錢江隧道橫通道變形縫力學行為分析

徐　永， 廖少明， 李偉平

(1. 常州工程職業技術學院， 江蘇 常州　213164； 2. 同濟大學地下建筑與工程系，上海　200092； 3. 浙江省交通規劃設計研究院， 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。隧道采用盾構法施工，設計外徑為15.43 m，全長4 450 m，江中盾構段長3 245 m。隧址所在區域為錢塘江河口沖海(湖)積平原，隧道穿越地層條件較為復雜，含承壓水、鹽及沼氣，且受潮汐涌潮條件影響。

在工程地質和水文地質如此復雜的條件下進行長大越江盾構隧道的建設，關于橫通道的設置問題一直存在較大爭議。一方面，橫通道作為隧道火災時的逃生通道，對降低隧道運營風險具有重要作用[1-3]； 另一方面，橫通道的設置需打開主隧道結構，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構與施工安全問題，大大增加了風險[4-6]。考慮錢塘江底復雜的地層環境以及大直徑隧道的逃生有利因素，錢江隧道最終未建設聯絡橫通道而采用其他替代通道設置方案實現防災疏散。然而，錢江隧道作為當前代表性的大直徑越江跨海公路隧道，橫通道設置與否以及如何設置，都是值得深入研究、對后續工程具有重要指導意義的問題。

橫通道如何設置的問題，就是討論如何采用有效措施降低橫通道設置的結構和施工風險。橫通道的施工風險屬于短期臨時性風險，可以通過風險管理和相關施工技術手段進行有效控制[7-9]； 而抗震和變形等結構方面的風險，則需研究結構的力學行為規律，從設計參數的優化角度來降低，即通過對橫通道與主隧道連接處變形縫的力學行為分析與設計優化降低。因此，深入研究地震和不均變形對主隧道、橫通道結構的力學行為影響及變形縫的優化設計具有重要意義。目前，對隧道橫通道結構力學行為的研究，主要側重于施工力學行為規律的探究[10-14]，即研究橫通道施工過程中的力學行為規律以及施工控制措施，未能涉及變形縫的力學行為及設計優化研究。對變形縫的研究則主要聚集于滲漏控制技術[15-16]，完全不涉及變形縫的結構力學行為分析。本文基于錢江隧道的工程特點，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行為規律，提出優化設計方法，為其他同類隧道橫通道的變形縫設計問題提供一種問題解決思路和設計參考。

1　錢江隧道橫通道變形縫設置優化分析思路

對于大直徑隧道，橫通道與主隧道的結構形式差異較大，剛度差異也較大。當橫通道距離過長時，應采取可靠的工程技術措施，設置具有一定變形能力的變形縫，如圖1所示。

圖1　聯絡橫通道變形縫位置示意圖(單位： mm)

設置變形縫，主要是為了緩解聯絡橫通道與主隧道連接部位應力集中，防止產生破壞，而連接部位產生的應力集中一般由兩側結構的不均勻變形和地震響應引起。因此，對錢江隧道聯絡橫通道變形縫設置的優化，分別從不均勻變形的影響和地震響應的影響2方面進行分析，研究技術路線如圖2所示。

圖2　研究技術路線

2　錢江隧道橫通道不均勻變形力學行為分析

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和工程地質條件，通過分析認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，同時結合錢江隧道變形的實測結果，將橫通道與主隧道結構發生的不均勻變形歸結為4種模式： 主隧道單線按Peck曲線上浮、主隧道發生扭轉、橫通道按Peck曲線上浮和橫通道扭轉形式，如圖3所示。

(a) 主隧道單線不均勻上浮

(b) 主隧道單線扭轉

(c) 橫通道不均勻上浮

(d) 橫通道扭轉

2.2　不均勻變形縫優化設置有限元分析

2.2.1不均勻變形分析模型

2.2.1.1有限元分析模型

數值模擬采用荷載-結構模型，隧道結構及橫通道均采用殼單元，根據錢江隧道工程和錢江橫通道工程設計資料，建立如圖4所示的三維有限元分析模型； 采用彈性模型，材料參數如表1所示； 隧道外圍建立全周彈簧，彈簧參數如表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

表2　非線性彈簧參數

2.2.1.2荷載確定

有限元分析所采用的荷載根據現場實測數據分析確定，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計算工況

基于2.1節提出的4種不均勻變形模式，運用ABAQUS有限元軟件，對橫通道變形縫設置于距接口部位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行數值模擬分析，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計算結果及分析

2.2.2.1計算結果分析

橫通道與主隧道發生不均勻變形后，橫通道接口部位受力復雜，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力分布于橫通道與主隧道連接部位的腰部，最大拉應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系較為明顯，繞X軸正彎矩在接口腰部和底部廣泛分布，負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。變形縫設置旨在降低隧道結構應力集中水平，設置位置應考慮接口部位受力特性，選擇應力較為集中的部位。

2.2.2.2變形縫位置分析

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

(a) 應力分布 (b) 最大壓應力分布

(c) 最大拉應力 (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設置位置結論，將變形縫設置于該位置后進一步建立數值分析模型，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力變化，結果如圖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力

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

由圖12可知，當橫通道差異變形小于5 cm時，隨著變形量增大，隧道結構承受的最大拉應力基本保持不變； 當差異變形大于5 cm時，隧道結構承受的最大拉應力呈線性增長。參考混凝土的極限抗拉強度，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力集中問題的一種常見措施，而抗震縫設置的有效性與設置位置有較大關系。基于三維的地震影響分析，尋找最佳的設置位置和允許變形量，是抗震縫優化設計的主要內容。

3.1　錢江隧道三維地震響應分析模型

3.1.1數值計算模型

采用土層-結構模型，根據錢江隧道工程和錢江橫通道工程設計資料，建立土層及結構的有限元分析模型，如圖13和圖14所示。

圖13　整體模型

圖14　隧道結構單元

3.1.2地震波

分析采用的地震波為根據錢江場地特征進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，取Am為0.105g，βm為2.25，T1為0.1 s，T2為0.8 s。結合抗震設計規范標準反應譜，對場地進行人工地震波的反應譜合成，得到場地加速度實程曲線，如圖15所示。

圖15　錢江場地人工地震波

3.2　橫通道抗震縫設置優化分析

3.2.1優化分析工況

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

3.2.2內力計算結果及分析

對有限元模擬分析計算結果進行整理，可得不同抗震縫設置位置下橫通道的彎矩包絡圖，如圖20—23所示。

對4種工況的橫通道彎矩包絡圖比較分析可知，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。

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

基于“調平”設計的原理，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0.5 m)

圖17　工況2(距主襯砌外側1.5 m)

圖18　工況3(距主襯砌外側2.5 m)

圖19　工況4(距主襯砌外側3.5 m)

圖20　工況1橫通道彎矩包絡圖(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相對位移計算結果及分析

對上述橫通道抗震縫兩側節點的相對位移結果進行整理分析，可得圖24—27所示的結果。

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，在地震作用下兩側節點的相對位移值越大，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設計參數確定

根據橫通道不均勻變形及抗震縫力學行為分析結果，針對錢江隧道的工程特點，當考慮不均勻沉降設縫時，橫通道變形縫的最佳設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； 當考慮抗震性要求時，變形縫的最佳設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方面的計算結果，確定錢江隧道橫通道變形縫最佳設置方案為： 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　結論與討論

1)從隧道結構受力和抗震性角度分析，大直徑越江隧道設置橫通道對隧道結構安全是不利的，應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行優化設計，從而降低風險，確保隧道結構安全。

2)針對錢江隧道特殊的工程地質和水文地質特點，根據不均勻變形的影響因素，提出橫通道與主隧道結構發生的不均勻變形歸結為4種模式： 主隧道單線按Peck曲線上浮、主隧道發生扭轉、橫通道按Peck曲線上浮和橫通道扭轉。

3)根據不均勻變形有限元分析結果，確定錢江隧道橫通道不均勻變形縫的最佳設置方案為： 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)根據地震影響分析有限元分析結果，確定錢江隧道橫通道抗震縫的最佳設置方案為： 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-結構法進行分析，因此，未能考慮初期支護對變形縫設置的影響，而對于不均勻變形及地震作用對橫通道的影響，初期支護起到有效保護作用，后續研究將進一步探究此問題，完善本文研究結果。