城区高速铁路盾构隧道轨下预制装配式箱涵结构受力分析

2019-10-18王志伟马伟斌张胜龙王子洪

铁道建筑 2019年9期

王志伟，马伟斌，郑青，张胜龙，王子洪

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.北京市政建设集团有限责任公司，北京 100089）

预制装配式结构是将混凝土预制构件经装配连接组成受力结构，具有标准化设计、工厂化生产、装配式施工、一体化实施、智能化管理、产业化经营和专业化协同的特点，近年来在工业与民用建筑领域应用广泛。这种结构在国内外的隧道与地下工程中已有较多应用案例，如荷兰鹿特丹“壳式装配式”结构地铁车站、日本仙台“双跨箱型”结构地铁车站、前苏联“整体管段”结构隧道［1］，我国的秦岭Ⅰ线隧道［2］（单线铁路隧道）、大连地铁袁家店站［3］（明挖地铁车站）、南京纬三路过江隧道［4-5］（公路隧道）。

当前国内虽然对地铁车站装配式结构有了一定的研究［6-12］，但对铁路隧道预制装配式衬砌结构和轨下填充结构的研究尚处于起步阶段。从国内外已有的工程实例来看，隧道结构预制化技术的发展中存在5 个关键问题：构件标准化；预制结构形式的选择及构件的合理划分；接头防水技术的合理设计；构件的制作与安装；拼装过程中结构的力学特性。本文主要针对预制结构受力进行分析。

1 轨下预制装配式结构概述

京张高速铁路清华园隧道是国内第一座采用轨下预制装配式工艺的高速铁路隧道（见图1），位于北京市海淀区的核心区，穿越7 条主要市政道路，3 条地铁线，70 余条市政管线。该隧道周围建（构）筑物复杂，是穿越地层复杂、穿越重要建（构）筑物多的高速铁路单洞双线大直径盾构高风险隧道之一。

图1 京张高速铁路清华园站地理位置示意

清华园隧道为京张高速铁路重点控制性工程，隧道轨下结构中部沿轴线设置贯通全隧的救援通道，两侧分别设置风道及设备管道。每隔100 m 设置1 处疏散楼梯。

轨下预制装配式结构由中箱涵、两侧边箱涵3 部分预制件组成，见图2。在标准段和疏散楼梯段中箱涵的形式不同。各预制件间采用螺栓连接。为找平中箱涵及侧板顶部的拼装误差并加强结构的整体性，轨下预制装配式结构与轨道板间设置厚15 cm 的C40钢筋混凝土加强板。

为确保轨下预制装配式结构管片间无相对滑移，每块边箱涵及中箱涵底部分别利用注浆孔设置4 根M24 膨胀螺栓。为解决盾构管片拼装存在的错台、不平整等问题，于边箱涵外侧螺栓孔处设置厚12 mm 橡胶垫进行调整，中箱涵利用侧腿下方的厚12 mm 减震橡胶垫进行调整。预制装配式结构与管片之间的空隙以M10砂浆充填。

图2 标准段轨下结构断面

2 结构动静力计算

2.1 抗滑移分析

采用FLAC 3D 软件建立数值计算模型，见图3。模型水平方向以隧道中线为x轴线向两侧取8 倍开挖宽度，竖直方向（z轴）从隧道中心向下30 m 为底部边界。轨下结构及管片采用C40混凝土。不考虑预制结构与管片间螺栓连接，采用接触面模型模拟预制构件与管片间的间隙。

图3 数值计算模型

因为分析的重点是列车荷载作用下预制结构与管片间是否发生滑移，因此能反映接触面自身抗滑移的物理力学参数取值较小，同时假设岩（土）体为绝对刚性，管片与之连接为刚性连接。轨下结构及接触面参数取值见表1。

表1 轨下结构及接触面参数取值

取列车荷载峰值160 kN 作为均布荷载作用在轨道板上，轨道板宽度2.8 m，荷载如图4所示。计算步骤如图5所示，位移监测点布置如图6所示。

图4 荷载示意

图5 抗滑移计算步骤

图6 位移监测点布置

各测点位移见表2。竖向位移向下为正，水平位移向右为正。可以看出：1#，2#，4#，5#，6#测点发生沉降，道床上部沉降较大，下部沉降较小；3#，7#，8#测点发生上浮，道床上部上浮较大，道床下部上浮较小；除2#，3#测点向左水平位移外，其他测点均向右水平位移。

表2 各测点位移 μm

模型道床最大竖向应力为0.42 MPa，远小于材料极限抗压强度。

采用 FLAC 3D 内置的 solve fos include interface 模块进行安全系数分析。此处安全系数的定义为接触面达到临界破坏状态时，对接触面抗剪强度的折减程度，即安全系数为实际抗剪强度与临界破坏时折减后剪切强度之比。

轨下预制装配式箱涵结构和管片的接触面位移云图见图7。可知：荷载作用下轨下预制装配式结构和管片的接触面没有发生错动，始终接触在一起，预制装配式结构只有沿法向向下嵌入管片的运动。经计算安全系数为16.03，满足安全要求。

图7 接触面位移云图

2.2 动力响应分析

对结构施加列车动力荷载，在2.1 节数值计算模型基础上进行计算，列车荷载依据文献［13］中荷载谱施加，列车时速为300 km。选取7 个观测点（如图8所示），分析其动力响应。动力响应评价标准参照文献［14］，衬砌结构的振动变形限值取9 mm，加速度限值取10.2 m/s²，结构的拉、压主应力限值分别取1.75，12.93 MPa。

图8 动力响应监测点布置

图9为各测点的动力响应对比。可知：最大竖向位移、最大竖向动应力及最大竖向加速度分别为0.036 mm，64.2 kPa，0.84 m/s2，各测点的动力响应均满足安全行车要求。

图9 各测点的动力响应对比

图10 抗震数值计算模型局部放大图

图11 MIDAS NX地震波输入界面

2.3 地震响应分析

采用MIDAS NX 软件建立数值计算模型（见图10），参数和2.1 节相同，隧址区地震动峰值加速度为0.20g，抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第Ⅰ组。出于对隧道安全的考虑，将汶川地震中成都观测站前20 s 地震波输入数值计算软件（见图11），采用反应位移法进行分析。值得说明的是，反应位移法需要确定土体相对位移、土体弹簧刚度、土层剪力与结构惯性力［15-16］，在计算过程中 MIDAS NX 中的动力分析模块可计算这4个参数。

图12为隧道结构位移和应力云图。可知：①水平位移、竖向位移的最大值分别为4.71 mm（出现在隧道边墙中部）、4.67 mm（出现在隧底以下岩层中部）。水平方向最大直径变形率为0.000 52‰。②水平应力、竖向应力的最大值分别为9.828 MPa（出现在左右两侧预制箱涵中部，受压）、19.555 MPa（出现在隧道边墙中部，受压），均小于混凝土的极限抗拉、抗压强度。