考虑连接器影响时预制公用隧道接缝的剪切性能

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Shear performance of prefabricated utility tunnel joints considering the effect of connectors

预制暗管接缝力学行为与剪切破坏特性研究通过模型试验与数值模拟发现，纵向连接件可显著提升接缝抗剪刚度与承载能力达49.4%，延缓开裂并改善应力分布，其破坏模式由弯曲破坏转变为弯剪复合破坏，关键受力区域为倒角部位。

　　

赵超|陈娇娇|钟伟宁|李欣|孙晨晨|徐有军|韩欣|高俊毅|王建军|傅志强

内蒙古科技大学土木工程学院，中国包头014010

摘要

预制公用隧道接头容易开裂、泄漏和错位，从而严重威胁运营安全和可靠性。为了更好地利用这些接头，本研究基于包头市 Jing 12 路的预制公用隧道项目，通过两个尺度模型试验，研究了它们对预制公用隧道接头剪切破坏特性和力学行为的影响。此外，通过三维数值模拟阐明了接头的内部力分布和破坏机制。结果表明，在剪切载荷下，两种工况下的接头破坏都从倒角处开始，并向跨中发展。接头的添加将破坏形式从弯曲破坏转变为弯曲-剪切破坏。纵向接头的引入延迟了开裂时间，减少了损伤程度，提高了接头剪切刚度，使接头承载能力增加了 49.4%，位移变形减少了 10%，并增加了 43.81% 的能量耗散。接头同时承受轴向拉伸、弯曲和剪切应力，表现出 Z 形变形。倒角是接头内部力分布的关键区域，此处接触压力、剪切力和弯矩最为显著。建议优化接头结构，以减少倒角处的应力，并在结构设计中加强对其剪切和弯曲承载能力的验证。这些发现为预制公用隧道的合理设计和安全评估提供了基本参考。

引言

城市隧道是基础设施发展的关键组成部分，在实施海绵城市计划和国家新型城镇化战略中发挥着重要作用。然而，当隧道结构受到地面荷载变化、土壤固结和沉降、相邻地下通道施工干扰或动态荷载的影响时，可能会发生管道接头开口变形或由于接头错位引起的剪切变形（Liu 等，2022）。在后续运营中，可能会出现结构开裂、管道段错位、防水橡胶垫片位移、渗水和泥浆泄漏等问题（Wang 等，2021；Wu 等，2022）。这些问题不仅会降低结构的承载能力，还可能导致隧道坍塌，从而大幅增加维护成本并严重影响隧道的安全运行（Zhang 等，2017）。此外，由于隧道纵向接头的不连续性和连接方法的限制，纵向接头的刚度和结构特性与主隧道结构不同。因此，纵向接头被认为是整个隧道结构中最为脆弱的部件（Zhang 等，2024a；Zhang 等，2022；Shen 等，2021）。

为此，学者们对各种隧道结构接头的破坏特性进行了广泛研究。例如，矩形顶管隧道的破坏主要表现为接头开口和钢套的剪切破坏（Ma 等，2022），而盾构隧道则主要表现为接头混凝土的压碎破坏和段错位（Guo 等，2025；Li 等，2022）。相比之下，沉管隧道的破坏模式主要是接头混凝土的压碎破坏和段错位（Hu 等，2018；Li 等，2025）。然而，公用隧道与上述类型之间存在显著差异，主要是由于它们的接头结构和加载条件不同。公用隧道的破坏行为主要表现为接头处的应力诱导开裂和纵向差异变形。因此，其他隧道接头的研究结果不能直接应用于公用隧道。

目前，地下综合管道段的施工方法主要是现场浇筑或预制。与现场浇筑相比，预制公用隧道段具有施工质量高、效率高、施工周期短、节能和环境效益等优点（Xiao 等，2021）。然而，如果预制段发生纵向不均匀变形，结构截面内会出现应力分布不均，导致接头处应力状态和变形更加复杂（Zhao 等，2020）。这些条件可能引发典型的破坏模式，包括接头开口、混凝土开裂和连接器性能下降。这些破坏模式直接带来多种风险，如防水失效、承载能力降低和结构耐久性下降，从而对公用隧道的整体安全和长期运行构成直接威胁。因此，深入研究预制公用隧道接头的力学性能和破坏机制，并阐明连接器与混凝土承插接头之间的协同工作机制，是确保预制公用隧道项目安全的关键前提，具有重要的工程应用价值。

预制公用隧道接头通常分为三种类型：平接、榫接和承插接。其中，承插接因其优异的性能特性而在工程中得到广泛应用。因此，深入了解其破坏机制至关重要。通过接头模型分析，研究人员可以评估在不同加载条件下的刚度特性和变形模式（Lin 等，2020；Tang 等，2021）。此外，模型试验可以提供极限承载能力（Wang 等，2022）和破坏特性（Liu 等，2022）。随后，有限元分析用于模拟复杂应力状态下的接头响应，从而可以检查应力分布（Ling 等，2023a）、变形历史（Ling 等，2023b；Dong 等，2022）和破坏模式（Wang 等，2021；Zhang 等，2024c；Zhao 等，2022），以便进行设计优化。然而，现有的研究主要集中在接头本身（Salemi 等，2017；Wang 等，2020），其中纵向连接器通常被简化为理想的载荷传递元件或边界约束。这种简化不仅阻碍了对连接器-混凝土协同机制的系统性阐述，还忽略了它们在刚度兼容性和变形协调方面的协同效应。此外，连接器在剪切传递路径中的精确功能及其对结构刚度演变和破坏模式进展的影响尚未得到充分理解。关于连接器在剪切载荷下的内部力重新分配和破坏机制的系统研究也存在显著空白。

为了解决这一空白，使用包头市 Jing 12 路公用隧道项目作为案例研究，对带有和不带有纵向接头的预制公用隧道接头进行了一系列尺度模型试验。试验结果阐明了纵向连接器的影响机制，并表征了它们在接头抗剪过程中的剪切性能。同时，也验证了数值模型的有效性。结合数值模拟和理论分析，研究了带有纵向接头的公用隧道接头的力学响应，进一步揭示了连接器与混凝土承插接头之间的协同工作机制。这些发现有望为类似预制公用隧道的合理设计和安全评估提供有价值的参考。

项目概况

本次试验的地下公用隧道项目位于包头市新都区，主要敷设电力电缆、通信光纤、供水管道和供热管道。该公用隧道总长度为 28.16 公里。主要采用明挖施工方法，某些区域采用盾构或顶管方法。公用隧道的主结构设计使用寿命为 100 年。

接头的破坏特性和破坏过程

如图 11 和图 12 所示，在剪切载荷下，观察到了带有和不带有连接器的预制公用隧道接头的宏观破坏特性。

加载前，接头表面未观察到裂纹。随着加载位移的增加，相邻管道段的插头和承插部分开始接触。随后，在 No.1 管道的承插部分底部最初出现了水平裂纹（图 11 (a-b) 和图 12 (a-b)）。

模型建立和参数设置

为了进一步研究承插接头的力学特性，使用有限元软件 ABAQUS（Long 和 Lee，2015）开发了一个预制公用隧道的数值剪切模型。数值模型的尺寸、几何特征、材料参数和加载方法与试验模型相同。数值模型的配置如图 17 所示。

混凝土采用“混凝土损伤塑性”模型进行模拟。

无连接器的接头破坏过程

根据插头和承插部分的破坏特性和内部力变化规律，图 24 展示了无连接器的预制公用隧道接头的破坏演变过程。以 No.2 管道的承插部分为例，分析了接头的破坏机制。根据上述试验现象和数据，预制公用隧道接头的破坏过程可以分为三个阶段。

在初始状态下，结构

结论

基于带有和不带有纵向接头的预制公用隧道接头的尺度模型试验，本研究揭示了纵向连接器对接头破坏特性和剪切行为的影响机制。同时，也验证了数值模型的有效性。此外，通过数值模拟分析了接头的内部力和倒角处的应力集中情况。主要结论如下：

(1)

接头损伤始于

作者贡献声明

赵超：项目管理、正式分析、数据整理、概念构思。 陈娇娇：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、概念构思。 钟伟宁：撰写——审阅与编辑、验证、方法论。 李欣：撰写——审阅与编辑、验证、方法论。 孙晨晨：撰写——审阅与编辑、验证、方法论。 徐有军：撰写——审阅与编辑、验证、监督、概念构思。 韩欣：撰写——

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52168060）、内蒙古自治区自然科学基金（项目编号：2025MS05037）以及内蒙古自治区直属高校基本科研经费（项目编号：2024QNJS013）的支持。