賀維國(guó)

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，廣州 510380)

0 引言

到目前為止，我國(guó)大陸已有6座沉管隧道建成通車，分別是廣州珠江隧道(1994)［1］、寧波甬江隧道(1995)［2］、寧波常洪隧道(2002)［3］、上海外環(huán)隧道(2003)［4］、2010年剛剛建成的廣州侖頭—生物島和生物島—大學(xué)城2座隧道。這6座隧道均位于Ⅵ度或Ⅶ度地震設(shè)防烈度區(qū)，其中，廣州珠江隧道與生物島—大學(xué)城隧道沉管段基底主要位于強(qiáng)-中風(fēng)化巖中;上海外環(huán)隧道、寧波甬江隧道、寧波常洪隧道沉管段基底主要位于黏土或者粉質(zhì)黏土中;僅侖頭—生物島隧道基底位于深厚的粉細(xì)砂-中砂地層中。

國(guó)內(nèi)關(guān)于結(jié)構(gòu)工程的抗震設(shè)計(jì)主要以文獻(xiàn)［5］為基礎(chǔ)，文獻(xiàn)［5-6］采用標(biāo)準(zhǔn)貫入法對(duì)最大埋深不超過(guò)20 m的地層液化進(jìn)行了判別，但對(duì)于埋深超過(guò)20 m的隧道工程往往并不適用。關(guān)于隧道工程的地震作用計(jì)算，國(guó)內(nèi)并沒(méi)有明確的規(guī)定:文獻(xiàn)［5］對(duì)底部剪力法、振型分解反應(yīng)譜法、時(shí)程分析法3種不同的地震作用計(jì)算方法及其適用條件進(jìn)行了規(guī)定，但僅適用于房屋建筑結(jié)構(gòu);文獻(xiàn)［6］采用擬靜力法，僅限定適用于山嶺公路隧道;文獻(xiàn)［7-8］以廣州珠江隧道為依托，在國(guó)內(nèi)較早地對(duì)沉管隧道的地震作用進(jìn)行了分析，但均未涉及地基的嚴(yán)重液化。對(duì)于位于深厚軟弱地層中的沉管隧道，其液化等級(jí)的判別、地震作用的計(jì)算，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有完善的理論基礎(chǔ)以及足夠的工程實(shí)踐。廣州侖頭—生物島隧道位于深層的淤泥、粉細(xì)砂地層中，其地震作用的影響不可忽視，文章對(duì)其從地層液化判別標(biāo)準(zhǔn)及方法、沉管隧道抗震計(jì)算的理論以及方法等多方面內(nèi)容做了探討研究。

1 工程概況

侖頭—生物島隧道位于廣州市東南部，為雙向4車道城市主干道隧道，路線大致呈南北走向。工程從海珠區(qū)的侖頭立交出發(fā)，往南下穿江面寬約280 m的侖頭海后到達(dá)生物島，終點(diǎn)止于生物島東西向主干道，路線全長(zhǎng)1 109 m，其中隧道段長(zhǎng)655 m。隧道兩側(cè)岸上段采用明挖順作法施工，江中段采用沉管法施工。沉管段總長(zhǎng)277 m，由4節(jié)管段組成，沉管段隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面總寬23 m、總高8.7 m，見(jiàn)圖1。

本工程所在地質(zhì)條件較差，淤泥和粉細(xì)砂層分布極為廣泛:北端岸上段，地面以下20 m內(nèi)主要是淤泥和中砂;南端岸上段，地面下15～10 m主要是粉細(xì)砂或粉細(xì)砂夾淤泥層;江中段埋深20 m以內(nèi)主要是淤泥和中砂-粉細(xì)砂層(見(jiàn)圖2)。根據(jù)《場(chǎng)地地震安全評(píng)價(jià)報(bào)告》，該地區(qū)地震設(shè)防烈度為Ⅶ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1組。

圖1 沉管段隧道結(jié)構(gòu)橫斷面圖(單位:mm)

圖2 隧道地質(zhì)剖面圖Fig.2 Profile of geological conditions

2 場(chǎng)地液化判別

2.1 土層液化判別方法

土體液化的定義有多種。美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)(1979)對(duì)“液化”一詞的定義是:“液化是使任何物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體狀態(tài)的行為或過(guò)程。就無(wú)黏性土而言，這種由固體狀態(tài)變?yōu)橐后w狀態(tài)的轉(zhuǎn)化是孔隙水壓力增大和有效應(yīng)力減小的結(jié)果?！保?］日本土力學(xué)與地基工程協(xié)會(huì)將“液化”定義為:“飽和砂土由于孔隙水應(yīng)力的增加而喪失剪應(yīng)力和有效應(yīng)力降低的狀態(tài)即是液化。”［10］我國(guó)對(duì)“液化”的定義是:當(dāng)孔隙水壓力上升達(dá)到圍壓，有效應(yīng)力降低為零，土體喪失其抗剪強(qiáng)度，物質(zhì)從固體狀態(tài)轉(zhuǎn)化為液體狀態(tài)的行為和過(guò)程。

目前，液化判別可分為試驗(yàn)判別及理論計(jì)算2種方法。文獻(xiàn)［5］對(duì)前者有較明確的規(guī)定，但其適用深度最大不超過(guò)20 m。地質(zhì)勘察報(bào)告按照文獻(xiàn)［5］判別結(jié)論為:“綜合評(píng)定粉細(xì)砂、粉細(xì)砂夾淤泥層〈3-2〉的液化等級(jí)為嚴(yán)重，中砂〈4〉不液化?！睂?duì)本隧道而言，對(duì)于深度小于20 m的結(jié)構(gòu)段，直接沿用勘察報(bào)告提供的液化判別結(jié)果;但對(duì)于埋深超過(guò)20 m的江中沉管段、兩側(cè)岸上段與沉管接口等部位，無(wú)法直接套用文獻(xiàn)［5］的判別方法，將按照我國(guó)對(duì)液化的定義采用理論計(jì)算方法進(jìn)行判別。

2.2 液化判別理論計(jì)算

目前對(duì)地基土體的液化判別主要采用動(dòng)力有限元的方法，綜合考慮孔隙水壓力的增長(zhǎng)和消散，采用雙控指標(biāo)，一是孔隙水壓力等于圍壓，二是動(dòng)剪應(yīng)力比等于土體的抗液化強(qiáng)度。

結(jié)構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)的動(dòng)力有限元方程可表示為

式中:x，˙x，¨x分別為單元節(jié)點(diǎn)的位移、速度、加速度;F(t)為節(jié)點(diǎn)動(dòng)荷載;［M］，［K］，［C］分別為整體質(zhì)量、剛度、阻尼矩陣。

計(jì)算中邊界條件確定原則比較簡(jiǎn)單，要求邊界必須足夠遠(yuǎn)地離開(kāi)結(jié)構(gòu)。但是在實(shí)際工作中由于土的成層性、波在界面上的反射和透射及動(dòng)荷載類型等因素的影響，具體如何確定邊界并沒(méi)有安全統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本次研究中暫按下邊界固定，計(jì)算至中風(fēng)化層;兩側(cè)豎向約束，計(jì)算寬度按單側(cè)取5倍隧道寬度。根據(jù)以上方法，對(duì)不同地基土層的厚度和物理性能，選取不同的計(jì)算截面(見(jiàn)圖3和圖4)，通過(guò)建立有限元?jiǎng)恿τ?jì)算模型，輸入經(jīng)過(guò)調(diào)幅為0.1 g的唐山波進(jìn)行求解。

計(jì)算結(jié)果表明土層液化與否與土層埋深、水深及周圍介質(zhì)關(guān)系很大。沉管段隧道頂部覆土較薄，Ⅶ度地震作用下隧道兩側(cè)易液化土層發(fā)生液化，其中E2，E3管段隧道兩側(cè)上部約5 m范圍內(nèi)的〈3-2〉土層發(fā)生中等液化，下部〈3-2〉土層為輕微液化;E1，E4管段兩側(cè)〈3-2〉土層發(fā)生輕微液化;南岸暗埋段兩側(cè)發(fā)生中等液化，且隧道底板下約2.5 m厚的〈3-2〉土層發(fā)生輕微液化。

3 抗震結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 抗震計(jì)算方法

Deas Island隧道于1959年首次在沉管隧道中考慮抗震設(shè)計(jì)。目前沉管隧道的縱向抗震計(jì)算主要采用2種方法，一種是由日本田村重四郎和岡本舜三提出的彈簧-質(zhì)量模型［11-12］，另一種是有限元數(shù)值解法。

彈簧-質(zhì)量模型最早用于美國(guó)舊金山市海灣快速軌道運(yùn)輸系統(tǒng)(BART)沉管隧道，并在日本東京港沉管隧道中得到了進(jìn)一步完善，是目前世界上最常用的沉管隧道抗震計(jì)算方法。我國(guó)的珠江隧道即是采用此法。其基本思路是:將土體分成塊，然后將每塊土體集成等效質(zhì)量點(diǎn)，使其與基巖用等效彈簧阻尼器連接，土體質(zhì)量點(diǎn)間也用彈簧阻尼器連接，最后用彈簧將等效土體質(zhì)量點(diǎn)與隧道連接起來(lái)，這里隧道作為地基土層上的箱梁;也可按照土層的性質(zhì)，將土層分成多個(gè)等效質(zhì)量點(diǎn)［8］，每個(gè)質(zhì)量點(diǎn)都用彈簧阻尼器連接，彈簧-質(zhì)量模型如圖5所示。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單。但是由于沉管隧道結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，不僅有巨型的混凝土箱形結(jié)構(gòu)，而且管段間接頭由GINA止水帶、剪切鍵及預(yù)應(yīng)力鋼拉索等多種構(gòu)件組成，彈簧質(zhì)點(diǎn)模型不能得出管段結(jié)構(gòu)內(nèi)部各連接位置(包括板、墻連接位置)以及管段間各構(gòu)件的各自作用結(jié)果;同時(shí)當(dāng)隧道地基不是基巖時(shí)計(jì)算誤差較大，而且地基越軟弱，誤差越大。

圖5 彈簧-質(zhì)量模型Fig.5 Spring-mass model

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，為了更好地得出沉管隧道各個(gè)關(guān)鍵部位的地震作用，近年來(lái)沉管隧道抗震計(jì)算逐步趨向采用三維有限元計(jì)算法，即:根據(jù)實(shí)際的物理模型利用大型有限元法直接建立三維計(jì)算模型，輸入動(dòng)力作用，求解動(dòng)力方程。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是:模擬比較真實(shí)，計(jì)算結(jié)果能夠給出各個(gè)部位(包括接頭處)的內(nèi)力和位移以及地基基礎(chǔ)的變位，侖頭—生物島隧道擬按此方法進(jìn)行抗震分析。

3.2 隧道地震作用的有限元計(jì)算

首先按照實(shí)際的結(jié)構(gòu)尺寸建立仿真三維有限元模型，范圍包括兩端岸上暗埋段隧道以及中間的沉管段隧道，全長(zhǎng)655 m，由北到南分別為 B1～B4，E1～E4，B5～B6。其中B1～B4為北岸暗埋段，B5～B6為南岸暗埋段，E1～E4為沉管段。為了減少計(jì)算難度，在不對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大精度偏差的前提下，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化:將隧道頂板、底板、側(cè)墻與中墻及管間接頭均采用空間板單元進(jìn)行模擬，接頭處考慮GINA止水帶及鋼拉索的特性，隧道底板與地基的共同作用采用豎向抗拉，縱、橫向抗剪切土彈簧單元模擬。計(jì)算思路與文獻(xiàn)［13］基本類似，計(jì)算模型見(jiàn)圖6和圖7。

3.2.1 計(jì)算基本原則

1)荷載包括自重、頂板垂直水壓力、側(cè)墻橫向水壓力(水壓力計(jì)算時(shí)按最高水位7.46 m)以及地震荷載，地震影響系數(shù)如圖8所示。

圖8 地震影響系數(shù)曲線Fig.8 Curve of coefficient of seismic effect

2)隧道北端約束其y，z 2個(gè)方向的位移，不約束其轉(zhuǎn)角，南端只約束其z方向位移，不約束其轉(zhuǎn)角和x，y方向的位移。

3)計(jì)算工況分別考慮了液化與未液化2種，液化時(shí)又考慮了土體液化未流失與土體液化流失2種情況。

4)未液化地基土的地基系數(shù)將根據(jù)地質(zhì)資料進(jìn)行選取，對(duì)于承受過(guò)地震作用但沒(méi)有發(fā)生液化的土體地基系數(shù)根據(jù)孔隙壓力比即有效應(yīng)力比進(jìn)行折減，而已液化土體的剪切模量取液化前的1/3 000［14］。計(jì)算地震后隧道底部土體的地基系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 地震后隧道底部土體的地基系數(shù)Table 1 Foundation coefficient of stratum below tunnel structure after earthquake MPa/m

3.2.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上原則，不同工況時(shí)管段主要地震作用計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2—表4。

表2 土層未液化結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力值Table 2 Maximum internal force of structure before liquefaction

表3 土層液化結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力值(沉管段)Table 3 Maximum internal force of immersed tunnel structure after liquefaction

表4 不同工況下接頭位移差Table 4 Difference in joint displacement under different conditions mm

從表2—表4可以看出:

1)土層不液化工況下，各節(jié)管段的地震作用內(nèi)力相對(duì)比較接近，僅隨隧道埋深的不同而略有區(qū)別。

2)土層發(fā)生液化后，管段結(jié)構(gòu)內(nèi)力將發(fā)生很大的變化，土體液化不流失與兩側(cè)均流失分別使頂(底)板的軸力以及側(cè)墻(中墻)彎矩加倍(減半)。

3)土層液化后，管段接頭間會(huì)產(chǎn)生的橫向位移差會(huì)比土層不液化時(shí)大，從而在接頭處產(chǎn)生更大的橫向力，需要采取設(shè)計(jì)措施進(jìn)行處理;但是對(duì)于不同的土層液化情況，接頭間的位移差區(qū)別并不大。

4)土層液化后，管段接頭處縱向的位移差絕對(duì)值要比橫向與豎向位移差大得多，這與接頭處采用了GINA橡膠止水帶具有更小的剛度有關(guān)，也與常規(guī)的感性認(rèn)識(shí)相符。

3.3 地基液化時(shí)結(jié)構(gòu)抗浮計(jì)算

地基土體液化時(shí)，如同將土體轉(zhuǎn)化成一種密度遠(yuǎn)大于1t/m3的液體，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的向上浮力，此時(shí)結(jié)構(gòu)的抗浮計(jì)算顯得尤為重要。根據(jù)規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)抗浮安全系數(shù)

3.3.1 計(jì)算原則

1)與一般的結(jié)構(gòu)抗浮計(jì)算不同，土體液化時(shí)將會(huì)使側(cè)墻所受摩阻力降低，為保證隧道安全，計(jì)算時(shí)不考慮側(cè)墻摩阻力的影響。

2)每一節(jié)沉管管段或者處于相鄰變形縫間的一段暗埋段隧道作為單獨(dú)整體進(jìn)行抗浮計(jì)算。

3)液化地段含水砂層水密度取2.0 t/m3，液化范圍按3.2節(jié)中分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行選取，其余地段水密度取 1.0 t/m3。

3.3.2 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算:沉管段抗浮系數(shù) k=1.106＞1.05，滿足要求;南岸岸上段最不利地段 k=0.866＜1.05，不滿足要求。采取了如下措施:1)隧道地基采用水泥土攪拌樁進(jìn)行加固，減少其液化性能;2)隧道頂加設(shè)壓頂梁，增加其抗浮性能。

4 結(jié)論與建議

1)對(duì)于埋深大于20 m的隧道工程，是否以及如何進(jìn)行場(chǎng)地的液化判別，國(guó)內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范并沒(méi)有明確規(guī)定，現(xiàn)有文獻(xiàn)也較少涉及。文章采用有限元計(jì)算法進(jìn)行分析后可知，即使是埋深大于20 m時(shí)，場(chǎng)地仍然有液化的可能，因此仍然需要進(jìn)行充分的液化判別。

2)在復(fù)雜地質(zhì)條件下，同一隧道可能會(huì)穿越不同的地層，采用有限元計(jì)算法可以把不同區(qū)段地層的液化情況分別區(qū)分開(kāi)來(lái)。

3)地震作用計(jì)算結(jié)果表明，地層液化情況對(duì)于沉管隧道結(jié)構(gòu)安全的影響不容忽視，主要體現(xiàn)在2個(gè)方面:一是液化對(duì)隧道本體結(jié)構(gòu)影響較大，特別是板中軸力、側(cè)墻彎矩以及管段接頭處橫、縱向位移等;二是液化對(duì)隧道整體抗浮影響很大。因此，設(shè)計(jì)中對(duì)各段地層應(yīng)按有限元判別后的液化情況分段進(jìn)行研究考慮。

4)關(guān)于沉管隧道的抗震計(jì)算方法，國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，文章采用的方法、理論以及接頭縱向位移對(duì)接頭間GINA止水帶的選型研究等內(nèi)容都需要同行們進(jìn)一步研究探討。

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