新型地铁带齿预埋槽道在盾构隧道中的仿真研究

刘雅林，于国军，王凌云，朱少杰，吕 伟

(1. 江苏大学 土木工程与力学学院，江苏 镇江 212013；2. 河南经纬电力科技股份有限公司，河南 郑州 451464)

近年来，我国各大城市全面发展隧道工程及地下工程建设，使得预埋槽道技术被广泛应用。接触网是保证地铁正常运行的关键，因此施工单位对接触网在隧道内的安装要求较苛刻。传统工艺在安装接触网时，直接在管片打孔，然后钻入膨胀螺栓或化学螺栓，这种安装方式既对管片结构造成较大损伤，又降低了管片的使用质量，增加工人的施工难度[1-2]。而盾构管片预埋槽道技术的引进不仅保证隧道结构的完整性，改善施工作业环境，提高各种设备管线的安装效率，还大幅降低了工程总体建设及运营成本[3]。

国内许多学者致力于预埋槽道的研究。顾云凡等[4]采用理论计算、有限元分析与实验相结合的手段，对3种不同型号的哈芬槽进行对比分析。杜峰[5]根据深圳地铁9号线预埋槽道使用情况，通过理论计算与数值模拟，研究该工程预埋槽道的力学性能。孙希波[6]以北京地铁7号线工程为例，对不同工况下的预埋槽道进行受力分析。以上研究均提出预埋槽道技术可取代后置锚栓应用于盾构隧道管片内，但是忽略了实际工程的需求，槽道与锚杆焊接固定，在槽道损坏的情况下难以维护和更换。

为了解决槽道不可更换的问题，有学者设计了新型的可更换预埋槽道型式。王军[7]设计了可拆卸预埋槽道，将螺栓帽设置于管片中，利用螺纹原理，安装柱穿过槽道与螺栓帽连接固定，槽道在使用过程中若发生锈蚀时方便拆卸、更换。徐公科等[8]设计了一种可更换式预埋固定装置，槽道内开设安装孔，将连接螺栓拧入相对应的安装孔内，利用螺母实现预埋槽道与锚杆的连接，需要更换预埋槽道时，仅将螺母拆下即可进行预埋槽道更换。

本文中根据某地铁工程预埋槽道拉伸、剪切载荷不小于30 kN的荷载信息，采用有限元软件ABAQUS，对现有规格型号分别WH30/20、WH38/23、WH40/22、WH50/25、WH53/34、WH64/44的6种新型地铁带齿预埋槽道进行仿真，分析轴拉、剪切静力荷载作用下的预埋锚杆、锁紧螺杆、槽道、T型螺栓、混凝土的应力情况。

1 有限元仿真模型

作为工程中常用的有限元仿真分析软件，ABAQUS软件具备极全面的材料模型库，可应用于不同工程材料的力学性能分析。运用有限元软件ABAQUS，用户可自行设定结构尺寸、材料特性、边界条件和荷载工况等，通过选择合适的增量步和收敛准则，可以进行各种复杂的高度非线性分析[9]。本文中采用通用的有限元软件ABAQUS模拟新型地铁带齿预埋槽道的各种工况。

1.1 新型地铁带齿预埋槽道结构型式

新型地铁带齿槽道的材质型号为Q355B；预埋锚杆和锁紧螺杆的材质型号均为316L；T型螺栓的材质型号为20Cr，强度等级为8.8，规格型号为M12、M16、M20。预埋槽道截面如图1所示。6种新型地铁带齿槽道尺寸如表1所示。

W—槽道宽度；H—槽道高度；D—槽道壁厚度；C—槽口宽度；F—槽口厚度。图1 新型地铁带齿预埋槽道截面

表1 6种新型地铁带齿槽道尺寸 mm

1.2 新型地铁带齿预埋槽道仿真模型

1)材料定义。新型地铁带齿预埋槽道模型由外部混凝土、预埋锚杆、锁紧螺杆、槽道、T型螺栓5个部分构成，有限元模型如图2所示，其中深红色表示混凝土，白色表示槽道，蓝色表示T型螺栓，绿色表示预埋锚杆，黄色表示锁紧螺杆。混凝土采用ABAQUS软件中的塑性损伤模型进行定义。根据国家标准GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》附录C[10]中应力-应变关系曲线，定义该模型采用的强度等级为C50的混凝土单轴受压受拉本构关系，并输入相关的应力、塑性应变和损伤因子等参数。其余相关参数见表2。

(a)整体剖面

表2 混凝土的物理和力学性能参数

钢材采用双线型弹塑性模型，预埋锚杆、锁紧螺杆屈服强度为269.17 MPa，抗拉强度为603.5 MPa[11]；T型螺栓屈服强度为640 MPa；槽道屈服强度为355 MPa。其余相关参数[12]见表3。

表3 钢材的物理和力学性能参数

2)接触定义。预埋锚杆与混凝土的接触部分设置面与面接触对，接触面之间产生的相对位移可采用有限滑移公式描述；接触属性中的法向行为采用硬接触表达，切向行为采用允许弹性滑移的罚摩擦公式表达[13]。槽道与混凝土的接触部分同样设置面与面接触对；但是由于槽道表面是光滑的，因此设置接触属性时不考虑摩擦。

3)边界条件。根据行业标准TB/T 3329—2013《电气化铁路接触网隧道内预埋槽道》[14]，预埋锚杆间距取为200 mm，混凝土总长度取为400 mm，在轴拉荷载下约束混凝土下底面3个方向位移，在剪切荷载下约束混凝土上、下侧表面3个方向位移。

4)加载方式。将集中力30 kN转化为面荷载，施加在T型螺栓上，进行预埋槽道轴拉、纵向剪切、横向剪切荷载作用下的有限元仿真分析。

2 数值模拟

基于WH30/20、WH38/23、WH40/22、WH50/25、WH53/34、WH64/44型这6种预埋槽道进行有限元仿真，分析在30 kN轴拉以及纵、横向剪切荷载单独或共同作用下，各种工况(见表4)的预埋锚杆、锁紧螺杆、槽道、混凝土与T型螺栓的力学性能[15]。本文中仅列出工况9时WH40/22型预埋槽道纵向剪切荷载下的有限元仿真结果，如图3所示，其他各工况下预埋槽道应力值如表5所示。

表4 6种新型地铁带齿预埋槽道仿真工况

表5 预埋槽道各工况下的应力 MPa

3 结果与分析

由表5中预埋槽道各工况下的应力情况，可以得到以下结论：

1)当轴拉荷载为30 kN时，各型号槽道应力均较大；应力主要集中在锁紧螺杆及T型螺栓处，槽道变形为整体受拉弯曲及底部的卷边外张。混凝土底部受拉，与预埋锚杆翼缘接触面受压。随着槽道规格尺寸的增大，预埋锚杆、锁紧螺杆及槽道应力逐渐减小，同时混凝土最大压应力也逐渐减小，最大拉应力略减小，但变化不大。WH30/20型槽道应力和混凝土最大压应力均远大于限值，发生明显破坏。WH38/23、WH40/22、WH50/25、WH53/34型槽道均进入塑性阶段，WH64/44型预埋槽道部件均未破坏。

2)当纵向剪切荷载为30 kN时，预埋锚杆周围混凝土受压。随着槽道规格尺寸的变大，锁紧螺杆应力和各槽道应力显著减小，但WH64/44型槽道应力略有增大；混凝土压应力逐渐减小，但WH64/44型预埋槽道的混凝土压应力略有增大，以上工况下仅WH30/20、WH40/22型预埋槽道的混凝土压应力超限，其余型号均未发生受压破坏。

3)当横向剪切荷载为30 kN时，混凝土为最不利构件，槽道口顶部压应力较大，出现压缩损伤及裂缝，WH38/23、WH53/34、WH64/44型预埋槽道的混凝土最大拉应力均超过限值，发生受拉破坏，WH30/20、WH38/23、WH50/25型预埋槽道的混凝土压应力均远大于限值，发生受压破坏。

4)在轴拉及纵、横向剪切荷载30 kN共同作用下，预埋槽道部件的应力均大于单向受力，其中WH64/44型预埋槽道的混凝土拉应力大于限值，其余构件应力均小于限值，而其他型号的槽道应力和混凝土最大压应力远大于限值，发生明显破坏。

为了解决6种型号预埋槽道在轴拉、剪切静力荷载作用下，预埋槽道部件发生的塑性变形，提出不同的优化建议改善预埋槽道整体力学性能：对于WH30/20、WH38/23型预埋槽道，可通过减小锁紧螺杆直径、增设垫片，调整预埋锚杆翼缘的厚度与直径，以及提高槽道的材料强度，实现降低混凝土最大拉应力、最大压应力和槽道应力的效果；对于WH40/22、WH50/25、WH53/34型预埋槽道，可通过增加预埋锚杆翼缘的厚度，提高槽道的材料强度，减小混凝土压应力，使槽道不发生屈服；对于WH64/44型预埋槽道，可通过缩减锁紧螺杆的直径，增加翼缘厚度，同时，T型螺栓处增设垫片，达到减小混凝土最大拉应力的目的。

4 结论

当轴拉荷载为30 kN时，仅WH64/44型槽道应力小于限值，其余型号的均大于限值；仅WH30/20型预埋槽道的混凝土压应力大于限值，其余型号的均小于限值；在30 kN横向剪切荷载，以及30 kN轴拉与纵、横向剪切荷载共同作用下，6种型号预埋槽道应力均超过限值。可以通过改变翼缘直径和厚度减小混凝土的最大拉应力与最大压应力，调整螺杆直径和增设垫片改善槽道的受力性能。本文中通过对6种型号预埋槽道全面的力学性能评价，为今后新型地铁带齿预埋槽道结构的优化提供了依据，从而可以满足实际工程的设计、使用要求。