堰筑隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)探討

孫統(tǒng)立,方忠強(qiáng)

(華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司,南京 210014;水下隧道智能設(shè)計(jì)、建造與養(yǎng)護(hù)技術(shù)與裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心,南京 210014)

水下隧道與橋梁相比,具有抵抗惡劣氣候條件能力強(qiáng)、對水域景觀影響小以及不干擾航道等特點(diǎn)。近年來隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的發(fā)展,跨江越海隧道工程日益增多,水下隧道得到廣泛應(yīng)用[1-2]。

水下隧道工法通常包含堰筑法、鉆爆法、盾構(gòu)法以及沉管法。安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的工法須根據(jù)水文地質(zhì)條件、功能需求以及環(huán)保要求等選用,以謀求更大經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境和社會效益[3]。堰筑法因其適用于淺水域、埋深小、對周邊環(huán)境影響小、土地使用矛盾小、施工簡單快捷且經(jīng)濟(jì)安全等特點(diǎn)多被選用。

國內(nèi)對堰筑隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析的文獻(xiàn)較少,王樹英等[4]結(jié)合合肥方興湖隧道,采用現(xiàn)場監(jiān)測法研究結(jié)構(gòu)受力隨施工工序的變化情況。金豐年等[5]依托南京玄武湖隧道選取典型截面進(jìn)行人防動力計(jì)算分析。王霆等[6]對蘇州獨(dú)墅湖隧道進(jìn)行現(xiàn)場測試與有限元分析,通過實(shí)測值與理論值比較,分析結(jié)構(gòu)可能存在滲漏等薄弱環(huán)節(jié)。

堰筑隧道施工工藝雖然相對簡單,但水下隧道施工風(fēng)險大且工序繁雜,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中仍存在研究難題,尤其是近年來堰筑隧道工程受各種環(huán)境條件制約,不斷朝著大埋深、大跨度和長距離的方向發(fā)展,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題突出。

研究結(jié)合堰筑隧道工程案例,對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析,提出“折板拱+仰拱”的組合斷面形式。以某堰筑隧道工程為例,結(jié)合計(jì)算進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)斷面形式比選,為類似隧道斷面設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程特點(diǎn)及案例

堰筑隧道適用于水深較小的內(nèi)陸湖泊或內(nèi)海,修筑圍堰后采用明挖法修建隧道。其工程特點(diǎn)主要為:①所穿越水域通常為環(huán)境敏感區(qū),環(huán)保要求高;②隧道位于軟土地層,水文地質(zhì)條件復(fù)雜;③隧道規(guī)模大,防災(zāi)救援要求高;④隧道通常下穿防洪堤和航道等,具有高水頭、大埋深等特點(diǎn);⑤圍堰施工分期須結(jié)合環(huán)評、洪評、供水、航運(yùn)等要求綜合確定;⑥應(yīng)考慮隧道運(yùn)營對洞口環(huán)境影響;⑦隧道運(yùn)營須設(shè)置安全保護(hù)區(qū)和特別禁錨區(qū)。

國內(nèi)已建堰筑隧道案例及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[3-7]如表1所示。

表1 國內(nèi)已建堰筑隧道案例及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

根據(jù)案例分析,堰筑隧道結(jié)構(gòu)斷面通常采用框架結(jié)構(gòu)或兩孔一管廊斷面。隧道結(jié)構(gòu)頂板常采用矩形平板結(jié)構(gòu)或折板拱結(jié)構(gòu),以矩形平板結(jié)構(gòu)居多,“折板拱+仰拱”的組合斷面形式尚無應(yīng)用。對于大跨度、大埋深隧道斷面,折板拱結(jié)構(gòu)頂板厚度小于平板厚度,可考慮采用該結(jié)構(gòu)形式。

2 隧道結(jié)構(gòu)斷面形式比選

2.1 減小堰筑隧道埋深的措施

堰筑隧道總體布置應(yīng)根據(jù)工程影響區(qū)域的交通、航道、岸線、防洪和城市規(guī)劃等方面要求確定,對工程籌劃、平縱面布置、橫斷面布置、洞口位置、兩端接線以及運(yùn)營管理設(shè)施等進(jìn)行綜合分析[8]。

合理的隧道縱斷面設(shè)計(jì)是減小隧道埋深的有效措施。隧道縱斷面設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮規(guī)劃航道、河床沖淤、結(jié)構(gòu)抗浮及沉船、拋錨等要求,并結(jié)合河床地形和地質(zhì)條件最終確定。一般情況下,隧道頂部覆土厚度為1～2 m。隧道縱斷面通常設(shè)計(jì)為U 形、V 形或W 形,長大隧道有條件時優(yōu)先選用W 形縱坡,該形式對減小隧道結(jié)構(gòu)埋深作用明顯。

2.2 隧道結(jié)構(gòu)斷面形式

對于高水頭深埋大跨隧道,其斷面結(jié)構(gòu)通常有以下幾種形式。

2.2.1 平板結(jié)構(gòu)

通過增加板厚以抵抗結(jié)構(gòu)跨度,結(jié)構(gòu)彎矩非常大,頂、底板厚度達(dá)到或超過1.8 m 且配筋較大[5-6]。大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力及裂縫控制十分嚴(yán)格,須從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等層面綜合考慮,平板結(jié)構(gòu)斷面形式如圖1 所示。

2.2.2 折板拱結(jié)構(gòu)

對于高水頭深埋大跨隧道結(jié)構(gòu),提出“折板拱+仰拱”的組合斷面形式。頂板采用折板拱結(jié)構(gòu),既可減少頂板覆土,又可減小結(jié)構(gòu)計(jì)算跨度。根據(jù)隧道覆土厚度不同,結(jié)構(gòu)縱向可分段采用不同的起拱高度。受結(jié)構(gòu)跨度及地下水壓力影響,隧道結(jié)構(gòu)底板通常成為受力的控制截面,可考慮采用暗挖隧道的仰拱形式,以減少結(jié)構(gòu)內(nèi)力及板厚,深埋大跨結(jié)構(gòu)斷面形式如圖2 所示。

2.2.3 型鋼密肋梁結(jié)構(gòu)

為減少頂、底板的截面尺寸,節(jié)約鋼筋混凝土用量,可采用梁板結(jié)構(gòu)形式。為提高結(jié)構(gòu)剛度、減小截面尺寸,可采用型鋼組合梁形式。如蘇州火車站北廣場地下一層中央通道凈跨達(dá)25.2 m,即采用型鋼密肋梁結(jié)構(gòu)形式[9]。

2.2.4 預(yù)應(yīng)力密肋梁結(jié)構(gòu)

由于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)施工工藝復(fù)雜、施工要求高、設(shè)計(jì)計(jì)算煩瑣且地下結(jié)構(gòu)較難滿足預(yù)應(yīng)力張拉工藝的施工要求,因此地下結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力的案例較少。

北京地鐵亦莊線宋家莊站至肖村橋站明挖區(qū)間結(jié)構(gòu)凈寬為15 m,采用預(yù)應(yīng)力密排框架箱形結(jié)構(gòu)和內(nèi)張拉預(yù)應(yīng)力技術(shù)[10]。

深埋大跨結(jié)構(gòu)處理方案比較如表2 所示。

表2 深埋大跨結(jié)構(gòu)處理方案比較

平板結(jié)構(gòu)施工便捷,但對深埋大跨隧道存在結(jié)構(gòu)尺寸大、大體積混凝土澆筑困難、易產(chǎn)生溫度裂縫以及經(jīng)濟(jì)效益差等問題。折板拱結(jié)構(gòu)受力較好、施工方便。型鋼密肋梁及預(yù)應(yīng)力密肋梁結(jié)構(gòu)承載能力強(qiáng)但施工工藝較復(fù)雜。隧道結(jié)構(gòu)斷面形式的比選應(yīng)根據(jù)建設(shè)條件、受力要求以及經(jīng)濟(jì)性等綜合分析確定。

3 工程應(yīng)用

某堰筑隧道穿越廈門南港海海域,隧道全長2 060 m,隧道內(nèi)為雙向八車道城市快速路。路線采用V 形坡,航道段隧道頂部覆土厚度控制在2 m,非航道段控制在1 m,以滿足沉船、拋錨等不利因素的影響。

該隧道工程特點(diǎn)[11]為:①結(jié)構(gòu)跨度大,隧道主線凈跨為16.3 m,主匝道分合流處凈跨為25 m,為當(dāng)時最大跨度水下隧道;②承受荷載大,隧道下穿南港海海域,受規(guī)劃航道-6.0 m 標(biāo)高控制,隧道埋深較大,作用在隧道頂板上的最大水頭達(dá)13.4 m,隧道在兩端下穿防洪大堤處覆土厚度達(dá)9.6 m;③大體積混凝土澆筑,隧道主體結(jié)構(gòu)最大板厚達(dá)1.8 m,屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu),溫控防裂問題突出。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)及對策為:

(1) 針對高水頭深埋大跨隧道結(jié)構(gòu),提出主匝道分合流處頂、底板采用“折板拱+仰拱”的組合斷面形式。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)斷面形式,有效減小結(jié)構(gòu)斷面尺寸,降低工程造價及施工難度。

結(jié)構(gòu)計(jì)算采用荷載-結(jié)構(gòu)模型,結(jié)構(gòu)板墻采用梁單元,地層與結(jié)構(gòu)作用采用土彈簧模擬。采用平板結(jié)構(gòu)及折板拱結(jié)構(gòu)的計(jì)算軸力和彎矩圖,平板結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果如圖3 所示、折板拱結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果圖4所示。平板結(jié)構(gòu)與折板拱結(jié)構(gòu)內(nèi)力對比如表3所示。

表3 平板結(jié)構(gòu)與折板拱結(jié)構(gòu)內(nèi)力對比

平板結(jié)構(gòu)內(nèi)凈空高度為6 m,折板拱結(jié)構(gòu)為9.5 m,折板拱與平板頂板跨中最大彎矩比為0.52,折板拱與平板頂板跨中軸力比為1.4,折板拱與平板混凝土體積比為0.63。如通過加大隧道截面尺寸來承擔(dān)荷載,頂?shù)装搴穸葘⑦_(dá)3 m 且配筋較大。采用“折板拱+仰拱”的組合斷面形式,頂、底板和側(cè)墻厚度約為1.8 m,可滿足強(qiáng)度及裂縫寬度要求。

平板結(jié)構(gòu)易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)板厚急劇增加,大體積混凝土施工難度大、造價高,考慮凈空要求、結(jié)構(gòu)受力、施工便捷性以及工程投資等因素,應(yīng)優(yōu)先采用折板拱結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)時根據(jù)隧道頂部覆土厚度不同,可設(shè)置不同的起拱高度,分別采用淺拱、中拱和深拱斷面。

須特別注意的是,側(cè)墻起拱處內(nèi)力值會有所增大,該處結(jié)構(gòu)截面應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng)處理并核算是否滿足抗剪要求。

(2) 針對大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫控防裂問題,主要從控制水化升溫、延緩降溫速度、減少混凝土收縮、提高混凝土的極限拉伸強(qiáng)度、改善約束條件和設(shè)計(jì)構(gòu)造等方面采取措施[11],比如摻入混凝土外加劑、設(shè)置施工縫或變形縫、預(yù)埋循環(huán)冷卻水管等措施。

4 結(jié)論

堰筑隧道適用于淺水域、淺覆土地層,因其施工便捷且經(jīng)濟(jì)安全而被優(yōu)先選用。

(1) 根據(jù)計(jì)算結(jié)果,“折板拱+仰拱”組合斷面形式與矩形平板結(jié)構(gòu)相比,能有效減小結(jié)構(gòu)板厚,節(jié)約工程造價,在深埋大跨隧道結(jié)構(gòu)中具有一定優(yōu)勢。設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮總體布置、結(jié)構(gòu)受力、施工便捷性以及工程投資等因素,確定合理的隧道結(jié)構(gòu)斷面形式。

(2) 當(dāng)結(jié)構(gòu)覆土厚度h≤2 m 時,通?？刹捎闷桨褰Y(jié)構(gòu)以減小路線埋深,節(jié)約工程造價;當(dāng)頂板覆土厚度h>2 m 時,根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要,頂板可采用折板拱結(jié)構(gòu)或空箱結(jié)構(gòu)。在主匝道分合流處,當(dāng)?shù)装迨芸缍燃八畨毫τ绊懗蔀榻Y(jié)構(gòu)內(nèi)力控制斷面時,可考慮采用“折板拱+仰拱”的組合斷面形式。

(3) 該新型組合斷面形式較復(fù)雜,尚存進(jìn)一步優(yōu)化空間,存在如底板采用仰拱形式、仰拱曲率施工難以控制、底部抗拔樁與仰拱連接施工難度大、折板拱頂部存在凹槽對結(jié)構(gòu)防水不利等問題。