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装配式 | 基于现场监测的注浆式单榫接头性能分析

城市轨道交通网CCRM

2023-05-30

本文发布已获得《都市快轨交通》授权

原文发表于《都市快轨交通》

第 36 卷第 2 期 2023 年 4 月

如有转载请联系版权方，标明出处

林放1, 2，杨秀仁1, 2，王臣2

摘要:基于国内在长春地铁2号线预制装配式地铁车站结构的现场施工和运营全过程监测数据，对位于拱脚的注浆式单榫接头进行内力和变形分析，研究注浆式单榫接头在不同阶段的性能，并与数值计算值进行对比分析。结果表明：拼装成环之后，接头的凹凸榫彼此咬合，榫头表现出弯曲作用；覆土回填之后，接头以抵抗矩作用为主；覆土回填以及水位恢复对接头变形和受力起到正向作用；施工扰动结束直至通车运营之后，测试结果较为稳定，注浆式单榫接头整体内力和变形较小，安全余量较大。

关键词: 地铁车站；预制装配；注浆式榫槽接头；全过程监测；单榫接头

中图分类号: U231 文献标志码: A 文章编号: 1672-6073(2023)02-0054-08

采用预制装配技术建造地铁车站具有效率高、低碳环保等诸多优势[1-2]。装配式地铁车站主要分为以长春装配式车站为代表的“全预制装配式结构”和以上海、广州等装配+现浇结合车站为代表的“叠合装配式结构”两大类，目前，已建、在建、待建各类装配式车站达50余座[3]。长春地铁已通车运营的6座装配式车站(分别位于长春地铁2号线及2号线西延线)均采用“全预制装配式结构”，为地下2层单拱大跨型式，横断面外轮廓净宽20.5m、净高17.45m，采用7块环宽2m的预制构件拼装而成。预制构件连接部分，基于快速拼装和接缝防水的理念，采用了笔者研究团队研发的“注浆式榫槽接头”[4-5]。

研究团队经过多年试验、计算和理论分析已经掌握了注浆式榫槽接头具有变刚度和变承载特性[6]，并分别分析了注浆式单榫接头和注浆式双榫接头的抗弯承载特性[7-10]。目前，对于装配式地下结构，如盾构隧道、地下管廊等的监测主要集中在结构监测和分析方面[11-14]，对预制构件连接接头的监测分析研究较少。

拱脚接头为单榫结构，连接侧墙C和拱顶(D/E)，是顶部三铰拱的基石，其承载和变形性能对结构稳定性起着关键作用。本文基于国内外首次对装配式车站现场的长期健康监测[15]，结合注浆式单榫接头试验和数值分析结果，对位于拱脚的注浆式单榫接头进行了性能分析，研究成果对装配式地铁车站的结构设计有较大的指导意义。

1监测方案

注浆式榫槽接头通过凹槽和凸榫对接之后，在接头接缝之间通过预留注浆孔灌注浆液使之接触面充分弥合，起到限位和传力的作用(见图1)。本文监测的长春装配式车站结构及接头位置如图2所示。

本次测量自拱顶两块预制构件D和E落拱结构成环开始，历经整个施工期，从肥槽回填到覆土回填，再到出入口开挖、设备用房建造，直至车站正式通车运营3个月，共计29个月。所监测车站全长187.6m，预制装配段总长126m，位于车站中部，环宽2m预制构件布置共计63环，如图3所示，其中测试3环位于车站南侧设备用房区。

在拱脚注浆式单榫接头处布置有应变计(测点a-c)、测缝计和测斜仪用于进行接头性能监测，测试元件布置见图4。应变计埋设在接头结构内用以监测混凝土的应变；测缝计安装于接头背水面侧用以监测接缝的开合；测斜仪安装在拱脚接头侧壁上，通过监测接头连接的两块构件倾斜程度进行接头相对转角的测量；具体传感器参数见表1，传感器现场布置见图5，整个监测系统由传感器、采集仪、数据传输单元(datatransferunit，DTU)设备以及云平台组成，最后通过网页和手机APP分享数据给用户，具体监测系统结构参见文献[15]。

相对转角通过布置在接缝两个构件上的测斜仪测试值进行计算。位于结构断面左侧的C块命名为C左，布置的测斜仪所测倾角为qC左，角度值正负号定义见图6(a)；位于结构断面右侧的C块命名为C右，布置的测斜仪所测倾角为qC右，角度值正负号定义见图6(b)。布置于D/E块上的测斜仪所测倾角为θD/E，根据C块所处位置，通过图6所示方法进行角度值正负号定义。然后，根据表2和表3中接头6种状态以及2个测缝计所测角度值和正负号进行相对转角相应计算公式选择并进行计算，最后输出带有正负号(方向性)的相对转角值。通过该算法也能直观找出接头变化形态。

需要说明的是，整个车站结构建造和运营过程中，接缝并未张开，注浆段仍保持良好粘结，图6、表2和表3所示接头仅为运动趋势展示示意，图中未绘制接头细部凹凸榫部分。接头背水面朝张开方向产生相对变形量，定义为张开量“+”值；接头背水面朝紧缩方向产生相对变形量，定义为张开量“–”值；相对转角θ正负值与张开量正负值一致。

2拱脚接头现场长期监测结果分析

2.1应力分析

2.1.1长期监测结果

为了直观研究和分析变化趋势，将混凝土应变计的微应变结果转换为应力来展示，C50混凝土的弹性模量3.45×104MPa。图7为测试三环位于拱脚的注浆式单榫接头测点应力随时间变化曲线。图中标注各个施工阶段开始节点，分别为S1肥槽回填、S2顶部分层回填、S3局部恢复路面+底板浇筑、S4水位恢复、S5中板浇筑、S6东北出入口开挖、S7西南出入口开挖、S8东南出入口开挖、S9西北出入口开挖、S10设备用房建造，S11该站正式通车运营。由于DE是错缝拼装，D/E左、D/E右分别表示D/E块位于左侧和右侧，C左/右表示位于左/右侧的C块，–a/b/c表示位于所在块接头上的不同测点，具体位置见图4。

从监测结果图中可以看到：

1)顶拱D块和E块落拱成环之后，拱脚接头处应力整体呈现向拉应力发展趋势，最大拉应力不超过0.92MPa，到顶部分层回填开始，结构成环自扰动消失，结构稳定，上覆土带来的轴力作用对拱脚接头起到保护作用，接头拉应力减小。

2)顶部分层回填之后，位于C块的榫头背水面测点a表现出压应力状态，最大压应力不超过–2MPa。从测试环1#测点a结果可以看到，在施工扰动结束之后，该测点应力值稳定在–1.1MPa左右，正式通车运营后仍保持该值。

3)C块的榫头迎水面侧测点b基本表现出拉应力状态，除测试环1#测点b位置在中板浇筑之后拉应力增大较多外(考虑原因为浇筑过程中可能人为干扰采集线)，其他测点拉应力值不超过1MPa，当设备用房建造完成后，拉应力减少，在随后一段时间内表现出压应力状态，正式通车运营最终稳定在0.1MPa左右。

4)顶部分层回填之后，位于D/E块上的榫槽背水面侧的测点a和b基本表现出压应力状态，测点a的压应力值整体大于测点b。测试环1#的D左-a，在设备用房建造完成之后稳定在–1.2MPa左右，之后可能由于人为影响采集线，出现压应力迅速减小至拉应力状态的较大波动，当正式通车运营后，该测点值稳定在0附近。测试环2#的E左-b在中板浇筑之后到设备用房建造这一阶段表现出较小的拉应力，应力值不超过0.5MPa，在施工扰动结束后朝压应力发展，最终稳定在压应力状态。测试环3#的D左-b在中板浇筑之后一段时间表现出拉应力状态，应力值不超过0.5MPa，在施工扰动结束后应力值逐渐趋于0，随后稳定在压应力状态。

5)顶部分层回填之后，位于D/E块上的榫槽迎水面侧的测点c基本表现出压应力状态，最终稳定在不超过1MPa的较小压应力值。

6)整体过程来看，榫头靠近背水面一侧表现出压应力状态，迎水面表现出拉应力状态；榫槽迎水面的拉应力状态不明显，榫头应力变化较榫槽更为敏感一些。

7)除开始结构落拱成环，结构由于自适应接头应力变化速率较大外，随着肥槽回填层的硬化和上覆土的回填，所有测点应力值基本上逐渐趋于稳定，变化幅度不大。2.1.2关键施工阶段监测结果绘制位于拱脚的注浆式单榫接头榫头榫槽处测点不同施工阶段应力变化曲线，如图8所示，可以看到：

1)拼装成环之后无论榫头还是榫槽，接头应力朝拉应力增大方向发展，考虑原因为落拱成环之后由于结构自适应，拱脚接头有向迎水面发展的趋势，此时拱脚接头和基坑之间肥槽回填尚未完成，榫头和榫槽利用凹凸榫咬合抵抗该趋势。

2)肥槽回填完成之后，除榫头靠迎水面侧的C-b，榫槽和背水面侧榫头朝压应力方向发展，肥槽回填到顶部回填完成压应力增幅最大，随后趋于稳定，到中板浇筑完成，压应力较顶部回填略减少。

3)榫头靠迎水面侧的C-b，从拼装成环开始到顶部回填表现为拉应力增大，随后上覆土稳定，拉应力下降，最终稳定在小于0.4MPa的较小值。

4)榫槽部分在顶部回填之后一直稳定于压应力状态；榫头靠背水面侧稳定在压应力状态，压应力值小于榫槽部分；榫头靠迎水面侧除测试环1最终稳定在较低的拉应力状态(几乎接近于0)，其余测试环均为压应力状态；接头在覆土未回填轴力较小情况下表现出弯曲作用较多，覆土回填之后，接头在较大轴力作用下承载能力增强，抵抗矩起到主要承载作用，注浆式榫槽接头的抵抗矩主要承载性能可详见文献[6]。

2.2变形分析

位于拱脚的注浆式单榫接头在整个施工阶段的监测面(背水面)表现出朝压缩方向变形，变形姿态见图9，θ为接头相对转角，值均为负。

A为迎水面接头相对变形量(张开)，B为背水面接头相对变形量(压缩)。图10绘制了左右两侧拱脚接头相对转角随时间变化曲线，图中标注各个施工阶段开始节点，分别为S1肥槽回填、S2顶部分层回填、S3局部恢复路面+底板浇筑、S4水位恢复、S5中板浇筑、S6东北出入口开挖、S7西南出入口开挖、S8东南出入口开挖、S9西北出入口开挖，从图中可以看到：

1)在落拱成环之后，结构经历自稳平衡过程，在肥槽回填开始之后到顶部土分层刚开始期间，接头变形存在一定波动性，拱脚接头的相对转角逐渐增大，在顶部土分层刚开始时，右侧接头相对转角达到最大值–0.105°，左侧接头也出现波动，变化量较右侧接头小。

2)随着上覆土分层回填开始，拱脚接头的变形逐渐减小，右侧接头顶部回填和局部路面恢复两阶段中由于施工扰动带来数据缺失，从该阶段波动较大一段数据可以看到，扰动影响持续到水位恢复之前，水位恢复之后数据逐渐趋于稳定，相对转角在–0.037°左右。左侧接头相对转角在顶部分层回填之后下降到最小值，随后缓慢上升并逐渐稳定在–0.03°左右。

3)中板浇筑之后，两侧接头变形略微增大，增幅很小，随后由于施工扰动，导致S5到S6中段数据缺失，右侧接头受扰动影响较大，到S6之前回复到小于–0.04°的转角值，但是由于出入口开挖影响，S6之后阶段数据缺失；左侧接头在缺失段之后，转角值稳定在–0.04°左右，到东南处入口开挖开始，变形缓慢减少，最后稳定在–0.027°左右。

3现场监测与数值计算对比

3.1计算模型

计算和监测车站覆土埋深3.5m，土层从上到下包含杂填土、粉质黏土、全风化泥岩、强风化泥岩，顶板在粉质黏土层，底板在强风化泥岩层。用于对比的数值计算模型建立在前期研究成果得以验证的模型和参数基础上[4,15-16]，利用MidasGTSNX建立施工阶段模型。采用荷载结构法，计算模型见图11，肥槽回填混凝土及基坑围护桩结构均采用梁单元模拟；土体弹性抗力采用地基弹簧模拟，为仅受压弹簧；接头采用梁-弹簧单元模拟，并采用接头刚度多次迭代方法代入计算；围护桩-肥槽回填混凝土-装配式衬砌之间的相互作用按仅受压弹簧模拟；具体计算参数取值见文献[15-16]，此处不再赘述。

3.2对比分析

图12绘制了不同施工阶段下，拱脚两侧接头相对转角现场测试结果与数值计算结果对比，可以看到：

1)测试值被计算值包络，除左侧接头顶部回填完成阶段，其他监测结果与计算值趋势一致。

2)相对转角值从拼装成环开始随着施工进程呈增大趋势，数值计算值和右侧接头测试值到顶部覆土回填完成达到最大值，左侧接头测试值到局部路面恢复+底板浇筑完成达到最大值，测试值上升幅度比计算值小。

3)拱顶覆土回填完成之后随着扰动减少，结构稳定，相对转角逐渐回复到较小值，到水位恢复之后相对转角值稳定小于–0.04°。

4)现场测试值在顶部覆土回填后更趋于稳定。

4结论

本文依托现场长期监测，对装配式车站结构整个施工过程以及后期运营阶段位于拱脚的注浆式单榫接头的力学和变形特性进行了分析，得到主要结论如下：

1)接头应力整体变化不大，榫头榫槽表现出咬合作用，榫头较榫槽更敏感，靠近背水面一侧表现出压应力状态，迎水面表现出拉应力状态，运营稳定后，榫头迎水面大部分表现为压应力状态。

2)拼装成环刚开始，结构有一段自适应期，拱脚接头应力和变形较大，并呈波动状态，到顶部分层覆土回填之后，应力和变形逐渐下降，因此接头设计需留有倒角和嵌缝，并在施工拼装中应及时进行接缝注浆，确保接头限位和弥合，避免拼装开始在结构自适应期扰动带来的接头磕碰危害。

3)顶部分层覆土回填之后，拱脚接头变形明显下降，轴力的增加对注浆式榫槽接头这种变刚度接头起到正向作用，提高了接头的承载和变形能力。

4)拼装成环之后，注浆式单榫接头的榫头发挥抗弯作用，覆土回填之后，接头抵抗矩起到主要承载作用，施工中建议肥槽及时回填，尽早发挥变刚度接头在外荷载作用下的轴力优势。

5)拱脚接头整体变形较小，监测值小于数值计算值，按照数值计算值进行设计的注浆式单榫接头具有较大安全余量。

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