沉管隧道舊路面拆除對結(jié)構(gòu)的影響分析*

郭曉林 韓興博

(長安大學(xué)，陜西 西安 710064)

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沉管隧道舊路面拆除對結(jié)構(gòu)的影響分析*

郭曉林 韓興博

(長安大學(xué)，陜西 西安 710064)

早期建造的沉管隧道路面多為水泥混凝土結(jié)構(gòu)，隨著運營時間的增長，混凝土路面發(fā)生斷板、開裂、坑槽等病害，隧道維修時面臨路面的更換。筆者通過具體工程發(fā)現(xiàn)，路面拆除前后管段頂板中部出現(xiàn)多處開裂，通過數(shù)值計算發(fā)現(xiàn)舊路面拆除將增大管段頂板和底板內(nèi)側(cè)拉裂風(fēng)險。針對此問題，文章提出了檢修道堆載和頂板回淤壓重兩種改善方法，通過工程實例計算發(fā)現(xiàn)，從受力和變形角度檢修道堆載優(yōu)于頂板回淤壓重，并且計算了頂板壓重荷載的合理值，為沉管隧道舊路面改造提供參考。

沉管隧道；變形受力；數(shù)值模擬；路面拆除；頂板回淤；檢修道堆載

1910年，世界上第一條沉管隧道穿越美國Detroit河建成，目前全世界已建成的沉管隧道己經(jīng)超過百條。我國沉管隧道的發(fā)展始于20世紀(jì)90年代，1993年我國建成了第一條自行設(shè)計、施工的珠江沉管隧道；1995年又順利建成了浙江寧波的甬江沉管隧道，隧道全長1019.53m，江底段419.56m；2003年在上海建成了亞洲最大、世界第二大規(guī)模的上海外環(huán)越江沉管隧道，全長2km，施工中采用了國際先進水平的衛(wèi)星定位系統(tǒng)和二維測控施工技術(shù)，標(biāo)志著我國的沉管隧道施工技術(shù)已達到世界先進水平。

目前學(xué)者對沉管隧道在外部荷載“加載”下的變形研究比較廣泛[1-4]，但對隧道修繕時由自身“卸載”引起的變形受力研究相對較少。

修建較早的沉管隧道一般為混凝土結(jié)構(gòu)的路面，行車性能較差，并且路面基層一般采用素混凝土，穩(wěn)定性較差[5-6]。隨著營運年限的增長，路面結(jié)構(gòu)發(fā)生斷板、開裂、坑槽等，嚴(yán)重影響路面的使

用以及隧道的通行能力[7-9]，舊路面的升級改造迫在眉睫。改造過程中需要拆除舊路面，而舊路面作為一種荷載施加在沉管隧道底板上，路面拆除相當(dāng)于卸載，而沉管隧道一般處于江底或者海底，受力形式復(fù)雜，這一卸載對沉管隧道的結(jié)構(gòu)有何影響，文章將結(jié)合具體案例進行討論。

1 工程概況

Y隧道屬于江底沉管隧道，單節(jié)管段長度85m，管段上部覆土平均厚度為2m，管段上部水深5m。

在隧道大修前后對隧道進行了兩次詳細(xì)的檢測，發(fā)現(xiàn)大修之后隧道頂板滲水處大量增加(見圖1)。由于Y隧道內(nèi)壁有防火涂裝，因此不能直接觀察裂縫。一般管段滲水極大概率說明此處管段存在結(jié)構(gòu)裂縫，因此，可以通過管段滲水判斷結(jié)構(gòu)裂縫的存在。

Y隧道大修前后隧道頂板裂縫統(tǒng)計如表1所示。

圖1 管段頂板滲水痕跡

編號樁號大修前大修后1K12+524√√2K12+534√3K12+535√4K12+549√5K12+559√√6K12+560√√7K12+571√8K12+638√9K12+644√10K12+667√11K12+688√√12K12+702√13K12+728√√14K12+734√

將表1中裂縫展開繪制如圖2，大修前管段頂板存在6條裂縫，裂縫分布沒有規(guī)律，大修后新增8條裂縫，其中6條大致位于管段中部。因此考慮在隧道大修過程中路面拆除對隧道結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生了破壞。

圖2 大修前后沉管隧道裂縫展開圖

2 計算模型

就單節(jié)管段考慮，當(dāng)此管段上路面全部鑿除時，管段所卸荷載最大，屬于最不利工況。管段兩頭與其他管段相接，假設(shè)其余管段路面沒有拆除，暫時不受本節(jié)管段路面拆除影響，因此簡化計算模型的邊界條件為兩段固定，各種荷載以面荷載施加于管段上。

2.1 實體模型

模型采用SOLID65鋼筋混凝土單元，密度為2500 kg//m3，彈性模量為30 GPa，泊松比為0.25。建立的數(shù)值計算模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值計算模型

2.2 外部荷載形式

沉管隧道結(jié)構(gòu)的主要受力有：沉管上部水的水壓力、上部覆土的土壓力、沉管兩側(cè)的靜水壓力、土側(cè)壓力、浮力地基反力。

以Y隧道為例，沉管管節(jié)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，密度取2780 kg/m3，沉管頂部標(biāo)高位于水下5m，隧道覆土厚度2m，土層浮重度9kN/m3，土側(cè)壓力系數(shù)取0.2，路面為混凝土路面，路面共厚0.6m，密度取2500 kg/m3。結(jié)構(gòu)的受力模式如圖4所示。

圖4 管段所受荷載示意圖

沉管上部水的水壓力

q1=ρgh=1×103×9.8×5=49000Pa

(1)

上部覆土的土壓力

q2=γh=9000×2=18000Pa

(2)

沉管兩側(cè)的靜水壓力

q31=ρgh1=1×103×9.8×5=49000Pa

(3)

q32=ρgh2=1×103×9.8×12=117600Pa(4)

土側(cè)壓力

q4=0.2×q2=3600Pa

(5)

路面結(jié)構(gòu)壓力

q6=ρgh=2500×9.8×0.6=14700Pa

(6)

路面未拆除工況下由豎向里平衡得到

浮力+地基反力

式中：q1為水壓力，q2為土壓力，q31為管節(jié)側(cè)板頂部靜水壓力，q32為管節(jié)側(cè)板底部靜水壓力，q4為土側(cè)壓力，q5為浮力加地基反力，q6為路面結(jié)構(gòu)壓力，l為管節(jié)頂?shù)装鍖挾?，按照模型?1.3m，lr為路面寬度，取10.3m。

3 舊路面拆除對管節(jié)變形的影響

考慮舊路面拆除對沉管的影響，本節(jié)建立兩種模型，拆除路面前的荷載圖見圖5，拆除路面后的荷載圖見圖6。

圖5 拆除路面前荷載圖示

圖6 拆除路面后荷載圖示

數(shù)值計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，路面拆除將對沉管隧道變形產(chǎn)生較大影響，總體表現(xiàn)為頂板下沉的減小，底板隆起的增加以及側(cè)墻外凸的增大，其對頂板和底板的影響大于側(cè)墻。

由圖7、8可知，管段在外部荷載作用下，橫截面上的變形主要表現(xiàn)為，頂板下沉、底板隆起以及側(cè)板外凸。最大的位移發(fā)生在管段頂板的中間截面，下沉量為3.691mm。對比圖7和圖8，路面拆除卸載對管段在橫斷面上的變形有較大影響，主要表現(xiàn)在底板隆起量的增加，最大的位移也發(fā)生在底板上，隆起量為5.61mm。

圖7 拆除路面前橫斷面視角變形示意圖

圖8 拆除路面后橫斷面視角變形示意圖

3.1 管節(jié)頂板下沉

由圖9可知，路面拆除將引起頂板下沉量的減小，回彈最大位置為管段的中間截面，由-3.69mm變化為-1.62mm，變形量2.07mm。管段頂板變形由U形變?yōu)閃型。路面拆除后，管段整體頂板下沉最大處為管段距兩端1/5處，下沉量為2.62mm。

圖9 拆除路面前后管段頂板下沉量

3.2 管節(jié)底板隆起

由圖10可知，路面拆除將引起底板隆起量的增大，隆起最大位置為管段的中間截面，拆除路面后隆起量為5.61mm，比拆除路面前的3.02mm增大了2.59 mm。底板變形一致均為倒U形。

圖10 拆除路面前后地板隆起量

3.3 管節(jié)側(cè)壁變形

由圖11可知，拆除路面后，側(cè)墻外凸增大，管段中間向兩側(cè)30m處，外凸量均較大，拆除前為1.31mm，拆除后為1.43mm，增大0.12mm。可見，路面拆除卸載對側(cè)墻的影響遠遠小于對頂板和底板的影響。

圖11 拆除路面前后側(cè)板變形量

4 舊路面拆除對管節(jié)受力的影響

在外部荷載作用下，管段主要表現(xiàn)為頂、底板內(nèi)側(cè)以及側(cè)墻外側(cè)受拉，頂、底板外側(cè)以及側(cè)墻內(nèi)側(cè)受壓狀態(tài)。

路面拆除前后第一主應(yīng)力最大的地方均出現(xiàn)在頂板和底板的內(nèi)側(cè)見圖12、13。拆除路面后，第一主應(yīng)力由4.41MPa增加到4.95MPa，增大了12.2%，管段頂、底板內(nèi)側(cè)拉裂風(fēng)險增大。

圖12 拆除路面前第一主應(yīng)力

圖13 拆除路面后第一主應(yīng)力

圖14 拆除路面前第三主應(yīng)力

圖15 拆除路面后第三主應(yīng)力

路面拆除前后第三主應(yīng)力最大的地方均出現(xiàn)在頂板和底板的外側(cè)見圖14、15。拆除路面后，第三主應(yīng)力由6.19Mpa減小為6.85Mpa，減小了10.6%，管段頂、底板外側(cè)壓碎風(fēng)險減小。

5 改善方案

通過數(shù)值計算可知，路面拆除卸載將極大的增加頂、底板內(nèi)側(cè)的拉裂風(fēng)險。從管段設(shè)計角度來講，應(yīng)當(dāng)增加配筋來改善路面拆除這種工況下管段的受力，保證管段結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性。對于已經(jīng)建成但是需要更換路面的隧道而言，通過增強管段強度來保證結(jié)構(gòu)安全的成本過高且不現(xiàn)實。本文另外從改善外部荷載形式提出檢修道堆載和頂板回淤壓重兩種方法來改善管段路面拆除過程中的受力。堆載可以采用沙袋來完成，回淤則靠河道中的泥沙完成。檢修道堆載主要是在檢修道兩側(cè)施加荷載，荷載和舊路面施加于管段的荷載大小相當(dāng)，方向相同，施加過程與路面拆除過程應(yīng)當(dāng)同步進行。頂板回淤的原理和方法也與檢修道堆載類似。下面對兩種放大的效果進行討論。

檢修道堆載和頂板回於的荷載模式如圖16(a)和圖16(b)所示。

圖16 檢修道堆載與頂板回於荷載圖示

計算中檢修道堆載與頂板回於荷載均與拆除的舊路面荷載相等。檢修道堆載荷載q7以及頂板堆載荷載q8計算如下：

(8)

(9)

式中：lj為檢修道寬度，計算模型為1m。

5.1 對變形的改善

如圖17所示，檢修道堆載和頂板回淤對頂板下沉的回彈均有所改善，檢修道堆載下頂板的下沉量與路面拆除前相當(dāng)接近，兩者變形相差最大為0.5mm。頂板回淤使管段頂板繼續(xù)產(chǎn)生1mm的下沉量，相對2.5mm的回彈改善效果也比較理想。

圖17 各種工況頂板下沉量對比

如圖18所示，兩種方法對底板隆起的改善十分理想，改善效果非常接近，相比路面拆除前隆起量為0.75mm。相比路面拆除不采取措施工況的5.5mm改善明顯。

圖18 各種工況底板隆起量對比

圖19 各種工況側(cè)墻外凸量對比

如圖19所示，四種工況下的側(cè)墻的變形均維持在1.5mm以內(nèi)，變形較小，檢修道堆載對側(cè)墻位移減小0.2mm，有略微改善。

5.2 合理回淤壓重荷載值計算

頂板回淤壓重對隧道內(nèi)管段路面施工不產(chǎn)生影響，也不用考慮檢修道板的承載力問題。由上文具體計算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)回淤壓重荷載和路面荷載相等時，能夠?qū)芏蔚装迓∑鹱冃芜M行很好地控制，但是加劇了頂板變形，因此考慮減小回淤壓重荷載來控制頂板變形量。計算回淤荷載為0.5～0.9倍路面荷載工況，得到計算結(jié)果如圖20、圖21所示，當(dāng)回於荷載取0.7路面荷載時頂板變形量最小，并且底板隆起與1倍荷載相差不到0.5mm。因此建議選取0.7倍荷載，可以有效控制頂板變形。

圖20 不同工況下頂板沉降量

圖21 不同工況下底板隆起量

6 結(jié)論

(1)沉管隧道舊路面拆除對管段的受力和變形有較大影響，舊管段的拆除會增大管段頂板和底板內(nèi)側(cè)混凝土拉裂風(fēng)險，影響隧道的耐久性。

(2)在管段設(shè)計階段應(yīng)當(dāng)考慮舊路面拆除工況，對管段配筋進行優(yōu)化設(shè)計。

(3)已建成隧道施工中可以考慮檢修道堆載或頂板回淤堆載來減小路面拆除對管段受力的影響。當(dāng)對施工不產(chǎn)生影響時，推薦使用檢修道堆載方法。

(4)當(dāng)頂板回淤荷載為舊路面荷載的0.7倍時，控制底板隆起同時可以降低頂板的變形量，采用頂板回於時建議回於荷載取路面荷載的0.7倍。

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2016-11-12

郭曉林(1991-)，女， 山西芮城人，長安大學(xué)碩士研究生，主要從事交通運輸工程研究。韓興博(1991-)，男， 陜西寶雞人，長安大學(xué)博士研究生，主要從事隧道工程研究。

10.3969/j.issn.1672-9846.2016.04.017

U416.2

A

1672-9846(2016)04-0067-06