预制装配式地下车站结构施工阶段力学行为分析

彭智勇， 杨秀仁, *， 黄美群， 林 放， 杨 明

(1. 北京城建设计发展集团股份有限公司， 北京 100037； 2. 城市轨道交通绿色与安全建造技术国家工程研究中心， 北京 100037)

0 引言

预制装配式地下车站结构通过构件装配、接头连接而成。与现浇连续结构相比，预制装配式这种多体非连续结构受力和变形更为复杂[1]，同时其复杂性也表现在预制装配式地下车站施工的全过程，每一阶段的施工对结构内力、变形都有着不同的影响，这种影响对预制装配式地下车站的结构设计与施工至关重要。因此，为确保装配式车站结构在施工过程中的安全与稳定，有必要展开预制装配式地下车站结构施工全过程力学行为研究，为预制装配式地下车站结构设计及施工提供参考。

从预制装配式地下车站施工全过程的角度看，目前针对明挖预制装配式地下车站结构施工方面的研究已有一些，例如： 文献[2]介绍了俄罗斯装配式地下车站的建造技术，重点关注其在施工建造过程中的实现； 王明年等[3]介绍了国外装配式车站的建造方案，并通过荷载-结构模型展开了二维结构计算分析；陈久恒[4]对国内首座预制装配式地下车站施工全过程的技术要点展开了讨论； 杨秀仁[5]基于长春地铁车站，从结构设计的角度，利用荷载-结构模型分析了预制装配式地下车站结构施工过程中的内力及变形规律。本文在此基础上，考虑围岩与结构的共同作用，利用ABAQUS有限元分析软件，建立三维精细化地层-结构模型，对预制装配式地下车站结构的施工全过程进行模拟，分析不同施工阶段结构的力学行为，以期研究结果为预制装配式地下车站的结构设计及施工提供指导。

1 工程背景

车站的主体结构为预制装配式结构，顶板埋深 4.5 m，底板埋深21.4 m，水位埋深为地下2.0 m，车站所在地层物理力学参数见表1。

表1 地层物理力学参数

构件混凝土强度等级为C50，构件间采用注浆式榫槽连接[6]，榫槽间隙用特殊连接材料充填，榫槽连接外部设置加力棒加强接头连接强度[6]。

预制装配式地下车站主要施工过程如表2所示。

2 模型建立

根据预制装配式地下结构施工过程，按地层-结构模型采用ABAQUS有限元软件建立三维数值计算分析模型，建立的计算模型如图1所示。装配式结构模型由A块、B1块、B2块、C1块、C2块、D块、E块7块构件以及中板、中柱等相关内部结构组成，构件内部设有空腔[7]；采用实体单元模拟接头接缝位置的5 mm注浆层。车站环宽2 m，模型整体尺寸X×Y×Z=150 m×70 m×2 m，最大单元尺寸0.5 m，最小单元尺寸5 mm，单元数1 650 183，节点数1 758 558，计算结果为环宽2 m的计算结果。

表2 预制装配式地下车站主要施工过程

(a) 装配式结构 (b) 地层-结构模型

(c) 各分块结构剖面图及接头接缝处注浆层(黄色)

模型假定条件： 1)未考虑结构与土体之间的接触关系，按共节点考虑； 2)未考虑结构纵向效应的影响，按单环考虑； 3)未考虑结构拼装误差和精度的影响； 4)未考虑加力棒的作用。

地层-结构模型中，地层土体单元采用摩尔-库仑模型[8]，参数根据车站地层参数取值；车站结构实体单元本构采用弹性模型，构件和中柱弹性模量按C50、中板按C40轴心抗压强度[9]取值，中板与侧墙、柱子与底板、中柱与中板之间的连接均为刚性连接； 接头间注浆层按实体单元模拟，注浆材料按弹性材料考虑，其强度值根据材料试验应力-应变曲线弹性阶段的斜率取值[10]；侧壁回填混凝土液态时弹性模量按1 Pa取值，固态时按C25取值。模型边界前后左右按仅约束法向水平位移、底部仅约束竖向位移设置。地层埋深根据实际设计埋深4.5 m取值，地下水位按照设计常水位2 m考虑。锚杆按杆单元模拟。

结构内力分析断面如图2所示。根据实际施工过程，主要模拟了拼装成环、侧壁回填、顶部回填、道床浇筑、中板施作、水位恢复和远期使用等7个主要施工阶段。

3 施工力学行为分析

3.1 施工过程中结构内力及变形结果分析

3.1.1 内力结果分析

通过计算分析可知： 从幅值和分布角度看，弯矩受结构施工影响比轴力、剪力更敏感。本文重点针对主要施工阶段的结构弯矩分布特点，展开施工力学行为分析。提取到的远期使用阶段局部断面弯矩如图3所示。

图2 结构内力分析断面

若箭头按右手法则沿Z轴正向旋转，则弯矩为正。

通过计算分析得到主要施工阶段各断面弯矩分布，结果如图4所示。主要施工阶段最大弯矩变化幅度统计见表3。

由图4可以看出： 1)在拼装成环阶段，由于只受到结构自重的影响，结构弯矩较小，最大值为1 263 kN·m； 2)在侧壁回填阶段，结构弯矩受到固化前液态混凝土填筑的影响，分布区域有所调整，但整体变化幅度不大，最大值为1 788 kN·m，较拼装成环阶段增加41.6%； 3)在顶部回填阶段，由于顶部竖向荷载的影响，拱顶弯矩有较大增长，此阶段结构弯矩最大值为5 945 kN·m，位于断面9(B1块，侧墙与底板交汇区域)，较前一阶段增加了232.5%； 4)在道床浇筑和中板施作阶段，结构弯矩变化幅度不明显，最大弯矩分别为5 669 kN·m和5 554 kN·m； 5)在水位恢复阶段，结构弯矩继续增大，最大值为5 982 kN·m，较前一阶段又增加了7.7%； 6)在远期使用阶段，结构弯矩变化不明显，弯矩最大值为5 984 kN·m。

图4 主要施工阶段各断面弯矩分布图

表3 主要施工阶段最大弯矩变化幅度统计

分析不同施工阶段弯矩变化可以看出，顶部回填对结构弯矩影响最大，水位恢复在顶部回填影响的基础上，使得结构弯矩又有进一步的增加。因此，水位恢复也是对结构内力影响的重要因素。

由表3可知： 1)从较前一阶段弯矩变化幅度来看，弯矩变化幅度最大阶段在顶部回填阶段； 2)从与拼装成环阶段对比的累积变化幅度来看，顶部回填阶段至远期使用阶段，弯矩增加幅度基本在349%～374%，可以看出，后续施工阶段结构的弯矩值主要继承了顶部回填阶段的施工力学影响。

分析施工全过程的弯矩变化可以发现： 1)在拼装成环阶段，弯矩分布较为平缓； 2)在侧壁回填阶段，结构弯矩开始在C块区域增大； 3)顶部回填后，使得结构弯矩在拱顶内侧、拱肩外侧、底板两端外侧呈现明显增大的情况； 4)道床浇筑和中板施作阶段对结构的内力影响不大； 5)当水位恢复时，结构特别是底板两端的弯矩有较大增加； 6)在远期使用阶段，结构弯矩无明显变化。

3.1.2 变形结果分析

通过提取模型拱脚和拱顶内侧位置的变形结果可以发现： 结构在施工过程中呈现顶拱向下、推动两侧墙C块向外扩的趋势，且每阶段各有不同。不同施工阶段结构变形情况如图5所示。

(a) 拱脚水平收敛

(b) 拱顶沉降

由图5分析可知：

1)侧壁回填阶段，由于液态混凝土的侧推作用以及顶拱暂未覆土，拱脚向外的水平收敛变形较小，为2.96 mm；拱顶沉降也相对较小，为7.04 mm。

2)当顶部覆土后，拱脚向外的相对水平收敛变形明显增大，为7.40 mm，拱顶沉降也增大到14.60 mm(满足竖向挠度小于l/400的要求[9]，其中l为结构跨度)，对结构变形影响明显。

3)道床浇筑和中板施作阶段的拱脚水平收敛和拱顶沉降受到顶部回填阶段的累积效应，对结构的实际变形影响不大。

4)水位恢复阶段，由于受到水压力握裹作用，拱脚水平收敛减小到6.76 mm，较前一阶段减小7.9%；拱顶沉降减小到11.86 mm，较前一阶段减小17.5%。因此此阶段对结构的变形影响较大。

5)远期使用阶段，锚杆失效，土压力逐渐作用到结构上，使得拱脚水平收敛进一步减小，但变化幅度不大；拱顶沉降也相应减小。此阶段属于水位恢复累积影响的延续，对结构的变形有影响但影响不大。

分析不同施工阶段结构变形结果可知： 1)顶部回填阶段对结构变形影响较大，顶部回填阶段较前一阶段拱脚水平收敛增加150%，拱顶沉降增加107%，是决定结构变形的主要阶段，因此拱顶上部荷载对装配式车站结构有重要影响； 2)水位恢复阶段和远期使用阶段可使结构的拱脚水平收敛变形和拱顶沉降减小，有利于结构变形调整。总体上可以看出，结构在各阶段的变形属于顶部回填阶段的累积影响。

3.2 施工阶段特殊节点受力分析

从施工阶段结构的弯矩变化可以发现，拼装成环阶段和侧壁回填阶段的弯矩分布异于其他阶段，虽然幅值比其他阶段小，但由于结构在此2阶段暂未完全与围护结构和地层发生约束关系，结构的稳定性能更需重点分析。

3.2.1 拱脚受力

经数值分析发现，拼装成环后侧壁未回填前，在自重条件下结构拱脚处分别产生了约447 kN和457 kN的水平推力，如图6所示。因此，有必要在此处设置拱脚支撑，以降低拱顶对结构变形及内力的影响。本文按设置丝杠和未设置丝杠分别建模分析拼装成环阶段结构的弯矩，结果如图7所示。

图6 自重状态下的拱脚推力(单位： N)

图7 拼装成环阶段设置丝杠与未设置丝杠时的结构弯矩

由图7可知，相比设置丝杠，未设置丝杠时拱顶和侧墙处的弯矩有明显增加，其中，拱顶弯矩由1 103 kN·m增大到2 184 kN·m，增大幅度为198%。可见丝杠对拼接成环阶段结构的调幅作用明显。

3.2.2 侧壁分层回填对结构变形的影响

侧壁回填阶段，填筑的混凝土会经历从流动状态到固态的转变过程。混凝土填筑到侧墙壁后时呈液态，会对结构产生水平推力。按侧壁回填1次完成和侧壁回填分4次完成(每次填筑待混凝土固化后再填筑下1层，分4次填筑)分析结构的变形，结果如表4所示。

表4 侧壁分层回填对结构变形的影响

表4中： 拱脚水平收敛为结构拱脚的水平变化量，正值代表结构拱脚水平相对变形在增大，负值代表结构拱脚水平相对变形在减小；拱顶沉降为结构拱顶的竖向变形，正值为拱顶沉降，负值为拱顶抬升。

按侧壁1次回填完成计算，结构拱脚水平收敛为1.23 mm，相对4次回填减小了141%；侧壁1次回填下结构拱顶沉降为2.06 mm，相对4次回填减小了71%。

通过分析数据可以看出： 在侧壁高度一定的情况下，侧壁1次回填时，填筑的流动状态的混凝土比分4次填筑的高度大，对侧壁产生的水平推力也大，因此使得结构侧壁向车站内部变形的趋势更明显，拱脚水平方向上有明显的向内变形；拱脚向内变形的同时使得拱顶有向上抬升的趋势，从而呈现出1次回填比4次回填拱顶沉降小的状态。

虽然1次回填较4次回填对结构的变形影响小，但由于此阶段拱顶无荷载作用，结构的水平内缩可能导致拱顶过度抬升，使得结构失稳。侧壁回填1次和4次浇筑方式下结构变形云图分别如图8和图9所示。从图8和图9可以看出，侧壁1次回填相对于4次回填拱顶有抬升趋势，严重影响施工安全，因此必须避免1次回填的情况，并应根据现场情况尽量多次分层回填。此处分层回填是指前一层固化后，再开始下一层的回填工作。

(a) 拱脚水平收敛

(b) 拱顶沉降

4 现场实测验证

为验证模型分析的可靠性，在长春地铁2号线捷达大路站点完成了预制装配式地下车站施工全过程现场测试，测试现场如图10所示。针对结构内力，主要在结构拱顶、拱肩、拱脚(D块、E块)、侧墙(C1块、C2块)和底板(A块、B1块、B2块)等关键断面的迎土侧、背土侧分别布置了混凝土应变计。在拼装成环阶段到道床浇筑阶段每h采集1次数据，道床浇筑后调整为每4 h采集1次。

(a) 拱脚水平收敛

(b) 拱顶沉降

图10 测试现场

在不同施工阶段，提取拱顶和拱脚关键截面迎土侧和背土侧的混凝土应变实测结果，与数值计算结果进行对比，如图11所示。

Ⅰ截面(对应数值模型24断面)位于结构拱顶，在施工过程中迎土侧受压，背土侧受拉，这一趋势与数值计算结果一致；同时，顶部回填阶段Ⅰ截面拉压应变均有明显增加，其中，拉应变增加266%，最大值为139με(微应变)，压应变增加104%，最大值为-149με；顶部回填阶段后的施工阶段截面应变基本无变化，变化趋势与同位置数值计算结果一致。

(a) Ⅰ截面迎土侧

(b) Ⅰ截面背土侧

(c) Ⅱ截面迎土侧

(d) Ⅱ截面背土侧

Ⅱ截面(对应数值模型31断面)位于结构拱脚，在施工过程中迎土侧受拉，背土侧受压，这一趋势与数值计算结果一致；同时，顶部回填阶段Ⅱ截面拉压应变均有明显增加，其中，拉应变增加38%，最大值为99με，压应变增加216%，最大值为-136με； 顶部回填阶段后的施工阶段截面应变基本无变化，变化趋势与同位置数值计算结果一致。

由于采用地层-结构模型，与常规荷载-结构模型相比，结构顶部地层产生的荷载不会像荷载-结构模型外荷载一样全部作用在结构上，因此，导致覆土回填后顶板跨中23点、底板跨中1点弯矩偏小。通过23点旁的24点(23点对应位置没有预埋混凝土应变计)对应的现场实测同位置混凝土应变值(迎土侧-149με和背土侧139με)，按初等梁平截面假定计算该截面的弯矩值，结果与数值计算结果基本一致。

拼装成环和侧壁回填阶段局部应变数值计算结果与实测结果相差较大，这是由于数值计算模型按单环模拟所致。在拼装成环和侧壁回填阶段，结构周围约束区未完全形成，实际现场结构和相邻环连接形成了整体效应，而数值模型由于按单环模拟缺乏整体效应，使得数值计算结果出现飘移；在后期施工阶段，结构周围约束区形成后，空间效应的差异减弱，数值计算结果与现场实测结果逐渐接近。总体上看，各施工阶段数值计算结果和现场实测结果的变化趋势基本相同。

综上可知，关键位置的数值计算结果与现场实测结果基本一致，验证了模型的可靠性。

5 结论与建议

本文以长春地铁2号线捷达大路站预制装配式地下车站工程为背景，利用ABAQUS软件建立三维精细化地层-结构模型，模拟分析不同施工阶段结构的力学行为，并通过现场实测结果，验证了数值模拟的准确性。得到的结论如下：

1)从初始拼装成环到远期使用阶段，结构弯矩在D块、E块拱顶和拱肩，A块跨中，B块区域有逐渐增大的趋势，施工全过程弯矩最大值为5 984 kN·m，发生在远期使用阶段的B块位置(侧墙与底板交汇区域)；结构拱脚水平收敛和拱顶沉降先增大后减小(水平收敛和拱顶沉降分别由侧壁回填阶段的2.96 mm和7.04 mm增大到道床浇筑阶段的7.45 mm和14.63 mm，然后再减小到远期使用阶段的6.60 mm和10.93 mm)，这一现象是由于后期水位恢复和侧向土压力恢复所致。

2)在拼装成环阶段，拱脚处分别产生约447 kN和457 kN的水平推力，设置丝杠和未设置丝杠条件下拱顶弯矩分别为1 103 kN·m和2 184 kN·m，未设置丝杠使得拱顶弯矩增大198%，说明拼装成环阶段丝杠的设置对结构内力的调幅作用明显。

3)在侧壁回填阶段，侧壁回填的分层厚度对结构变形有较大影响，按1次回填计算，结构拱脚水平收敛为1.23 mm，相对4次回填的2.96 mm减小了141%；1次回填时拱顶沉降为2.06 mm，相对4次回填减小了71%。但1次回填可能导致结构拱顶抬升、侧墙内倾。

4)顶部回填阶段是结构内力和变形变化幅度最大的阶段，最大弯矩较前一阶段增加了232.5%，拱脚水平收敛增加了150%，拱顶沉降增加了107%。此阶段决定了结构总体上的内力和变形，后续阶段结构的内力和变形是这一阶段的累积。

通过本文研究得到的建议如下： 1)在拼装成环阶段，拱脚处必须设置丝杠限位，降低拱顶弯矩增大风险； 2)在侧壁回填阶段，需注意1次回填形成的液态混凝土对结构水平内推的影响，并应采用分层回填的方式避免拱脚水平内倾、拱顶抬升； 3)顶部回填阶段是结构内力和变形变化幅度较快的阶段，现场需注意避免偏载、超高堆载，且回填应充分压实，避免交通恢复时产生过大差异沉降，造成额外重载冲击。