不對稱截面沉管隧道三維結構分析

胡勇前1，趙鵬輝1，陳 衡2 ，林亞星

(1.佛山市佛山新城開發(fā)有限公司,廣東 佛山 528316； 2.中交四航局第一工程有限公司，廣東 廣州 510000；3. 西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031)

·建筑與土木工程·

不對稱截面沉管隧道三維結構分析

胡勇前1，趙鵬輝1，陳 衡2，林亞星3

(1.佛山市佛山新城開發(fā)有限公司,廣東 佛山 528316； 2.中交四航局第一工程有限公司，廣東 廣州 510000；3. 西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031)

佛山市汾江路南延線沉管隧道工程為我國最大公鐵合建隧道，不同于大多數(shù)沉管隧道，該工程為了同時滿足車輛、地鐵的通行需要，隧道橫斷面設計為不對稱截面，給設計和施工帶來了較大的挑戰(zhàn)。針對以上問題，本文對靜力作用下的沉管隧道管節(jié)進行三維數(shù)值模擬分析,分析并比較管節(jié)在不同工況下的應力、變形、沉降，探究不對稱隧道截面與常規(guī)對稱隧道截面之間受力性態(tài)的差異，得出一些與對稱截面沉管隧道不同的結論(不對稱隧道管段在橫向上產(chǎn)生了不對稱的沉降等)，對后續(xù)施工和類似工程有一定參考價值。

沉管隧道；三維結構；受力性能；數(shù)值模擬

目前我國大部分沉管隧道均為管段截面對稱的單通道或雙通道截面，相關的科研也多集中于此領域:文獻[1-2]針對我國尚無沉管隧道專門設計規(guī)范的情況，提出了沉管隧道設計可以借鑒我國水工混凝土結構設計規(guī)范及其相應的荷載規(guī)范的建議，并對沉管隧道設計計算中需要考慮的作用、作用組合及荷載工況進行了研究。文獻[3]應用有限元法，從橫向、縱向及局部3方面對沉管隧道進行了靜力計算，為沉管隧道的設計提供了一定的依據(jù)。上述文獻采用傳統(tǒng)二維的建模方式由于無法真實、全面地模擬管段的整體受力情況，所以獲得的數(shù)據(jù)有限。文獻[4]對甬江隧道進行了靜力作用下的三維有限元分析，探究了水位變化、基礎脫空和頂部覆土厚度對結構內(nèi)力的影響。文獻[5-7]分別對沉管隧道接頭、臨時支撐系統(tǒng)、基礎處理等局部結構進行了模擬和分析，為對稱截面沉管隧道的相關研究提供了很好的借鑒。

佛山市汾江路南延線沉管隧道工程沉管段標準橫斷面為四孔一管廊斷面，是典型的非對稱結構斷面[8]。上述相關研究對于本工程的指導作用相對較低，相對于傳統(tǒng)的對稱截面，非對稱截面的橫斷面剛度分布不均勻，受力行為不確定，存在潛在的設計、施工及使用危險；因此，有必要對本工程結構的受力性態(tài)進行新的研究。

1 工程概況

佛山市汾江路南延線沉管隧道項目工程位于廣東省佛山市南部，是國內(nèi)第一條建于內(nèi)河中上游的沉管隧道[8]。工程經(jīng)路呈南北直向，下穿東平水道的隧道長約1 113 m，其中沉管段全長445 m。沉管隧道由5節(jié)矩形鋼筋混凝土沉管連接而成，分別編號為E1(115 m)、E2(115 m)、E3(105 m)及E4(110 m)，E4管段分為E4-1和E4-2兩段。E3和E4-1管段在干塢內(nèi)預制場地拉合，并一起沉放；E3+E4-1與E4-2接頭段主體結構之間為最終接頭水下澆注段(2.5 m)，兩端分別與南北岸暗埋隧道相接。管段標準橫斷面寬39.9 m，高度為9 m,為四孔一管非對稱斷面，管段斷面如圖1所示。

圖1 沉管隧道橫斷面(單位：mm)

2 沉管段有限元模型

本文建模研究對象為E2管段，依據(jù)相關設計資料和地質(zhì)勘查報告，E2管段縱向全長110 m，將被沉放在對應的基巖之上，其管身會因水位的差異和回填材料的不同受到來自各個方向的不同壓力。為了更好地模擬這一實際情況，管體結構采用實體單元SOLID45進行模擬；表面覆蓋一層表面線性單元SURF154，該單元上可以施加任意方向的荷載，以便更好地模擬管段的受力行為；地基對管段的反力采用彈簧單元COMBIN14模擬，配合合理的接頭模擬和網(wǎng)格劃分，能夠較好地模擬接頭約束情況和均勻的地基情況。詳細建模要點如下：

1) 網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分對于有限元分析至關重要，其主要矛盾在于模型模擬的精細度，結果的精確性及計算速度的有機統(tǒng)一。為保證沉管隧道所處地基模擬的均勻性，管段地層網(wǎng)格離散尺寸為0.3 m,逐漸過渡到中部和上部0.6 m的網(wǎng)格尺寸；同時在轉(zhuǎn)角、隔墻等容易發(fā)生應力集中的地方將局部網(wǎng)格加密；縱向離散尺寸為0.6 m，如此劃分網(wǎng)格，合理地分配了資源，有效地減少了單元數(shù)目。管段局部網(wǎng)格劃分有限元模型如圖2所示。

圖2 局部有限元模型

2)地基模擬。采用COMBIN14模擬彈性地基，該單元為彈簧單元，具有2個節(jié)點，無法輸入表面荷載或體荷載，只能連接于節(jié)點上。由于每一個彈簧單元的彈性模量一定，在模擬地基時，意味著單位區(qū)域彈簧越密集，該區(qū)域地基整體剛度就越大，地基若產(chǎn)生了相對剛度的差異，對結果的影響巨大；因此，為了保證地基的均勻性，就必須保證地層網(wǎng)格劃分的均勻。

3)接頭約束模擬。管節(jié)間的接頭形式是影響沉管段縱向計算的關鍵因素之一[1]。沉管隧道的接頭一般由縱向連接、剪力連接鍵及GINA止水帶3部分組成。本工程的縱向連接形式為使用Ω型鋼板連接的柔性接頭，用COMBIN14單元模擬該連接。根據(jù)文獻[1]關于柔性接頭剛度的計算方法，其軸向剛度取Ω型鋼板的軸向剛度，X方向約束為全約束，Y方向約束為自由。

4)彈簧彈性常數(shù)的計算。ANSYS中定義COMBIN14單元軸向彈簧常數(shù)單位為“力/長度”，而其模擬的綜合地基彈性系數(shù)單位為“力/體積”，在輸入時需要進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換公式如下：

(1)

式中:K為輸入彈簧單元的彈簧常數(shù)，單位為“力/長度”；KV為綜合地基彈性系數(shù)，單位為“力/體積”；A為考慮的地基承載面積，單位為“面積”；N為地基面積內(nèi)彈簧單元的個數(shù)。

3 沉管段結構荷載及荷載組合

3.1荷載及參數(shù)計算

本次模擬考慮的主要荷載有結構自重、頂層防錨層自重、路面鋪裝層自重、沉船荷載、水壓力及土壓力。

1)管體自混凝土采用C40混凝土，密度ρ=2 356.21 kg·m-3，彈性模量E=32.5 GPa，泊松比μ=0.2；頂部0.18 m防錨層壓力為42.4 kPa，1 m厚C20路面鋪裝層壓力為295 kPa。

2)為了能準確考慮水土荷載的作用，水土荷載采用水土分算原理分別計算管節(jié)所受水土壓力，其中土壓力根據(jù)設計回填資料，由郎肯土壓力原理分層計算而得，回填斷面圖如圖3所示。

圖3 回填斷面圖

3)根據(jù)工程地勘資料和灌砂基礎處理資料，E2管節(jié)所處基礎包括0.6 m厚灌砂基礎(加水泥拌合)及下層中風化泥質(zhì)粉砂巖。本文參考文獻[7]沉降計算的假定，考慮不同土層的綜合效應，根據(jù)溫克爾(Winkler)地基模型計算基礎的綜合地基彈性系數(shù)，下層粉砂巖有效厚度考慮1 m，計算公式如下：

(2)

式中：KV為 綜合地基彈性系數(shù)；Hi為第i層地基厚度；Ei為第i層地基壓縮模量；通過計算，取KV=13.7MN/m3。

3.2荷載組合

本文依據(jù)現(xiàn)行SL191—2008水工混凝土結構設計規(guī)范中章節(jié)3.2的要求及5077—1997水工建筑物荷載設計規(guī)范中的要求，按承載力極限狀態(tài)的基本組合及偶然組合，正常使用極限狀態(tài)的標準組合對荷載進行組合[9-12]。永久作用考慮結構自重、頂層防錨層自重、路面鋪裝層自重、載土壓力及側(cè)向土壓力；可變作用考慮高潮位(HWL)、低潮位(LWL)、平均潮位(AWL)及異常高潮位(HHWL)——200年一遇洪水位的水壓力；偶然作用考慮拋錨或沉管荷載，東平水道目前按Ⅲ級航道維護，通行1 000t級船隊，遠期規(guī)劃為Ⅱ級航道，故沉管荷載按30kN/m2考慮，具體組合及荷載效應組合系數(shù)如表1所示。橫斷面荷載簡圖如圖4所示。

表1 管段荷載組合

圖4 橫斷面荷載簡圖

4 結果分析

4.1應力分析

1) 計算結果顯示，起控制作用的荷載組合為基本組合3)，其最大拉應力(1stPrincipal stress)發(fā)生在頂板管線廊道隔墻附近的反彎點，如圖5(a)所示。最大壓應力(3rdPrincipal stress)發(fā)生在靠近一端接頭1/5處頂板與側(cè)墻交界處，如圖5(b)所示。

(a)最大拉應力斷面圖

(b)最大壓應力位置示意圖

最大拉應力值為σ拉mox=5.7 MPa；最大壓應力σ壓max=-6.01 MPa。規(guī)范中受壓構件容許應力計算公式為

[σ]=φfcAc。

(3)

式中：φ為混凝土受壓構件穩(wěn)定系數(shù)；fc為立方體混凝土軸心抗壓強度；Ac為混凝土受壓區(qū)截面面積；經(jīng)計算得 [σ]=8 MPa，大于最大壓應力實際值，且有一定的強度儲備，滿足設計要求。

2)通過反復模型調(diào)試和分析表明，出現(xiàn)最大拉應力的原因主要是由于管段上部受到了覆蓋土壓力及水壓力的雙重作用，理應向下變形，而管線廊道隔墻在此處起了支撐作用，大大增加了該段的局部剛度。管段頂板橫向受力形式類似于連續(xù)梁受均布荷載，隔墻則相當于連續(xù)梁的中間支座，在支座附近自然會產(chǎn)生較大的反彎矩，從而引起拉應力的集中現(xiàn)象，橫斷面所受彎矩情況如圖6所示，與應力云圖和分析結果一致。針對這一現(xiàn)象，建議在管段橫斷面的2道中隔墻上部增加支座負筋，以抵抗其負彎矩。最大壓應力處為側(cè)板與頂板交接處，剛度較大，且同時受到頂部及側(cè)面水土壓力的雙向壓力作用，加之相鄰管節(jié)間的互相擠壓使此處應力單元處于三相受力狀態(tài)，其最大主應力則會產(chǎn)生壓應力極大值。

圖6 管端橫斷面彎矩圖(單位：kN·m)

3)此外，如圖7所示，管線廊道中隔墻處頂板沿整個隧道縱向拉應力都偏大，應沿管節(jié)全場配置負筋，防止混凝土受拉開裂；而為地鐵通過的單側(cè)不對稱開孔廊道，其應力均在合理范圍內(nèi)，未因斷面不對稱引起特殊的應力變化。

圖7 管段應力云圖

4.2位移分析

1)計算結果顯示管段沉降最大值為42.8 mm，由于工程還在進行中，未獲得相關實測資料，現(xiàn)將沉降值與類似參考文獻分析作橫向比較：文獻[13]計算管段最大量沉降為38 mm，文獻[7]施工階段加使用階段平均總沉降為51.8 mm，考慮到本文各工程接頭及地基彈性系數(shù)的差異等因素，可認為計算結果是合理的，接頭模擬是可行的。

2)管段最大變形47.6 mm位于公路開孔頂板中部，如圖8所示。值得注意的是，由于橫斷面不對稱產(chǎn)生的管節(jié)兩側(cè)不均勻變形現(xiàn)象明顯，且由圖8可知，結構的地鐵廊道一側(cè)變形明顯較大，管段地鐵開孔廊道端部變形超過45 mm，平均變形也在40 mm左右。這是在其他對稱橫斷面沉管結構所未出現(xiàn)的情況。經(jīng)分析，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是由于管段增加的地鐵開孔廊道部分增加了改側(cè)的管段自重，而管段下部的灌砂基礎存在孔隙，空隙在較大的自重下會被擠壓得更加密實，造成更大的沉降量；因此管段在橫向上產(chǎn)生了不對稱的沉降。此外，地鐵開孔廊道的沉降在隔墻處引起了翹曲，導致其相鄰側(cè)的公路開孔廊道產(chǎn)生了Y方向較大變形。為了減小這一不均勻變形的影響，建議在管段不對稱部分下部加強其灌砂基礎的處理，可適當灌入混凝土使地基剛度增大，使其更密實，同時還可以在局部增設支座，來抵消不均勻的沉降，同時可以加強這部分管段的配筋。

圖8 管段位移云圖

5 結論

通過上述數(shù)值模擬計算分析，得出結論如下：

1)沉管隧道頂部在承受水土壓力及其他各種荷載時，下方隔墻起到了減小跨長的支撐作用，同時也使得頂板出現(xiàn)受拉的反彎點，其橫向受力模型類似于連續(xù)梁受均布荷載作用，隔墻上方頂板很容易受到過大拉應力影響，需在此處增加橫向配筋，防止混凝土拉裂,采用C40混凝土能很好地滿足抗壓性能的要求。

2)不對稱截面沉管隧道，其非對稱部分應力不起控制作用；但整體變形由于不對稱作用可能會引起較大變形，甚至起變形控制作用，應采取構造措施抵消這一影響。

3)本文未考慮混凝土收縮及管段內(nèi)外溫差作用，今后可對溫度對管段受力性態(tài)的影響進行進一步研究。

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(編校：葉超)

ResearchontheThree-DimensionalStructureofImmersedTunnelwithAsymmetricalSection

HU Yong-qian1,ZHAO Peng-hui1,CHEN Heng2,LIN Ya-xing3

(1.Development&ConstructionCompanyLtd.ofFoshanNewCity,Fushan528316China;2.TheFirstEngineeringCompanyofCCCCFourthHarborEngineeringCo.,Ltd,Guangzhou510000China;3.SchoolofCivilEningeeringofSouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031China)

As the biggest road-railway tunnel so far in China, the immersed tunnel at the south extension of Fenjiang Road, Fo’shan City was designed with asymmetrical cross section to meet the demand of travel.This differs it from most of immersed tunnels and brings big challenge to design and construction. This research studied the pipelines of immersed tunnel under static loading based on 3-dimensional numerical stimulation analysis. Some conclusions are reached by comparing the stress states of symmetry-sectional tunnels and asymmetry-sectional tunnels, under different stress, deformation and settlement conditions(Asymmetric tunnel section on lateral produced the asymmetry settlement, etc). This research provides valuable reference for subsequent construction and similar projects.

immersed tunnel; three-dimensional structure; mechanical behavior; numerical stimulation

2015-01-29

胡勇前(1972—)，男，高級工程師，主要研究方向為橋梁與隧道工程項目管理與優(yōu)化技術。

U455.46

：A

：1673-159X(2015)06-0104-05

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.06.022