錢江隧道橫通道變形縫力學(xué)行為分析

徐　永， 廖少明， 李偉平

(1. 常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 江蘇 常州　213164； 2. 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海　200092； 3. 浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 浙江 杭州　310006)

0　引言

錢江隧道是錢江通道及接線工程的關(guān)鍵控制性工程，是南連杭州蕭山、北接嘉興海寧的特大越江公路隧道。隧道采用盾構(gòu)法施工，設(shè)計(jì)外徑為15.43 m，全長4 450 m，江中盾構(gòu)段長3 245 m。隧址所在區(qū)域?yàn)殄X塘江河口沖海(湖)積平原，隧道穿越地層條件較為復(fù)雜，含承壓水、鹽及沼氣，且受潮汐涌潮條件影響。

在工程地質(zhì)和水文地質(zhì)如此復(fù)雜的條件下進(jìn)行長大越江盾構(gòu)隧道的建設(shè)，關(guān)于橫通道的設(shè)置問題一直存在較大爭議。一方面，橫通道作為隧道火災(zāi)時的逃生通道，對降低隧道運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)具有重要作用[1-3]； 另一方面，橫通道的設(shè)置需打開主隧道結(jié)構(gòu)，從而會帶來抗震、變形與防水以及江底暗挖施工等一系列結(jié)構(gòu)與施工安全問題，大大增加了風(fēng)險(xiǎn)[4-6]?？紤]錢塘江底復(fù)雜的地層環(huán)境以及大直徑隧道的逃生有利因素，錢江隧道最終未建設(shè)聯(lián)絡(luò)橫通道而采用其他替代通道設(shè)置方案實(shí)現(xiàn)防災(zāi)疏散。然而，錢江隧道作為當(dāng)前代表性的大直徑越江跨海公路隧道，橫通道設(shè)置與否以及如何設(shè)置，都是值得深入研究、對后續(xù)工程具有重要指導(dǎo)意義的問題。

橫通道如何設(shè)置的問題，就是討論如何采用有效措施降低橫通道設(shè)置的結(jié)構(gòu)和施工風(fēng)險(xiǎn)。橫通道的施工風(fēng)險(xiǎn)屬于短期臨時性風(fēng)險(xiǎn)，可以通過風(fēng)險(xiǎn)管理和相關(guān)施工技術(shù)手段進(jìn)行有效控制[7-9]； 而抗震和變形等結(jié)構(gòu)方面的風(fēng)險(xiǎn)，則需研究結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為規(guī)律，從設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化角度來降低，即通過對橫通道與主隧道連接處變形縫的力學(xué)行為分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化降低。因此，深入研究地震和不均變形對主隧道、橫通道結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為影響及變形縫的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。目前，對隧道橫通道結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的研究，主要側(cè)重于施工力學(xué)行為規(guī)律的探究[10-14]，即研究橫通道施工過程中的力學(xué)行為規(guī)律以及施工控制措施，未能涉及變形縫的力學(xué)行為及設(shè)計(jì)優(yōu)化研究。對變形縫的研究則主要聚集于滲漏控制技術(shù)[15-16]，完全不涉及變形縫的結(jié)構(gòu)力學(xué)行為分析。本文基于錢江隧道的工程特點(diǎn)，建立有限元分析模型，分別從抗震性和不均勻變形2個角度討論變形縫力學(xué)行為規(guī)律，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，為其他同類隧道橫通道的變形縫設(shè)計(jì)問題提供一種問題解決思路和設(shè)計(jì)參考。

1　錢江隧道橫通道變形縫設(shè)置優(yōu)化分析思路

對于大直徑隧道，橫通道與主隧道的結(jié)構(gòu)形式差異較大，剛度差異也較大。當(dāng)橫通道距離過長時，應(yīng)采取可靠的工程技術(shù)措施，設(shè)置具有一定變形能力的變形縫，如圖1所示。

圖1　聯(lián)絡(luò)橫通道變形縫位置示意圖(單位： mm)

設(shè)置變形縫，主要是為了緩解聯(lián)絡(luò)橫通道與主隧道連接部位應(yīng)力集中，防止產(chǎn)生破壞，而連接部位產(chǎn)生的應(yīng)力集中一般由兩側(cè)結(jié)構(gòu)的不均勻變形和地震響應(yīng)引起。因此，對錢江隧道聯(lián)絡(luò)橫通道變形縫設(shè)置的優(yōu)化，分別從不均勻變形的影響和地震響應(yīng)的影響2方面進(jìn)行分析，研究技術(shù)路線如圖2所示。

圖2　研究技術(shù)路線

2　錢江隧道橫通道不均勻變形力學(xué)行為分析

2.1　不均勻變形模式的確定

綜合錢江隧道特殊的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，通過分析認(rèn)為錢江隧道橫通道不均勻變形的影響因素主要包括地層變異、涌潮潮差、凍結(jié)施工、河床演變和地層加固5個方面。

通過對上述5個不均勻變形影響因素進(jìn)行分析可得出，橫通道與主隧道喇叭口的不均勻變形是一個典型的三維問題，同時結(jié)合錢江隧道變形的實(shí)測結(jié)果，將橫通道與主隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生的不均勻變形歸結(jié)為4種模式： 主隧道單線按Peck曲線上浮、主隧道發(fā)生扭轉(zhuǎn)、橫通道按Peck曲線上浮和橫通道扭轉(zhuǎn)形式，如圖3所示。

(a) 主隧道單線不均勻上浮

(b) 主隧道單線扭轉(zhuǎn)

(c) 橫通道不均勻上浮

(d) 橫通道扭轉(zhuǎn)

2.2　不均勻變形縫優(yōu)化設(shè)置有限元分析

2.2.1不均勻變形分析模型

2.2.1.1有限元分析模型

數(shù)值模擬采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，隧道結(jié)構(gòu)及橫通道均采用殼單元，根據(jù)錢江隧道工程和錢江橫通道工程設(shè)計(jì)資料，建立如圖4所示的三維有限元分析模型； 采用彈性模型，材料參數(shù)如表1所示； 隧道外圍建立全周彈簧，彈簧參數(shù)如表2所示。

圖4　錢江隧道橫通道變形有限元模型

Fig. 4Finite element model of cross passage deformation of Qianjiang River Tunnel

表1　材料參數(shù)

表2　非線性彈簧參數(shù)

2.2.1.2荷載確定

有限元分析所采用的荷載根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析確定，水土壓力分布曲線如圖5所示。

圖5　水土壓力分布曲線

2.1.1.3計(jì)算工況

基于2.1節(jié)提出的4種不均勻變形模式，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件，對橫通道變形縫設(shè)置于距接口部位0.4 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m和1.2 m 5個不同位置的工況分別進(jìn)行數(shù)值模擬分析，如圖6所示。

(a) 距接口0.4 m(b) 距接口0.6 m

(c) 距接口0.8 m(d) 距接口1.0 m

(e) 距接口1.2 m

Fig. 6Modelds when deformation joints are located at different positions

2.2.2計(jì)算結(jié)果及分析

2.2.2.1計(jì)算結(jié)果分析

橫通道與主隧道發(fā)生不均勻變形后，橫通道接口部位受力復(fù)雜，如圖7所示。接口部位承受彎矩的分布特征如圖8—10所示，頂部、腰部和底部的合彎矩值分布如圖11所示。

由圖7可知，橫通道接口部位承受的最大壓應(yīng)力分布于橫通道與主隧道連接部位的腰部，最大拉應(yīng)力分布于橫通道與主隧道連接部位的頂部和底部。

接口部位承受的彎矩大小與位置關(guān)系較為明顯，繞X軸正彎矩在接口腰部和底部廣泛分布，負(fù)彎矩分布在與主隧道連接部位頂部。繞Y軸和Z軸彎矩分布特征也較為明顯。變形縫設(shè)置旨在降低隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中水平，設(shè)置位置應(yīng)考慮接口部位受力特性，選擇應(yīng)力較為集中的部位。

2.2.2.2變形縫位置分析

根據(jù)有限元分析結(jié)果，橫通道與主隧道發(fā)生不均勻變形時，橫通道與主隧道連接部位的頂部和底部承受的拉應(yīng)力最大，是隧道結(jié)構(gòu)體系的薄弱部位。變形縫設(shè)置位置應(yīng)考慮頂部和底部的彎矩變化規(guī)律。由彎矩分布可知，頂部和底部彎矩在變形縫設(shè)置在0.4～0.8 m位置時均有降低，兼顧腰部彎矩在0.6～0.8 m位置達(dá)到峰值，推薦錢江隧道橫通道變形縫設(shè)置在距離主隧道邊緣0.6～0.8 m處。

(a) 應(yīng)力分布 (b) 最大壓應(yīng)力分布

(c) 最大拉應(yīng)力 (d) 繞X軸彎矩

(e) 繞Y軸彎矩 (f) 繞Z軸彎矩

圖7不均勻變形橫通道接口應(yīng)力特征

Fig. 7Stress characteristics of cross passage connection point with inhomogeneous deformation

圖8　橫通道接口頂部彎矩分布圖

Fig. 8Bending moment diagram of roof of cross passage connection point

2.2.2.3變形縫容許差異變形確定

基于研究得出的錢江隧道橫通道變形縫最優(yōu)設(shè)置位置結(jié)論，將變形縫設(shè)置于該位置后進(jìn)一步建立數(shù)值分析模型，分析橫通道與主隧道不均勻變形條件下差異變形與隧道最大拉應(yīng)力變化，結(jié)果如圖12所示。

圖9　橫通道接口腰部彎矩分布圖

Fig. 9Bending moment diagram of waist of cross passage connection point

圖10　橫通道接口底部彎矩分布圖

Fig. 10Bending moment diagram of bottom of cross passage connection point

圖11　橫通道接口合彎矩分布圖

Fig. 11Bending moment diagram of connection point of cross passage

圖12　變形縫差異變形與隧道最大拉應(yīng)力

Fig. 12Differential deformation of deformation joint and maximum tensile stress of tunnel

由圖12可知，當(dāng)橫通道差異變形小于5 cm時，隨著變形量增大，隧道結(jié)構(gòu)承受的最大拉應(yīng)力基本保持不變； 當(dāng)差異變形大于5 cm時，隧道結(jié)構(gòu)承受的最大拉應(yīng)力呈線性增長。參考混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，為安全起見，推薦錢江隧道橫通道變形縫容許差異變形不宜小于5 cm。

3　錢江隧道橫通道抗震縫力學(xué)行為分析

抗震縫是解決橫通道與主隧道接口因地震影響而引起應(yīng)力集中問題的一種常見措施，而抗震縫設(shè)置的有效性與設(shè)置位置有較大關(guān)系?；谌S的地震影響分析，尋找最佳的設(shè)置位置和允許變形量，是抗震縫優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。

3.1　錢江隧道三維地震響應(yīng)分析模型

3.1.1數(shù)值計(jì)算模型

采用土層-結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)錢江隧道工程和錢江橫通道工程設(shè)計(jì)資料，建立土層及結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，如圖13和圖14所示。

圖13　整體模型

圖14　隧道結(jié)構(gòu)單元

3.1.2地震波

分析采用的地震波為根據(jù)錢江場地特征進(jìn)行合成的人工地震波。錢江場地100年超越概念為3%的地震參數(shù)，取Am為0.105g，βm為2.25，T1為0.1 s，T2為0.8 s。結(jié)合抗震設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜，對場地進(jìn)行人工地震波的反應(yīng)譜合成，得到場地加速度實(shí)程曲線，如圖15所示。

圖15　錢江場地人工地震波

3.2　橫通道抗震縫設(shè)置優(yōu)化分析

3.2.1優(yōu)化分析工況

分別取抗震縫距主隧道襯砌外側(cè)0.5 m、1.5 m、2.5 m和3.5 m 4種位置進(jìn)行地震響應(yīng)分析，如圖16—19所示。

3.2.2內(nèi)力計(jì)算結(jié)果及分析

對有限元模擬分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理，可得不同抗震縫設(shè)置位置下橫通道的彎矩包絡(luò)圖，如圖20—23所示。

對4種工況的橫通道彎矩包絡(luò)圖比較分析可知，抗震縫距離主隧道越近，橫通道的端部彎矩越小，中部彎矩越大。

當(dāng)抗震縫位置距離鄰近主隧道襯砌外側(cè)的距離小于1.5 m時，控制彎矩為橫通道中部彎矩； 當(dāng)抗震縫位置距離鄰近主隧道襯砌外側(cè)的距離大于1.5 m時，控制彎矩為橫通道端部彎矩。

基于“調(diào)平”設(shè)計(jì)的原理，橫通道抗震縫的位置以距離相鄰主隧道1.5 m為宜。

圖16　工況1(距主襯砌外側(cè)0.5 m)

圖17　工況2(距主襯砌外側(cè)1.5 m)

圖18　工況3(距主襯砌外側(cè)2.5 m)

圖19　工況4(距主襯砌外側(cè)3.5 m)

圖20　工況1橫通道彎矩包絡(luò)圖(單位： kN·m)

Fig. 20Envelope diagram of bending moment of cross passage in construction condition 1 (unit: kN·m)

圖21　工況2橫通道彎矩包絡(luò)圖(單位： kN·m)

Fig. 21Envelope diagram of bending moment of cross passage in construction condition 2 (unit: kN·m)

圖22　工況3橫通道彎矩包絡(luò)圖(單位： kN·m)

Fig. 22Envelope diagram of bending moment of cross passage in construction condition 3 (unit: kN·m)

3.2.3相對位移計(jì)算結(jié)果及分析

對上述橫通道抗震縫兩側(cè)節(jié)點(diǎn)的相對位移結(jié)果進(jìn)行整理分析，可得圖24—27所示的結(jié)果。

由圖24—27所示相對位移時程曲線可以看出，抗震縫距離相鄰主隧道越近，在地震作用下兩側(cè)節(jié)點(diǎn)的相對位移值越大，工況1時(距隧道襯砌外0.5 m)，相對位移極值約為10 cm； 工況2時(距隧道襯砌外 1.5 m)，相對位移極值約為 5.5 cm。

圖23　工況4橫通道彎矩包絡(luò)圖(單位： kN·m)

Fig. 23Envelope diagram of bending moment of cross passage in construction condition 4 (unit: kN·m)

圖24　工況1抗震縫兩側(cè)相對位移

Fig. 24Relative displacement of seismic joint ends in construction condition 1

圖25　工況2抗震縫兩側(cè)相對位移

Fig. 25Relative displacement of seismic joint ends in construction condition 2

圖26　工況3抗震縫兩側(cè)相對位移

Fig. 26Relative displacement of seismic joint ends in construction condition 3

圖27　工況4抗震縫兩側(cè)相對位移

Fig. 27Relative displacement of seismic joint ends in construction condition 4

4　錢江隧道橫通道變形縫最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)確定

根據(jù)橫通道不均勻變形及抗震縫力學(xué)行為分析結(jié)果，針對錢江隧道的工程特點(diǎn)，當(dāng)考慮不均勻沉降設(shè)縫時，橫通道變形縫的最佳設(shè)置位置為距離主隧道邊緣0.6～0.8 m處，橫通道變形縫容許差異變形不宜小于5 cm； 當(dāng)考慮抗震性要求時，變形縫的最佳設(shè)置位置為距離相鄰主隧道邊緣1.5 m，變形縫容許差異變形不宜小于5.5 cm。

綜合2方面的計(jì)算結(jié)果，確定錢江隧道橫通道變形縫最佳設(shè)置方案為： 距離相鄰主隧道邊緣1.2 m，變形縫容許差異變形不宜小于6 cm。

5　結(jié)論與討論

1)從隧道結(jié)構(gòu)受力和抗震性角度分析，大直徑越江隧道設(shè)置橫通道對隧道結(jié)構(gòu)安全是不利的，應(yīng)分別從不均勻變形和抗震性角度對主隧道與橫通道間的變形縫進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而降低風(fēng)險(xiǎn)，確保隧道結(jié)構(gòu)安全。

2)針對錢江隧道特殊的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特點(diǎn)，根據(jù)不均勻變形的影響因素，提出橫通道與主隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生的不均勻變形歸結(jié)為4種模式： 主隧道單線按Peck曲線上浮、主隧道發(fā)生扭轉(zhuǎn)、橫通道按Peck曲線上浮和橫通道扭轉(zhuǎn)。

3)根據(jù)不均勻變形有限元分析結(jié)果，確定錢江隧道橫通道不均勻變形縫的最佳設(shè)置方案為： 距離主隧道邊緣0.6～0.8 m，橫通道變形縫容許差異變形不宜小于5 cm。

4)根據(jù)地震影響分析有限元分析結(jié)果，確定錢江隧道橫通道抗震縫的最佳設(shè)置方案為： 距離相鄰主隧道邊緣1.5 m，變形縫容許差異變形不宜小于5.5 cm。

5)綜合不均勻變形和抗震性2方面的分析，確定錢江隧道橫通道變形縫的設(shè)置方案為： 距離相鄰主隧道邊緣1.2 m，變形縫容許差異變形不宜小于6 cm。

6)主隧道通過喇叭口與二次襯砌直接連接，本文研究由于采用荷載-結(jié)構(gòu)法進(jìn)行分析，因此，未能考慮初期支護(hù)對變形縫設(shè)置的影響，而對于不均勻變形及地震作用對橫通道的影響，初期支護(hù)起到有效保護(hù)作用，后續(xù)研究將進(jìn)一步探究此問題，完善本文研究結(jié)果。