■耿偉光 徐 偉

（同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海 200092）

1 概述

沉管隧道是由若干預(yù)制的管節(jié)，分別浮運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)，一節(jié)接一節(jié)地沉放安裝，并在水下將其互相連接而成的隧道結(jié)構(gòu)。憑借其施工過程中對(duì)環(huán)境的影響較小，且隧道的埋深選擇范圍較大，此類結(jié)構(gòu)形式和施工方法在工程領(lǐng)域得到較多的應(yīng)用。

沉管隧道發(fā)展初期，大多采用圓形截面的鋼管節(jié)作為隧道管節(jié)；隨著行車量的增加，隧道的截面形式變成更加適合車道布置的矩形，采用的材料也從鋼材逐步過渡為鋼筋混凝土[1]。初期沉管隧道管節(jié)長(zhǎng)度較短，鋼筋混凝土隧道管節(jié)多為一次澆筑整體式管節(jié)；隨著沉管隧道管節(jié)長(zhǎng)度的不斷增加，伴隨混凝土澆筑過程所產(chǎn)生的裂縫問題以及隧道縱向的不均勻沉降問題使得采用一次性澆筑整體式的鋼筋混凝土沉管隧道的難度越來越大，因此，隧道也由初期的整體式管節(jié)演變?yōu)楣?jié)段式管節(jié)。

當(dāng)同一管節(jié)的節(jié)段全部澆筑并養(yǎng)護(hù)完成后，通過預(yù)應(yīng)力筋將節(jié)段連接成整體，并對(duì)預(yù)應(yīng)力筋施加預(yù)應(yīng)力，保證管節(jié)在運(yùn)輸過程中具有足夠的剛度。當(dāng)管節(jié)沉放到指定位置后，再將節(jié)段間的預(yù)應(yīng)力筋松弛，使節(jié)段之間產(chǎn)生具有一定變形能力的柔性接頭。

當(dāng)隧道長(zhǎng)度較大，施工周期較長(zhǎng)時(shí)，管節(jié)沉放到指定位置后，若將節(jié)段間的預(yù)應(yīng)力筋松弛，則節(jié)段之間在隧道完工前的很長(zhǎng)一段時(shí)間里的相互約束很弱，且水下環(huán)境較為復(fù)雜，這對(duì)節(jié)段的安全性會(huì)產(chǎn)生極大的影響。武義凱，謝永利[2]在研究中發(fā)現(xiàn)，沉管受水土壓力的作用，頂板和底板處混凝土受到很大的拉應(yīng)力而產(chǎn)生拉伸破壞。對(duì)于隧道主體，可以在節(jié)段頂板和底板中配受拉鋼筋增加結(jié)構(gòu)的抗拉性能，然而對(duì)于節(jié)段間的接頭位置，若拉應(yīng)力過大，則會(huì)使接頭產(chǎn)生一定的張開量，當(dāng)接頭產(chǎn)生的張開量超過止水片所能承受的范圍時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)的防水性將遭到極大的挑戰(zhàn)。另外，在沉管隧道抗震性能分析中也發(fā)現(xiàn)[3]，地震發(fā)生時(shí)，強(qiáng)烈的地震作用將影響隧道地基土體的穩(wěn)定性，可能會(huì)造成接頭處的拉伸破裂。因此，隧道節(jié)段間的柔性接頭會(huì)成為沉管隧道抗震最薄弱的環(huán)節(jié)。同時(shí)，隧道所承受的剪力也將沿隧道縱向進(jìn)行傳遞[4]，保證柔性接頭在剪切作用下的安全性，并且將接頭處的剪切變形控制在隧道防水性要求范圍之內(nèi)同樣是保證隧道安全的重要問題。

為了改進(jìn)接頭的受力性能，在節(jié)段間接頭處設(shè)置短的預(yù)應(yīng)力筋從而改善隧道的受力性能和抗震性能[5,6]的方法曾被提出。隨著工程技術(shù)的發(fā)展，在實(shí)踐中采用了一種改進(jìn)的沉管隧道節(jié)段接頭。這種改進(jìn)的沉管隧道節(jié)段接頭是指管節(jié)沉放到指定位置后，不松弛節(jié)段間的預(yù)應(yīng)力筋，使得節(jié)段間始終保持“緊壓”狀態(tài)。相比于整體式的沉管隧道，改進(jìn)的節(jié)段接頭使管節(jié)的剛度有所降低；相比于柔性接頭，未松弛的預(yù)應(yīng)力筋則增加了節(jié)段間的相互約束作用。

為了定性地了解這種改進(jìn)的沉管隧道節(jié)段接頭對(duì)隧道受力及變形性能的影響，本文采用有限元模型，以工程為背景，對(duì)節(jié)段間采用不同預(yù)應(yīng)力大小的改進(jìn)接頭的沉管隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力及變形分析，并將計(jì)算結(jié)果與節(jié)段間采用柔性接頭的沉管隧道的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。

2 有限元模型的建立

彭海闊、孟光[8]等的對(duì)比分析和試驗(yàn)驗(yàn)證表明，采用板殼單元或?qū)嶓w單元模擬沉管隧道可以有效提高結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文采用ANSYS中的實(shí)體單元Solid185進(jìn)行沉管隧道建模，隧道模型如圖1，由5節(jié)長(zhǎng)度均為22.5m的節(jié)段組成，并采用接觸單元Targe170、Conta173模擬節(jié)段之間的相互接觸。為模擬結(jié)構(gòu)受力的最不利情況，建模時(shí)混凝土的重度均取最大重度；混凝土的力學(xué)性能指標(biāo)均按28d齡期取值。

圖1 隧道模型圖

建模時(shí)土體深度取20m，長(zhǎng)度超過隧道前后兩端50m，寬度為150m超過隧道左右兩側(cè)約60m，采用實(shí)體單元Solid185進(jìn)行建模。隧道底面和地基土頂面接觸的部分采用接觸單元Targe170、Conta173模擬隧道和地基土之間的相互接觸。建模時(shí)采用線彈性材料模擬地基土，排除由于地基土物理力學(xué)性質(zhì)較為復(fù)雜，以及材料非線性對(duì)結(jié)果造成的影響。雖然該情況為理想情況，但其仍具有分析研究的價(jià)值，可以完全排除土的不均勻性對(duì)結(jié)果的影響，通過對(duì)結(jié)構(gòu)施加不同的預(yù)應(yīng)力，充分體現(xiàn)改進(jìn)接頭對(duì)于沉管隧道受力及變形的影響。

沉管隧道所承受的荷載主要有：結(jié)構(gòu)自重、上部回填土的壓力、水的壓力、隧道內(nèi)壓重混凝土的重力、波浪荷載、行車荷載等。由于波浪荷載、行車荷載在不同的水文條件和隧道使用情況下會(huì)產(chǎn)生較大變化，因此，在研究改進(jìn)節(jié)段接頭對(duì)沉管隧道受力及變形性能影響時(shí)，主要考慮隧道受恒載作用下的情況。根據(jù)資料，分別計(jì)算得到作用于隧道頂板、底板以及側(cè)墻的荷載分別為：432000kPa、41940kPa、152040kPa。

本文采用在端部施加軸向力的方式模擬隧道結(jié)構(gòu)所受的預(yù)應(yīng)力。為探究改進(jìn)接頭剛度變化對(duì)結(jié)構(gòu)受力及變形性能的影響，分別在隧道端部施加大小為0（模擬柔性接頭）、200kPa、500kPa、800kPa 和 1000kPa 的預(yù)應(yīng)力。 約束地基土底部所有節(jié)點(diǎn)不產(chǎn)生位移；隧道自身受回填土的約束不產(chǎn)生橫向位移；約束1號(hào)節(jié)段自由面沿隧道縱向的位移。

模型建成后，分別對(duì)隧道施加不同大小的預(yù)應(yīng)力，然后進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)在外荷載及預(yù)應(yīng)力作用下的內(nèi)力及變形的計(jì)算分析。

3 沉降分析

對(duì)不同大小預(yù)應(yīng)力作用下隧道的沉降進(jìn)行比較，研究改進(jìn)接頭對(duì)于沉管隧道沉降的影響。

如圖2，為S1～S5節(jié)段平均沉降隨預(yù)應(yīng)力大小的變化曲線，從圖中可以看出，隨接頭預(yù)應(yīng)力的增加，節(jié)段的平均沉降有所增加，但增幅很小。地基土表面的豎向變形也反映了隧道的沉降情況，如圖3所示，同樣可以看出隨預(yù)應(yīng)力的增加隧道的沉降變化不大。

改進(jìn)接頭不會(huì)對(duì)沉管隧道的沉降產(chǎn)生大的不良影響，采用沿隧道截面施加1000kPa預(yù)應(yīng)力的改進(jìn)接頭，沉管隧道沉降量比采用柔性接頭的沉管隧道沉降量增加不到0.1mm，這種影響幾乎可以忽略不計(jì)。

圖2 隧道節(jié)段平均沉降隨預(yù)應(yīng)力變化曲線

4 接頭張開量分析

對(duì)不同大小預(yù)應(yīng)力作用下沉管隧道接頭的張開量進(jìn)行比較，研究改進(jìn)接頭對(duì)于接頭防水性的影響。

圖4為隧道縱向位移圖，當(dāng)采用柔性接頭時(shí)，節(jié)段沿隧道縱向的位移雖然整體較小，但節(jié)段之間的縱向位移極不均勻，施加預(yù)應(yīng)力后，雖然隨著預(yù)應(yīng)力的增大，節(jié)段的縱向位移有整體增大的趨勢(shì)，但縱向位移在節(jié)段間的分布較柔性接頭的情況更加均勻，接頭處兩個(gè)節(jié)段的相對(duì)位移有所減小。

在 1、2接頭（S1，S2接頭）處，取截面關(guān)鍵點(diǎn)的縱向平均位移作為截面縱向位移，將S1節(jié)段截面與S2節(jié)段截面的縱向位移差作為該接頭張開量，作其隨接頭預(yù)應(yīng)力的變化曲線，如圖5所示。與柔性接頭相比，施加預(yù)應(yīng)力的改進(jìn)接頭可以明顯減小接頭張開量，保證了接頭的防水性。但是隨著預(yù)應(yīng)力增大，接頭張開量的減少程度逐漸降低。

采用柔性接頭的隧道縱向位移（圖4a）與采用改進(jìn)接頭的隧道縱向位移（圖4b，4c，4d）差異較大，但是采用預(yù)應(yīng)力大小不同的改進(jìn)接頭的隧道的縱向位移差異逐漸減小，當(dāng)預(yù)應(yīng)力大于500kPa后，隧道的縱向位移幾乎不隨預(yù)應(yīng)力的增加而產(chǎn)生變化（圖 4b，4c，4d，4e）。

圖3 地基土豎向變形圖

圖4 隧道縱向位移圖

5 不平衡剪力分析

除保證接頭的防水性外，沉管隧道接頭的安全性還受到相鄰兩節(jié)段不平衡剪力的影響，保證沉管隧道接頭的抗剪性能也是保證接頭安全的重要內(nèi)容之一。對(duì)不同大小預(yù)應(yīng)力作用下，隧道接頭處的不平衡剪應(yīng)力進(jìn)行比較，研究改進(jìn)接頭對(duì)于沉管隧道接頭處抗剪性能的影響。

在1、2接頭處，取關(guān)鍵點(diǎn)的平均剪應(yīng)力作為截面剪應(yīng)力，將S1節(jié)段截面與S2節(jié)段截面剪應(yīng)力的差作為接頭不平衡剪應(yīng)力，作其隨接頭預(yù)應(yīng)力的變化曲線，如圖6所示，可以看出1、2接頭不平衡剪應(yīng)力隨預(yù)應(yīng)力增加而呈近似線性減小。

圖5 1、2接頭張開量隨預(yù)應(yīng)力變化圖

圖6 1、2接頭不平衡剪應(yīng)力隨預(yù)應(yīng)力變化曲線

同時(shí)模型地基土為線彈性材料，因此，當(dāng)1、2接頭不平衡剪應(yīng)力隨預(yù)應(yīng)力線性減小時(shí)，1、2接頭的相對(duì)沉降也應(yīng)隨預(yù)應(yīng)力的增加呈線性減小。在1、2接頭處取關(guān)鍵點(diǎn)的平均沉降作為截面沉降，將S1節(jié)段截面與S2節(jié)段截面的沉降差作為1、2接頭相對(duì)沉降，作其隨接頭預(yù)應(yīng)力的變化曲線，如圖7，由圖可以論證上述推測(cè)及分析的正確性。

圖7 1、2接頭相對(duì)沉降隨預(yù)應(yīng)力變化曲線

6 結(jié)論

通過對(duì)有限元軟件計(jì)算結(jié)果的分析和對(duì)比可以看出：

（1）相比柔性接頭沉管隧道，采用改進(jìn)接頭的沉管隧道的沉降有所增加，且沉降增量隨改進(jìn)接頭剛度的增大有所增大，但增幅極??；沿隧道截面預(yù)應(yīng)力達(dá)到1000kPa的改進(jìn)接頭與柔性接頭相比造成的隧道沉降增加不到0.1mm，幾乎可以忽略不計(jì)。

（2）采用改進(jìn)接頭對(duì)于控制沉管隧道接頭張開量具有積極作用，有利于提高隧道的防水性能。且接頭張開量隨改進(jìn)接頭剛度的增大而減小，但是當(dāng)預(yù)應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值后，接頭張開量的減小程度逐漸降低，最終，接頭的縱向張開量趨于定值。

（3）改進(jìn)接頭能有效減小沉管隧道接頭的不平衡剪力，提高接頭的抗剪性能。隨著改進(jìn)接頭剛度的增大，接頭不平衡剪力和由其引起的接頭相對(duì)沉降均近似呈線性減小趨勢(shì)。

本文定性地描述了改進(jìn)的沉管隧道節(jié)段接頭對(duì)于隧道沉降、接頭張開量、接頭不平衡剪力和接頭相對(duì)沉降的影響及趨勢(shì)，但是對(duì)于復(fù)雜不均勻的地基情況，以及定量的計(jì)算受到地基土性質(zhì)、水文條件、隧道自身結(jié)構(gòu)性質(zhì)等多種復(fù)雜因素的相互影響，有待進(jìn)一步深入研究分析。同時(shí)，本文主要著眼于靜力長(zhǎng)期荷載作用下改進(jìn)接頭對(duì)于沉管隧道的影響，在動(dòng)力荷載及地震作用下的性能，仍有待進(jìn)一步的分析研究。

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