公軌合建盾構隧道內部結構與管片協同受力計算模型及其力學特性

中圖分類號：U452.2 文獻標志碼：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展[1]隧道內部結構的型式正日益多樣化。直徑大于 10m 的隧道稱為大直徑盾構隧道。據統計，截至2021年底，國內已修建118項大直徑盾構隧道工程[2]，其中較多的是公軌合建盾構隧道，如武漢三陽路長江隧道[3]、黃河隧道[4]等。大直徑盾構隧道在施工和運營過程中會出現收斂變形[5]、地質災害[6]、隧道上浮[7和抗震[8]等諸多問題。

根據施工方案的不同，公軌合建盾構隧道內部結構分為全現澆、全預制、預制與現澆相結合3種類型。盾構隧道內部結構顯著的特點為內力大、構件小、配筋大[9]，一般單獨設計和計算。內部結構與管片的連接方式在設計中考慮較少，但是連接接頭是整個盾構隧道結構中較薄弱部位，連接方式和接頭剛度等影響整個盾構隧道結構的內力分布、防水性能、抗震性能和整體穩定性[10]。諸多學者對公軌合建盾構隧道的內部結構開展了研究，主要以內部結構型式的研究居多。楊繼范」針對某越江隧道的雙層設計結構，創造性地提出通過采用帶預制牛腿的管片和上層預制混凝土道路板的方案，解決了上下層同時施工的要求，可高速、優質地完成隧道內部結構的施工。郝曉玲[12]依托上海市北京西路—華夏西路電力電纜隧道，采用預制裝配構件，并使用自行研制的專用多功能臺車，可實現預制構件在隧道內的快速施工，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隧道工程，提出2類盾構隧道車道結構預制化設計方案，深入討論了預制結構的施工速度與靈活性，結果表明，相對于現澆結構，預制結構的施工速度和靈活性較優。唐飛等[14依托武漢三陽路長江隧道工程，對比了盾構隧道內部車道結構和煙道板結構在全現澆、全預制、中間箱涵預制3種方案下的力學性能、防水性能及工程造價優、缺點，推薦內部結構采用現澆結構，煙道板采用預制結構。劉念等[15]提出預制構件接頭連接的方案，并對比了預制化接頭形式，大幅提高了隧道內部預制化程度。宋麗妹等[16-17]通過探討軟土地區盾構隧道預制拼裝方案和施工工藝，得出全預制拼裝技術是一種先進的隧道建設新思路和方法的結論。

內部結構對隧道管片的力學性能產生一定的影響，內部結構有承載作用，但是應力集中現象也會發生[18-20]。雖然關于內部結構型式的研究較多，但是考慮內部結構與管片協同受力的研究較少。鑒于此，本文中采用ABAQUS軟件建立6種公軌合建盾構隧道計算模型，分析汽車、列車荷載作用下公軌合建盾構隧道內部結構與管片的協同受力性能。

1計算模型建立

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

考慮內部結構與管片的連接方式，同時考慮預制箱涵與預制車道板的連接，建立6種公軌合建盾構隧道計算模型，即單管片、單內部結構、內部結構與管片固接、內部結構與管片單鉸接、內部結構與管片雙鉸接、接頭剛度折減計算模型，分別編號為模型 1，2，…，6 。在模型6中，根據施工工藝和連接方式折減接頭區一定范圍內混凝土剛度：如果接頭采用搭接、簡支等簡單連接，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的折減系數為0.3＼～0.9。6種計算模型簡圖如圖3所示。

1）模型4（內部結構與管片單鉸接計算模型）（e）模型5（內部結構與管片雙鉸接計算模型）（f）模型6（接頭剛度折減計算模型）

xyz—笛卡兒坐標系。

2 計算模型參數設置

在公軌合建盾構隧道計算模型中，采用梁單元模擬管片、預制箱涵和預制車道板，管片周圍設置彈簧單元以實現與土層的相互作用。彈簧的一端與管片的梁單元連接在一起，另一端為固定約束，通過修改計算模型中的關鍵字使彈簧單元僅能承受壓力而不承受拉力。采用莫爾-庫侖模型模擬周圍土層，力學參數如表1所示。隧道管片與內部結構的力學參數如表2所示。

內部結構上的荷載主要為汽車、列車荷載。根據我國行業標準JTGD60—2015《公路橋涵設計通用規范》[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、底部側向水平荷載。

3 內部結構與管片協同受力性能

3.1 彎矩

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

3.2 剪力與軸力

不同計算模型的剪力分布云圖如圖7所示。從圖中可以看出，相對于模型2，當選用模型3、4、5、6，即考慮管片與內部結構的協同作用時，剪力的分布在管片與內部結構連接處、支座處、跨中處等位置出現較大差異。提取箱涵跨中、支座以及車道板跨中、支座等關鍵截面處的剪力與軸力，結果如表4、5所示。由表4、5可知：相對于模型3、4、5、6，利用模型2時計算所得內部結構的剪力與軸力較??；內部結構與管片協同變形，內部結構不僅受到汽車、列車荷載作用，還受到管片傳遞的作用力，導致內部結構的內力重新分布。

① 模型2為單內部結構計算模型。 ② 模型3為內部結構與管片固接計算模型。 ③ 模型4為內部結構與管片單鉸接計算模型。 ④ 模型5為勺部結構與管片雙鉸接計算模型。 ⑤ 模型6為接頭剛度折減計算模型。

3.3 內部結構對管片內力的影響

設計管片時一般只考慮土體壓力荷載作用，常忽略內部結構對管片的影響。以模型3、4、5、6這4種內部結構與管片協同受力計算模型中的模型4為例，由內部結構自重及汽車、列車荷載引起的管片的附加內力云圖如圖8所示。從圖中可以看出，內部結構對管片內力的影響主要位于公軌合建盾構隧道拱頂、拱底和拱腰。采用不同計算模型計算時，管片的附加內力如表6所示。由表可知：在不同計算模型條件下，由內部結構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。內部結構與管片協同受力計算模型按照連接方式對管片拱腰負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 應變

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

4結論

本文中針對含有內部結構的公軌合建盾構隧道，采用ABAQUS軟件建立6種計算模型，對比了不同連接方式和接頭剛度對管片和內部結構內力的影響，得出以下主要結論：

1）利用模型2計算所得的彎矩、剪力、軸力最小。內部結構與管片的不同連接方式對結構的內力分配影響較大，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，跨中的彎矩則相應變大。利用模型4、5計算所得的彎矩最大，最大值位于箱涵跨中。

2）作用于內部結構的汽車、列車荷載除了引起內部結構的內力變化之外，也對管片產生附加彎矩，內部結構與管片協同受力計算模型按照連接方式對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 ，附加負彎矩為 -770.5～-798.6kN?m 。3）內部結構與管片協同受力計算模型按照土體壓力荷載及汽車、列車荷載作用下的應變由大到小的順序依次為模型4、5、6，模型3、6的應變接近。

4）6種計算模型適用于不同的隧道結構，應根據施工工藝和連接方式選擇計算模型。對于全現澆型內部結構，可選用模型3或模型4；對于預制與現澆相結合的內部結構型式，更宜選用模型6。

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（責任編輯：王 耘）