钱江隧道横通道变形缝力学行为分析

徐　永， 廖少明， 李伟平

(1. 常州工程职业技术学院， 江苏 常州　213164； 2. 同济大学地下建筑与工程系，上海　200092； 3. 浙江省交通规划设计研究院， 浙江 杭州　310006)

0　引言

钱江隧道是钱江通道及接线工程的关键控制性工程，是南连杭州萧山、北接嘉兴海宁的特大越江公路隧道。隧道采用盾构法施工，设计外径为15.43 m，全长4 450 m，江中盾构段长3 245 m。隧址所在区域为钱塘江河口冲海(湖)积平原，隧道穿越地层条件较为复杂，含承压水、盐及沼气，且受潮汐涌潮条件影响。

在工程地质和水文地质如此复杂的条件下进行长大越江盾构隧道的建设，关于横通道的设置问题一直存在较大争议。一方面，横通道作为隧道火灾时的逃生通道，对降低隧道运营风险具有重要作用[1-3]； 另一方面，横通道的设置需打开主隧道结构，从而会带来抗震、变形与防水以及江底暗挖施工等一系列结构与施工安全问题，大大增加了风险[4-6]。考虑钱塘江底复杂的地层环境以及大直径隧道的逃生有利因素，钱江隧道最终未建设联络横通道而采用其他替代通道设置方案实现防灾疏散。然而，钱江隧道作为当前代表性的大直径越江跨海公路隧道，横通道设置与否以及如何设置，都是值得深入研究、对后续工程具有重要指导意义的问题。

横通道如何设置的问题，就是讨论如何采用有效措施降低横通道设置的结构和施工风险。横通道的施工风险属于短期临时性风险，可以通过风险管理和相关施工技术手段进行有效控制[7-9]； 而抗震和变形等结构方面的风险，则需研究结构的力学行为规律，从设计参数的优化角度来降低，即通过对横通道与主隧道连接处变形缝的力学行为分析与设计优化降低。因此，深入研究地震和不均变形对主隧道、横通道结构的力学行为影响及变形缝的优化设计具有重要意义。目前，对隧道横通道结构力学行为的研究，主要侧重于施工力学行为规律的探究[10-14]，即研究横通道施工过程中的力学行为规律以及施工控制措施，未能涉及变形缝的力学行为及设计优化研究。对变形缝的研究则主要聚集于渗漏控制技术[15-16]，完全不涉及变形缝的结构力学行为分析。本文基于钱江隧道的工程特点，建立有限元分析模型，分别从抗震性和不均匀变形2个角度讨论变形缝力学行为规律，提出优化设计方法，为其他同类隧道横通道的变形缝设计问题提供一种问题解决思路和设计参考。

1　钱江隧道横通道变形缝设置优化分析思路

对于大直径隧道，横通道与主隧道的结构形式差异较大，刚度差异也较大。当横通道距离过长时，应采取可靠的工程技术措施，设置具有一定变形能力的变形缝，如图1所示。

图1　联络横通道变形缝位置示意图(单位： mm)

设置变形缝，主要是为了缓解联络横通道与主隧道连接部位应力集中，防止产生破坏，而连接部位产生的应力集中一般由两侧结构的不均匀变形和地震响应引起。因此，对钱江隧道联络横通道变形缝设置的优化，分别从不均匀变形的影响和地震响应的影响2方面进行分析，研究技术路线如图2所示。

图2　研究技术路线

2　钱江隧道横通道不均匀变形力学行为分析

2.1　不均匀变形模式的确定

综合钱江隧道特殊的水文地质和工程地质条件，通过分析认为钱江隧道横通道不均匀变形的影响因素主要包括地层变异、涌潮潮差、冻结施工、河床演变和地层加固5个方面。

通过对上述5个不均匀变形影响因素进行分析可得出，横通道与主隧道喇叭口的不均匀变形是一个典型的三维问题，同时结合钱江隧道变形的实测结果，将横通道与主隧道结构发生的不均匀变形归结为4种模式： 主隧道单线按Peck曲线上浮、主隧道发生扭转、横通道按Peck曲线上浮和横通道扭转形式，如图3所示。

(a) 主隧道单线不均匀上浮

(b) 主隧道单线扭转

(c) 横通道不均匀上浮

(d) 横通道扭转

2.2　不均匀变形缝优化设置有限元分析

2.2.1不均匀变形分析模型

2.2.1.1有限元分析模型

数值模拟采用荷载-结构模型，隧道结构及横通道均采用壳单元，根据钱江隧道工程和钱江横通道工程设计资料，建立如图4所示的三维有限元分析模型； 采用弹性模型，材料参数如表1所示； 隧道外围建立全周弹簧，弹簧参数如表2所示。

图4　钱江隧道横通道变形有限元模型

Fig. 4Finite element model of cross passage deformation of Qianjiang River Tunnel

表1　材料参数

表2　非线性弹簧参数

2.2.1.2荷载确定

有限元分析所采用的荷载根据现场实测数据分析确定，水土压力分布曲线如图5所示。

图5　水土压力分布曲线

2.1.1.3计算工况

基于2.1节提出的4种不均匀变形模式，运用ABAQUS有限元软件，对横通道变形缝设置于距接口部位0.4 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m和1.2 m 5个不同位置的工况分别进行数值模拟分析，如图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计算结果及分析

2.2.2.1计算结果分析

横通道与主隧道发生不均匀变形后，横通道接口部位受力复杂，如图7所示。接口部位承受弯矩的分布特征如图8—10所示，顶部、腰部和底部的合弯矩值分布如图11所示。

由图7可知，横通道接口部位承受的最大压应力分布于横通道与主隧道连接部位的腰部，最大拉应力分布于横通道与主隧道连接部位的顶部和底部。

接口部位承受的弯矩大小与位置关系较为明显，绕X轴正弯矩在接口腰部和底部广泛分布，负弯矩分布在与主隧道连接部位顶部。绕Y轴和Z轴弯矩分布特征也较为明显。变形缝设置旨在降低隧道结构应力集中水平，设置位置应考虑接口部位受力特性，选择应力较为集中的部位。

2.2.2.2变形缝位置分析

根据有限元分析结果，横通道与主隧道发生不均匀变形时，横通道与主隧道连接部位的顶部和底部承受的拉应力最大，是隧道结构体系的薄弱部位。变形缝设置位置应考虑顶部和底部的弯矩变化规律。由弯矩分布可知，顶部和底部弯矩在变形缝设置在0.4～0.8 m位置时均有降低，兼顾腰部弯矩在0.6～0.8 m位置达到峰值，推荐钱江隧道横通道变形缝设置在距离主隧道边缘0.6～0.8 m处。

(a) 应力分布 (b) 最大压应力分布

(c) 最大拉应力 (d) 绕X轴弯矩

(e) 绕Y轴弯矩 (f) 绕Z轴弯矩

图7不均匀变形横通道接口应力特征

Fig. 7Stress characteristics of cross passage connection point with inhomogeneous deformation

图8　横通道接口顶部弯矩分布图

Fig. 8Bending moment diagram of roof of cross passage connection point

2.2.2.3变形缝容许差异变形确定

基于研究得出的钱江隧道横通道变形缝最优设置位置结论，将变形缝设置于该位置后进一步建立数值分析模型，分析横通道与主隧道不均匀变形条件下差异变形与隧道最大拉应力变化，结果如图12所示。

图9　横通道接口腰部弯矩分布图

Fig. 9Bending moment diagram of waist of cross passage connection point

图10　横通道接口底部弯矩分布图

Fig. 10Bending moment diagram of bottom of cross passage connection point

图11　横通道接口合弯矩分布图

Fig. 11Bending moment diagram of connection point of cross passage

图12　变形缝差异变形与隧道最大拉应力

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

由图12可知，当横通道差异变形小于5 cm时，随着变形量增大，隧道结构承受的最大拉应力基本保持不变； 当差异变形大于5 cm时，隧道结构承受的最大拉应力呈线性增长。参考混凝土的极限抗拉强度，为安全起见，推荐钱江隧道横通道变形缝容许差异变形不宜小于5 cm。

3　钱江隧道横通道抗震缝力学行为分析

抗震缝是解决横通道与主隧道接口因地震影响而引起应力集中问题的一种常见措施，而抗震缝设置的有效性与设置位置有较大关系。基于三维的地震影响分析，寻找最佳的设置位置和允许变形量，是抗震缝优化设计的主要内容。

3.1　钱江隧道三维地震响应分析模型

3.1.1数值计算模型

采用土层-结构模型，根据钱江隧道工程和钱江横通道工程设计资料，建立土层及结构的有限元分析模型，如图13和图14所示。

图13　整体模型

图14　隧道结构单元

3.1.2地震波

分析采用的地震波为根据钱江场地特征进行合成的人工地震波。钱江场地100年超越概念为3%的地震参数，取Am为0.105g，βm为2.25，T1为0.1 s，T2为0.8 s。结合抗震设计规范标准反应谱，对场地进行人工地震波的反应谱合成，得到场地加速度实程曲线，如图15所示。

图15　钱江场地人工地震波

3.2　横通道抗震缝设置优化分析

3.2.1优化分析工况

分别取抗震缝距主隧道衬砌外侧0.5 m、1.5 m、2.5 m和3.5 m 4种位置进行地震响应分析，如图16—19所示。

3.2.2内力计算结果及分析

对有限元模拟分析计算结果进行整理，可得不同抗震缝设置位置下横通道的弯矩包络图，如图20—23所示。

对4种工况的横通道弯矩包络图比较分析可知，抗震缝距离主隧道越近，横通道的端部弯矩越小，中部弯矩越大。

当抗震缝位置距离邻近主隧道衬砌外侧的距离小于1.5 m时，控制弯矩为横通道中部弯矩； 当抗震缝位置距离邻近主隧道衬砌外侧的距离大于1.5 m时，控制弯矩为横通道端部弯矩。

基于“调平”设计的原理，横通道抗震缝的位置以距离相邻主隧道1.5 m为宜。

图16　工况1(距主衬砌外侧0.5 m)

图17　工况2(距主衬砌外侧1.5 m)

图18　工况3(距主衬砌外侧2.5 m)

图19　工况4(距主衬砌外侧3.5 m)

图20　工况1横通道弯矩包络图(单位： kN·m)

Fig. 20Envelope diagram of bending moment of cross passage in construction condition 1 (unit: kN·m)

图21　工况2横通道弯矩包络图(单位： kN·m)

Fig. 21Envelope diagram of bending moment of cross passage in construction condition 2 (unit: kN·m)

图22　工况3横通道弯矩包络图(单位： kN·m)

Fig. 22Envelope diagram of bending moment of cross passage in construction condition 3 (unit: kN·m)

3.2.3相对位移计算结果及分析

对上述横通道抗震缝两侧节点的相对位移结果进行整理分析，可得图24—27所示的结果。

由图24—27所示相对位移时程曲线可以看出，抗震缝距离相邻主隧道越近，在地震作用下两侧节点的相对位移值越大，工况1时(距隧道衬砌外0.5 m)，相对位移极值约为10 cm； 工况2时(距隧道衬砌外 1.5 m)，相对位移极值约为 5.5 cm。

图23　工况4横通道弯矩包络图(单位： kN·m)

Fig. 23Envelope diagram of bending moment of cross passage in construction condition 4 (unit: kN·m)

图24　工况1抗震缝两侧相对位移

Fig. 24Relative displacement of seismic joint ends in construction condition 1

图25　工况2抗震缝两侧相对位移

Fig. 25Relative displacement of seismic joint ends in construction condition 2

图26　工况3抗震缝两侧相对位移

Fig. 26Relative displacement of seismic joint ends in construction condition 3

图27　工况4抗震缝两侧相对位移

Fig. 27Relative displacement of seismic joint ends in construction condition 4

4　钱江隧道横通道变形缝最优设计参数确定

根据横通道不均匀变形及抗震缝力学行为分析结果，针对钱江隧道的工程特点，当考虑不均匀沉降设缝时，横通道变形缝的最佳设置位置为距离主隧道边缘0.6～0.8 m处，横通道变形缝容许差异变形不宜小于5 cm； 当考虑抗震性要求时，变形缝的最佳设置位置为距离相邻主隧道边缘1.5 m，变形缝容许差异变形不宜小于5.5 cm。

综合2方面的计算结果，确定钱江隧道横通道变形缝最佳设置方案为： 距离相邻主隧道边缘1.2 m，变形缝容许差异变形不宜小于6 cm。

5　结论与讨论

1)从隧道结构受力和抗震性角度分析，大直径越江隧道设置横通道对隧道结构安全是不利的，应分别从不均匀变形和抗震性角度对主隧道与横通道间的变形缝进行优化设计，从而降低风险，确保隧道结构安全。

2)针对钱江隧道特殊的工程地质和水文地质特点，根据不均匀变形的影响因素，提出横通道与主隧道结构发生的不均匀变形归结为4种模式： 主隧道单线按Peck曲线上浮、主隧道发生扭转、横通道按Peck曲线上浮和横通道扭转。

3)根据不均匀变形有限元分析结果，确定钱江隧道横通道不均匀变形缝的最佳设置方案为： 距离主隧道边缘0.6～0.8 m，横通道变形缝容许差异变形不宜小于5 cm。

4)根据地震影响分析有限元分析结果，确定钱江隧道横通道抗震缝的最佳设置方案为： 距离相邻主隧道边缘1.5 m，变形缝容许差异变形不宜小于5.5 cm。

5)综合不均匀变形和抗震性2方面的分析，确定钱江隧道横通道变形缝的设置方案为： 距离相邻主隧道边缘1.2 m，变形缝容许差异变形不宜小于6 cm。

6)主隧道通过喇叭口与二次衬砌直接连接，本文研究由于采用荷载-结构法进行分析，因此，未能考虑初期支护对变形缝设置的影响，而对于不均匀变形及地震作用对横通道的影响，初期支护起到有效保护作用，后续研究将进一步探究此问题，完善本文研究结果。