三車道公路超大斷面越江盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

三車道公路超大斷面越江盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

0實(shí)際的隧道方案為了解決中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展問題，修建了一條橫跨河流和其他城市的橋梁。由于高架橋?qū)Τ鞘协h(huán)境的影響比較大,跨江、河大橋?qū)降酪灿幸欢ǖ挠绊?故將部分主干道交通轉(zhuǎn)為地下已成為目前的發(fā)展趨勢,現(xiàn)已建的公路隧道有武漢長江公路隧道、上海翔殷路和大連路越江公路隧道等。同時(shí),在主要江、河上修建隧道(包括鐵路和公路),還可以解決戰(zhàn)爭中的防空問題,如果因戰(zhàn)爭損壞了橋梁,則可通過隧道連接兩岸的交通,從而保證人員、物資上的供應(yīng)。在建的越江盾構(gòu)隧道都是雙車道,但規(guī)劃中的三車道隧道很多,如南京長江公路隧道和崇明越江公路隧道。因盾構(gòu)隧道隨著車道的增加,其圓形斷面也增大,直徑由雙車道的11m擴(kuò)大到三車道的16m左右,其面積增加了1倍多,故隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)需要重新開發(fā)設(shè)計(jì),并進(jìn)行力學(xué)分析,以便確定合理的設(shè)計(jì)方案。本文中筆者對某公路跨江工程中的隧道方案進(jìn)行了研究。首先設(shè)計(jì)管片結(jié)構(gòu),包括內(nèi)凈空的確定、隧道襯砌結(jié)構(gòu)形式與管片厚度選擇、管片分塊和幅寬以及拼裝方式的設(shè)計(jì)等,最后進(jìn)行管片結(jié)構(gòu)力學(xué)分析。1床穩(wěn)定線以下的亞黏土層該越江隧道長9850m,其中盾構(gòu)段長8815m,明挖段長1035m。隧道位于直線段上,采用雙管盾構(gòu)隧道,2個隧道中心線間距離為40m,每個隧道內(nèi)布置3個車道,共雙向六車道,設(shè)計(jì)行車速度為100km·h-1,最小豎曲線半徑為25km,最大縱坡坡度為2.9%。從隧道安全性角度考慮,將水下部分均置于河床穩(wěn)定線以下的亞黏土層上,最低位置在江中通風(fēng)豎井處(標(biāo)高-43.02m),最大外水壓高度約為50m?？紤]抗浮和始發(fā)井施工難度及經(jīng)濟(jì)性,隧道在兩岸的埋深為0.5D以上(D為隧道外徑)。采用4臺泥水加壓式盾構(gòu)機(jī)分別從左、右線的兩岸豎井進(jìn)行始發(fā)施工,江中通風(fēng)豎井作為到達(dá)豎井,接收盾構(gòu)機(jī)并進(jìn)行分解和起吊。北端始發(fā)井位置為K43+650m,標(biāo)高-21.95m;南端始發(fā)井位置為K52+465m,標(biāo)高-17.31m。在兩岸左、右兩邊對稱布置2個獨(dú)立的始發(fā)井,單個始發(fā)井凈空幾何尺寸為45m×22m(長×寬),兩豎井中心距為40m。江中到達(dá)豎井(兼作通風(fēng)豎井)采用圍堰筑島法施工,人工島為船型,長為175.56m(水流方向),寬為84.00m,四周為雙層鋼板樁帶V型拉桿,鋼板樁間距為6m。豎井橫斷面尺寸為60m×44m(長×寬),兩端為圓弧,弧高8.4m,豎井中間分成10m×10m的網(wǎng)格。江中豎井內(nèi)設(shè)置臨時(shí)停車場和電梯,在江中島上設(shè)置觀光平臺,游客可通過豎井或江面到島上觀光,同時(shí)可從江面通過豎井進(jìn)入隧道進(jìn)行救援工作。2結(jié)構(gòu)及隧道擴(kuò)建2.1通行限界寬度根據(jù)公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范,路緣帶寬度為0.50m,余寬為0.50m,檢修道寬度為0.75m,通行限界寬度為14.00m,檢修道凈高為2.50m,行車道凈高為5.00m。考慮附屬設(shè)施所需要的空間以及建筑裝修和調(diào)整施工誤差所需要的空間,在設(shè)備通行限界外側(cè)預(yù)留10cm,由此得出盾構(gòu)隧道的內(nèi)凈空直徑為14.74m。盾構(gòu)隧道橫斷面布置如圖1所示。2.2雙層管片結(jié)構(gòu)的應(yīng)用在盾構(gòu)隧道中,襯砌結(jié)構(gòu)有單層和雙層2種。單層襯砌采用管片結(jié)構(gòu),而雙層襯砌指在管片內(nèi)側(cè)再模筑混凝土。在大斷面公路盾構(gòu)隧道中,有采用單層襯砌的、也有采用雙層襯砌的。如德國易北河第4座公路隧道,采用單層襯砌結(jié)構(gòu),管片內(nèi)徑為12.35m,厚度為70cm;日本東京灣橫斷公路隧道,采用雙層襯砌結(jié)構(gòu),管片內(nèi)徑為12.6m,厚度為65cm,內(nèi)側(cè)現(xiàn)澆35cm厚的二次襯砌。不設(shè)置二次襯砌是目前國際上的趨勢,中國上海、北京、廣州和南京等地直徑為6～11m的地鐵、市政及公路隧道中,基本上采用的都是單層管片結(jié)構(gòu),在這方面積累了較豐富的經(jīng)驗(yàn)。參考各國類似工程的設(shè)計(jì),確定采用厚度為70cm的C60鋼筋混凝土平板型管片,其外徑為16.14m,為超大斷面盾構(gòu)隧道。2.3管片的結(jié)構(gòu)布置由于隧道外徑為16.14m,故將管片設(shè)計(jì)為3種(K塊、B塊、A塊)共12塊,其組成為1個K塊(8°)加2個B塊(32°)加9個A塊(32°),其中K塊為封頂塊,B塊為鄰接塊,A塊為標(biāo)準(zhǔn)塊。管片結(jié)構(gòu)布置見圖2。在一環(huán)內(nèi)縱向采用8.8級M50型螺栓45個,等圓心角布置;在另一環(huán)內(nèi)環(huán)向共布設(shè)8.8級M36型螺栓72個,具體布置為在每個接縫處的厚度方向和幅寬方向各布置2排、靠近中心線處布置1個、靠近內(nèi)側(cè)布置2個,每個接縫處共6個螺栓,這樣12塊管片共12個接縫,共布置72個環(huán)向螺栓。接頭設(shè)計(jì)成插銷式直螺栓,其構(gòu)造見圖3。2.4幅寬的選擇隨著盾構(gòu)機(jī)管片拼裝機(jī)械手裝配能力的提高,管片的幅寬越來越大,常用幅寬有1.0、1.2、1.5、2.0m等。考慮到本工程的實(shí)際情況,從工程造價(jià)、工期和防水等方面進(jìn)行比較分析,并參考目前盾構(gòu)機(jī)的實(shí)際裝備能力,最終確定管片的幅寬為2.0m。2.5管片的通縫和錯縫拼裝盾構(gòu)隧道管片有通縫和錯縫2種拼裝方式。通縫管片結(jié)構(gòu)整體剛度較小,導(dǎo)致變形較大,內(nèi)力較小。錯縫管片結(jié)構(gòu)整體剛度較大,導(dǎo)致變形較小,內(nèi)力較大,同時(shí)要求縱向螺栓的布置能夠進(jìn)行一定角度的錯縫拼裝,故對管片的分塊設(shè)計(jì)要求比通縫要高。對于本文中設(shè)計(jì)的管片可以同時(shí)進(jìn)行通縫和錯縫拼裝。通縫拼裝時(shí),K塊在拱頂正上方。錯縫拼裝時(shí),按每兩環(huán)為一組進(jìn)行錯縫拼裝,第1環(huán)的封頂塊(K塊)在拱頂正上方,第2環(huán)的封頂塊(K塊)從拱頂正上方左偏或右偏8°,其展開后如圖4所示。K塊的拼裝方式采用軸向插入型,其軸向插入角度設(shè)計(jì)為10°。拼裝時(shí)K塊沿縱向先搭接2/3后徑向推入,然后再縱向插入到位。3管片與圍巖間的相互作用盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模式包括模擬管片結(jié)構(gòu)的模式、作用在管片結(jié)構(gòu)上的荷載模式以及管片結(jié)構(gòu)與圍巖間的相互作用模式。中國在盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)計(jì)算中,常采用勻質(zhì)圓環(huán)來模擬管片結(jié)構(gòu),用抗力的形式來模擬管片與圍巖間的相互作用,這與日本的慣用法類似。筆者采用梁-彈簧模型模擬管片結(jié)構(gòu),通過彈簧來模擬管片與圍巖間的相互作用,作用在管片上的荷載采用荷載-結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行計(jì)算。3.1襯砌接頭內(nèi)環(huán)間傳力的影響管片結(jié)構(gòu)采用梁-彈簧模型模擬,該模型直接考慮環(huán)向和縱向接頭的影響,用曲梁單元模擬管片,用接頭抗彎剛度Kθ、抗壓剛度Kn和抗剪剛度Ks來模擬環(huán)向接頭的實(shí)際力學(xué)行為。因環(huán)間接頭(縱向接頭)將引起襯砌圓環(huán)間的相互咬合作用,故除考慮計(jì)算對象的襯砌圓環(huán)(第2環(huán))外,將對其有影響的前、后1/2環(huán)也作為研究對象,采用空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算,并用螺栓的徑向抗剪剛度Kr和切向抗剪剛度Kt來體現(xiàn)縱向接頭的環(huán)間傳力效果,同時(shí)約束前、后1/2環(huán)管片在其縱向上的位移(第1環(huán)和第3環(huán)的中線在縱向沒有位移,類似于平面應(yīng)變問題)。梁-彈簧模型在日本用得較多,見圖5,圖5中,EI為管片抗彎剛度。3.2上覆土豎向壓力盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)與地層間的相互作用模型采用荷載-結(jié)構(gòu)模式,見圖6。圖6中Wg為管片自重,P0為地面超載,W1為上覆土豎向壓力,W2為隧道底部反力,q1和q2為側(cè)向水土壓力,H為埋深,D為盾構(gòu)隧道外徑,Kndc和Ktdc分別為地層法向和切向地基抗力系數(shù)。荷載-結(jié)構(gòu)模型假設(shè)襯砌圓環(huán)與周圍土體間的相互作用通過設(shè)置在襯砌圓環(huán)全周只能受壓的徑向彈簧單元和切向彈簧單元來體現(xiàn),這些單元受拉時(shí)將自動脫離,彈簧單元的剛度由襯砌周圍土體的地基抗力系數(shù)決定。4對管架結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析4.1埋深斷面分析根據(jù)埋深條件、地層的土質(zhì)、地下水及管片的特征等,參照地質(zhì)勘察報(bào)告,選取可能出現(xiàn)最不利受力情況的最大埋深斷面進(jìn)行計(jì)算分析,計(jì)算斷面的主要地層特征及其力學(xué)參數(shù)見表1。考慮到本文中計(jì)算分析的盾構(gòu)隧道主要穿過亞黏土層,以最不利荷載情況考慮,選擇最大埋深為42.0m的位置作為計(jì)算斷面,將全部水柱和土柱荷載直接作用到隧道結(jié)構(gòu)上,且按水土合算進(jìn)行計(jì)算分析。4.2抗彎剛度和抗剪剛度由于管片間的連接螺栓采用直螺栓,參照相關(guān)的試驗(yàn)研究成果,管片環(huán)向接頭正彎曲(管片內(nèi)側(cè)受拉)抗彎剛度K+θ取為8×108N·m·rad-1,負(fù)彎曲(管片外側(cè)受拉)抗彎剛度K-θ取為5×108N·m·rad-1,軸向抗壓剛度Kn取為8.3×107N·m-1,抗剪剛度Ks取為5.7×107N·m-1;環(huán)間接頭螺栓徑向抗剪剛度Kr和切向抗剪剛度Kt均取為2.4×108N·m-1。Kndcdcn取為28MN·m-3,Ktdcdct取為15MN·m-3。4.3管片的變形控制值筆者進(jìn)行了不同拼裝方式條件下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形分析,各計(jì)算組的隧道管片襯砌環(huán)的最大截面內(nèi)力及變形計(jì)算結(jié)果見表2。表2中的數(shù)值均為一環(huán)襯砌內(nèi)(幅寬為2m)的實(shí)際計(jì)算結(jié)果;正彎矩代表隧道內(nèi)側(cè)受拉,負(fù)彎矩代表隧道外側(cè)受拉;軸力以受壓為正;δmax為管片結(jié)構(gòu)的最大變形量,Mmax為最大的正彎矩,Mmin為最大的負(fù)彎矩,N1、N2分別為最大正、負(fù)彎矩對應(yīng)的軸力。N3組的內(nèi)力和變形計(jì)算結(jié)果見圖7。由表2和圖7的結(jié)果可以看出:通縫拼裝時(shí),管片結(jié)構(gòu)的變形較大,彎矩最小;錯縫拼裝時(shí),變形較小,彎矩特別大;不同拼裝條件下軸力變化不大;同是錯縫拼裝,隨著K塊的位置不同,其力學(xué)特征也不相同,最大的正彎矩出現(xiàn)在錯縫拼裝的第2環(huán)標(biāo)準(zhǔn)塊上,而最大的負(fù)彎矩出現(xiàn)在第1環(huán)標(biāo)準(zhǔn)塊上。從分析結(jié)果可看出,12塊分割管片結(jié)構(gòu)的受力是合理的。以下針對管片結(jié)構(gòu)的混凝土、縱向和環(huán)向螺栓的強(qiáng)度以及變形進(jìn)行檢算。最大控制變形量為0.0015D,即24.21mm。通縫拼裝的最大變形量為26.15mm,超過了變形的控制值;錯縫拼裝的最大變形量為24.12mm,滿足變形要求。變形過大會引起管片接頭的張開量增大,而該隧道地下水位高,為了提高隧道的防水能力和耐久性等,在實(shí)際施工中不宜采用通縫拼裝。最大正彎矩對應(yīng)的管片混凝土的壓應(yīng)力為23.54MPa,拉應(yīng)力為-10.57MPa;最大負(fù)彎矩對應(yīng)的管片混凝土的壓應(yīng)力為19.48MPa,拉應(yīng)力為-2.96MPa。管片混凝土采用C60混凝土,由規(guī)范可知其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為2.04MPa,抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為27.5MPa;混凝土抗壓強(qiáng)度滿足要求,抗拉強(qiáng)度超過了設(shè)計(jì)值,可通過配置鋼筋來滿足強(qiáng)度要求。而對于C50混凝土,其抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為23.1MPa,小于最大壓應(yīng)力23.54MPa,故不能選用C50混凝土。縱向螺栓最大剪力為315.6kN,8.8級M50型螺栓的抗剪能力為322.47kN,說明M50型螺栓滿足強(qiáng)度要求;環(huán)向螺栓的最大剪力為159.0kN,而8.8級M36型螺栓的抗剪能力為163.36kN,說明M36型螺栓也滿足強(qiáng)度要求。5不同拼裝方式下軸力對比(1)不同的拼裝方式條件下,管片襯砌結(jié)構(gòu)的