付江鵬

（中鐵一局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，陜西 西安 710016）

0 引言

目前,我國裝配式建筑正在蓬勃發(fā)展,已形成了較為完善的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)體系,在工程中應(yīng)用得十分廣泛。但裝配式地下空間結(jié)構(gòu)因為地質(zhì)情況復(fù)雜，易受周邊土體容易含水發(fā)生滲透等因素制約，應(yīng)用較少[1]。

王衛(wèi)東等人在地下工程預(yù)制裝配式技術(shù)領(lǐng)域，總結(jié)了預(yù)制裝配式地下車站和預(yù)制拼裝結(jié)合現(xiàn)澆疊合拱殼的無柱大跨地鐵車站建造技術(shù)的研究[2]。張穩(wěn)軍等人基于現(xiàn)有地鐵盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)建立復(fù)合管片及環(huán)向直螺栓接頭的三維精細(xì)化數(shù)值模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬計算[3]。李紅州研究設(shè)計了一種新型矩形隧道錯縫榫接式接頭，為了探討其力學(xué)性能，采用數(shù)值模擬方法，分析了接縫面交錯處變形變化規(guī)律[4]。魯?shù)梦牡热死肕IDAS-GTS軟件對某淺埋偏壓隧道采用荷載結(jié)構(gòu)法對其襯砌進(jìn)行了受力分析[5]。

以上研究成果多與地下隧道結(jié)構(gòu)技術(shù)改進(jìn)有關(guān)，而裝配式電纜隧道結(jié)構(gòu)拼接部位變形和結(jié)構(gòu)沉降是工程關(guān)鍵問題，采用現(xiàn)場監(jiān)測并不一定能防止施工質(zhì)量問題的發(fā)生。所以，土-結(jié)構(gòu)相互作用影響下的受力及變形數(shù)值模擬技術(shù)亟待提升，做好事前預(yù)防才是施工精細(xì)化的根本。

1 裝配式電纜隧道工程重點技術(shù)

1.1 地基處理

沈陽地鐵航天南路停車場工程位于渾南新區(qū)航天南路南側(cè)，哈大客專西側(cè)，哈大動車段北側(cè)地塊內(nèi)。地下水類型為第四系孔隙潛水，賦存在場地砂類土中，場地穩(wěn)定水位埋深7.80～10.80m。場地年平均凍土深度1.01m。

擬建裝配式電纜隧道場區(qū)原始地貌存在部分不良土質(zhì)，管線CD段不可避免需要穿過廢棄河溝，河溝存在大量淤泥成為工程施工時的難點，見圖1。為保證場區(qū)內(nèi)相關(guān)多個擬建建筑沉降均勻，采用分層碾壓換填處理，將結(jié)構(gòu)下方1.1m厚的粉質(zhì)黏土換填成中砂，換填后CD段具體地質(zhì)情況見表1。

圖1 擬建裝配式電纜隧道場區(qū)原始地貌

表1 換填后CD段地質(zhì)情況

1.2 標(biāo)準(zhǔn)段拼接構(gòu)造

裝配式電纜隧道標(biāo)準(zhǔn)段截面的外部尺寸為2.30m×2.55m，頂板與側(cè)壁壁厚0.25m，底板厚度0.30m，縱向長度為2.50m。兩個標(biāo)準(zhǔn)段通過側(cè)壁板之間的拼接部位進(jìn)行連接。裝配式電纜隧道拼接部位是否等同現(xiàn)澆是結(jié)構(gòu)整體協(xié)調(diào)受力的關(guān)鍵，而且拼接部位的施工便利程度、結(jié)構(gòu)防水、模具制作也是工程中難點。該工程拼接部位采用凹凸面卯榫形式，并貼設(shè)膨脹止水條，利用其遇水后具有可塑性與防水性的特點，將拼接部位接觸粗糙的地方緊密貼合，在預(yù)制板件拼接部位空隙處后澆混凝土，實現(xiàn)了拼接部位的良好連接和鋼筋的有效錨固，具體見圖2。

圖2 裝配式電纜隧道結(jié)構(gòu)示意圖

2 裝配式電纜隧道有限元建模

2.1 結(jié)構(gòu)建模

裝配式電纜隧道共10個標(biāo)準(zhǔn)段，總長25m，頂板埋深為1.2m。在結(jié)構(gòu)與地基土的中間層，鋪設(shè)70mm厚的C15混凝土墊層保護(hù)結(jié)構(gòu)。

采用ABAQUS中三維實體單元C3D8R模擬預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)，用兩結(jié)點線性三維桁架單元T3D2模擬鋼筋，材料參數(shù)見表2。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分采用單元尺寸為0.1m×0.1m，墊層網(wǎng)格單元尺寸0.3m×0.3m。裝配式電纜隧道各個構(gòu)件采用面－面接觸，法向為硬接觸，切向為罰接觸，但是由于模型接觸面過多且在接觸發(fā)生時，由于接觸面應(yīng)力突變可能會導(dǎo)致模型收斂困難，所以摩擦系數(shù)的選擇至關(guān)重要，經(jīng)過多次模擬最終確定摩擦系數(shù)為0.6?；炷梁弯摻畹膽?yīng)力-應(yīng)變曲線見圖3、圖4。

表2 材料參數(shù)

圖3 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線

鋼筋單元采用線彈性本構(gòu)模型（見圖5），通過嵌固（Embedded Region）到混凝土單元中，不考慮兩者之間的滑移。混凝土單元采用損傷塑性模型，其屈服準(zhǔn)則選用德魯克-普拉格準(zhǔn)則，公式如下：

圖5 各部分建模及整體有限元模型

2.2 土體建模

土體長23m，寬25m，深度20m，采用實體單元C3D8R對土層進(jìn)行模擬，該方式能夠模擬出土體與隧道協(xié)同受力，且能模擬出不同土層，與實際受力較接近[6]。土體網(wǎng)格單元尺寸為0.4m×0.4m，加密區(qū)單元尺寸為0.25m×0.25m。土-結(jié)構(gòu)整體模型及網(wǎng)格加密見圖6。土體與裝配式電纜隧道接觸面采用面－面接觸，法向為硬接觸，切向為罰接觸，土體單元與混凝土單元的摩擦系數(shù)為0.4，具體材料參數(shù)見表2。同時定義X與Z軸方向前后邊界U1=0，U3=0，Y軸方向下表面邊界U2=0。

圖6 土-結(jié)構(gòu)整體模型及網(wǎng)格加密

土體單元本構(gòu)采用莫爾-庫侖彈塑性模型，其屈服條件在三維應(yīng)力空間的表達(dá)式為[7]:

式中：

θcr——洛德角；

c——巖土黏聚力；

φ——內(nèi)摩擦角；

I1——應(yīng)力張量第一不變量；

J2——應(yīng)力偏量第二不變量。

3 拼接部位有限元分析

3.1 拼接部位的應(yīng)力分布

本文有限元計算模型具有顯著對稱性，因此選取左半跨（含跨中）的拼接部位進(jìn)行分析，如圖7所示。

圖7 拼接部位分布示意圖

現(xiàn)列舉DMI～DM5斷面的Mises應(yīng)力云圖，見圖8。從豎向應(yīng)力分布情況來看，整體應(yīng)力以壓應(yīng)力為主；DM1斷面土體應(yīng)力不均勻現(xiàn)象明顯，呈現(xiàn)“波浪形”；DM2～DM5斷面，除了隧道結(jié)構(gòu)正下方土體，兩側(cè)土體應(yīng)力分布均較為均勻。

圖8 斷面應(yīng)力分布

提取拼接部位外側(cè)拼接縫JF1～JF5的應(yīng)力，見圖9。由圖9可知，隨著接縫位置從跨端到跨中的變化，其應(yīng)力也逐漸增加，最大應(yīng)力出現(xiàn)在JF5，在混凝土抗拉設(shè)計值范圍之內(nèi)，整個拼接部位受力性能良好。全部拼接部位混凝土受拉區(qū)均未達(dá)到開裂強(qiáng)度。

圖9 拼接部位的應(yīng)力分布

3.2 拼接部位相對位移

拼接部位的相對位移是衡量結(jié)構(gòu)安全性的重要指標(biāo)。由圖10可知，JF1～JF5的相對位移與應(yīng)力分布具有明顯相關(guān)性，最大相對位移出現(xiàn)在跨中JF5的下端，且拼接部位最大相對位移不超過1.3mm，變形微小滿足明挖法施工要求，為實現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件拼接膨脹止水條提供參考。

圖10 拼接部位的相對位移變化

3.3 最終沉降量預(yù)測分析

為了清晰直觀地分析裝配式電纜隧道最終整體沉降變形，列舉了結(jié)構(gòu)整體的變形云圖和最終沉降數(shù)據(jù)，見圖11。由圖可知沉降形狀符合Peck模型的沉降預(yù)測公式結(jié)果[8]，沉降峰值發(fā)生在隧道跨中附近處，沉降量1.52mm實現(xiàn)了微沉降的目標(biāo)。且電纜隧道結(jié)構(gòu)的沉降是整體且連續(xù)的，拼接部位并沒有造成相鄰隧道管節(jié)之間沉降量突變的情況，連接性能良好，裝配式電纜隧道結(jié)構(gòu)能夠協(xié)同受力，變形協(xié)調(diào)。

4 結(jié)束語

本文通過ABAQUS建立了土體與裝配式電纜隧道結(jié)構(gòu)協(xié)同受力有限元分析模型，分析了拼接部位的變形特征及結(jié)構(gòu)整體沉降規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）考慮土-裝配式電纜隧道結(jié)構(gòu)的相互作用，該種拼接方式相較于傳統(tǒng)方式，變形微小且均勻，連接性能良好，最大應(yīng)力與相對位移出現(xiàn)在隧道中段附近，沒有應(yīng)力集中及剛度突變，裝配式電纜隧道結(jié)構(gòu)能夠協(xié)同受力，變形協(xié)調(diào)。

圖11 結(jié)構(gòu)沉降

（2）基于不均勻土質(zhì)換填后結(jié)構(gòu)的安全問題，對土-裝配式電纜隧道結(jié)構(gòu)的最終沉降量進(jìn)行分析；結(jié)構(gòu)的沉降是整體且連續(xù)的，整體沉降形狀符合Peck沉降預(yù)測公式結(jié)果，沉降峰值發(fā)生在隧道跨中附近處，跨中最大沉降1.52mm，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)微沉降目標(biāo)。