付江鹏
（中铁一局集团建筑安装工程有限公司，陕西 西安 710016）
目前,我国装配式建筑正在蓬勃发展,已形成了较为完善的技术和标准体系,在工程中应用得十分广泛。但装配式地下空间结构因为地质情况复杂，易受周边土体容易含水发生渗透等因素制约，应用较少[1]。
王卫东等人在地下工程预制装配式技术领域，总结了预制装配式地下车站和预制拼装结合现浇叠合拱壳的无柱大跨地铁车站建造技术的研究[2]。张稳军等人基于现有地铁盾构隧道衬砌结构建立复合管片及环向直螺栓接头的三维精细化数值模型并进行了数值模拟计算[3]。李红州研究设计了一种新型矩形隧道错缝榫接式接头，为了探讨其力学性能，采用数值模拟方法，分析了接缝面交错处变形变化规律[4]。鲁得文等人利用MIDAS-GTS软件对某浅埋偏压隧道采用荷载结构法对其衬砌进行了受力分析[5]。
以上研究成果多与地下隧道结构技术改进有关，而装配式电缆隧道结构拼接部位变形和结构沉降是工程关键问题，采用现场监测并不一定能防止施工质量问题的发生。所以，土-结构相互作用影响下的受力及变形数值模拟技术亟待提升，做好事前预防才是施工精细化的根本。
1.1 地基处理
沈阳地铁航天南路停车场工程位于浑南新区航天南路南侧，哈大客专西侧，哈大动车段北侧地块内。地下水类型为第四系孔隙潜水，赋存在场地砂类土中，场地稳定水位埋深7.80～10.80m。场地年平均冻土深度1.01m。
拟建装配式电缆隧道场区原始地貌存在部分不良土质，管线CD段不可避免需要穿过废弃河沟，河沟存在大量淤泥成为工程施工时的难点，见图1。为保证场区内相关多个拟建建筑沉降均匀，采用分层碾压换填处理，将结构下方1.1m厚的粉质黏土换填成中砂，换填后CD段具体地质情况见表1。
图1 拟建装配式电缆隧道场区原始地貌
表1 换填后CD段地质情况
1.2 标准段拼接构造
装配式电缆隧道标准段截面的外部尺寸为2.30m×2.55m，顶板与侧壁壁厚0.25m，底板厚度0.30m，纵向长度为2.50m。两个标准段通过侧壁板之间的拼接部位进行连接。装配式电缆隧道拼接部位是否等同现浇是结构整体协调受力的关键，而且拼接部位的施工便利程度、结构防水、模具制作也是工程中难点。该工程拼接部位采用凹凸面卯榫形式，并贴设膨胀止水条，利用其遇水后具有可塑性与防水性的特点，将拼接部位接触粗糙的地方紧密贴合，在预制板件拼接部位空隙处后浇混凝土，实现了拼接部位的良好连接和钢筋的有效锚固，具体见图2。
图2 装配式电缆隧道结构示意图
2.1 结构建模
装配式电缆隧道共10个标准段，总长25m，顶板埋深为1.2m。在结构与地基土的中间层，铺设70mm厚的C15混凝土垫层保护结构。
采用ABAQUS中三维实体单元C3D8R模拟预制混凝土结构，用两结点线性三维桁架单元T3D2模拟钢筋，材料参数见表2。结构网格划分采用单元尺寸为0.1m×0.1m，垫层网格单元尺寸0.3m×0.3m。装配式电缆隧道各个构件采用面－面接触，法向为硬接触，切向为罚接触，但是由于模型接触面过多且在接触发生时，由于接触面应力突变可能会导致模型收敛困难，所以摩擦系数的选择至关重要，经过多次模拟最终确定摩擦系数为0.6。混凝土和钢筋的应力-应变曲线见图3、图4。
表2 材料参数
图3 混凝土应力-应变曲线
图4 钢筋应力-应变曲线
钢筋单元采用线弹性本构模型（见图5），通过嵌固（Embedded Region）到混凝土单元中，不考虑两者之间的滑移。混凝土单元采用损伤塑性模型，其屈服准则选用德鲁克-普拉格准则，公式如下：
图5 各部分建模及整体有限元模型
2.2 土体建模
土体长23m，宽25m，深度20m，采用实体单元C3D8R对土层进行模拟，该方式能够模拟出土体与隧道协同受力，且能模拟出不同土层，与实际受力较接近[6]。土体网格单元尺寸为0.4m×0.4m，加密区单元尺寸为0.25m×0.25m。土-结构整体模型及网格加密见图6。土体与装配式电缆隧道接触面采用面－面接触，法向为硬接触，切向为罚接触，土体单元与混凝土单元的摩擦系数为0.4，具体材料参数见表2。同时定义X与Z轴方向前后边界U1=0，U3=0，Y轴方向下表面边界U2=0。
图6 土-结构整体模型及网格加密
土体单元本构采用莫尔-库仑弹塑性模型，其屈服条件在三维应力空间的表达式为[7]:
式中：
θcr——洛德角；
c——岩土黏聚力；
φ——内摩擦角；
I1——应力张量第一不变量；
J2——应力偏量第二不变量。
3.1 拼接部位的应力分布
本文有限元计算模型具有显著对称性，因此选取左半跨（含跨中）的拼接部位进行分析，如图7所示。
图7 拼接部位分布示意图
现列举DMI～DM5断面的Mises应力云图，见图8。从竖向应力分布情况来看，整体应力以压应力为主；
DM1断面土体应力不均匀现象明显，呈现“波浪形”；
DM2～DM5断面，除了隧道结构正下方土体，两侧土体应力分布均较为均匀。
图8 断面应力分布
提取拼接部位外侧拼接缝JF1～JF5的应力，见图9。由图9可知，随着接缝位置从跨端到跨中的变化，其应力也逐渐增加，最大应力出现在JF5，在混凝土抗拉设计值范围之内，整个拼接部位受力性能良好。全部拼接部位混凝土受拉区均未达到开裂强度。
图9 拼接部位的应力分布
3.2 拼接部位相对位移
拼接部位的相对位移是衡量结构安全性的重要指标。由图10可知，JF1～JF5的相对位移与应力分布具有明显相关性，最大相对位移出现在跨中JF5的下端，且拼接部位最大相对位移不超过1.3mm，变形微小满足明挖法施工要求，为实现预制构件拼接膨胀止水条提供参考。
图10 拼接部位的相对位移变化
3.3 最终沉降量预测分析
为了清晰直观地分析装配式电缆隧道最终整体沉降变形，列举了结构整体的变形云图和最终沉降数据，见图11。由图可知沉降形状符合Peck模型的沉降预测公式结果[8]，沉降峰值发生在隧道跨中附近处，沉降量1.52mm实现了微沉降的目标。且电缆隧道结构的沉降是整体且连续的，拼接部位并没有造成相邻隧道管节之间沉降量突变的情况，连接性能良好，装配式电缆隧道结构能够协同受力，变形协调。
本文通过ABAQUS建立了土体与装配式电缆隧道结构协同受力有限元分析模型，分析了拼接部位的变形特征及结构整体沉降规律，得到以下结论：
（1）考虑土-装配式电缆隧道结构的相互作用，该种拼接方式相较于传统方式，变形微小且均匀，连接性能良好，最大应力与相对位移出现在隧道中段附近，没有应力集中及刚度突变，装配式电缆隧道结构能够协同受力，变形协调。
图11 结构沉降
（2）基于不均匀土质换填后结构的安全问题，对土-装配式电缆隧道结构的最终沉降量进行分析；
结构的沉降是整体且连续的，整体沉降形状符合Peck沉降预测公式结果，沉降峰值发生在隧道跨中附近处，跨中最大沉降1.52mm，实现了结构微沉降目标。