城區(qū)高速鐵路盾構(gòu)隧道軌下預(yù)制裝配式箱涵結(jié)構(gòu)受力分析

王志偉，馬偉斌，鄭 青，張勝龍，王子洪

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.北京市政建設(shè)集團有限責任公司，北京 100089）

預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)是將混凝土預(yù)制構(gòu)件經(jīng)裝配連接組成受力結(jié)構(gòu)，具有標準化設(shè)計、工廠化生產(chǎn)、裝配式施工、一體化實施、智能化管理、產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營和專業(yè)化協(xié)同的特點，近年來在工業(yè)與民用建筑領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。這種結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外的隧道與地下工程中已有較多應(yīng)用案例，如荷蘭鹿特丹“殼式裝配式”結(jié)構(gòu)地鐵車站、日本仙臺“雙跨箱型”結(jié)構(gòu)地鐵車站、前蘇聯(lián)“整體管段”結(jié)構(gòu)隧道［1］，我國的秦嶺Ⅰ線隧道［2］（單線鐵路隧道）、大連地鐵袁家店站［3］（明挖地鐵車站）、南京緯三路過江隧道［4-5］（公路隧道）。

當前國內(nèi)雖然對地鐵車站裝配式結(jié)構(gòu)有了一定的研究［6-12］，但對鐵路隧道預(yù)制裝配式襯砌結(jié)構(gòu)和軌下填充結(jié)構(gòu)的研究尚處于起步階段。從國內(nèi)外已有的工程實例來看，隧道結(jié)構(gòu)預(yù)制化技術(shù)的發(fā)展中存在5 個關(guān)鍵問題：構(gòu)件標準化；預(yù)制結(jié)構(gòu)形式的選擇及構(gòu)件的合理劃分；接頭防水技術(shù)的合理設(shè)計；構(gòu)件的制作與安裝；拼裝過程中結(jié)構(gòu)的力學特性。本文主要針對預(yù)制結(jié)構(gòu)受力進行分析。

1 軌下預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)概述

京張高速鐵路清華園隧道是國內(nèi)第一座采用軌下預(yù)制裝配式工藝的高速鐵路隧道（見圖1），位于北京市海淀區(qū)的核心區(qū)，穿越7 條主要市政道路，3 條地鐵線，70 余條市政管線。該隧道周圍建（構(gòu)）筑物復(fù)雜，是穿越地層復(fù)雜、穿越重要建（構(gòu)）筑物多的高速鐵路單洞雙線大直徑盾構(gòu)高風險隧道之一。

圖1 京張高速鐵路清華園站地理位置示意

清華園隧道為京張高速鐵路重點控制性工程，隧道軌下結(jié)構(gòu)中部沿軸線設(shè)置貫通全隧的救援通道，兩側(cè)分別設(shè)置風道及設(shè)備管道。每隔100 m 設(shè)置1 處疏散樓梯。

軌下預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)由中箱涵、兩側(cè)邊箱涵3 部分預(yù)制件組成，見圖2。在標準段和疏散樓梯段中箱涵的形式不同。各預(yù)制件間采用螺栓連接。為找平中箱涵及側(cè)板頂部的拼裝誤差并加強結(jié)構(gòu)的整體性，軌下預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)與軌道板間設(shè)置厚15 cm 的C40鋼筋混凝土加強板。

為確保軌下預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)管片間無相對滑移，每塊邊箱涵及中箱涵底部分別利用注漿孔設(shè)置4 根M24 膨脹螺栓。為解決盾構(gòu)管片拼裝存在的錯臺、不平整等問題，于邊箱涵外側(cè)螺栓孔處設(shè)置厚12 mm 橡膠墊進行調(diào)整，中箱涵利用側(cè)腿下方的厚12 mm 減震橡膠墊進行調(diào)整。預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)與管片之間的空隙以M10砂漿充填。

圖2 標準段軌下結(jié)構(gòu)斷面

2 結(jié)構(gòu)動靜力計算

2.1 抗滑移分析

采用FLAC 3D 軟件建立數(shù)值計算模型，見圖3。模型水平方向以隧道中線為x軸線向兩側(cè)取8 倍開挖寬度，豎直方向（z軸）從隧道中心向下30 m 為底部邊界。軌下結(jié)構(gòu)及管片采用C40混凝土。不考慮預(yù)制結(jié)構(gòu)與管片間螺栓連接，采用接觸面模型模擬預(yù)制構(gòu)件與管片間的間隙。

圖3 數(shù)值計算模型

因為分析的重點是列車荷載作用下預(yù)制結(jié)構(gòu)與管片間是否發(fā)生滑移，因此能反映接觸面自身抗滑移的物理力學參數(shù)取值較小，同時假設(shè)巖（土）體為絕對剛性，管片與之連接為剛性連接。軌下結(jié)構(gòu)及接觸面參數(shù)取值見表1。

表1 軌下結(jié)構(gòu)及接觸面參數(shù)取值

取列車荷載峰值160 kN 作為均布荷載作用在軌道板上，軌道板寬度2.8 m，荷載如圖4所示。計算步驟如圖5所示，位移監(jiān)測點布置如圖6所示。

圖4 荷載示意

圖5 抗滑移計算步驟

圖6 位移監(jiān)測點布置

各測點位移見表2。豎向位移向下為正，水平位移向右為正?？梢钥闯觯?#，2#，4#，5#，6#測點發(fā)生沉降，道床上部沉降較大，下部沉降較?。?#，7#，8#測點發(fā)生上浮，道床上部上浮較大，道床下部上浮較?。怀?#，3#測點向左水平位移外，其他測點均向右水平位移。

表2 各測點位移 μm

模型道床最大豎向應(yīng)力為0.42 MPa，遠小于材料極限抗壓強度。

采用 FLAC 3D 內(nèi)置的 solve fos include interface 模塊進行安全系數(shù)分析。此處安全系數(shù)的定義為接觸面達到臨界破壞狀態(tài)時，對接觸面抗剪強度的折減程度，即安全系數(shù)為實際抗剪強度與臨界破壞時折減后剪切強度之比。

軌下預(yù)制裝配式箱涵結(jié)構(gòu)和管片的接觸面位移云圖見圖7。可知：荷載作用下軌下預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)和管片的接觸面沒有發(fā)生錯動，始終接觸在一起，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)只有沿法向向下嵌入管片的運動。經(jīng)計算安全系數(shù)為16.03，滿足安全要求。

圖7 接觸面位移云圖

2.2 動力響應(yīng)分析

對結(jié)構(gòu)施加列車動力荷載，在2.1 節(jié)數(shù)值計算模型基礎(chǔ)上進行計算，列車荷載依據(jù)文獻［13］中荷載譜施加，列車時速為300 km。選取7 個觀測點（如圖8所示），分析其動力響應(yīng)。動力響應(yīng)評價標準參照文獻［14］，襯砌結(jié)構(gòu)的振動變形限值取9 mm，加速度限值取10.2 m/s2，結(jié)構(gòu)的拉、壓主應(yīng)力限值分別取1.75，12.93 MPa。

圖8 動力響應(yīng)監(jiān)測點布置

圖9為各測點的動力響應(yīng)對比?？芍鹤畲筘Q向位移、最大豎向動應(yīng)力及最大豎向加速度分別為0.036 mm，64.2 kPa，0.84 m/s2，各測點的動力響應(yīng)均滿足安全行車要求。

圖9 各測點的動力響應(yīng)對比

圖10 抗震數(shù)值計算模型局部放大圖

圖11 MIDAS NX地震波輸入界面

2.3 地震響應(yīng)分析

采用MIDAS NX 軟件建立數(shù)值計算模型（見圖10），參數(shù)和2.1 節(jié)相同，隧址區(qū)地震動峰值加速度為0.20g，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計地震分組為第Ⅰ組。出于對隧道安全的考慮，將汶川地震中成都觀測站前20 s 地震波輸入數(shù)值計算軟件（見圖11），采用反應(yīng)位移法進行分析。值得說明的是，反應(yīng)位移法需要確定土體相對位移、土體彈簧剛度、土層剪力與結(jié)構(gòu)慣性力［15-16］，在計算過程中 MIDAS NX 中的動力分析模塊可計算這4個參數(shù)。

圖12為隧道結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力云圖?？芍孩偎轿灰?、豎向位移的最大值分別為4.71 mm（出現(xiàn)在隧道邊墻中部）、4.67 mm（出現(xiàn)在隧底以下巖層中部）。水平方向最大直徑變形率為0.000 52‰。②水平應(yīng)力、豎向應(yīng)力的最大值分別為9.828 MPa（出現(xiàn)在左右兩側(cè)預(yù)制箱涵中部，受壓）、19.555 MPa（出現(xiàn)在隧道邊墻中部，受壓），均小于混凝土的極限抗拉、抗壓強度。

圖12 隧道結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

本文對京張高速鐵路清華園隧道盾構(gòu)管片內(nèi)部軌下預(yù)制裝配式箱涵結(jié)構(gòu)的抗滑移、列車動力響應(yīng)及地震響應(yīng)進行了分析。主要結(jié)論如下：

1）采用可單獨閉環(huán)的中箱涵與2個邊箱涵作為軌下承力基礎(chǔ)的布置形式，比較合理。

2）在不考慮預(yù)制箱涵結(jié)構(gòu)頂部現(xiàn)澆回填層且忽略箱涵與管片間螺栓連接條件下，列車通過時在峰值壓力作用下，箱涵結(jié)構(gòu)的最大豎向位移為0.035 mm，最大豎向應(yīng)力為0.42 MPa。軌下預(yù)制箱涵結(jié)構(gòu)與管片之間抗滑移安全系數(shù)為16.03，滿足安全與穩(wěn)定性要求。

3）時速300 km列車通過時，預(yù)制裝配式箱涵結(jié)構(gòu)豎向位移、豎向動應(yīng)力及豎向加速度最大值分別是0.036 mm，64.2 kPa，0.84 m/s2，均滿足動力響應(yīng)限值要求。

4）將汶川地震中成都觀測站前20 s地震波波譜輸入數(shù)值計算軟件，計算得到隧道結(jié)構(gòu)水平位移、豎向位移的最大值分別是4.71，4.67 mm，水平應(yīng)力、豎向應(yīng)力的最大值分別為9.828，19.555 MPa。