劉力英，魏立新

（廣州市市政工程設計研究總院，廣東 廣州 510060）

沉管隧道變截面管段若干關鍵設計技術分析

劉力英，魏立新

（廣州市市政工程設計研究總院，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制技術難點及對策；分析了管段起浮及浮運過程中干舷及穩(wěn)定性機理，并提出了相應控制措施；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，管段預制時在內(nèi)部模板臺車上設置連續(xù)桁架作為補償可較好滿足截面漸變段成型預制的要求；對道路線形進行小幅度調(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，設計過程宜建立三維空間模型進行受力分析，以更準確地分析不同斷面處的內(nèi)力并進行結(jié)構(gòu)配筋。

沉管隧道；變截面；管段預制；管段浮運；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、風險易于控制等優(yōu)點[1]，愈來愈廣泛地被用于城市復雜環(huán)境的過江隧道建設中。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，在沉管結(jié)構(gòu)形式、預制技術、浮運沉放等關鍵技術方面已取得不少實踐經(jīng)驗與研究成果。

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～大學城沉管隧道結(jié)構(gòu)橫、縱向關鍵工況進行了計算分析。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)了管段浮運沉放方案選擇、施工參數(shù)確定、風險控制等方面的成功經(jīng)驗。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制設計技術難點及對策；分析了管段起浮及浮運過程中干舷及穩(wěn)定性機理，并提出了相應控制措施；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，并預留遠期接入規(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標準，經(jīng)過深入的技術分析，首次創(chuàng)新地提出將線路主線與匝道并線變寬段設置在江中沉管段，使得本隧道成為國內(nèi)首次采用變截面沉管技術的隧道，解決了城市環(huán)境復雜、展線困難的技術難題，使過江通道的建設成為可能。

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)，標準斷面寬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，變截面管段的技術難點主要體現(xiàn)在：管段的成型預制，管段起浮及浮運過程中的干舷及穩(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)段進行預制，每節(jié)段長15.8 m；設置4個后澆帶，寬度均為1.5 m（見圖3）。變截面管段成型預制難點主要體現(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；同時需嚴格控制模板安裝精度和牢固度?，F(xiàn)有預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)部桁架臺車基礎上增加四個漸變段作為補償（見圖4），補償塊采用桁架結(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。漸變段補償塊與標準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 漸變段補償塊平面圖(單位：mm)

3 變截面管段起浮和浮運過程中的干舷及穩(wěn)定性控制措施

等截面直線和大半徑曲管段的起浮、浮運和沉放等工序已有較為成熟的經(jīng)驗可供借鑒，且施工難度相對較低，風險小；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，增加設計難度的同時也給施工質(zhì)量和風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)。設計過程曾提出采用活動水囊、砂袋、預制混凝土塊、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)墻邊進行形成三角形布置（見圖8）；在管段起浮前一次舾裝時進行澆筑。經(jīng)驗算后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過程的干舷控制和沉放過程的負浮力控制，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標準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，管面各點干舷值相同，確保浮運過程中的穩(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，管段相應分別采用梁單元和實體單元模擬；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：在地基彈簧底端設置虛擬固端邊界，在管段軸向?qū)ΨQ面設置X方向位移約束。

圖10 E1管段三維實體計算模型

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，二維平面應變計算較三維模型偏保守，三維模型比二維模型更能真實反映管段的力學特性。設計過程需考慮結(jié)構(gòu)的空間效應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制技術難點及解決措施，分析了管段起浮及浮運的穩(wěn)定性機理，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）變截面管段預制難點在于模板的設計制作，在內(nèi)部模板臺車上設置連續(xù)桁架結(jié)構(gòu)作為漸變段截面的補償可較好滿足管段成型預制的要求。

（2）變截面管段重心和浮心不重合導致管段起浮和浮運等的橫、縱向傾側(cè)的問題，采用對道路線形進行小幅度調(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，設計過程宜建立三維空間模型進行受力分析，以更準確地分析不同斷面處的內(nèi)力并進行結(jié)構(gòu)配筋。

[1]陳韶章,陳越.沉管隧道施工手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2014.

[2]林鳴,林巍.沉管隧道結(jié)構(gòu)選型的原理和方法[J].中國港灣建設, 2016,36(1):1-5.

[3]陳海軍.沉管隧道主體結(jié)構(gòu)設計關鍵技術分析研究[J].隧道建設,2007,10(1):177-183.

[4]詹信群.廣州生物島-大學城沉管隧道關鍵施工過程及數(shù)值模擬分析[D].廣東廣州:華南理工大學,2009.

[5]陸仁超,柳獻,袁勇,王勝年.預制沉管隧道早期裂縫控制因素敏感性分析[J].地下空間與工程學報,2014,10(1):177-183.

[6]范帥,袁勇,王勝年.超大截面沉管隧道預制構(gòu)件溫控試驗.[J].地下空間與工程學報,2011,7(增刊1):1308-1313.

[7]鄧建林.沈家門港海底沉管隧道浮運、沉放施工控制技術[J].隧道建設,2015,35(9):914-919.

[8]王朝輝.內(nèi)河沉管隧道浮運沉放施工技術[J].施工技術,2012,41(18): 117-120.

[9]謝震靈,何曉波.長距離復雜水域環(huán)境中內(nèi)河沉管隧道管段浮運風險分析及應對措施[J].隧道建設,2016,36(9):1095-1100.

U452

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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計工作。