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第 36 卷 第 2 期 2023 年 4 月
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刘人菩1 ，孟 栋1 ，白雪梅2 ，郑书悦2 ，吴成刚2
摘要:肥槽回填是明挖装配式地下车站的主要施工阶段，对装配式地下结构的内力和变形有重要影响。针对肥槽回填阶段装配式地下车站结构的力学特性，建立增量法结构计算模型，对不同肥槽的回填材料、回填方案以及中板结构施作的先后次序等工况下的装配式地下车站的结构进行分析，研究不同工况对装配式地下车站结构内力和稳定性的影响。研究结果表明：①采用常规土体材料进行肥槽回填，其回填荷载会导致该阶段装配式结构部分的接头内力超过接头承载能力，回填荷载作用下结构有失稳趋势(拱脚支撑受拉)；②采用结硬性材料进行肥槽回填，不同分层方式的回填方案对装配式结构的接头内力和稳定性影响差异较大，其中结硬性回填材料一次性回填对结构的影响比常规土体回填更大，分多层回填时能有效降低回填荷载的影响，采用4次分层回填方案，结构受力与变形均有大幅改善，能确保结构稳定性，使接头承载性能满足要求；③在肥槽回填之前施工中板结构，能大幅改善肥槽回填荷载对结构接头承载能力和稳定性的影响，各种回填方案均能满足结构受力和稳定性的要求，因此中板施工前置工况可降低对肥槽回填材料和方案的要求，不排除今后采用较低强度结硬性材料回填的可能性。关键词:地铁；肥槽回填；明挖预制装配式地下车站结构；结硬性回填；增量法计算
中图分类号: U231，TU92 文献标志码: A 文章编号: 1672-6073(2023)02-0100-07
相比于传统明挖现浇地下车站结构，基于干式接头连接的明挖装配地下车站结构在建造过程中结构体系不断变化[1]，呈现出多阶段结构体系的复杂转换特性。
装配式结构的干式连接接头具有变刚度特性，即接头刚度与其受力环境直接相关，会随着结构受力尤其是轴力和弯矩的变化而变化，进而导致接头在施工阶段的承载能力小于结构建成之后的承载能力[2]，因此需要验算不同阶段的接头承载能力是否满足要求。另外，装配式地下结构的力学行为受施工过程影响较大，不合理的施工方式会导致装配式结构产生失稳风险[3]，因此将不同阶段的结构变形稳定性控制在合理范围，也是装配式地下车站结构设计的关键要点。
相比于传统现浇地下车站结构，明挖装配式地下车站结构在建造过程中因构件装配工艺的需要，在结构外侧均设置一定宽度的肥槽，而肥槽回填阶段因装配式结构周边没有土体的支撑，结构在受力和稳定性方面处于“脆弱期”，因此必须对肥槽回填工况进行详尽的分析[4]。这样做的目的在于，将肥槽回填施工过程中装配式地下车站结构及接头的变形与内力控制在合理范围内，以确保施工过程中的结构稳定性以及接头承载性能。
目前关于肥槽回填对预制装配式地下结构力学影响方面的研究相对较少：单馨玉等通过对装配式车站结构开展单环三维数值模型分析，研究了肥槽回填阶段装配式结构的力学行为[5]；杨秀仁分析了不同回填方案对5m埋深地下装配式结构及接头的内力影响[6]。
为进一步掌握肥槽回填阶段装配式结构的力学行为，为结构设计和施工方案的制定提供有效指导，本文采用能够有效体现结构施工过程中荷载、内力、变形特征及其变化特性的增量法[7]，开展装配式结构的精细化分析，研究在采用不同肥槽回填材料、多种肥槽回填方案以及中板的先后施作顺序工况下，肥槽回填对装配式结构内力、变形和稳定性的影响规律，进而优选出合理的肥槽回填建议方案，为结构设计和工程施工提供有效的技术指导。
以长春地铁装配式车站结构断面为基础进行建模，结构断面如图1所示。整个装配式结构衬砌共由7个独立的预制构件采用注浆式榫槽接头拼装而成，均为轻量化的闭腔薄壁构件；构件内部通过设置轻质填充芯模进行减重，建模时按构件的实际构造模拟；结构两侧的围护结构按实际情况建模。拱形装配式结构高16.5m、宽19.8m，顶部覆土厚度4.5m。
结构分析时考虑变刚度接头的影响[8]，在构件之间的连接接头位置设置抗弯转动弹簧，其弹簧刚度随接头内力环境的变化而变化，通过整体结构迭代分析的方法进行调整[2]，结构计算模型的关键单元设置如图2所示。
1)针对不同肥槽回填材料，模型在侧向回填荷载分布方式上各有不同。一是土体材料，按常规三角形分布荷载考虑，一次加载，土体重度按20kN/m3、侧压力系数按0.5考虑。二是混凝土材料(结硬性材料)，考虑其液态和硬化后的固态两种荷载模式：液态时，按回填高度计算液态混凝土的三角形侧向荷载；混凝土固化后，在保持液态混凝土三角形侧向荷载的同时，将固化混凝土作为结构，不再计入后期液态混凝土回填时对该范围的侧向荷载影响，混凝土重度按25kN/m3考虑。
2)针对不同回填方案分别进行结构分析，主要包括两种：一种是土体材料回填，按一次性加载分析；另一种是结硬性混凝土材料回填，分别按1次回填、分2层回填以及分4层回填等3种回填方案分析(注：采用混凝土回填时，每层回填需要一次浇筑到该层的指定高度，待这层凝固后，再回填上一层。因此，分2层回填时，混凝土需要浇筑2次；分4层回填时，混凝土需要浇筑4次。本文后面对“1次回填”、“分2层回填”和“分4层回填”方案统一简称为“1次回填”、“2次回填”和“4次回填”)。
3)结构分析分别考虑中板在肥槽回填之后施作和中板在肥槽回填之前施作两种工况，并将中板前置施工工况的结果与中板后置施工工况进行比较。在计算中，两种工况均分别按肥槽1次回填、2次回填和4次回填方案进行结构分析。
4)模型计算基于增量法，考虑结构建造过程中内力和变形的影响。
5)按1环构件建立二维荷载结构模型进行分析，不考虑环与环之间的车站纵向效应影响。
6)结硬性材料回填，不考虑混凝土凝固收缩的影响[9]。结构分析的主要工况详细列于表1。
针对肥槽回填前中板不施工的工况，将土体材料按常规的肥槽回填方式进行回填，一次性施加侧向回填荷载，计算得到装配式车站结构的弯矩和轴力分布，如图3所示。
结构构件的较大弯矩主要分布于侧墙C构件的中部和底板角部构件B的转角位置，其弯矩的最大值分别为963kN·m和1641kN·m，经结构验算均满足承载性能要求。接头部位的弯矩和轴力如表2所示。
利用表中接头的内力环境，分别对各接头的承载能力进行了验算(见图4)，发现BC接头的弯矩轴力组合值已经超过拐点①线性阶段，接近拐点②，接头不能充分满足承载性能要求，但其余接头满足要求。
装配式结构在两侧的拱脚部位分别设置了外部支撑丝杠，用于抵御拱脚向外的推力，保持结构稳定。为研究采用土体进行肥槽回填工况下装配式结构的稳定性，从计算结果中提取丝杠的内力，发现其轴力为162kN，丝杠受拉，说明回填荷载作用下所产生的向外推力已经超过了拱脚的推力，此时装配式结构的侧墙有明显的内倾趋势，意味着结构趋于失稳。
由上述分析可以判定，在采用土体进行肥槽回填的情况下，装配式结构部分接头承载能力和结构稳定性不能满足要求。
在采用土体回填不能满足要求的前提下，必须采取措施，有效减小肥槽回填阶段的侧向荷载作用。为此，提出了采用具有凝固结硬特性的混凝土进行肥槽回填的方案，利用混凝土材料凝固后其对结构作用的侧压力稳定于一个固定值，不随后期回填进一步增加侧压力的特性，有效减少了侧墙肥槽回填的侧压力总量。
对于结硬性回填，分别制定了3个不同的回填方案进行分析，即1次回填、分2次回填和分4次回填。分析得到了不同分层回填方案下装配式地下车站结构的弯矩和轴力分布，如图5所示。分析发现，随着分层次数的增多，装配式结构的弯矩有急剧减小的趋势，除侧墙的轴力变化不大外，底板和顶拱的轴力也有较为明显的减小趋势。
根据计算结果发现，不同分层回填方案所引起的结构内力(尤其是弯矩)差异巨大，图6显示了不同回填方案下侧墙构件上的最大弯矩变化情况。1次回填方案中侧墙最大弯矩为3434kN·m，2次和4次回填方案的侧墙最大弯矩比1次回填方案的值分别减少了75%和88%。
不同回填方案下接头部位的内力统计如表3所示。利用接头的内力分别对接头的承载能力进行验算，如图7所示。
可以发现，采用结硬性材料，1次回填方案CD接头和DE接头不能满足承载能力要求，2次回填方案CD接头的承载能力满足要求，处于承载临界状态。进一步分析外部支撑丝杠的内力可以发现，采用1次回填方案，丝杠的轴力为1506kN，为受拉状态；采用2次回填方案，丝杠的轴力为501kN，为受拉状态说明结构侧墙有明显的内倾趋势，处于不稳定状态；当采用4次回填方案时，丝杠的轴力为–86kN，处于受压状态，意味着结构处于稳定状态，4次回填方案满足要求。
将采用土层一次性回填和采用混凝土材料一次性回填的2个方案的结构内力进行比较，发现混凝土材料1次回填方案比土层材料1次回填方案所引起的内力、接头承载力和结构问题更加严重。
上述内容均针对于中板采用现浇方式，晚于肥槽回填施工的工况，当中板结构采用预制装配方式施工时，一般情况下中板在侧墙结构拼装后即可进行装配，因此中板结构先于肥槽回填施工，肥槽工况结构分析应考虑中板存在的影响。下面将中板前置工况同样按1次回填、2次回填和4次回填进行结构分析，并进行接头承载力和结构稳定性分析。分析所得的不同回填方案结构弯矩和轴力分布情况比较如图8所示，各接头的内力如表4所示。
在此工况下，对接头承载能力进行验算如图9所示。利用接头的内力对接头的承载能力进行校核，发现中板施工前置工况下，所有回填方案的各接头承载能力均满足接头承载性能要求。因此，中板施工前置工况对肥槽回填材料和回填方案的要求降低，不排除今后采用较低强度结硬性材料回填的可能性。另外，在中板施工前置的所有回填方案工况下，验算得出拱脚外部支撑丝杠均处于受压状态。其中，1次回填丝杠轴力为–32kN，2次回填丝杠轴力为–59kN，4次回填丝杠轴力为–80kN，结构保持稳定。进一步分析中板施工后置和中板施工前置两种工况(见图10)，发现中板施工前置后，除顶拱构件的弯矩较中板施工后置方案略有增大外，其他部位的弯矩均有较大幅度的减小；中板施工前置和后置两种方案，侧墙的轴力基本接近；中板施工前置后，侧墙的最大弯矩比中板施工后置方案减小约53%(见表5)，降幅明显。
与建议针对装配式结构肥槽回填对结构和接头的承载能力及施工过程中结构稳定性的影响进行了比较；对不同回填材料、不同回填分层工况和中板结构施工先后顺序进行深入分析，得出以下结论：1)针对本文对应装配式结构，当中板结构晚于肥槽回填施工时，采用常规土体材料进行肥槽回填，会导致装配式结构部分接头的承载能力不满足要求，同时，肥槽回填荷载会导致装配式结构有侧墙内倾和结构失稳的趋势，因此不宜采用常规土体一次性施加侧压力的回填方案。2)采用结硬性混凝土材料进行分步式肥槽回填，利用液态混凝土材料固化后不会受后续回填作用导致固化段侧压力增加的特性，能够有效减小肥槽回填所带来的侧向荷载作用；提出了在中板施工后置情况下采用4次分层回填的方案，能够解决肥槽回填阶段接头承载能力不足和侧墙结构失稳的问题。3)中板施工早于肥槽回填进行时，由于受中板结构对侧墙结构的支撑作用，以及构件分割跨度减小作用的影响，结构在不同回填方案下的内力均有较大幅度的降低，各种回填方案均能够满足结构和接头受力、结构体系稳定性的要求，进而提示中板施工前置工况对肥槽回填材料和方案的要求降低，不排除今后采用较低强度结硬性材料回填的可能性。
参考文献
[1] 杨秀仁. 地铁车站装配式结构建造技术研究与应用[J]. 隧道建设(中英文), 2022, 42(3): 345-354. YANG Xiuren. Research and application of prefabricated structure construction technology for metro station[J]. Tunnel construction, 2022, 42(3): 345-354.
[2] 杨秀仁. 城市轨道交通明挖装配式地下结构设计技术及方法[J]. 隧道建设(中英文), 2022, 42(3): 355-362. YANG Xiuren. Design technology and method of open-cut prefabricated underground structures of urban rail transit[J]. Tunnel construction, 2022, 42(3): 355-362.
[3] 彭智勇, 杨秀仁, 黄美群, 等. 预制装配式地下车站结构施工阶段力学行为分析[J]. 隧道建设(中英文), 2022, 42(3): 398-405. PENG Zhiyong, YANG Xiuren, HUANG Meiqun, et al. Mechanical behavior of prefabricated underground station structure in construction stage[J]. Tunnel construction, 2022, 42(3): 398-405.
[4] 杨秀仁. 我国预制装配式地铁车站建造技术发展现状与展望[J]. 隧道建设(中英文), 2021, 41(11): 1849-1870. YANG Xiuren. Developme nt status of and outlook for construction technology for prefabricated metro stations in China[J]. Tunnel construction, 2021, 41(11): 1849-1870.
[5] 单馨玉, 陶连金, 张宇, 等. 预制装配式地铁车站肥槽回填施工力学行为研究[J]. 铁道建筑, 2020, 60(3): 39-43. SHAN Xinyu, TAO Lianjin, ZHANG Yu, et al. Study on the mechanical behavior of the backfill construction of the fertilizer trough in the prefabricated metro station[J]. Railway engineering, 2020, 60(3): 39-43.
[6] 杨秀仁. 明挖地铁车站预制装配结构理论与实践[D]. 北京: 北京交通大学, 2020. YANG Xiuren. Theory and application of prefabricated open-cut metro station structure[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2020.
[7] 胡显鹏. 增量法与总量法在地铁结构计算中的应用[J]. 都市快轨交通, 2013, 26(1): 75-80. HU Xianpeng. Increment and total displacement method for subway structural stress analysis[J]. Urban rapid rail transit, 2013, 26(1): 75-80.
[8] 杨秀仁, 黄美群. 明挖装配式地下结构整体作用效应计算分析方法[J]. 隧道建设(中英文), 2022, 42(3): 372-377. YANG Xiuren, HUANG Meiqun. Calculation and analysis method of overall action effect of open-cut prefabricated tunnel structures[J]. Tunnel construction, 2022, 42(3): 372- 377.
[9] 席耀忠. 水泥混凝土的体积变形及其测量[J]. 混凝土, 2000(11): 35-38. XI Yaozhong. Volume deformation of cement concrete and its measurement[J]. Concrete, 2000(11): 35-38.
