王新榮
(中鐵二十二局集團(tuán)第三工程有限公司 福建廈門(mén) 361000)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及城鎮(zhèn)化水平的提高,越來(lái)越多的城市采用城市地下綜合管廊結(jié)構(gòu)將各類市政管線統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計(jì),從而在充分利用地下空間資源的同時(shí)有效減少市政管道在地面所占空間。對(duì)于過(guò)江跨海的地下綜合管廊,其設(shè)計(jì)施工中的結(jié)構(gòu)安全性問(wèn)題也越來(lái)越重要。相較于常規(guī)的地下市政管廊,除了需額外考慮上覆水荷載以外,海底管廊上覆土層深淺埋判定和圍巖壓力計(jì)算方法的確定同樣需要引起足夠的重視。
目前,國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)隧道圍巖壓力的確定和隧道結(jié)構(gòu)安全性方面的研究取得了眾多成果。李鵬飛等[1]對(duì)隧道埋深和隧道跨度等因素對(duì)圍巖壓力計(jì)算結(jié)果的影響進(jìn)行研究,并對(duì)比分析各圍巖壓力計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。鐘小春等[2]建立了一種管片土壓力反演分析方法以解決目前盾構(gòu)隧道圍巖壓力理論計(jì)算與實(shí)際受力差異較大的問(wèn)題。王明年等[3]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)理分析等方法,分析了圍巖級(jí)別、隧道跨度、隧道埋深等不同因素對(duì)形變壓力的影響及其變化規(guī)律,并推導(dǎo)建立了豎向形變壓力的回歸分析計(jì)算式。肖明清等[4]基于荷載結(jié)構(gòu)理論對(duì)噴層、錨桿經(jīng)濟(jì)組合拱這組支護(hù)結(jié)構(gòu)處于不同埋深的安全系數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行探討,并對(duì)現(xiàn)行規(guī)范支護(hù)參數(shù)耐受性進(jìn)行評(píng)估。高林等[5]采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)長(zhǎng)沙湘江隧道施工過(guò)程進(jìn)行開(kāi)挖模擬,并探究了隧道臨時(shí)支撐拆除前后隧道襯砌的結(jié)構(gòu)受力和安全系數(shù)變化規(guī)律。
綜上所述,國(guó)內(nèi)對(duì)隧道圍巖荷載計(jì)算方法和結(jié)構(gòu)安全性研究頗多,并取得了很多開(kāi)創(chuàng)性的成果,但對(duì)于海底管廊隧道相關(guān)研究仍較少。同時(shí),由于市政地下管廊相較于諸如鐵路大斷面隧道、公路多車道隧道等隧道結(jié)構(gòu),其斷面相對(duì)較小,當(dāng)管廊埋深達(dá)到一定深度時(shí),能否形成“自然平衡拱”效應(yīng)有待商榷。故此,急需研究一套適合于城市海底管廊設(shè)計(jì)的圍巖荷載計(jì)算方法,并對(duì)其管廊結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行研究。
本文將依托廈門(mén)翔安海底綜合管廊工程,研究符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的圍巖壓力計(jì)算方法,并通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)檢算管廊結(jié)構(gòu)的安全性,研究成果可為類似隧道工程管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
福建省廈門(mén)市翔安區(qū)機(jī)場(chǎng)東路地下綜合管廊工程,設(shè)計(jì)全長(zhǎng)1 771 m,其連接翔安至大嶝段,設(shè)計(jì)縱坡為0.3%。其中,陸地段長(zhǎng)度1 063 m,起止樁號(hào)K2+826.93~K3+889.35,過(guò)海段長(zhǎng)度708 m,頂管采用2根外徑3.6 m,壁厚0.3 m的鋼筋混凝土管,分別為市政艙和電力艙,雙艙并行進(jìn)行頂管施工,雙艙凈距3.6 m。本文將選取海底管廊過(guò)海段里程5 m至400 m范圍進(jìn)行研究。
該管廊所處區(qū)域工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜,其面層多為淤泥質(zhì)地層,下層為粉質(zhì)黏土、殘積砂質(zhì)黏土以及全風(fēng)化花崗巖地層,其管廊埋深主要集中在地面以下10~20 m。
隧道的深淺埋判定最直觀表現(xiàn)于洞室開(kāi)挖后能否形成自然平衡拱。以往針對(duì)以鉆爆法施工為主的山嶺隧道,深淺埋臨界深度多是根據(jù)工程類比進(jìn)行判斷,臨界深度通常為2.0~2.5倍的自然平衡拱高度。而對(duì)于海底綜合管廊,其施工方式和地質(zhì)環(huán)境與常規(guī)的礦山隧道有較大不同,深淺埋臨界深度的判定不能再使用經(jīng)驗(yàn)公式確定。本文依據(jù)淺埋圍巖壓力計(jì)算方法——謝家烋法(計(jì)算模式如圖1所示)逆向推導(dǎo)出適應(yīng)于本管廊隧道深淺埋的臨界深度。
根據(jù)謝家烋法[6]的基本原理,淺埋隧道松弛土壓計(jì)算時(shí)需考慮拱頂上覆松動(dòng)范圍內(nèi)的土體受兩側(cè)楔形體挾持阻礙的影響,對(duì)上述計(jì)算模式做出如下假定:
(1)假定BD、AC面為破裂滑面,其與水平面成角β。
(2)假定FD及EC面為滑移面,但并非破裂面,且摩擦角θ小于破裂角β角。
(3)假定開(kāi)挖后左右兩側(cè)土體ACE及BDF受洞頂上覆土柱FEGH下沉的影響也發(fā)生下沉,從而產(chǎn)生AC及BD破裂面。當(dāng)土柱FEGH下沉?xí)r,兩側(cè)土體對(duì)其施加有摩阻力T1。
上述謝家烋法破壞模式中主要荷載有:開(kāi)挖洞室上方土體FEGH自重W1;破裂面兩側(cè)三棱體ACE及BDF的自重W2;左右兩側(cè)土體施加于洞室上方土柱的摩阻力分別為T(mén)1、T2;外側(cè)土體給予破裂面AC、BD的阻力Fy。深淺埋隧道臨界深度判據(jù)如式(1)所示:
當(dāng)ψ=0時(shí)即為深淺埋臨界深度的判據(jù)。式中W1以及W2分別為:
式中,γ為圍巖重度;β為圍巖破裂角;h1為地面到隧道頂部距離;h為地面到隧道底部距離;B0為隧道開(kāi)挖跨度。
且摩阻力T1計(jì)算式為:
λ為側(cè)壓力系數(shù),其計(jì)算式為:
破裂角β的計(jì)算式如下:
式中,θ為滑移面摩擦角;φc為圍巖計(jì)算摩擦角。
根據(jù)正弦定理,可計(jì)算得阻力F為:
臨界深度h1可由深淺埋判據(jù)公式得到:
帶入計(jì)算式,化簡(jiǎn)整理可得:
式中,h0為隧道開(kāi)挖高度,結(jié)合廈門(mén)地區(qū)地質(zhì)條件土體參數(shù),根據(jù)式(9)即可計(jì)算得到海底管廊深淺埋的臨界深度h1(見(jiàn)表1)。
表1 翔安海底管廊隧道的臨界深度
由表1可知,廈門(mén)翔安海底管廊隧道的深淺埋臨界深度處于11~13 m之間,由于管廊研究里程段內(nèi)圍巖條件較差,故按最大埋深13 m作為該海底管廊隧道的深淺埋臨界高度。
本文研究范圍為海底管廊跨海段里程5 m至100.8 m。根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布置的土壓測(cè)試斷面,分別選取25 m、40 m及63.3 m三個(gè)斷面計(jì)算其上覆圍巖荷載,同時(shí)根據(jù)臨界深度判定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各個(gè)斷面埋深進(jìn)行測(cè)試。由于海底管廊3個(gè)測(cè)試斷面均為深埋隧道,故應(yīng)按照深埋隧道太沙基公式計(jì)算各斷面豎向圍巖壓力[7],壓力值分別129.744 kPa、129.240 kPa、127.872 kPa。
根據(jù)太沙基公式計(jì)算得到的海底管廊各斷面豎向和水平圍巖壓力,采用日本盾構(gòu)隧道規(guī)范得到海底管廊荷載-結(jié)構(gòu)模型。對(duì)于管廊或盾構(gòu)隧道而言,隧道襯砌除受上覆豎向荷載和周邊水平荷載作用外,還受到上覆水壓、襯砌自重、地面超載、地層抗力等荷載作用[8],計(jì)算模型如圖2所示。
圖2 海底管廊荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算
根據(jù)廈門(mén)海底管廊隧道所在區(qū)域地質(zhì)條件,可得海底管廊各斷面襯砌結(jié)構(gòu)所受荷載見(jiàn)表2。
表2 海底管廊各測(cè)試斷面所受荷載
運(yùn)用ANSYS有限元軟件建立荷載-結(jié)構(gòu)模型,將管廊結(jié)構(gòu)所受均布荷載轉(zhuǎn)化為等效節(jié)點(diǎn)荷載,并采用地基彈簧模擬地基反力[9],其等效荷載施加及彈簧約束如圖3所示。
圖3 等效荷載施加及彈簧約束
以管廊測(cè)試斷面25 m處為例,管廊結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖4所示。
圖4 海底管廊襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形(25 m處)
依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》和《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)于隧道襯砌截面強(qiáng)度的規(guī)定,當(dāng)截面e0≤0.20 h時(shí),由抗壓強(qiáng)度控制承載能力[10],按混凝土偏心受壓構(gòu)件抗壓強(qiáng)度公式計(jì)算(如式(10)所示);當(dāng)截面e0>0.20 h時(shí),由抗拉強(qiáng)度控制承載能力,按混凝土矩形截面偏心受壓構(gòu)件抗拉強(qiáng)度公式計(jì)算(如式(11)所示)。
式中,K為混凝土安全系數(shù);N為軸向力;φ為構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù);Rα為混凝土的極限抗壓強(qiáng)度;α為軸向力的偏心影響系數(shù)。
式中,R1為混凝土的極限抗拉強(qiáng)度;e0為截面偏心距;其他符號(hào)意義同前。
規(guī)范給定的混凝土結(jié)構(gòu)安全系數(shù)指標(biāo)如表3所示。
表3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全性系數(shù)
根據(jù)上述規(guī)范規(guī)定,繪制出管廊3個(gè)測(cè)試斷面的安全系數(shù)包絡(luò)圖如圖5所示。
圖5 海底管廊測(cè)試斷面安全系數(shù)包絡(luò)圖
將圖5所述管廊襯砌各截面位置的安全系數(shù)與規(guī)范值相對(duì)比,結(jié)果表明海底管廊襯砌3個(gè)測(cè)試斷面各節(jié)點(diǎn)安全系數(shù)均大于規(guī)范給定的最大安全系數(shù)2.4,說(shuō)明該隧道設(shè)計(jì)滿足管廊結(jié)構(gòu)安全性需要。
上述建立了海底管廊隧道圍巖荷載計(jì)算方法和采用數(shù)值模擬驗(yàn)證襯砌結(jié)構(gòu)安全性,但還缺少管廊施工期的結(jié)構(gòu)安全評(píng)估。因此,在翔安機(jī)場(chǎng)海底管廊測(cè)試段通過(guò)布置混凝土應(yīng)變計(jì),實(shí)測(cè)管廊隧道施工期荷載作用下的內(nèi)力值及安全系數(shù),從而驗(yàn)證施工期管廊襯砌的結(jié)構(gòu)安全性。
海底管廊測(cè)試段采用YT-ZX-0200系列的埋入式混凝土應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測(cè)量,測(cè)試?yán)锍潭螢楣芾瓤绾6?00~300 m,共計(jì)對(duì)22個(gè)管廊襯砌截面上的各點(diǎn)位應(yīng)變數(shù)值進(jìn)行測(cè)試。同一截面內(nèi)共布置4組應(yīng)變計(jì),即在襯砌拱頂、拱底、左右側(cè)90°位置及左右側(cè)拱腰45°位置進(jìn)行應(yīng)變計(jì)的內(nèi)外側(cè)布設(shè),每組應(yīng)變計(jì)各測(cè)試3次。
在測(cè)得混凝土應(yīng)變值后,即根據(jù)材料力學(xué)計(jì)算原理將混凝土截面內(nèi)外側(cè)應(yīng)變值轉(zhuǎn)化為管廊襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力,如式(12)及式(13)所示:
式中,B為襯砌截面寬度;h為襯砌截面厚度;σ1為外側(cè)壓應(yīng)力;σ2為內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力;A為襯砌截面面積。
利用FLAC3D對(duì)管廊測(cè)試段進(jìn)行三維實(shí)體建模,通過(guò)建立地層-結(jié)構(gòu)模型從而模擬海底管廊測(cè)試段[11]的施工進(jìn)程(如圖6所示),計(jì)算完成以后可對(duì)該模型相應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分析(其計(jì)算結(jié)果如圖7所示)。同樣通過(guò)內(nèi)力轉(zhuǎn)化計(jì)算公式求解出拱頂、拱底、拱腰及水平方向的軸力和彎矩,最終得到管廊結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。
圖6 管廊隧道施工地層-結(jié)構(gòu)模型示意
圖7 管廊隧道施工襯砌應(yīng)力分布
通過(guò)上述計(jì)算轉(zhuǎn)化,得到海底管廊隧道3個(gè)測(cè)試斷面位置的安全系數(shù)對(duì)比(見(jiàn)表4)。
表4 海底管廊各截面相應(yīng)點(diǎn)安全系數(shù)對(duì)比
如圖8所示(以測(cè)試斷面232.5 m為例),其為海底管廊數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的安全系數(shù)折線圖。
圖8 管廊截面測(cè)試點(diǎn)安全系數(shù)對(duì)比(232.5 m)
通過(guò)上述對(duì)比可知,管廊232.5 m測(cè)試斷面處所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的安全系數(shù)均大于規(guī)范給定的最大安全系數(shù)2.4,且另外兩個(gè)測(cè)試斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)也同樣滿足。同時(shí),由FLAC3D計(jì)算結(jié)果表明,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與數(shù)值模擬安全系數(shù)變化趨勢(shì)基本相同,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)在一定程度上驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的正確性,兩種方法均表明海底管廊施工[12]的安全性能夠得到保障。
通過(guò)對(duì)城市海底大斷面管廊頂進(jìn)結(jié)構(gòu)安全性研究,得出了以下結(jié)論:
(1)提出海底管廊隧道深淺埋臨界深度的判定方法,采用謝家烋法逆向推導(dǎo)出海底管廊深淺埋臨界深度為13 m,并基于太沙基公式計(jì)算得到測(cè)試斷面的上覆圍巖荷載。
(2)建立了海底管廊隧道荷載-結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,采用ANSYS軟件數(shù)值模擬手段對(duì)測(cè)試斷面的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行檢算,其驗(yàn)算結(jié)果表明各測(cè)試斷面截面安全系數(shù)均大于規(guī)范最大安全系數(shù)2.4,驗(yàn)證了海底管廊混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安全性。
(3)采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)手段測(cè)得管廊隧道測(cè)試斷面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的混凝土應(yīng)變,進(jìn)而計(jì)算轉(zhuǎn)化得到實(shí)測(cè)的安全系數(shù)值;同時(shí)運(yùn)用FLAC軟件建立管廊測(cè)試段的地層-結(jié)構(gòu)模型計(jì)算得到各斷面數(shù)值模擬的安全系數(shù)值。通過(guò)對(duì)比分析,各計(jì)算橫截面相應(yīng)測(cè)點(diǎn)位置現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及數(shù)值計(jì)算的安全系數(shù)分布規(guī)律較為一致,且安全系數(shù)均大于規(guī)范最大安全系數(shù)2.4,其表明翔安海底管廊頂進(jìn)施工能夠保障管廊襯砌的結(jié)構(gòu)安全性。