沉管隧道復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)研究

李香玲

（內(nèi)蒙古自治區(qū)交通培訓(xùn)中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

1 引言

在跨海越江隧道中，沉管隧道具有地質(zhì)適應(yīng)能力強(qiáng)、空間利用率高、結(jié)構(gòu)自防水性能好等優(yōu)點(diǎn)[1]。1910年美國建設(shè)了世界第一條交通沉管隧道——底特律河鐵路隧道[2]，1993 年中國內(nèi)地建成第一條沉管隧道——廣州珠江沉管隧道，目前國內(nèi)外具有交通功能的沉管隧道已超過150 座[3]，其中我國2018 年建成的港珠澳海底隧道是世界最長的公路沉管隧道和唯一的深埋沉管隧道[4]。隨著我國沿海、沿江地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和交通需求的提高，沉管隧道的建設(shè)迎來新一輪高潮：深中通道海底隧道、大連灣海底隧道、南昌二七過江通道等[5]一批大型沉管隧道工程相繼開工。

我國公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[6]規(guī)定高速公路隧道宜采用瀝青混凝土上面層與混凝土下面層組成的復(fù)合式路面，通常認(rèn)為隧道復(fù)合式路面具有較好的結(jié)構(gòu)承載力。根據(jù)我國公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[7]，進(jìn)行復(fù)合式瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)僅需驗(yàn)算瀝青層永久變形量，但國內(nèi)外隧道調(diào)研發(fā)現(xiàn)沉管隧道復(fù)合式路面車轍病害并不顯著[3，4]，而是橫向開裂等損傷較為常見[3，8]。沉管隧道的路面修補(bǔ)會(huì)引起整條跨海或跨江通道運(yùn)營不暢或運(yùn)營中止，進(jìn)而影響路網(wǎng)整體的運(yùn)營安全和運(yùn)營效率。因此有必要針對(duì)沉管隧道復(fù)合式路面的構(gòu)造特點(diǎn)，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行深入分析研究。

本文針對(duì)既有復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)在沉管隧道中適用性存在的問題，建立沉管隧道復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型，分析損傷機(jī)理，考慮不同加載方案，研究層間剪切指標(biāo)、管節(jié)接縫位置拉應(yīng)力指標(biāo)的適用性，最終提出合理有效的沉管隧道復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2 有限元模型的建立

本節(jié)參考國內(nèi)外典型沉管隧道路面結(jié)構(gòu)方案，擬定有限元模型結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)，確定模型幾何尺寸、荷載及邊界條件，使用ABAQUS 軟件建立模型，然后選擇單元類型、劃分網(wǎng)格。

2.1 結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

調(diào)研國內(nèi)外4條沉管隧道路面結(jié)構(gòu)方案見表1。另外，我國公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[6]規(guī)定復(fù)合式路面的水泥混凝土基層厚度宜為150mm～200mm；瀝青混凝土面層宜采用雙層式，厚度宜為80mm～100mm；瀝青面層與水泥混凝土面板間應(yīng)設(shè)置粘結(jié)層。綜合調(diào)研結(jié)果和規(guī)范要求，擬定沉管隧道路面有限元模型結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)見表2。

表1 國內(nèi)外典型沉管隧道路面結(jié)構(gòu)方案[3，10]

表2 路面有限元模型結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

2.2 模型幾何尺寸、加載狀況及邊界條件

模型長寬均為6m，深度為32cm。在模型中間沉管管節(jié)接縫對(duì)應(yīng)位置處，設(shè)置寬度10mm 的水泥混凝土基層接縫，如圖1所示。

圖1 有限元模型幾何尺寸

模型中將輪胎與路面的接觸形狀假設(shè)為矩形，其中接地寬度B為實(shí)際接地寬度，即為各條紋實(shí)際寬度之和，不考慮非線性接觸應(yīng)力的影響，即假設(shè)每條矩形上應(yīng)力均勻分布，按總應(yīng)力等效的原則，確定輪胎接地長度L，如式（1）所示：

式中：P 為軸重；nw為軸的輪數(shù)；p 為輪胎接地壓力；B為輪胎實(shí)際接地寬度。

例如當(dāng)加載100kN的雙圓均布標(biāo)準(zhǔn)荷載時(shí)，可簡化為雙矩形均布荷載：接地寬度B＝18.6cm，接地長度L＝19.2cm，軸載為P=100kN，接地壓力p=0.7MPa，輪數(shù)nw＝4，兩輪中心距31.4cm，由式（1）得，輪胎接地長度L=P/（nwpB）=19.2cm。

模型側(cè)面受到垂直于平面方向的位移約束，底面受到固定約束。各結(jié)構(gòu)層之間假設(shè)為完全接觸，層間無相對(duì)位移。

3 層間剪切指標(biāo)適用性分析

復(fù)合式路面在車輛水平荷載的作用下可能出現(xiàn)剪切破壞。本節(jié)計(jì)算各荷載組合下模型內(nèi)的剪應(yīng)力分布，從而分析層間剪切指標(biāo)的適用性。

表3 為豎向荷載參數(shù)組合表。當(dāng)車輛緊急制動(dòng)或加速時(shí)，水平力系數(shù)可達(dá)0.6 左右；當(dāng)車輛正常行駛，水平力系數(shù)一般為0.15～0.2。本研究設(shè)定3 種水平力系數(shù)：0.2、0.4、0.6。

表3 豎向荷載參數(shù)組合表

根據(jù)模型分析，最大平面剪應(yīng)力位于瀝青層表面、荷載外邊緣位置；瀝青面層底部最大平面剪應(yīng)力位于接縫上；應(yīng)力吸收層底部最大平面剪應(yīng)力位于接縫和荷載中心之間。

不同荷載組合下應(yīng)力吸收層層底最大平面剪應(yīng)力如圖2所示，可以看出應(yīng)力吸收層層底最大平面剪應(yīng)力小于0.09MPa，遠(yuǎn)小于應(yīng)力吸收層抗剪強(qiáng)度，產(chǎn)生層間滑移可能性很小。因此層間剪切指標(biāo)不適合用于驗(yàn)算沉管隧道復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖2 不同荷載組合下應(yīng)力吸收層底最大平面剪應(yīng)力

4 管節(jié)接縫位置拉應(yīng)力指標(biāo)適用性分析

沉管隧道結(jié)構(gòu)在管節(jié)和節(jié)段接頭處有接縫，因此隧道路面結(jié)構(gòu)在對(duì)應(yīng)位置也存在接縫，管節(jié)隨著溫度的升高與降低發(fā)生膨脹與收縮，接縫處會(huì)出現(xiàn)張合變化。港珠澳大橋海底隧道監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，每隔180 m 左右其“路基”就會(huì)發(fā)生3cm 縱向張合位移[7]。因此，管節(jié)位置上方路面很可能會(huì)因管節(jié)的張拉產(chǎn)生反射裂縫。

由于荷載在接縫邊緣時(shí)，結(jié)構(gòu)受力處于最不利狀態(tài)，因此在進(jìn)行管節(jié)位置拉應(yīng)力指標(biāo)適用性分析，將標(biāo)準(zhǔn)荷載施加在接縫邊緣。如圖3所示，對(duì)模型施加隧道軸向方向的位移荷載，計(jì)算路面結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力。

圖3 對(duì)混凝土基層施加軸向位移荷載

采用上述模型，分別計(jì)算了接縫無變化及接縫軸向張開0.1mm時(shí)的瀝青層拉應(yīng)力分布，如圖4、圖5所示。

圖4 接縫無變化時(shí)瀝青層底拉應(yīng)力分布

圖5 接縫軸向張開0.1mm時(shí)瀝青層底拉應(yīng)力分布

計(jì)算得到接縫無變化時(shí)，瀝青層底最大拉應(yīng)力為0.13MPa；接縫張開0.1mm 時(shí)，瀝青層底最大拉應(yīng)力為3.45MPa，已經(jīng)大于SMA劈裂強(qiáng)度，會(huì)引起路面開裂。這表明管節(jié)接縫處很小的位移量就能使瀝青面層產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，非常容易造成面層被拉裂。沉管隧道管節(jié)接頭處有必要設(shè)置伸縮裝置或柔性裝置來控制軸向位移的影響。圖6為港珠澳海底隧道管節(jié)接頭處路面處治方案[3]。

圖6 港珠澳海底隧道管節(jié)接頭處路面處治方案（mm）

因此控制和降低管節(jié)軸向位移影響，并驗(yàn)算管節(jié)位置路面拉應(yīng)力指標(biāo)對(duì)于沉管隧道復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分重要。

5 結(jié)語

本文針對(duì)沉管隧道復(fù)合式路面既有設(shè)計(jì)指標(biāo)存在的問題，建立沉管隧道復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型，分析損傷機(jī)理，考慮不同加載方案，研究層間剪切指標(biāo)、管節(jié)位置拉應(yīng)力指標(biāo)的適用性，得出以下結(jié)論：

①沉管隧道復(fù)合式路面很少存在車轍病害，而早期裂縫病害較為常見。現(xiàn)有規(guī)范中的瀝青層永久變形量指標(biāo)對(duì)于沉管隧道復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)適用性不強(qiáng)。

②各荷載組合下，應(yīng)力吸收層層底最大平面剪應(yīng)力小于0.09MPa，遠(yuǎn)小于應(yīng)力吸收層抗剪強(qiáng)度，產(chǎn)生層間滑移概率不大，因此層間剪切指標(biāo)不適合用于驗(yàn)算沉管隧道復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

③溫度作用下沉管隧道結(jié)構(gòu)管節(jié)及節(jié)段接頭處存在張合，接縫位置很小的軸向張開位移即會(huì)導(dǎo)致路面開裂破壞，需要在接縫處采用伸縮裝置或彈塑性體材料進(jìn)行處置，并驗(yàn)算管節(jié)位置拉應(yīng)力指標(biāo)。