隧道全预制拼装中拼装结构构件动力加载数值分析

摘要 隧道全预制拼装结构构件动荷载会对地下施工速度造成影响，研究中对闭腔设置和构件接头中底板和顶拱位置的动力性能进行了深入分析，总结了其中的变化规律与特征。研究结果表明，闭腔结构的加入对底板构件与顶拱构件的动荷载限值造成了影响，且会影响底板构件与顶拱构件的模态频率；闭腔结构不会影响底板构件的接头变形。构件接头设置中单榫或双榫接头底板构件形式对模态频率的影响差别不大，其中上侧接头竖向挠度值为10 mm，下侧接头竖向挠度值为15 mm；接头刚性中无论是否设置销棒对顶拱构件模态频率影响并不明显，顶拱结构中动荷载限值作用下，设置销棒的接缝挠度与偏转量，与未设置销棒结构的模型并不存在明显差异。

关键词 地铁隧道；全预制拼装；拼装结构；动力加载数值

中图分类号 U231.3文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）02-0069-03

0 引言

经济高质量发展阶段，我国城市化进程不断加速，地铁隧道的建设需求将进一步扩大。为了保障地铁隧道建设的安全，地铁隧道工程正在探索采用预制化技术。预制化技术具有标准化水平高、构件质量稳定、适应性较强、符合绿色施工理念等优势，目前在盾构隧道中应用较多，然而在地铁隧道中的应用并未普及，主要原因在于对不同荷载作用下的预制装配式钢筋混凝土结构的变形与破坏规律研究不足[1]。鉴于此，该研究分析了隧道全预制拼装中拼装结构构件动力加载数值，以了解不同荷载作用对隧道工程中预制装配式钢筋混凝土结构的变形与破坏影响。

1 隧道全预制拼装技术

隧道全预制拼装技术是一种利用现代化生产工艺，将隧道构件在工厂进行预制和加工，然后在工地进行拼装安装的技术。这项技术包括预制混凝土隧道衬砌、隧道拱顶板、隧道地基板等构件的生产和加工，然后通过运输设备将这些构件运输到现场，最后进行组装和安装。这种技术使得隧道施工变得更加标准化、规范化，减少了现场施工的复杂性和不确定性，提高了施工质量和安全性。隧道全预制拼装技术具有诸多优势和特点：

（1）可以大幅缩短施工周期，因为在工厂预制阶段和现场拼装阶段可以同时进行，从而节约了大量的施工时间。

（2）可以降低施工成本，因为预制构件的制造成本通常比现场施工要低，而且通过优化设计和生产工艺还可以减少材料浪费，提高资源利用率。

（3）可以减少对施工现场的影响，降低施工对周边环境的破坏，从而减少对周边居民的影响，提升了工程的社会效益。

2 闭腔设置对构件动力性能的影响

2.1 底板构件动力性能分析

已有研究实践表明，对闭腔结构进行优化，虽然无法直接降低结构整体与分块的承載性能，却可以有效降低车站结构自重，从而减轻动力作用对结构造成的惯性力作用[2]。首先，构建车站底板闭腔构件模型。采用动力增大系数（DIF）分析混凝土本构关系，具体分为混凝土材料在某方向的应变率＜30以及≥30两种情况，受压与受拉时的DIF计算表达式分别如下：

（1）

（2）

式中，fc、ft——受压与受拉时的动力抗压强度；fcs、fts——受压与受拉时的静态应变率下的静态抗压强度。

则可求得不同应变率下的DIF，当应变率分别为0.000 003、0.003与0.3时，求得的受压时的动力抗压强度分别为31.96 MPa、39.37 MPa、46.27 MPa以及DIF分别为0.94、1.18与1.38，而受拉时的动力抗压强度分别为3.11 MPa、3.51 MPa、4.01 MPa以及DIF分别为1、1.13、1.24，并作为模型输入参数。

考虑钢筋应变率不会明显影响钢筋结构的极限强度，因此采用静力模型下的钢筋材料参数，具体取值可见表1。

考虑拼装结构的外表面受到土层约束的影响，因此将土体约束与支撑视作竖直的土柱，并用独立弹簧进行替代，基床系数的取值如下：新填土3 000 kN/m3、软塑黏土13 000 kN/m3、中性黏土36 000 kN/m3、硬黏土80 000 kN/m3、泥沙砾135 000 kN/m3。结合工程实际情况，最终选取的弹性约束参考值为新填土对应的基床系数，即3 000 kN/m3。

动力加载模型中动力荷载的构造表达式如下：

α=∑iAsin（2πfit） （3）

式中，α——加速度值（m/s2）；A——振幅，取值

0.05 m/s2；fi——荷载振动频率，采用线性摄动求解器进行频率求解，提取自由结构前10阶模态，因为前5阶模态频率均未超过250 Hz，因此设定fi值不大于250 Hz；t——荷载时长，设定为4.5 s。

采用动力显式求解器进行求解，最终计算得到的总时长为5 s，具体时间步长的取值表达式如下：

（4）

式中，lmin——模型划分单元的最小尺寸值，取值为40 mm；cd——应力波波速，取值为4 500 m·s?1。

对比实心结构与闭腔结构的模态频率可知，实心结构的模态频率相对较低，且该数值随着阶数的增长而变大。闭腔结构与实心结构下的底板构件动荷载限值分别为0.9 g与0.7 g，且二者保持相同的塑性区发展规律[3]。0.7 g荷载加载状态下，2.2 s后接头接缝出现明显变形，其中上侧接缝的变形量约为?1.15 mm，下侧变形量约为1.14 mm，实心底板的接缝变形量整体小于闭腔结构，然而二者值相差较小。由此可知，混凝土结构出现失效现象时，底板构件接头接缝两侧的变形量均在0以上，表明均处于受拉状态。在竖向挠度方面，左侧竖向挠度值约为?2.6 mm，右侧约为?7.8 mm[4]。

2.2 顶拱构件动力性能分析

隧道采用双榫注浆式车站顶拱闭腔结构，根据实际隧道的顶部结构尺寸、闭腔尺寸与配筋进行建模，得到的隧道顶拱闭腔结构模型如图1所示。

相关材料参数取值以及相互作用均按照底板构件的流程进行设置，在顶拱的外表面连接好接地弹簧，将顶拱结构分为接头、拱肩、拱脚三个部分，并分别设定好对应的连接弹簧属性，以满足弹簧安置要求以及设定的基础系数值，并按照图2设置好隧道顶拱结构约束条件（见图2）。

计算得到顶拱构件的前10阶模态频率分别为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。

动力荷载和时间步长取值的计算方式与底板构件相同，计算得到隧道顶拱闭腔构件模型的混凝土失效限值为0.85 g动力荷载作用，此时呈现出的结构变形如下：加载1.6 s以后，接头与拱肩的连接处率先出现了塑性区，2.9 s时直接拓展到了拱脚处，3.1～3.2 s则拓展为整个结构，各部分损伤变量SDEG值均接近于1，说明混凝土结构已经失效。此时，变形最为严重的区域为两侧的拱脚区域，出现了超过40 mm的位移量。在接缝变形量方面，0.85 g动力荷载作用力下，接头两侧的整体变形量值未超过1 mm，上侧变形量约为0.5 mm，下侧变形量约为

0.3 mm。然而，在竖向挠度方面，0.85 g动力荷载作用导致顶拱构件的结构出现了较大的竖向位移，竖向挠度值已经达到了?6.58 mm，且随着荷载的增大，竖向挠度值越大，动荷载作用下的挠度波动范围也随之变大。

2.3 接头刚性对顶拱构件的动力性能影响

地下隧道全预制拼装结构中需对车站顶拱中接头刚性进行测试分析，车站顶拱构件动力性能分析中，构建了双榫注浆式车站顶拱构件模型，该模型为提高接头处的抗弯刚度，使用了销棒进行接头增强，该模型中接头处销棒的使用安装情况如图3所示。

该次研究中对地下隧道车站顶拱有无销棒使用的模态频率进行了对比分析，其结果如表2所示。

由表2可知，在地下隧道车站顶拱中是否使用销棒对各阶模态频率的影响差异较小，其中频率差异仍然保持在3.3 Hz以内。

隧道顶拱预制构件中对使用销棒的模型进行了计算分析：仍然需要根据动荷载限值情况，计算顶拱接头位置的变形量。该次研究中主要对接头变形量中的张开量、竖向挠度和偏转量进行计算分析。

其一，接头变形量。地下隧道车站顶拱的接缝张开量在0.7 g、0.8 g、0.9 g荷载作用下的接缝变形概况较小，基本维持在0.6 mm以内。计算中发现，在0.9 g荷载下，接缝上下两侧均受到拉力，此时顶拱接头处的受拉张开量为0.25 mm。在0.8 g荷载下，接缝下侧会受到上侧的压力，测试的变形量分别为0.4 mm和0.3 mm。

其二，接缝竖向挠度。该次研究中在0.7 g、0.8 g、0.9 g荷载作用下对销棒结构接缝竖向挠度进行了对比分析，测试中发现在0.7 g荷载作用下接缝处的振动幅度较小，并未观测到明显的变形。在0.8 g荷载作用下，顶拱接缝处先向上变化，此时接头接缝处出现了16.01 mm的缝隙，该结果表明顶拱接头处出现了明显的波动。该结果表明，较大荷载幅值波动范围要大于较小荷载幅值波动范围，但在此情况下较大荷载作用下的竖向挠度明显小于较低的荷载结果。

其三，接缝偏转量。该次研究中在0.7 g、0.8 g、0.9 g荷载作用下，对地下隧道顶拱销棒结构的接缝偏转情况进行测试分析。其中，在0.7 g荷载作用下，顶拱接缝处并未出现较为明显的偏转情况，结果表明，在该荷载作用下顶拱销棒结果具有较好的稳定性。在0.8 g荷载作用下，接缝偏转量出现了“先较大，后降低，之后再次提升，并最终降低”的变化结果，该结果表明在该荷载作用下顶拱销棒结构的稳定性较差，接缝偏转量出现了明显的变化，此时的接缝偏转量分别为?2.32 mm、3.93 mm、1.77 mm。在0.9 g荷载作用下，接缝偏转量出现了两个明显峰值，并最终趋于稳定，其偏转量结果分别为2.45 mm、?3.29 mm和0.95 mm。测试中发现，虽然顶拱接缝处在0.8 g和0.9 g荷载作用上的变化趋势基本相同，但0.9 g荷载作用下接头变化为先顺时针后逆时针，而在0.8 g荷载作用下接头偏转变化趋势为先逆时针后顺时针，但通过测试发现不同荷载作用下第二峰值的偏转量明显高于第一峰值的偏转量。

通过测试发现，在双榫结构下地下隧道车站顶拱构件的接头刚度在有销棒条件下，其动荷载限值为0.8 g，而无销棒结构下其动荷载限值为0.85 g。通过观察发现，动荷载限值条件下，模型结构中无销棒结构接头接缝位置的竖向挠度为?6.64 mm，而有销棒结构的接头接缝竖向挠度为?8.40 mm，无销棒的明显低于有销棒的结构。该结果表明，在动荷载限值下，通过设置销棒可减少顶拱接头接缝处的偏转量。

3 结语

该研究对隧道全预制拼装的拼装结构动力性能进行了研究，以车站底板构件与顶拱构件作为主要分析对象，考虑了在动力加载时混凝土材料可能面临的应变率效应问题，从动荷载限值、失效变形情况两个方面进行分析，得出主要结论如下：

（1）闭腔结构的加入确实使得隧道全预制拼装结构的底板构件与顶拱构件的动荷载限值、底板构件的动荷载限值提高了0.2 g，顶拱构件的动荷载限值提高了0.1 g，且会影响底板构件与顶拱构件的模态频率。

（2）闭腔结构的加入不会影响底板构件的接头变形，然而会使顶拱构件的接缝出现明显的竖向位移与偏转，竖向挠度值达到了?6.58 mm。

（3）接头刚性中無论是否设置销棒对顶拱构件模态频率影响并不明显，测试发现有销棒结构动荷载限值在0.8 g下，略微低于无销棒结构动荷载限值0.85 g。顶拱结构中动荷载限值作用下，设置销棒的接缝挠度与偏转量，与未设置销棒结构的模型并不存在明显差异。

参考文献

[1]凌同华， 余彬， 肖南， 等. 预制拼装综合管廊承插式接头抗剪性能研究[J]. 应用基础与工程科学学报， 2023（3）： 741-751.

[2]王华， 林春刚， 李荆. 盾构隧道内部中隔墙安装机智能化控制系统设计[J]. 隧道建设（中英文）， 2023（4）： 698-710.

[3]马安震， 刘洋， 左旭. 我国矩形顶管隧道应用现状及面临的技术难题探析[J]. 科技创新与应用， 2023（11）： 181-184.

[4]杨秀仁. 明挖预制装配式隧道结构拼装设计方法及关键技术[J]. 都市快轨交通， 2023（2）： 2-13.

收稿日期：2023-11-13

作者简介：陈金生（1989—），男，本科，工程师，研究方向：大直径盾构工程施工精度控制。