预制装配式地铁车站肥槽回填施工力学行为研究

单馨玉 陶连金 张宇 边金

（1.北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京 100124；2.广东海洋大学海洋工程学院，广东湛江 524088）

预制装配式结构在地下工程中的应用起源于20世纪二三十年代的欧洲，主要应用于明挖地铁车站隧道和市政管线中。在法国、俄罗斯、日本、荷兰等国家多采用部分预制结构［1］。国内地下装配式结构的应用实例并不多，主要应用在盾构法地铁区间隧道的修建中，一般为规整的圆形结构［2］，仰拱采用预制结构，拱和侧墙则是采用现场浇筑［3］。国内对地铁车站施工阶段结构变形的研究主要是采用数值模拟或现场监测的方法，且主要针对矩形车站结构进行受力分析［4-6］。长春地铁2号线采用整体预制装配式结构，其“搭积木”式的施工方式，有效地加快了施工进程。现阶段对预制装配式地铁车站的静力研究，集中于接头性能的研究［7］、正常使用阶段结构整体性能的研究［8］、以及拼装成环后力学性能的研究［9-10］。对预制装配式地铁车站施工阶段结构受力性能的研究还不够全面。

本文以长春地铁2号线袁家店站预制装配式地铁车站为工程背景，运用有限元软件MIDAS GTS NX，建立单环地层-结构模型，对肥槽回填施工阶段进行数值模拟，分析主体结构的受力性能，探讨回填材料由素混凝土变为土时能否保证主体结构的稳定性，验证拼装成环时在两拱脚设置的钢支撑在肥槽回填阶段是否仍对结构整体稳定性起关键作用。

1 参数的选取及模型的建立

根据长春地铁2号线初步勘察报告，由上而下岩土层分别为杂填土、全风化泥岩、强风化泥岩和中风化泥岩，其物理力学参数见表1。土体材料采用Mohr⁃Coulomb弹塑性模型。

表1 岩土层物理力学参数

北京城建设计发展集团研究的单拱大跨预制装配式地铁车站预制衬砌标准环构件尺寸如图1所示。预制装配式混凝土主体结构、板柱结构、围护桩。垫层均采用线弹性模型。结构物理力学参数见表2。

图1 预制衬砌标准环构件尺寸（单位：m）

表2 结构物理力学参数

利用有限元软件MIDAS GTS NX建立了该车站的单环地层-结构模型，包括围护桩、回填土、预制构件、榫头榫槽接触构件。车站结构宽度220 m，高80 m。整体模型见图2。

图2 整体模型（单位：m）

模型两侧土体取5倍的车站结构宽度，地铁车站结构竖向土体高度为3倍的车站结构高度。预制装配式地铁车站结构形式如图3所示，标准段环向有7块构件，环宽2 m。边界条件采用模型底部土体固定，左右两侧限制x方向位移，土体的上表面为自由边界。

图3 预制装配式地铁车站结构形式

环向构件内设置闭腔，构件最薄处为200 mm，结构立面如图4所示。构件间设置榫头和榫槽，中楼板和中柱为现浇构件，在环向接缝处设置12根预紧钢螺栓。

图4 结构立面 （单位：mm）

2 肥槽回填材料改变对结构受力的影响分析

回填材料为素混凝土和土（包括全风化泥岩）。肥槽回填过程见表3。素混凝土弹性模量22 GPa，泊松比0.20，重度25.0 kN/m3；全风化泥岩弹性模量 5 GPa，泊松比0.26，重度19.9 kN/m3。先分析回填材料对结构内力分布的影响，再分析内力最大值随土体的弹性模量、重度的变化情况。

表3 肥槽回填过程

2.1 主体结构变形

地下车站主体结构位移见图5。

图5 主体结构位移

由图5可知：回填素混凝土完成时主体结构水平位移最大值（2.3 mm）出现在拱脚，且结构水平最大相对位移随着回填步序的增加而减小，两拱脚向内收缩；而回填素混凝土完成时主体结构竖向位移最大值（9.98 mm）出现在拱顶变截面处，且主体结构竖向最大相对位移随着回填步序的增加而逐渐增大，拱顶向上扩张。这是因为结构两侧对称回填，随着回填步序的增加，在两侧肥槽的固定作用下上部拱结构向上抬升。回填不同材料对结构位移的影响很小。

2.2 结构内力

采用MIDAS GTS NX后处理中的“局部方向合力”，对截面内实体单元以积分的方式输出弯矩、轴力和剪力。控制截面选取如图6所示。由于结构左右基本对称，只取半边进行分析。

图6 控制截面选取

2.2.1 回填不同材料时截面内力

回填完成时结构各截面内力见图7。可知：①弯矩绝对值的最大值为739.98 kN·m，出现在截面4处，说明拱脚处不设任何支撑时回填土无法抵消主体结构传递下来的力，以致于拱脚以上部分弯曲较大；轴力绝对值的最大值为760.20 kN，出现在截面6处；剪力值整体较小，剪力绝对值的最大值为92.56 kN，出现在截面8处。②回填素混凝土和回填全风化泥岩各截面受力方向基本一致，从整体上看差值并不大。

图7 结构各截面内力

为了更直观地体现2种不同材料在回填过程中的差异，下面对受力较大的截面（即截面4和截面6）进行分析。

肥槽分级回填过程中拱脚处（截面4）内力变化曲线见图8。可知：①回填素混凝土时结构受力整体上较回填全风化泥岩时小，两者弯矩和轴力的差值一开始很小。这是因为开始回填时，回填土距离拱脚较远，随着回填高度的增加，两值差值逐渐增大，弯矩和轴力最大差值分别为2 kN·m和2 kN，两者剪力差值变化比较平稳，最大差值约1 kN，由此可见回填材料改变对弯矩和轴力的影响明显大于剪力；②截面4处弯矩先缓慢增大，回填到拱脚处（对应步序9）时弯矩逐渐减小，直至回填到步序11时突然增大；轴力先保持不变，回填至拱脚处时突然增大；剪力基本不变。

肥槽分级回填过程中边墙底部（截面6）内力变化曲线见图9。

图8 截面4内力变化曲线

图9 截面6内力变化曲线

由图9可知：①回填素混凝土时结构的弯矩和轴力大于回填全风化泥岩时。这是由于回填是从边墙底部开始的，回填材料越重使结构产生的内力越大，同时2种回填材料对结构受力的差异从回填第1层时就体现出来，且随回填步序的增加差值逐渐增大，弯矩差值最大约15 kN·m，轴力差值最大约25 kN，剪力差值最大约0.5 kN，由此可见回填不同材料对截面6受力的影响为轴力差大于弯矩差大于剪力差，轴力最敏感；②在回填过程中截面6受力逐渐增大，这是因为回填材料是从边墙底部开始回填，边墙底部承担的回填材料重量随回填步序的增加而增大，因此内力也随之增大。

2.2.2 回填土弹性模量改变时关键截面内力最大值

回填土弹性模量分别取20，30，40，50，60 MPa，其他参数同全风化泥岩。提取关键截面（截面4和截面6）弯矩和轴力的最大值进行分析。回填土弹性模量对关键截面内力的影响见表4。

表4 回填土弹性模量对关键截面内力的影响

由表4可知：①当回填土弹性模量增大1倍时关键截面的弯矩和轴力分别减小了0.05%和0.37%，回填土弹性模量的增大对结构关键截面受力影响较小；②与工程实际回填的C15素混凝土（弯矩-734.730 kN·m，轴力-760.2 kN）相比，回填土弹性模量为20 MPa时弯矩增加了3.75%，轴力增加了5.08%。在内力值相差不到10%的前提下，回填材料用弹性模量较小的土代替素混凝土是可行的。

2.2.3 回填土重度改变时关键截面内力最大值

弹性模量取20 MPa，回填土的重度分别取18，20，22，24，26 kN/m3，其他参数同全风化泥岩。提取关键截面（截面4和截面6）弯矩和轴力的最大值进行分析。回填土重度对关键截面内力的影响见表5。

表5 回填土重度对关键截面内力的影响

由表5可知：①随着回填土重度的增加，关键截面内力也随之增加，当回填土的重度增加10%时，弯矩增加了0.35%，轴力增加了2.56%。回填土重度对结构关键截面受力的影响要大于弹性模量。②与工程实际回填的C15素混凝土相比，回填土重度为18 kN/m3时关键截面弯矩增加了3.41%，轴力增加了2.53%。在内力值相差不到10%的前提下，回填材料用重度较小的土代替素混凝土是可行的。

3 拱脚处施工力学性能的改善

由以上分析可知，拱脚不设任何支撑时拱脚处弯矩达到740 kN·m。为降低拱脚处弯矩，使结构受力更加合理，拼装成环阶段在拱脚处设置钢支撑（图10），钢支撑的弹性模量为210 GPa，直径60 mm，每一环两拱脚位置各布置2根。下面通过数值模拟，就肥槽回填阶段有无支撑对结构变形的影响进行分析。

图10 钢支撑

3.1 结构变形

与无支撑时相比，在拱脚处设置钢支撑后拱顶向上抬升约3 mm，两拱脚向内收缩约2 mm，形成一个稳定的“三脚拱”结构，使得拱脚处变形大大减小，可见在肥槽回填阶段拱脚处钢支撑对维持结构的稳定仍起着关键作用。

3.2 结构内力

拱脚处有无钢支撑各截面内力见图11。

图11 拱脚处有无钢支撑各截面内力

由图11可知：①截面4（拱脚处）弯矩明显减小；②在两侧肥槽和钢支撑的共同作用下两拱脚向内收缩，上部拱结构向上抬升，致使轴力增大，形成一个稳定的“三脚拱”结构，结构在施工阶段的稳定性得到提升，对拱脚以上构件起到挤压作用，提高了安全性能；③设置钢支撑后各截面剪力均明显减小。可见，在拱脚处设置钢支撑对改善肥槽回填阶段结构整体的受力效果显著。

4 结论

1）地下预制装配式结构的施工特点是先将预制构件装配成环后再进行回填，在主体结构回填阶段拱顶向上抬升，两拱脚向内收缩，回填土的作用相当于为拱脚处提供侧向支撑。

2）通过对控制截面内力的分析发现，当拱脚处无钢支撑时，拱肩及拱脚的弯矩较大，边墙底部轴力较大，拱脚和底板剪力较大。回填素混凝土和土对结构内力的影响不大，截面位置不同影响有所不同：随回填步序的增加，回填位置较低的边墙底部受回填材料重度影响较大，回填较轻的土相对来说结构受力较小，而对于回填位置较高的拱脚，为更好地抵消上部构件的重力分力，回填素混凝土要优于土。

3）回填土的弹性模量和重度的改变对结构内力影响不大。随着回填土弹性模量增大结构弯矩和轴力均减小，随着回填土重度的增加结构弯矩减小轴力增大。回填土的重度对结构内力的影响大于弹性模量。

4）实际施工时为维持各拼装环之间的稳定性，在拱脚处设置钢支撑能够明显改善结构拱脚处的受力。在肥槽回填阶段拱脚处钢支撑对结构整体的稳定性仍起着关键作用。