改進沉管隧道節段接頭對隧道受力及變形的影響分析

■耿偉光 徐 偉

（同濟大學建筑工程系，上海 200092）

1 概述

沉管隧道是由若干預制的管節，分別浮運到現場，一節接一節地沉放安裝，并在水下將其互相連接而成的隧道結構。憑借其施工過程中對環境的影響較小，且隧道的埋深選擇范圍較大，此類結構形式和施工方法在工程領域得到較多的應用。

沉管隧道發展初期，大多采用圓形截面的鋼管節作為隧道管節；隨著行車量的增加，隧道的截面形式變成更加適合車道布置的矩形，采用的材料也從鋼材逐步過渡為鋼筋混凝土[1]。初期沉管隧道管節長度較短，鋼筋混凝土隧道管節多為一次澆筑整體式管節；隨著沉管隧道管節長度的不斷增加，伴隨混凝土澆筑過程所產生的裂縫問題以及隧道縱向的不均勻沉降問題使得采用一次性澆筑整體式的鋼筋混凝土沉管隧道的難度越來越大，因此，隧道也由初期的整體式管節演變為節段式管節。

當同一管節的節段全部澆筑并養護完成后，通過預應力筋將節段連接成整體，并對預應力筋施加預應力，保證管節在運輸過程中具有足夠的剛度。當管節沉放到指定位置后，再將節段間的預應力筋松弛，使節段之間產生具有一定變形能力的柔性接頭。

當隧道長度較大，施工周期較長時，管節沉放到指定位置后，若將節段間的預應力筋松弛，則節段之間在隧道完工前的很長一段時間里的相互約束很弱，且水下環境較為復雜，這對節段的安全性會產生極大的影響。武義凱，謝永利[2]在研究中發現，沉管受水土壓力的作用，頂板和底板處混凝土受到很大的拉應力而產生拉伸破壞。對于隧道主體，可以在節段頂板和底板中配受拉鋼筋增加結構的抗拉性能，然而對于節段間的接頭位置，若拉應力過大，則會使接頭產生一定的張開量，當接頭產生的張開量超過止水片所能承受的范圍時，隧道結構的防水性將遭到極大的挑戰。另外，在沉管隧道抗震性能分析中也發現[3]，地震發生時，強烈的地震作用將影響隧道地基土體的穩定性，可能會造成接頭處的拉伸破裂。因此，隧道節段間的柔性接頭會成為沉管隧道抗震最薄弱的環節。同時，隧道所承受的剪力也將沿隧道縱向進行傳遞[4]，保證柔性接頭在剪切作用下的安全性，并且將接頭處的剪切變形控制在隧道防水性要求范圍之內同樣是保證隧道安全的重要問題。

為了改進接頭的受力性能，在節段間接頭處設置短的預應力筋從而改善隧道的受力性能和抗震性能[5,6]的方法曾被提出。隨著工程技術的發展，在實踐中采用了一種改進的沉管隧道節段接頭。這種改進的沉管隧道節段接頭是指管節沉放到指定位置后，不松弛節段間的預應力筋，使得節段間始終保持“緊壓”狀態。相比于整體式的沉管隧道，改進的節段接頭使管節的剛度有所降低；相比于柔性接頭，未松弛的預應力筋則增加了節段間的相互約束作用。

為了定性地了解這種改進的沉管隧道節段接頭對隧道受力及變形性能的影響，本文采用有限元模型，以工程為背景，對節段間采用不同預應力大小的改進接頭的沉管隧道結構進行了受力及變形分析，并將計算結果與節段間采用柔性接頭的沉管隧道的計算結果進行了比較。

2 有限元模型的建立

彭海闊、孟光[8]等的對比分析和試驗驗證表明，采用板殼單元或實體單元模擬沉管隧道可以有效提高結果的準確性。本文采用ANSYS中的實體單元Solid185進行沉管隧道建模，隧道模型如圖1，由5節長度均為22.5m的節段組成，并采用接觸單元Targe170、Conta173模擬節段之間的相互接觸。為模擬結構受力的最不利情況，建模時混凝土的重度均取最大重度；混凝土的力學性能指標均按28d齡期取值。

圖1 隧道模型圖

建模時土體深度取20m，長度超過隧道前后兩端50m，寬度為150m超過隧道左右兩側約60m，采用實體單元Solid185進行建模。隧道底面和地基土頂面接觸的部分采用接觸單元Targe170、Conta173模擬隧道和地基土之間的相互接觸。建模時采用線彈性材料模擬地基土，排除由于地基土物理力學性質較為復雜，以及材料非線性對結果造成的影響。雖然該情況為理想情況，但其仍具有分析研究的價值，可以完全排除土的不均勻性對結果的影響，通過對結構施加不同的預應力，充分體現改進接頭對于沉管隧道受力及變形的影響。

沉管隧道所承受的荷載主要有：結構自重、上部回填土的壓力、水的壓力、隧道內壓重混凝土的重力、波浪荷載、行車荷載等。由于波浪荷載、行車荷載在不同的水文條件和隧道使用情況下會產生較大變化，因此，在研究改進節段接頭對沉管隧道受力及變形性能影響時，主要考慮隧道受恒載作用下的情況。根據資料，分別計算得到作用于隧道頂板、底板以及側墻的荷載分別為：432000kPa、41940kPa、152040kPa。

本文采用在端部施加軸向力的方式模擬隧道結構所受的預應力。為探究改進接頭剛度變化對結構受力及變形性能的影響，分別在隧道端部施加大小為0（模擬柔性接頭）、200kPa、500kPa、800kPa 和 1000kPa 的預應力。 約束地基土底部所有節點不產生位移；隧道自身受回填土的約束不產生橫向位移；約束1號節段自由面沿隧道縱向的位移。

模型建成后，分別對隧道施加不同大小的預應力，然后進行隧道結構在外荷載及預應力作用下的內力及變形的計算分析。

3 沉降分析

對不同大小預應力作用下隧道的沉降進行比較，研究改進接頭對于沉管隧道沉降的影響。

如圖2，為S1～S5節段平均沉降隨預應力大小的變化曲線，從圖中可以看出，隨接頭預應力的增加，節段的平均沉降有所增加，但增幅很小。地基土表面的豎向變形也反映了隧道的沉降情況，如圖3所示，同樣可以看出隨預應力的增加隧道的沉降變化不大。

改進接頭不會對沉管隧道的沉降產生大的不良影響，采用沿隧道截面施加1000kPa預應力的改進接頭，沉管隧道沉降量比采用柔性接頭的沉管隧道沉降量增加不到0.1mm，這種影響幾乎可以忽略不計。

圖2 隧道節段平均沉降隨預應力變化曲線

4 接頭張開量分析

對不同大小預應力作用下沉管隧道接頭的張開量進行比較，研究改進接頭對于接頭防水性的影響。

圖4為隧道縱向位移圖，當采用柔性接頭時，節段沿隧道縱向的位移雖然整體較小，但節段之間的縱向位移極不均勻，施加預應力后，雖然隨著預應力的增大，節段的縱向位移有整體增大的趨勢，但縱向位移在節段間的分布較柔性接頭的情況更加均勻，接頭處兩個節段的相對位移有所減小。

在 1、2接頭（S1，S2接頭）處，取截面關鍵點的縱向平均位移作為截面縱向位移，將S1節段截面與S2節段截面的縱向位移差作為該接頭張開量，作其隨接頭預應力的變化曲線，如圖5所示。與柔性接頭相比，施加預應力的改進接頭可以明顯減小接頭張開量，保證了接頭的防水性。但是隨著預應力增大，接頭張開量的減少程度逐漸降低。

采用柔性接頭的隧道縱向位移（圖4a）與采用改進接頭的隧道縱向位移（圖4b，4c，4d）差異較大，但是采用預應力大小不同的改進接頭的隧道的縱向位移差異逐漸減小，當預應力大于500kPa后，隧道的縱向位移幾乎不隨預應力的增加而產生變化（圖 4b，4c，4d，4e）。

圖3 地基土豎向變形圖

圖4 隧道縱向位移圖

5 不平衡剪力分析

除保證接頭的防水性外，沉管隧道接頭的安全性還受到相鄰兩節段不平衡剪力的影響，保證沉管隧道接頭的抗剪性能也是保證接頭安全的重要內容之一。對不同大小預應力作用下，隧道接頭處的不平衡剪應力進行比較，研究改進接頭對于沉管隧道接頭處抗剪性能的影響。

在1、2接頭處，取關鍵點的平均剪應力作為截面剪應力，將S1節段截面與S2節段截面剪應力的差作為接頭不平衡剪應力，作其隨接頭預應力的變化曲線，如圖6所示，可以看出1、2接頭不平衡剪應力隨預應力增加而呈近似線性減小。

圖5 1、2接頭張開量隨預應力變化圖

圖6 1、2接頭不平衡剪應力隨預應力變化曲線

同時模型地基土為線彈性材料，因此，當1、2接頭不平衡剪應力隨預應力線性減小時，1、2接頭的相對沉降也應隨預應力的增加呈線性減小。在1、2接頭處取關鍵點的平均沉降作為截面沉降，將S1節段截面與S2節段截面的沉降差作為1、2接頭相對沉降，作其隨接頭預應力的變化曲線，如圖7，由圖可以論證上述推測及分析的正確性。

圖7 1、2接頭相對沉降隨預應力變化曲線

6 結論

通過對有限元軟件計算結果的分析和對比可以看出：

（1）相比柔性接頭沉管隧道，采用改進接頭的沉管隧道的沉降有所增加，且沉降增量隨改進接頭剛度的增大有所增大，但增幅極小；沿隧道截面預應力達到1000kPa的改進接頭與柔性接頭相比造成的隧道沉降增加不到0.1mm，幾乎可以忽略不計。

（2）采用改進接頭對于控制沉管隧道接頭張開量具有積極作用，有利于提高隧道的防水性能。且接頭張開量隨改進接頭剛度的增大而減小，但是當預應力達到一定數值后，接頭張開量的減小程度逐漸降低，最終，接頭的縱向張開量趨于定值。

（3）改進接頭能有效減小沉管隧道接頭的不平衡剪力，提高接頭的抗剪性能。隨著改進接頭剛度的增大，接頭不平衡剪力和由其引起的接頭相對沉降均近似呈線性減小趨勢。

本文定性地描述了改進的沉管隧道節段接頭對于隧道沉降、接頭張開量、接頭不平衡剪力和接頭相對沉降的影響及趨勢，但是對于復雜不均勻的地基情況，以及定量的計算受到地基土性質、水文條件、隧道自身結構性質等多種復雜因素的相互影響，有待進一步深入研究分析。同時，本文主要著眼于靜力長期荷載作用下改進接頭對于沉管隧道的影響，在動力荷載及地震作用下的性能，仍有待進一步的分析研究。

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