沉管隧道變截面管段若干關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)分析

劉力英，魏立新

（廣州市市政工程設(shè)計研究總院，廣東 廣州 510060）

沉管隧道變截面管段若干關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)分析

劉力英，魏立新

（廣州市市政工程設(shè)計研究總院，廣東 廣州 510060）

以國內(nèi)首條變截面沉管隧道工程-廣州洲頭咀沉管隧道工程為依托，總結(jié)了變截面管段成型預(yù)制技術(shù)難點(diǎn)及對策；分析了管段起浮及浮運(yùn)過程中干舷及穩(wěn)定性機(jī)理，并提出了相應(yīng)控制措施；建立了二維和三維數(shù)值模型，揭示其結(jié)構(gòu)空間受力特性。分析表明，管段預(yù)制時在內(nèi)部模板臺車上設(shè)置連續(xù)桁架作為補(bǔ)償可較好滿足截面漸變段成型預(yù)制的要求；對道路線形進(jìn)行小幅度調(diào)整使結(jié)構(gòu)橫向?qū)ΨQ、在漸變端增加壓載及合理布置壓載水箱可有效解決管段起浮及浮運(yùn)階段管段橫、縱向傾側(cè)的問題；變截面沉管隧道的三維空間受力特性較為明顯，設(shè)計過程宜建立三維空間模型進(jìn)行受力分析，以更準(zhǔn)確地分析不同斷面處的內(nèi)力并進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋。

沉管隧道；變截面；管段預(yù)制；管段浮運(yùn)；數(shù)值模擬

0 引言

沉管隧道以其埋深淺、接線距離短、斷面利用率高、施工質(zhì)量可靠、風(fēng)險易于控制等優(yōu)點(diǎn)[1]，愈來愈廣泛地被用于城市復(fù)雜環(huán)境的過江隧道建設(shè)中。隨著廣州珠江、寧波甬江、上海外環(huán)線、廣州侖頭—生物島等多條沉管隧道的成功建設(shè)，在沉管結(jié)構(gòu)形式、預(yù)制技術(shù)、浮運(yùn)沉放等關(guān)鍵技術(shù)方面已取得不少實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與研究成果。

林鳴等[2]對沉管隧道結(jié)構(gòu)橫、縱斷面及結(jié)構(gòu)材料選型展開研究，對沉管隧道結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢及優(yōu)化方向給出建議。陳海軍[3]、詹信群[4]等建立三維數(shù)值模型，對廣州生物島～大學(xué)城沉管隧道結(jié)構(gòu)橫、縱向關(guān)鍵工況進(jìn)行了計算分析。陸仁超[5]、范帥[6]等借助數(shù)值手段對沉管早齡期性能發(fā)展過程展開研究，提出沉管預(yù)制溫度與裂縫控制措施；鄧建林[7]、王朝輝[8]、謝震靈[9]等分別基于沈家門港、天津海河、南昌紅谷隧道工程，總結(jié)了管段浮運(yùn)沉放方案選擇、施工參數(shù)確定、風(fēng)險控制等方面的成功經(jīng)驗(yàn)。然而，上述研究主要以等截面管段為對象，對于管段截面沿縱向變化的變截面管段尚無相關(guān)報道。

基于此，以國內(nèi)首條變截面沉管隧道工程-廣州洲頭咀沉管隧道工程為依托，總結(jié)了變截面管段成型預(yù)制設(shè)計技術(shù)難點(diǎn)及對策；分析了管段起浮及浮運(yùn)過程中干舷及穩(wěn)定性機(jī)理，并提出了相應(yīng)控制措施；建立了二維和三維數(shù)值模型，揭示其結(jié)構(gòu)空間受力特性,以期為后續(xù)變截面沉管隧道設(shè)計施工提供借鑒。

1 工程概況

廣州市洲頭咀隧道是連接海珠區(qū)與荔灣區(qū)的一條重要通道，從西往東，經(jīng)荔灣花蕾路，與芳村大道相交后下穿珠江，經(jīng)海珠區(qū)洪德路立交與內(nèi)環(huán)路相接（見圖1）。道路等級為城市一級主干道，以隧道形式過江，主線采用雙向六車道，設(shè)計車速50 km/h；隧道全長1 287 m，其中芳村岸上段長659 m，江中沉管段長340 m，海珠岸上段長282 m，并預(yù)留遠(yuǎn)期接入規(guī)劃T13路的接口。

洲頭咀隧道西岸主線與花地大道相接，匝道需與距江邊僅360 m的芳村大道相接；東岸主線與規(guī)劃的T13路相接，匝道則需接入距岸邊僅320 m的地面，而后與內(nèi)環(huán)路高架以環(huán)形匝道相接，接線條件苛刻。為保證兩端線型滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過深入的技術(shù)分析，首次創(chuàng)新地提出將線路主線與匝道并線變寬段設(shè)置在江中沉管段，使得本隧道成為國內(nèi)首次采用變截面沉管技術(shù)的隧道，解決了城市環(huán)境復(fù)雜、展線困難的技術(shù)難題，使過江通道的建設(shè)成為可能。

洲頭咀隧道沉管段全長340 m，共分4節(jié)，編號為E1～E4，每節(jié)長85 m，為雙孔一管廊結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)斷面寬31.4 m，高9.68 m；首尾E1、E4兩節(jié)為沿隧道里程方向截面高度不變、寬度變化的變截面管段，其中 E1寬度為31.4～39.36 m，E4寬度為31.4～37.82 m。

圖1 洲頭咀隧道平面圖

相較于等截面管段，變截面管段的技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在：管段的成型預(yù)制，管段起浮及浮運(yùn)過程中的干舷及穩(wěn)定性控制，管段的空間受力特征分析等。

2 變截面管段的成型預(yù)制

內(nèi)河沉管隧道管段一般在干塢內(nèi)或船臺上分段分層澆筑。洲頭咀隧道沉管結(jié)構(gòu)共4節(jié)分兩批在軸線干塢內(nèi)預(yù)制，每節(jié)長度85 m，見圖2，為控制溫度收縮裂縫及地基不均勻沉降引起的裂縫，管段分5小節(jié)段進(jìn)行預(yù)制，每節(jié)段長15.8 m；設(shè)置4個后澆帶，寬度均為1.5 m（見圖3）。變截面管段成型預(yù)制難點(diǎn)主要體現(xiàn)在模板制作。

圖2 E1管段橫斷面圖（單位：cm）

圖3 E1管段分段平面示意圖（單位：cm）

沉管整體制作誤差允許值很小，為確保管段制作精度，對模板加工精度、承載力、剛度及穩(wěn)定性均有較高的要求；同時需嚴(yán)格控制模板安裝精度和牢固度?，F(xiàn)有預(yù)制模板常采用鋼模板系統(tǒng)，外模形式為整體大桁架結(jié)構(gòu)，內(nèi)模形式為模板臺車。

由于E1、E4均為“喇叭口”變截面管段，常規(guī)模板系統(tǒng)已無法滿足預(yù)制要求。如圖3所示，E1管段的第①、②小節(jié)段的截面寬度與E2、E3管段相同，均為31.4 m，第③～⑤小節(jié)段的截面寬度則由31.4 m漸變到39.36 m；為適應(yīng)截面變寬特性，內(nèi)部模板臺車在等寬內(nèi)部桁架臺車基礎(chǔ)上增加四個漸變段作為補(bǔ)償（見圖4），補(bǔ)償塊采用桁架結(jié)構(gòu)。如圖5所示，基于結(jié)構(gòu)分段樣式，補(bǔ)償塊桁架結(jié)構(gòu)分段長度為2 m，中間通過法蘭孔與螺栓進(jìn)行連接，桁架外楞及立柱采用工字鋼，間距為1 m，內(nèi)撐采用槽鋼。漸變段補(bǔ)償塊與標(biāo)準(zhǔn)段臺車桁架通過法蘭扣連接，并與臺車面板之間通過油壓系統(tǒng)連接形成整體。

圖4 變截面段內(nèi)部模板臺車斷面圖

圖5 漸變段補(bǔ)償塊平面圖(單位：mm)

3 變截面管段起浮和浮運(yùn)過程中的干舷及穩(wěn)定性控制措施

等截面直線和大半徑曲管段的起浮、浮運(yùn)和沉放等工序已有較為成熟的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，且施工難度相對較低，風(fēng)險小；然而對于變截面管段（見圖6），其平面形狀相對于X、Y軸均不對稱，浮心和與重心理論上并不重合，勢必引起管段在水中存在橫、縱向傾側(cè)問題，造成起浮、浮運(yùn)及沉放等困難。由于管段浮心由其水平投影中心確定，重心依據(jù)管段上的荷載分布計算，則漸變管段兩側(cè)端部截面面積相差越大，其浮心與重心偏離愈大，管段傾側(cè)問題就愈顯著，增加設(shè)計難度的同時也給施工質(zhì)量和風(fēng)險控制提出了更高的要求。

圖6 E1管段重心和浮心示意圖

為確保管段起浮、浮運(yùn)和沉放穩(wěn)定，E1、E4管段采取如下措施使重心與浮心重疊：

（1）如圖7所示，對道路線形進(jìn)行小幅度調(diào)整，使其平面形狀相對于X軸對稱，以消除管段的橫向傾側(cè)，使浮心和重心均位于縱向?qū)ΨQ軸上。

圖7 E1管段消除橫向傾側(cè)示意圖

（2）在漸變端增加壓載以消除管段的縱向傾側(cè)。設(shè)計過程曾提出采用活動水囊、砂袋、預(yù)制混凝土塊、現(xiàn)澆壓載混凝土等方式作為調(diào)整管段重心位置的手段。經(jīng)過比選后最終確定采用壓載混凝土方案，即在管段漸變截面段提前澆筑部分壓重層，使重心往浮心方向移動直至兩者完全重疊。究其原因是相比于活動水囊等方式，壓載混凝土方案不僅重量可靠、無需額外輔助措施，且后期無需拆除，優(yōu)越性更為顯著。壓載混凝土重量和位置需通過計算和施工需求確定，考慮滿足管段干舷調(diào)整的同時，也須考慮為施工人員提供必要的施工通道，因此選擇在變截面段靠側(cè)墻邊進(jìn)行形成三角形布置（見圖8）；在管段起浮前一次舾裝時進(jìn)行澆筑。經(jīng)驗(yàn)算后E1、E4管段所需壓載混凝土尺寸見圖9和表1。

圖8 E1管段消除縱向傾側(cè)示意圖

表1 壓載混凝土尺寸表

（3）壓載水箱的合理布置。壓載水箱主要用于浮運(yùn)過程的干舷控制和沉放過程的負(fù)浮力控制，必要時也可作為管段重心的輔助調(diào)整措施。由于管段共4節(jié)，其中兩節(jié)變截面，兩節(jié)等截面，考慮到水箱的重復(fù)利用，在結(jié)構(gòu)斷面橫向上不適宜將壓載水箱布置靠兩邊側(cè)墻布置，宜布置在車行孔靠中隔墻側(cè)，縱向上E2、E3標(biāo)準(zhǔn)截面管段水箱于管段縱向中心往兩端對稱布置，E1、E4管段水箱布置則需保證水箱重心與管段浮心相重合以確保變截面管段起浮過程中仍能保持平衡狀態(tài)。

（4）管段經(jīng)水密性檢測起浮后，精確量測其各角點(diǎn)處的干舷值和塢內(nèi)水的容重，結(jié)合管段干舷測定值計算管頂各區(qū)域防錨層施作厚度，然后澆筑防錨層直至四個角點(diǎn)干舷值相同。

通過上述4個措施，使變截面管段的重心和浮心重合，管面各點(diǎn)干舷值相同，確保浮運(yùn)過程中的穩(wěn)定。

4 變截面沉管隧道結(jié)構(gòu)空間受力特性

4.1 模型的建立

以變截面管段E1為對象，采用荷載結(jié)構(gòu)法分別建立二維和三維模型計算，管段相應(yīng)分別采用梁單元和實(shí)體單元模擬；地層對結(jié)構(gòu)的作用通過地基彈簧表征。其中，E1管段三維整體模型見圖10。考慮到實(shí)體單元無法輸出彎矩、剪力等內(nèi)力結(jié)果，為直觀考察管段內(nèi)力情況，在典型截面處建立內(nèi)力測試低剛度梁單元。模型邊界條件為：在地基彈簧底端設(shè)置虛擬固端邊界，在管段軸向?qū)ΨQ面設(shè)置X方向位移約束。

圖10 E1管段三維實(shí)體計算模型

本次計算考慮的荷載如下：①管段自重；②回填土豎向、側(cè)向土壓力；③四周靜水壓力；④車輛荷載；⑤壓重層荷載。荷載效應(yīng)取承載能力極限狀態(tài)基本組合：1.35×（①+②＋③+⑤）+1.078×④。

4.2 計算結(jié)果與分析

圖11為K1+766斷面二維和三維模型彎矩云圖。由圖11可見，兩者彎矩形態(tài)特征大致相同，但在量值上存在差別。表2列出了K1+681、K1+721.4、K1+766斷面二維和三維模型彎矩計算結(jié)果，兩種模型計算最大彎矩分別相差 11.8%、12.1%和12.5%，表明變截面沉管隧道的三維空間受力特性較為明顯，二維平面應(yīng)變計算較三維模型偏保守，三維模型比二維模型更能真實(shí)反映管段的力學(xué)特性。設(shè)計過程需考慮結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)以合理確定管段不同位置受力及配筋。

5 結(jié)論

基于廣州洲頭咀沉管隧道工程，總結(jié)了變截面管段成型預(yù)制技術(shù)難點(diǎn)及解決措施，分析了管段起浮及浮運(yùn)的穩(wěn)定性機(jī)理，借助數(shù)值手段明確了變截面管段結(jié)構(gòu)的空間受力特性。研究表明：

（1）變截面管段預(yù)制難點(diǎn)在于模板的設(shè)計制作，在內(nèi)部模板臺車上設(shè)置連續(xù)桁架結(jié)構(gòu)作為漸變段截面的補(bǔ)償可較好滿足管段成型預(yù)制的要求。

（2）變截面管段重心和浮心不重合導(dǎo)致管段起浮和浮運(yùn)等的橫、縱向傾側(cè)的問題，采用對道路線形進(jìn)行小幅度調(diào)整、在漸變端增加壓載及合理布置壓載水箱可較好解決。

圖11 K1+681斷面彎矩云圖

表2 K1+681、K1+721.4、K1+766斷面彎矩結(jié)果表

（3）變截面沉管隧道三維空間受力特性較為明顯，設(shè)計過程宜建立三維空間模型進(jìn)行受力分析，以更準(zhǔn)確地分析不同斷面處的內(nèi)力并進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋。

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U452

B

1009-7716（2017）08-0300-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.094

2017-05-04

劉力英（1978-），女，廣東惠州人，高級工程師，從事隧道與巖土工程設(shè)計工作。