不对称截面沉管隧道三维结构分析

胡勇前1，赵鹏辉1，陈 衡2 ，林亚星

(1.佛山市佛山新城开发有限公司,广东 佛山 528316； 2.中交四航局第一工程有限公司，广东 广州 510000；3. 西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031)

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不对称截面沉管隧道三维结构分析

胡勇前1，赵鹏辉1，陈 衡2，林亚星3

(1.佛山市佛山新城开发有限公司,广东 佛山 528316； 2.中交四航局第一工程有限公司，广东 广州 510000；3. 西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031)

佛山市汾江路南延线沉管隧道工程为我国最大公铁合建隧道，不同于大多数沉管隧道，该工程为了同时满足车辆、地铁的通行需要，隧道横断面设计为不对称截面，给设计和施工带来了较大的挑战。针对以上问题，本文对静力作用下的沉管隧道管节进行三维数值模拟分析,分析并比较管节在不同工况下的应力、变形、沉降，探究不对称隧道截面与常规对称隧道截面之间受力性态的差异，得出一些与对称截面沉管隧道不同的结论(不对称隧道管段在横向上产生了不对称的沉降等)，对后续施工和类似工程有一定参考价值。

沉管隧道；三维结构；受力性能；数值模拟

目前我国大部分沉管隧道均为管段截面对称的单通道或双通道截面，相关的科研也多集中于此领域:文献[1-2]针对我国尚无沉管隧道专门设计规范的情况，提出了沉管隧道设计可以借鉴我国水工混凝土结构设计规范及其相应的荷载规范的建议，并对沉管隧道设计计算中需要考虑的作用、作用组合及荷载工况进行了研究。文献[3]应用有限元法，从横向、纵向及局部3方面对沉管隧道进行了静力计算，为沉管隧道的设计提供了一定的依据。上述文献采用传统二维的建模方式由于无法真实、全面地模拟管段的整体受力情况，所以获得的数据有限。文献[4]对甬江隧道进行了静力作用下的三维有限元分析，探究了水位变化、基础脱空和顶部覆土厚度对结构内力的影响。文献[5-7]分别对沉管隧道接头、临时支撑系统、基础处理等局部结构进行了模拟和分析，为对称截面沉管隧道的相关研究提供了很好的借鉴。

佛山市汾江路南延线沉管隧道工程沉管段标准横断面为四孔一管廊断面，是典型的非对称结构断面[8]。上述相关研究对于本工程的指导作用相对较低，相对于传统的对称截面，非对称截面的横断面刚度分布不均匀，受力行为不确定，存在潜在的设计、施工及使用危险；因此，有必要对本工程结构的受力性态进行新的研究。

1 工程概况

佛山市汾江路南延线沉管隧道项目工程位于广东省佛山市南部，是国内第一条建于内河中上游的沉管隧道[8]。工程经路呈南北直向，下穿东平水道的隧道长约1 113 m，其中沉管段全长445 m。沉管隧道由5节矩形钢筋混凝土沉管连接而成，分别编号为E1(115 m)、E2(115 m)、E3(105 m)及E4(110 m)，E4管段分为E4-1和E4-2两段。E3和E4-1管段在干坞内预制场地拉合，并一起沉放；E3+E4-1与E4-2接头段主体结构之间为最终接头水下浇注段(2.5 m)，两端分别与南北岸暗埋隧道相接。管段标准横断面宽39.9 m，高度为9 m,为四孔一管非对称断面，管段断面如图1所示。

图1 沉管隧道横断面(单位：mm)

2 沉管段有限元模型

本文建模研究对象为E2管段，依据相关设计资料和地质勘查报告，E2管段纵向全长110 m，将被沉放在对应的基岩之上，其管身会因水位的差异和回填材料的不同受到来自各个方向的不同压力。为了更好地模拟这一实际情况，管体结构采用实体单元SOLID45进行模拟；表面覆盖一层表面线性单元SURF154，该单元上可以施加任意方向的荷载，以便更好地模拟管段的受力行为；地基对管段的反力采用弹簧单元COMBIN14模拟，配合合理的接头模拟和网格划分，能够较好地模拟接头约束情况和均匀的地基情况。详细建模要点如下：

1) 网格划分。网格划分对于有限元分析至关重要，其主要矛盾在于模型模拟的精细度，结果的精确性及计算速度的有机统一。为保证沉管隧道所处地基模拟的均匀性，管段地层网格离散尺寸为0.3 m,逐渐过渡到中部和上部0.6 m的网格尺寸；同时在转角、隔墙等容易发生应力集中的地方将局部网格加密；纵向离散尺寸为0.6 m，如此划分网格，合理地分配了资源，有效地减少了单元数目。管段局部网格划分有限元模型如图2所示。

图2 局部有限元模型

2)地基模拟。采用COMBIN14模拟弹性地基，该单元为弹簧单元，具有2个节点，无法输入表面荷载或体荷载，只能连接于节点上。由于每一个弹簧单元的弹性模量一定，在模拟地基时，意味着单位区域弹簧越密集，该区域地基整体刚度就越大，地基若产生了相对刚度的差异，对结果的影响巨大；因此，为了保证地基的均匀性，就必须保证地层网格划分的均匀。

3)接头约束模拟。管节间的接头形式是影响沉管段纵向计算的关键因素之一[1]。沉管隧道的接头一般由纵向连接、剪力连接键及GINA止水带3部分组成。本工程的纵向连接形式为使用Ω型钢板连接的柔性接头，用COMBIN14单元模拟该连接。根据文献[1]关于柔性接头刚度的计算方法，其轴向刚度取Ω型钢板的轴向刚度，X方向约束为全约束，Y方向约束为自由。

4)弹簧弹性常数的计算。ANSYS中定义COMBIN14单元轴向弹簧常数单位为“力/长度”，而其模拟的综合地基弹性系数单位为“力/体积”，在输入时需要进行转换，转换公式如下：

(1)

式中:K为输入弹簧单元的弹簧常数，单位为“力/长度”；KV为综合地基弹性系数，单位为“力/体积”；A为考虑的地基承载面积，单位为“面积”；N为地基面积内弹簧单元的个数。

3 沉管段结构荷载及荷载组合

3.1荷载及参数计算

本次模拟考虑的主要荷载有结构自重、顶层防锚层自重、路面铺装层自重、沉船荷载、水压力及土压力。

1)管体自混凝土采用C40混凝土，密度ρ=2 356.21 kg·m-3，弹性模量E=32.5 GPa，泊松比μ=0.2；顶部0.18 m防锚层压力为42.4 kPa，1 m厚C20路面铺装层压力为295 kPa。

2)为了能准确考虑水土荷载的作用，水土荷载采用水土分算原理分别计算管节所受水土压力，其中土压力根据设计回填资料，由郎肯土压力原理分层计算而得，回填断面图如图3所示。

图3 回填断面图

3)根据工程地勘资料和灌砂基础处理资料，E2管节所处基础包括0.6 m厚灌砂基础(加水泥拌合)及下层中风化泥质粉砂岩。本文参考文献[7]沉降计算的假定，考虑不同土层的综合效应，根据温克尔(Winkler)地基模型计算基础的综合地基弹性系数，下层粉砂岩有效厚度考虑1 m，计算公式如下：

(2)

式中：KV为 综合地基弹性系数；Hi为第i层地基厚度；Ei为第i层地基压缩模量；通过计算，取KV=13.7MN/m3。

3.2荷载组合

本文依据现行SL191—2008水工混凝土结构设计规范中章节3.2的要求及5077—1997水工建筑物荷载设计规范中的要求，按承载力极限状态的基本组合及偶然组合，正常使用极限状态的标准组合对荷载进行组合[9-12]。永久作用考虑结构自重、顶层防锚层自重、路面铺装层自重、载土压力及侧向土压力；可变作用考虑高潮位(HWL)、低潮位(LWL)、平均潮位(AWL)及异常高潮位(HHWL)——200年一遇洪水位的水压力；偶然作用考虑抛锚或沉管荷载，东平水道目前按Ⅲ级航道维护，通行1 000t级船队，远期规划为Ⅱ级航道，故沉管荷载按30kN/m2考虑，具体组合及荷载效应组合系数如表1所示。横断面荷载简图如图4所示。

表1 管段荷载组合

图4 横断面荷载简图

4 结果分析

4.1应力分析

1) 计算结果显示，起控制作用的荷载组合为基本组合3)，其最大拉应力(1stPrincipal stress)发生在顶板管线廊道隔墙附近的反弯点，如图5(a)所示。最大压应力(3rdPrincipal stress)发生在靠近一端接头1/5处顶板与侧墙交界处，如图5(b)所示。

(a)最大拉应力断面图

(b)最大压应力位置示意图

最大拉应力值为σ拉mox=5.7 MPa；最大压应力σ压max=-6.01 MPa。规范中受压构件容许应力计算公式为

[σ]=φfcAc。

(3)

式中：φ为混凝土受压构件稳定系数；fc为立方体混凝土轴心抗压强度；Ac为混凝土受压区截面面积；经计算得 [σ]=8 MPa，大于最大压应力实际值，且有一定的强度储备，满足设计要求。

2)通过反复模型调试和分析表明，出现最大拉应力的原因主要是由于管段上部受到了覆盖土压力及水压力的双重作用，理应向下变形，而管线廊道隔墙在此处起了支撑作用，大大增加了该段的局部刚度。管段顶板横向受力形式类似于连续梁受均布荷载，隔墙则相当于连续梁的中间支座，在支座附近自然会产生较大的反弯矩，从而引起拉应力的集中现象，横断面所受弯矩情况如图6所示，与应力云图和分析结果一致。针对这一现象，建议在管段横断面的2道中隔墙上部增加支座负筋，以抵抗其负弯矩。最大压应力处为侧板与顶板交接处，刚度较大，且同时受到顶部及侧面水土压力的双向压力作用，加之相邻管节间的互相挤压使此处应力单元处于三相受力状态，其最大主应力则会产生压应力极大值。

图6 管端横断面弯矩图(单位：kN·m)

3)此外，如图7所示，管线廊道中隔墙处顶板沿整个隧道纵向拉应力都偏大，应沿管节全场配置负筋，防止混凝土受拉开裂；而为地铁通过的单侧不对称开孔廊道，其应力均在合理范围内，未因断面不对称引起特殊的应力变化。

图7 管段应力云图

4.2位移分析

1)计算结果显示管段沉降最大值为42.8 mm，由于工程还在进行中，未获得相关实测资料，现将沉降值与类似参考文献分析作横向比较：文献[13]计算管段最大量沉降为38 mm，文献[7]施工阶段加使用阶段平均总沉降为51.8 mm，考虑到本文各工程接头及地基弹性系数的差异等因素，可认为计算结果是合理的，接头模拟是可行的。

2)管段最大变形47.6 mm位于公路开孔顶板中部，如图8所示。值得注意的是，由于横断面不对称产生的管节两侧不均匀变形现象明显，且由图8可知，结构的地铁廊道一侧变形明显较大，管段地铁开孔廊道端部变形超过45 mm，平均变形也在40 mm左右。这是在其他对称横断面沉管结构所未出现的情况。经分析，产生这一现象的主要原因是由于管段增加的地铁开孔廊道部分增加了改侧的管段自重，而管段下部的灌砂基础存在孔隙，空隙在较大的自重下会被挤压得更加密实，造成更大的沉降量；因此管段在横向上产生了不对称的沉降。此外，地铁开孔廊道的沉降在隔墙处引起了翘曲，导致其相邻侧的公路开孔廊道产生了Y方向较大变形。为了减小这一不均匀变形的影响，建议在管段不对称部分下部加强其灌砂基础的处理，可适当灌入混凝土使地基刚度增大，使其更密实，同时还可以在局部增设支座，来抵消不均匀的沉降，同时可以加强这部分管段的配筋。

图8 管段位移云图

5 结论

通过上述数值模拟计算分析，得出结论如下：

1)沉管隧道顶部在承受水土压力及其他各种荷载时，下方隔墙起到了减小跨长的支撑作用，同时也使得顶板出现受拉的反弯点，其横向受力模型类似于连续梁受均布荷载作用，隔墙上方顶板很容易受到过大拉应力影响，需在此处增加横向配筋，防止混凝土拉裂,采用C40混凝土能很好地满足抗压性能的要求。

2)不对称截面沉管隧道，其非对称部分应力不起控制作用；但整体变形由于不对称作用可能会引起较大变形，甚至起变形控制作用，应采取构造措施抵消这一影响。

3)本文未考虑混凝土收缩及管段内外温差作用，今后可对温度对管段受力性态的影响进行进一步研究。

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(编校：叶超)

ResearchontheThree-DimensionalStructureofImmersedTunnelwithAsymmetricalSection

HU Yong-qian1,ZHAO Peng-hui1,CHEN Heng2,LIN Ya-xing3

(1.Development&ConstructionCompanyLtd.ofFoshanNewCity,Fushan528316China;2.TheFirstEngineeringCompanyofCCCCFourthHarborEngineeringCo.,Ltd,Guangzhou510000China;3.SchoolofCivilEningeeringofSouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031China)

As the biggest road-railway tunnel so far in China, the immersed tunnel at the south extension of Fenjiang Road, Fo’shan City was designed with asymmetrical cross section to meet the demand of travel.This differs it from most of immersed tunnels and brings big challenge to design and construction. This research studied the pipelines of immersed tunnel under static loading based on 3-dimensional numerical stimulation analysis. Some conclusions are reached by comparing the stress states of symmetry-sectional tunnels and asymmetry-sectional tunnels, under different stress, deformation and settlement conditions(Asymmetric tunnel section on lateral produced the asymmetry settlement, etc). This research provides valuable reference for subsequent construction and similar projects.

immersed tunnel; three-dimensional structure; mechanical behavior; numerical stimulation

2015-01-29

胡勇前(1972—)，男，高级工程师，主要研究方向为桥梁与隧道工程项目管理与优化技术。

U455.46

：A

：1673-159X(2015)06-0104-05

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.06.022