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)

1 緒論

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。

2 工程概況

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。

3 海底管廊圍巖壓力計(jì)算方法

3.1 海底管廊隧道深淺埋判定

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。

3.2 海底管廊隧道測(cè)試斷面圍巖壓力計(jì)算

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。

3.3 海底管廊荷載－結(jié)構(gòu)模型建立

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

3.4 海底管廊結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

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)

4 海底管廊施工結(jié)構(gòu)安全性分析

4.1 海底管廊襯砌安全系數(shù)檢算

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。

4.2 海底管廊襯砌安全性分析

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。

5 結(jié)論

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。