城市過江隧道結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究與工程實(shí)踐

羅明秋，姜 云

(1. 南京市公共工程建設(shè)中心，南京 210019； 2. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 211112)

地下結(jié)構(gòu)由于周邊地層的約束，相較于地表建(構(gòu))筑物具有更加優(yōu)異的抗震特性。在1995年之前，極少有地下結(jié)構(gòu)在地震中受損的報(bào)道[1]。日本阪神大地震和我國(guó)汶川地震等強(qiáng)震出現(xiàn)后，地下結(jié)構(gòu)抗震研究才逐漸在我國(guó)成為熱點(diǎn)。

崔光耀等[2]針對(duì)汶川地震發(fā)生后震區(qū)內(nèi)的公路隧道震害開展調(diào)研，總結(jié)隧道結(jié)構(gòu)中不同位置的震害特征。王程等[3]依托蘇通GIL綜合管廊工程中大直徑盾構(gòu)隧道項(xiàng)目為研究背景，在土-隧道(內(nèi)部結(jié)構(gòu))非線性模型的基礎(chǔ)上，研究了地震作用下的隧道變形、管片峰值與張開量關(guān)系等規(guī)律。王國(guó)波等[4]針對(duì)管片錯(cuò)臺(tái)條件下盾構(gòu)隧道的抗震性能展開研究，分析了管片錯(cuò)臺(tái)量和錯(cuò)臺(tái)部位對(duì)其地震響應(yīng)的影響。邵鈺淇等[5]建立了動(dòng)孔隙水壓力條件下隧道縱向梁彈簧地震模型，研究地震動(dòng)作用下跨海盾構(gòu)隧道管片環(huán)縫防水特性。趙杰等[6]依托大連灣海底沉管隧道，在三維土層及隧道襯砌相互作用模型的基礎(chǔ)上，開展地震P波斜入射時(shí)隧道結(jié)構(gòu)的三維地震響應(yīng)分析。李明達(dá)等[7]基于黏彈性邊界，研究下伏巖溶條件下隧道的地震響應(yīng)，獲得隧道間距、洞徑尺寸以及溶洞跨徑比影響下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。許偉宏[8]對(duì)南京地鐵4號(hào)線砂性地層隧道抗震特性進(jìn)行了研究。

依托南京建寧西路過江隧道大直徑盾構(gòu)段以及兩岸接線地下互通隧道工程，開展過江隧道地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究，研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況

南京建寧西路過江隧道位于南京長(zhǎng)江大橋和定淮門長(zhǎng)江隧道之間，與上游定淮門長(zhǎng)江隧道和下游長(zhǎng)江大橋分別相距約1.8 km和2.4 km。線路總體方案示意如圖1所示，整體線路起于江北大道與津浦鐵路交叉口，主線采用高架橋方案，上跨江北大道并設(shè)置江北大道地面樞紐。此后線路沿鐵路東側(cè)向南，上跨浦珠路與津浦鐵路后，沿興浦路向東，于鐵道學(xué)院范圍內(nèi)架設(shè)高架橋通過。此后采用隧道方案下穿規(guī)劃?rùn)M江大道，并設(shè)置江北地下互通1處，路線向東轉(zhuǎn)并采用盾構(gòu)方式穿越長(zhǎng)江后沿建寧路向東設(shè)置江南地下互通1處。項(xiàng)目路線全長(zhǎng)為6.801 km，于熱河路和建寧西路交叉口接入同期建設(shè)的地下互通工程。

圖1 線路總體方案示意

工程主線隧道涵蓋江北敞開段、江北暗埋段、江北始發(fā)井、盾構(gòu)段、江南接收井以及江南暗埋段等。共設(shè)置互通式立交3處、風(fēng)塔2座、管理中心1座以及與本通道工程相關(guān)的地面輔路，過江隧道工程平面布置示意如圖2所示。

圖2 過江隧道工程平面布置示意(單位：m)

隧道過江段采用大直徑盾構(gòu)方案，外徑為14.5 m、內(nèi)徑為13.3 m。采用強(qiáng)度等級(jí)為C60的通用楔形管片錯(cuò)縫拼裝，管片寬為2 m，采用“1塊封頂塊+2塊鄰接塊+7塊標(biāo)準(zhǔn)塊”的方式完成管片環(huán)的拼裝。隧道橫斷面由車道板分為上中下3部分，上層空間為煙道層；中間空間為車行空間；下層空間為服務(wù)層空間。過江隧道盾構(gòu)段橫斷面布置如圖3所示。

圖3 過江隧道盾構(gòu)段橫斷面布置

江北隧道明挖段長(zhǎng)度為705.218 m，包含敞口段100 m、光過渡段50 m、暗埋段534.408 m以及工作井20.81 m，采用T形地下互通的形式與被交道路相連。江南明挖段設(shè)計(jì)范圍長(zhǎng)度為470.022 m，均為暗埋段。

主線隧道明挖暗埋段采用橫放的目字形斷面，敞開段為U形槽結(jié)構(gòu)，兩邊墻為設(shè)備的主要布置區(qū)域，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，過江隧道明挖暗埋段橫斷面布置如圖4所示。

(a) 雙向六車道明挖暗埋段隧道橫斷面

2 工程地質(zhì)

2.1 區(qū)域地層

工程場(chǎng)地內(nèi)第四系地層分布于長(zhǎng)江河谷地帶，其中全新統(tǒng)(Q4)和上更新統(tǒng)(Q3)地層以沖積類型為主。

巖性以粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土以及粉細(xì)砂為主，區(qū)域內(nèi)地層信息如表1所示。

表1 區(qū)域內(nèi)地層信息

2.2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

南京地區(qū)大地構(gòu)造位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)下?lián)P子臺(tái)褶皺帶南京坳陷，褶皺構(gòu)造特征均呈NE-NEE向，在市區(qū)和長(zhǎng)江河谷主要由J1-2以后、特別是K-N紀(jì)紅層所組成的呈NE向和緩褶皺及斷塊。其他長(zhǎng)江河谷向斜系白堊紀(jì)火山系巖和紅層構(gòu)成的一個(gè)北東50°～60°方向的和緩向斜，長(zhǎng)江河谷向斜示意如圖5所示。

圖5 長(zhǎng)江河谷向斜示意(單位：m)

近場(chǎng)區(qū)規(guī)模較大的斷裂主要包含施官集斷裂(F1)、南京-湖熟斷裂(F2)、滁河斷裂(F3)、江浦-六合斷裂(F4)、幕府山-焦山斷裂(F5)和方山-小丹陽斷裂(F6)。該6條斷裂均為第四紀(jì)中更新世或中更新世以前有過明顯活動(dòng)的斷裂，尚未發(fā)現(xiàn)其在第四紀(jì)晚更新世以來有過明顯活動(dòng)。

經(jīng)研究，近場(chǎng)區(qū)斷裂構(gòu)造不影響工程場(chǎng)地內(nèi)的穩(wěn)定性，遠(yuǎn)離場(chǎng)地范圍內(nèi)的斷裂對(duì)于場(chǎng)地的影響可忽略不計(jì)。本工程場(chǎng)地范圍內(nèi)無全新活動(dòng)斷裂，工程附近屬基本穩(wěn)定區(qū)。

2.3 場(chǎng)地地震效應(yīng)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，結(jié)構(gòu)為乙類設(shè)防，工程場(chǎng)地設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10 g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，基本地震加速度反應(yīng)譜特征周期為0.3 s[9-11]。工程擬建區(qū)域等效剪切波速Vse為127.83～208 m/s，結(jié)合沿線地形地貌，沿線場(chǎng)地分段評(píng)價(jià)如表2所示。

表2 沿線場(chǎng)地分段評(píng)價(jià)

3 隧道結(jié)構(gòu)抗震分析與抗震措施

綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算方法的適用性，本工程在進(jìn)行抗震計(jì)算時(shí)采用反應(yīng)位移法?？拐饦?biāo)準(zhǔn)按照百年一遇、超越概率10%進(jìn)行驗(yàn)算。

3.1 盾構(gòu)段橫斷面抗震計(jì)算

3.1.1 計(jì)算條件

盾構(gòu)隧道抗震分析采用均質(zhì)圓環(huán)模型，用梁?jiǎn)卧獙?shí)現(xiàn)對(duì)管片的模擬。在梁?jiǎn)卧車┘訙乜死盏鼗鶑椈?，用于模擬地層對(duì)隧道的彈性抗力，彈簧系數(shù)依據(jù)隧道地勘資料加以確定，包括法向彈簧和切向彈簧。因?yàn)榭谛图约盁煹腊宓葍?nèi)部結(jié)構(gòu)慣性力對(duì)分析結(jié)果影響較小，計(jì)算中僅考慮管片自重的影響。

結(jié)合自由場(chǎng)分析結(jié)果確定土層相對(duì)位移，并將計(jì)算結(jié)果施加于地層彈簧。參照規(guī)范中給定的方法計(jì)算結(jié)構(gòu)與周圍土層之間的作用力，施加于隧道結(jié)構(gòu)。圓形隧道反應(yīng)位移法計(jì)算模型[12]如圖6所示。

圖6 圓形隧道反應(yīng)位移法計(jì)算模型

隧道盾構(gòu)段計(jì)算斷面情況如表3所示，選取具有代表性的斷面進(jìn)行盾構(gòu)段的抗震分析，考慮因素包含覆土厚度、隧道埋深以及巖土占比等。

表3 隧道盾構(gòu)段計(jì)算斷面情況

3.1.2 計(jì)算結(jié)果

依據(jù)地質(zhì)參數(shù)，施加地震波進(jìn)行自由場(chǎng)分析，計(jì)算得到盾構(gòu)隧道頂部和底部的土層位移時(shí)程曲線。盾構(gòu)隧道斷面1頂部和底部相對(duì)位移變化曲線如圖7所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，盾構(gòu)隧道斷面1～斷面5位置頂部和底部土層最大相對(duì)位移分別為9.8 mm、5.5 mm、6.2 mm、6.3 mm和4.3 mm。

圖7 盾構(gòu)隧道斷面1頂部和底部相對(duì)位移變化曲線

標(biāo)準(zhǔn)組合靜力條件下盾構(gòu)隧道斷面1結(jié)構(gòu)內(nèi)力如圖8所示，地震作用下盾構(gòu)隧道斷面1結(jié)構(gòu)內(nèi)力如圖9所示。計(jì)算結(jié)果表明地震作用下，斷面1最大彎矩為117 kN·m，最大軸力為55 kN，最大剪力為44 kN。盾構(gòu)隧道靜力及地震作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表4所示。

(a) 彎矩(單位：N·m) (b) 軸力(單位：N) (c) 剪力(單位：N)

(a) 彎矩(單位：N·m) (b) 軸力(單位：N) (c) 剪力(單位：N)

表4 盾構(gòu)隧道靜力及地震作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

與靜力作用下荷載進(jìn)行疊加計(jì)算，各斷面中地震作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力均小于相應(yīng)的靜力作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，其中占比最小的為地震作用下斷面3的最大軸力僅占靜力作用下結(jié)構(gòu)最大軸力的0.39%；占比最大的為地震作用下斷面4的最大彎矩，占相應(yīng)靜力作用下最大彎矩的96.34%。因此，依據(jù)靜力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)配筋，可以滿足抗震需要。

3.2 明挖段橫斷面抗震計(jì)算

3.2.1 計(jì)算條件

明挖段結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算，采用梁-彈簧模型模擬矩形隧道斷面。根據(jù)自由場(chǎng)分析結(jié)果確定地基彈簧剛度、地層相對(duì)位移以及地層剪力，彈簧剛度參照工程地勘報(bào)告中給出的基床系數(shù)，計(jì)算中同樣考慮結(jié)構(gòu)自重的影響。矩形斷面結(jié)構(gòu)抗震分析計(jì)算模型[11]如圖10所示。

圖10 矩形斷面結(jié)構(gòu)抗震分析計(jì)算模型

土層相對(duì)位移計(jì)算公式如式(1)所示并施加于結(jié)構(gòu)之上。

(1)

式中，umax為地表與基準(zhǔn)面的相對(duì)最大位移，H為土層計(jì)算深度，z為深度，u(z)為地層彈簧水平位移。

結(jié)構(gòu)剪力計(jì)算公式如式(2)所示進(jìn)行施加。

(2)

式中，Gd為土層動(dòng)剪切模量，τ(z)為結(jié)構(gòu)剪力，其余符號(hào)同前。

根據(jù)隧道明挖段實(shí)際情況，選取2個(gè)斷面進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算，隧道明挖段計(jì)算斷面情況如表5所示。

表5 隧道明挖段計(jì)算斷面情況

3.2.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)自由場(chǎng)分析結(jié)果，計(jì)算矩形斷面隧道頂部和底部的土層位移。隧道明挖段斷面1頂部和底部相對(duì)位移時(shí)程曲線如圖11所示，隧道明挖段斷面1和斷面2頂部和底部土層最大相對(duì)位移分別為27.0 mm和22.1 mm。

圖11 隧道明挖段斷面1頂部和底部相對(duì)位移時(shí)程曲線

標(biāo)準(zhǔn)組合靜力條件下明挖段隧道斷面1結(jié)構(gòu)內(nèi)力如圖12所示，地震作用下明挖段隧道斷面1結(jié)構(gòu)內(nèi)力如圖13所示。

(a) 彎矩(單位：N·m)

(a) 彎矩(單位：kN·m)

計(jì)算結(jié)果表明，地震作用下明挖段隧道斷面1的最大彎矩為263 kN·m，最大軸力為383 kN，最大剪力為127 kN。明挖段隧道靜力及地震作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表6所示。與靜力作用下荷載進(jìn)行疊加計(jì)算，各斷面中地震作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力均小于相應(yīng)的靜力作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，其中占比最小的為地震作用下斷面2的最大剪力，占相應(yīng)靜力作用下最大剪力的11.03%；占比最大的為地震作用下斷面1的最大軸力，占相應(yīng)靜力作用下最大軸力的87.44%。因此，依據(jù)靜力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)配筋，可以滿足抗震的需要。

表6 明挖段隧道靜力及地震作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

3.3 隧道結(jié)構(gòu)抗震措施

地震作用下，隧道等地下結(jié)構(gòu)周圍土層的變形是其結(jié)構(gòu)響應(yīng)的主要影響因素。地下結(jié)構(gòu)地震破壞多發(fā)位置包含[1]：地層條件變化較大區(qū)域、結(jié)構(gòu)斷面形狀和剛度明顯變化位置、斷層及軟弱破碎帶相交處。從理論角度分析，提高隧道結(jié)構(gòu)抗震性能可從控制地基位移與提升結(jié)構(gòu)自身抗震性能兩方面入手。

3.3.1 控制地基位移

在路線選擇階段，避開斷層和液化區(qū)域是提升隧道等地下結(jié)構(gòu)抗震性能的有效手段。然而在工程中完全從抗震角度規(guī)劃隧道線形不現(xiàn)實(shí)，因此可對(duì)隧道穿越地層進(jìn)行局部處理，以達(dá)到地基控制的目的。

1) 軟土震陷

隧址區(qū)RK6+640～終點(diǎn)以及LK6+570～終點(diǎn)范圍內(nèi)盾構(gòu)隧道洞頂附近包含淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂軟土層，可能發(fā)生震陷現(xiàn)象。隧道埋深綜合考慮震陷影響，設(shè)計(jì)及施工過程中根據(jù)軟土影響程度采用復(fù)合地基和剛性基礎(chǔ)等加固處理方法。

2) 砂(粉)土液化

項(xiàng)目隧址區(qū)起點(diǎn)～RK6+000、起點(diǎn)～LK6+040、RK6+440～RK6+690以及LK6+460～ LK6+700分布有液化土層。其中在右岸深槽處，左右線各有長(zhǎng)度約30 m的隧道拱部位于輕微-中等液化地層中，其他部位距離隧道洞頂較遠(yuǎn)，對(duì)隧道影響較小，右岸深槽處隧道與可液化土層位置關(guān)系如圖14所示。

圖14 右岸深槽處隧道與可液化土層位置關(guān)系

當(dāng)不考慮地震工況下液化砂層的壓重作用時(shí)，全線僅江南深槽處43.7 m范圍內(nèi)的區(qū)段存在洞頂非液化覆土厚度<3.0 m的情況，即地震工況下抗浮安全系數(shù)≥1.1所需要的覆土厚度。為加強(qiáng)該段管片的縱向連接，全環(huán)設(shè)置29個(gè)剪力銷，其單支抗剪能力≥180 kN，盾構(gòu)管片剪力銷如圖15所示。

圖15 盾構(gòu)管片剪力銷(單位：mm)

3.3.2 提升結(jié)構(gòu)自身抗震性能

1) 隧道盾構(gòu)段

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，隧道靜力工況可滿足隧道抗震要求。為提升盾構(gòu)的抗震性能，采取相關(guān)措施吸收結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生的位移，降低地震對(duì)隧道的損害。主要措施包含：①在工作井與盾構(gòu)連接處及縱向荷載和下臥層剛度急劇變化處設(shè)置變形縫，增加結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)變形能力。②在環(huán)縫處設(shè)置傳力襯墊、在沉降縫處增設(shè)剪力銷和增加縱向螺栓長(zhǎng)度等。③適當(dāng)增加三元乙丙橡膠彈性密封墊厚度，螺栓孔密封墊圈采用可更換的遇水膨脹橡膠密封圈。

2) 隧道明挖暗埋段

隧道明挖暗埋段配筋依據(jù)靜力計(jì)算結(jié)果，采取構(gòu)造措施滿足結(jié)構(gòu)抗震要求?？v向HRB400E抗震鋼筋應(yīng)符合：鋼筋的抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值的比值應(yīng)≥1.25；鋼筋的屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的比值應(yīng)≤1.30；鋼筋最大拉力下的總伸長(zhǎng)率應(yīng)≥9%；鋼筋的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)具有≥95%的保證率。受拉鋼筋抗震錨固長(zhǎng)度應(yīng)滿足：①對(duì)于頂板、底板、側(cè)墻、中墻及其他內(nèi)部構(gòu)件，當(dāng)鋼筋直徑d≤25 mm時(shí)，錨固長(zhǎng)度取34d；當(dāng)d>25 mm，錨固長(zhǎng)度取38d；②HPB300受拉鋼筋末端應(yīng)做180°彎鉤，彎鉤末端直線段長(zhǎng)度應(yīng)≥10d，d為鋼筋直徑。

4 結(jié)論

依托南京建寧西路過江隧道工程，針對(duì)其盾構(gòu)段以及明挖暗埋段采用反應(yīng)位移法展開結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究，主要結(jié)論如下。

(1) 地震作用下，隧道盾構(gòu)段結(jié)構(gòu)最大彎矩和最大剪力均出現(xiàn)在斷面1，即覆土厚度為隧道1倍洞徑處；結(jié)構(gòu)最大軸力出現(xiàn)在斷面2，即隧道埋深最大的位置。

(2) 地震作用下，隧道明挖段結(jié)構(gòu)最大彎矩和最大剪力均出現(xiàn)在斷面2，即斷面埋深最大的位置；結(jié)構(gòu)最大軸力出現(xiàn)在斷面1，即斷面最大的位置。

(3) 在100年超越概率10%的地震動(dòng)作用下，隧道盾構(gòu)段與明挖段靜力荷載為控制工況，其結(jié)構(gòu)最大彎矩、剪力和軸力均大于地震工況下的相應(yīng)內(nèi)力，按照靜力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行配筋可保障結(jié)構(gòu)在地震荷載下的安全。

(4) 地下結(jié)構(gòu)在按照靜力作用進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提下，應(yīng)采取針對(duì)性的抗震構(gòu)造措施，包含設(shè)置變形縫、選定合理的鋼筋保護(hù)層厚度、管片縱縫設(shè)置螺栓接頭連接、管片環(huán)縫采用剪力銷等措施。