的分布云圖。由圖可知，由于混凝土材料具有抗壓性較強的特性，因此塑性應變分布趨勢與拉致損傷分布趨勢較相似，同時，塑性應變集中在拉致損傷發生區域和壓致損傷較大區域。

4? 結論

本文中利用ABAQUS軟件和混凝土塑性損傷模型，對不同循環荷載作用下公軌合建盾構隧道內部結構損傷分布特征和發展規律進行研究，得到以下主要結論：

1）公軌合建盾構隧道內部結構的拉致損傷主要集中在邊跨區域和預制箱涵中部區域，壓致損傷主要集中在中跨區域和預制箱涵支座區域，預制箱涵發生較大拉、壓致損傷，隨著長時間服役，易出現混凝土開裂等工程病害，對隧道安全和正常使用產生不利影響。

2）隨著循環次數的增加，拉致損傷由邊跨區域和預制箱涵中部向四周逐漸擴大；壓致損傷主要在中跨區域和預制箱涵支座區域發展，距離荷載作用位置較遠處的弧形現澆結構、隧道管片和預制車道板在循環荷載幅值較小的情況下未發生拉、壓致損傷。

3）內部結構在循環荷載作用下的塑性應變集中在損傷量較大的區域，同時塑性應變在初始階段明顯增大，隨著循環次數的增加，進入緩慢增長階段。

4）在循環荷載作用下，盾構隧道內部結構中的預制箱涵中部和混凝土現澆處出現相對較大的拉、壓致損傷，對應產生的塑性應變相對較大，在設計時應注意材料和連接的選取，在運營期內應加強防護。

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（責任編輯：王? 耘）