隧道全預制拼裝中拼裝結構構件動力加載數值分析

摘要 隧道全預制拼裝結構構件動荷載會對地下施工速度造成影響，研究中對閉腔設置和構件接頭中底板和頂拱位置的動力性能進行了深入分析，總結了其中的變化規律與特征。研究結果表明，閉腔結構的加入對底板構件與頂拱構件的動荷載限值造成了影響，且會影響底板構件與頂拱構件的模態頻率；閉腔結構不會影響底板構件的接頭變形。構件接頭設置中單榫或雙榫接頭底板構件形式對模態頻率的影響差別不大，其中上側接頭豎向撓度值為10 mm，下側接頭豎向撓度值為15 mm；接頭剛性中無論是否設置銷棒對頂拱構件模態頻率影響并不明顯，頂拱結構中動荷載限值作用下，設置銷棒的接縫撓度與偏轉量，與未設置銷棒結構的模型并不存在明顯差異。

關鍵詞 地鐵隧道；全預制拼裝；拼裝結構；動力加載數值

中圖分類號 U231.3文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）02-0069-03

0 引言

經濟高質量發展階段，我國城市化進程不斷加速，地鐵隧道的建設需求將進一步擴大。為了保障地鐵隧道建設的安全，地鐵隧道工程正在探索采用預制化技術。預制化技術具有標準化水平高、構件質量穩定、適應性較強、符合綠色施工理念等優勢，目前在盾構隧道中應用較多，然而在地鐵隧道中的應用并未普及，主要原因在于對不同荷載作用下的預制裝配式鋼筋混凝土結構的變形與破壞規律研究不足[1]。鑒于此，該研究分析了隧道全預制拼裝中拼裝結構構件動力加載數值，以了解不同荷載作用對隧道工程中預制裝配式鋼筋混凝土結構的變形與破壞影響。

1 隧道全預制拼裝技術

隧道全預制拼裝技術是一種利用現代化生產工藝，將隧道構件在工廠進行預制和加工，然后在工地進行拼裝安裝的技術。這項技術包括預制混凝土隧道襯砌、隧道拱頂板、隧道地基板等構件的生產和加工，然后通過運輸設備將這些構件運輸到現場，最后進行組裝和安裝。這種技術使得隧道施工變得更加標準化、規范化，減少了現場施工的復雜性和不確定性，提高了施工質量和安全性。隧道全預制拼裝技術具有諸多優勢和特點：

（1）可以大幅縮短施工周期，因為在工廠預制階段和現場拼裝階段可以同時進行，從而節約了大量的施工時間。

（2）可以降低施工成本，因為預制構件的制造成本通常比現場施工要低，而且通過優化設計和生產工藝還可以減少材料浪費，提高資源利用率。

（3）可以減少對施工現場的影響，降低施工對周邊環境的破壞，從而減少對周邊居民的影響，提升了工程的社會效益。

2 閉腔設置對構件動力性能的影響

2.1 底板構件動力性能分析

已有研究實踐表明，對閉腔結構進行優化，雖然無法直接降低結構整體與分塊的承載性能，卻可以有效降低車站結構自重，從而減輕動力作用對結構造成的慣性力作用[2]。首先，構建車站底板閉腔構件模型。采用動力增大系數（DIF）分析混凝土本構關系，具體分為混凝土材料在某方向的應變率＜30以及≥30兩種情況，受壓與受拉時的DIF計算表達式分別如下：

（1）

（2）

式中，fc、ft——受壓與受拉時的動力抗壓強度；fcs、fts——受壓與受拉時的靜態應變率下的靜態抗壓強度。

則可求得不同應變率下的DIF，當應變率分別為0.000 003、0.003與0.3時，求得的受壓時的動力抗壓強度分別為31.96 MPa、39.37 MPa、46.27 MPa以及DIF分別為0.94、1.18與1.38，而受拉時的動力抗壓強度分別為3.11 MPa、3.51 MPa、4.01 MPa以及DIF分別為1、1.13、1.24，并作為模型輸入參數。

考慮鋼筋應變率不會明顯影響鋼筋結構的極限強度，因此采用靜力模型下的鋼筋材料參數，具體取值可見表1。

考慮拼裝結構的外表面受到土層約束的影響，因此將土體約束與支撐視作豎直的土柱，并用獨立彈簧進行替代，基床系數的取值如下：新填土3 000 kN/m3、軟塑黏土13 000 kN/m3、中性黏土36 000 kN/m3、硬黏土80 000 kN/m3、泥沙礫135 000 kN/m3。結合工程實際情況，最終選取的彈性約束參考值為新填土對應的基床系數，即3 000 kN/m3。

動力加載模型中動力荷載的構造表達式如下：

α=∑iAsin（2πfit） （3）

式中，α——加速度值（m/s2）；A——振幅，取值

0.05 m/s2；fi——荷載振動頻率，采用線性攝動求解器進行頻率求解，提取自由結構前10階模態，因為前5階模態頻率均未超過250 Hz，因此設定fi值不大于250 Hz；t——荷載時長，設定為4.5 s。

采用動力顯式求解器進行求解，最終計算得到的總時長為5 s，具體時間步長的取值表達式如下：

（4）

式中，lmin——模型劃分單元的最小尺寸值，取值為40 mm；cd——應力波波速，取值為4 500 m·s?1。

對比實心結構與閉腔結構的模態頻率可知，實心結構的模態頻率相對較低，且該數值隨著階數的增長而變大。閉腔結構與實心結構下的底板構件動荷載限值分別為0.9 g與0.7 g，且二者保持相同的塑性區發展規律[3]。0.7 g荷載加載狀態下，2.2 s后接頭接縫出現明顯變形，其中上側接縫的變形量約為?1.15 mm，下側變形量約為1.14 mm，實心底板的接縫變形量整體小于閉腔結構，然而二者值相差較小。由此可知，混凝土結構出現失效現象時，底板構件接頭接縫兩側的變形量均在0以上，表明均處于受拉狀態。在豎向撓度方面，左側豎向撓度值約為?2.6 mm，右側約為?7.8 mm[4]。

2.2 頂拱構件動力性能分析

隧道采用雙榫注漿式車站頂拱閉腔結構，根據實際隧道的頂部結構尺寸、閉腔尺寸與配筋進行建模，得到的隧道頂拱閉腔結構模型如圖1所示。

相關材料參數取值以及相互作用均按照底板構件的流程進行設置，在頂拱的外表面連接好接地彈簧，將頂拱結構分為接頭、拱肩、拱腳三個部分，并分別設定好對應的連接彈簧屬性，以滿足彈簧安置要求以及設定的基礎系數值，并按照圖2設置好隧道頂拱結構約束條件（見圖2）。

計算得到頂拱構件的前10階模態頻率分別為17.12 Hz、22.35 Hz、49.49 Hz、51.56 Hz、86.60 Hz、94.91 Hz、135.37 Hz、149.05 Hz、194.02 Hz、201.44 Hz。

動力荷載和時間步長取值的計算方式與底板構件相同，計算得到隧道頂拱閉腔構件模型的混凝土失效限值為0.85 g動力荷載作用，此時呈現出的結構變形如下：加載1.6 s以后，接頭與拱肩的連接處率先出現了塑性區，2.9 s時直接拓展到了拱腳處，3.1～3.2 s則拓展為整個結構，各部分損傷變量SDEG值均接近于1，說明混凝土結構已經失效。此時，變形最為嚴重的區域為兩側的拱腳區域，出現了超過40 mm的位移量。在接縫變形量方面，0.85 g動力荷載作用力下，接頭兩側的整體變形量值未超過1 mm，上側變形量約為0.5 mm，下側變形量約為

0.3 mm。然而，在豎向撓度方面，0.85 g動力荷載作用導致頂拱構件的結構出現了較大的豎向位移，豎向撓度值已經達到了?6.58 mm，且隨著荷載的增大，豎向撓度值越大，動荷載作用下的撓度波動范圍也隨之變大。

2.3 接頭剛性對頂拱構件的動力性能影響

地下隧道全預制拼裝結構中需對車站頂拱中接頭剛性進行測試分析，車站頂拱構件動力性能分析中，構建了雙榫注漿式車站頂拱構件模型，該模型為提高接頭處的抗彎剛度，使用了銷棒進行接頭增強，該模型中接頭處銷棒的使用安裝情況如圖3所示。

該次研究中對地下隧道車站頂拱有無銷棒使用的模態頻率進行了對比分析，其結果如表2所示。

由表2可知，在地下隧道車站頂拱中是否使用銷棒對各階模態頻率的影響差異較小，其中頻率差異仍然保持在3.3 Hz以內。

隧道頂拱預制構件中對使用銷棒的模型進行了計算分析：仍然需要根據動荷載限值情況，計算頂拱接頭位置的變形量。該次研究中主要對接頭變形量中的張開量、豎向撓度和偏轉量進行計算分析。

其一，接頭變形量。地下隧道車站頂拱的接縫張開量在0.7 g、0.8 g、0.9 g荷載作用下的接縫變形概況較小，基本維持在0.6 mm以內。計算中發現，在0.9 g荷載下，接縫上下兩側均受到拉力，此時頂拱接頭處的受拉張開量為0.25 mm。在0.8 g荷載下，接縫下側會受到上側的壓力，測試的變形量分別為0.4 mm和0.3 mm。

其二，接縫豎向撓度。該次研究中在0.7 g、0.8 g、0.9 g荷載作用下對銷棒結構接縫豎向撓度進行了對比分析，測試中發現在0.7 g荷載作用下接縫處的振動幅度較小，并未觀測到明顯的變形。在0.8 g荷載作用下，頂拱接縫處先向上變化，此時接頭接縫處出現了16.01 mm的縫隙，該結果表明頂拱接頭處出現了明顯的波動。該結果表明，較大荷載幅值波動范圍要大于較小荷載幅值波動范圍，但在此情況下較大荷載作用下的豎向撓度明顯小于較低的荷載結果。

其三，接縫偏轉量。該次研究中在0.7 g、0.8 g、0.9 g荷載作用下，對地下隧道頂拱銷棒結構的接縫偏轉情況進行測試分析。其中，在0.7 g荷載作用下，頂拱接縫處并未出現較為明顯的偏轉情況，結果表明，在該荷載作用下頂拱銷棒結果具有較好的穩定性。在0.8 g荷載作用下，接縫偏轉量出現了“先較大，后降低，之后再次提升，并最終降低”的變化結果，該結果表明在該荷載作用下頂拱銷棒結構的穩定性較差，接縫偏轉量出現了明顯的變化，此時的接縫偏轉量分別為?2.32 mm、3.93 mm、1.77 mm。在0.9 g荷載作用下，接縫偏轉量出現了兩個明顯峰值，并最終趨于穩定，其偏轉量結果分別為2.45 mm、?3.29 mm和0.95 mm。測試中發現，雖然頂拱接縫處在0.8 g和0.9 g荷載作用上的變化趨勢基本相同，但0.9 g荷載作用下接頭變化為先順時針后逆時針，而在0.8 g荷載作用下接頭偏轉變化趨勢為先逆時針后順時針，但通過測試發現不同荷載作用下第二峰值的偏轉量明顯高于第一峰值的偏轉量。

通過測試發現，在雙榫結構下地下隧道車站頂拱構件的接頭剛度在有銷棒條件下，其動荷載限值為0.8 g，而無銷棒結構下其動荷載限值為0.85 g。通過觀察發現，動荷載限值條件下，模型結構中無銷棒結構接頭接縫位置的豎向撓度為?6.64 mm，而有銷棒結構的接頭接縫豎向撓度為?8.40 mm，無銷棒的明顯低于有銷棒的結構。該結果表明，在動荷載限值下，通過設置銷棒可減少頂拱接頭接縫處的偏轉量。

3 結語

該研究對隧道全預制拼裝的拼裝結構動力性能進行了研究，以車站底板構件與頂拱構件作為主要分析對象，考慮了在動力加載時混凝土材料可能面臨的應變率效應問題，從動荷載限值、失效變形情況兩個方面進行分析，得出主要結論如下：

（1）閉腔結構的加入確實使得隧道全預制拼裝結構的底板構件與頂拱構件的動荷載限值、底板構件的動荷載限值提高了0.2 g，頂拱構件的動荷載限值提高了0.1 g，且會影響底板構件與頂拱構件的模態頻率。

（2）閉腔結構的加入不會影響底板構件的接頭變形，然而會使頂拱構件的接縫出現明顯的豎向位移與偏轉，豎向撓度值達到了?6.58 mm。

（3）接頭剛性中無論是否設置銷棒對頂拱構件模態頻率影響并不明顯，測試發現有銷棒結構動荷載限值在0.8 g下，略微低于無銷棒結構動荷載限值0.85 g。頂拱結構中動荷載限值作用下，設置銷棒的接縫撓度與偏轉量，與未設置銷棒結構的模型并不存在明顯差異。

參考文獻

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收稿日期：2023-11-13

作者簡介：陳金生（1989—），男，本科，工程師，研究方向：大直徑盾構工程施工精度控制。