沉管隧道旧路面拆除对结构的影响分析*

郭晓林 韩兴博

(长安大学，陕西 西安 710064)



沉管隧道旧路面拆除对结构的影响分析*

郭晓林 韩兴博

(长安大学，陕西 西安 710064)

早期建造的沉管隧道路面多为水泥混凝土结构，随着运营时间的增长，混凝土路面发生断板、开裂、坑槽等病害，隧道维修时面临路面的更换。笔者通过具体工程发现，路面拆除前后管段顶板中部出现多处开裂，通过数值计算发现旧路面拆除将增大管段顶板和底板内侧拉裂风险。针对此问题，文章提出了检修道堆载和顶板回淤压重两种改善方法，通过工程实例计算发现，从受力和变形角度检修道堆载优于顶板回淤压重，并且计算了顶板压重荷载的合理值，为沉管隧道旧路面改造提供参考。

沉管隧道；变形受力；数值模拟；路面拆除；顶板回淤；检修道堆载

1910年，世界上第一条沉管隧道穿越美国Detroit河建成，目前全世界已建成的沉管隧道己经超过百条。我国沉管隧道的发展始于20世纪90年代，1993年我国建成了第一条自行设计、施工的珠江沉管隧道；1995年又顺利建成了浙江宁波的甬江沉管隧道，隧道全长1019.53m，江底段419.56m；2003年在上海建成了亚洲最大、世界第二大规模的上海外环越江沉管隧道，全长2km，施工中采用了国际先进水平的卫星定位系统和二维测控施工技术，标志着我国的沉管隧道施工技术已达到世界先进水平。

目前学者对沉管隧道在外部荷载“加载”下的变形研究比较广泛[1-4]，但对隧道修缮时由自身“卸载”引起的变形受力研究相对较少。

修建较早的沉管隧道一般为混凝土结构的路面，行车性能较差，并且路面基层一般采用素混凝土，稳定性较差[5-6]。随着营运年限的增长，路面结构发生断板、开裂、坑槽等，严重影响路面的使

用以及隧道的通行能力[7-9]，旧路面的升级改造迫在眉睫。改造过程中需要拆除旧路面，而旧路面作为一种荷载施加在沉管隧道底板上，路面拆除相当于卸载，而沉管隧道一般处于江底或者海底，受力形式复杂，这一卸载对沉管隧道的结构有何影响，文章将结合具体案例进行讨论。

1 工程概况

Y隧道属于江底沉管隧道，单节管段长度85m，管段上部覆土平均厚度为2m，管段上部水深5m。

在隧道大修前后对隧道进行了两次详细的检测，发现大修之后隧道顶板渗水处大量增加(见图1)。由于Y隧道内壁有防火涂装，因此不能直接观察裂缝。一般管段渗水极大概率说明此处管段存在结构裂缝，因此，可以通过管段渗水判断结构裂缝的存在。

Y隧道大修前后隧道顶板裂缝统计如表1所示。

图1 管段顶板渗水痕迹

编号桩号大修前大修后1K12+524√√2K12+534√3K12+535√4K12+549√5K12+559√√6K12+560√√7K12+571√8K12+638√9K12+644√10K12+667√11K12+688√√12K12+702√13K12+728√√14K12+734√

将表1中裂缝展开绘制如图2，大修前管段顶板存在6条裂缝，裂缝分布没有规律，大修后新增8条裂缝，其中6条大致位于管段中部。因此考虑在隧道大修过程中路面拆除对隧道结构可能产生了破坏。

图2 大修前后沉管隧道裂缝展开图

2 计算模型

就单节管段考虑，当此管段上路面全部凿除时，管段所卸荷载最大，属于最不利工况。管段两头与其他管段相接，假设其余管段路面没有拆除，暂时不受本节管段路面拆除影响，因此简化计算模型的边界条件为两段固定，各种荷载以面荷载施加于管段上。

2.1 实体模型

模型采用SOLID65钢筋混凝土单元，密度为2500 kg//m3，弹性模量为30 GPa，泊松比为0.25。建立的数值计算模型如图3所示。

图3 数值计算模型

2.2 外部荷载形式

沉管隧道结构的主要受力有：沉管上部水的水压力、上部覆土的土压力、沉管两侧的静水压力、土侧压力、浮力地基反力。

以Y隧道为例，沉管管节为钢筋混凝土结构，密度取2780 kg/m3，沉管顶部标高位于水下5m，隧道覆土厚度2m，土层浮重度9kN/m3，土侧压力系数取0.2，路面为混凝土路面，路面共厚0.6m，密度取2500 kg/m3。结构的受力模式如图4所示。

图4 管段所受荷载示意图

沉管上部水的水压力

q1=ρgh=1×103×9.8×5=49000Pa

(1)

上部覆土的土压力

q2=γh=9000×2=18000Pa

(2)

沉管两侧的静水压力

q31=ρgh1=1×103×9.8×5=49000Pa

(3)

q32=ρgh2=1×103×9.8×12=117600Pa(4)

土侧压力

q4=0.2×q2=3600Pa

(5)

路面结构压力

q6=ρgh=2500×9.8×0.6=14700Pa

(6)

路面未拆除工况下由竖向里平衡得到

浮力+地基反力

式中：q1为水压力，q2为土压力，q31为管节侧板顶部静水压力，q32为管节侧板底部静水压力，q4为土侧压力，q5为浮力加地基反力，q6为路面结构压力，l为管节顶底板宽度，按照模型取11.3m，lr为路面宽度，取10.3m。

3 旧路面拆除对管节变形的影响

考虑旧路面拆除对沉管的影响，本节建立两种模型，拆除路面前的荷载图见图5，拆除路面后的荷载图见图6。

图5 拆除路面前荷载图示

图6 拆除路面后荷载图示

数值计算结果发现，路面拆除将对沉管隧道变形产生较大影响，总体表现为顶板下沉的减小，底板隆起的增加以及侧墙外凸的增大，其对顶板和底板的影响大于侧墙。

由图7、8可知，管段在外部荷载作用下，横截面上的变形主要表现为，顶板下沉、底板隆起以及侧板外凸。最大的位移发生在管段顶板的中间截面，下沉量为3.691mm。对比图7和图8，路面拆除卸载对管段在横断面上的变形有较大影响，主要表现在底板隆起量的增加，最大的位移也发生在底板上，隆起量为5.61mm。

图7 拆除路面前横断面视角变形示意图

图8 拆除路面后横断面视角变形示意图

3.1 管节顶板下沉

由图9可知，路面拆除将引起顶板下沉量的减小，回弹最大位置为管段的中间截面，由-3.69mm变化为-1.62mm，变形量2.07mm。管段顶板变形由U形变为W型。路面拆除后，管段整体顶板下沉最大处为管段距两端1/5处，下沉量为2.62mm。

图9 拆除路面前后管段顶板下沉量

3.2 管节底板隆起

由图10可知，路面拆除将引起底板隆起量的增大，隆起最大位置为管段的中间截面，拆除路面后隆起量为5.61mm，比拆除路面前的3.02mm增大了2.59 mm。底板变形一致均为倒U形。

图10 拆除路面前后地板隆起量

3.3 管节侧壁变形

由图11可知，拆除路面后，侧墙外凸增大，管段中间向两侧30m处，外凸量均较大，拆除前为1.31mm，拆除后为1.43mm，增大0.12mm。可见，路面拆除卸载对侧墙的影响远远小于对顶板和底板的影响。

图11 拆除路面前后侧板变形量

4 旧路面拆除对管节受力的影响

在外部荷载作用下，管段主要表现为顶、底板内侧以及侧墙外侧受拉，顶、底板外侧以及侧墙内侧受压状态。

路面拆除前后第一主应力最大的地方均出现在顶板和底板的内侧见图12、13。拆除路面后，第一主应力由4.41MPa增加到4.95MPa，增大了12.2%，管段顶、底板内侧拉裂风险增大。

图12 拆除路面前第一主应力

图13 拆除路面后第一主应力

图14 拆除路面前第三主应力

图15 拆除路面后第三主应力

路面拆除前后第三主应力最大的地方均出现在顶板和底板的外侧见图14、15。拆除路面后，第三主应力由6.19Mpa减小为6.85Mpa，减小了10.6%，管段顶、底板外侧压碎风险减小。

5 改善方案

通过数值计算可知，路面拆除卸载将极大的增加顶、底板内侧的拉裂风险。从管段设计角度来讲，应当增加配筋来改善路面拆除这种工况下管段的受力，保证管段结构的强度和稳定性。对于已经建成但是需要更换路面的隧道而言，通过增强管段强度来保证结构安全的成本过高且不现实。本文另外从改善外部荷载形式提出检修道堆载和顶板回淤压重两种方法来改善管段路面拆除过程中的受力。堆载可以采用沙袋来完成，回淤则靠河道中的泥沙完成。检修道堆载主要是在检修道两侧施加荷载，荷载和旧路面施加于管段的荷载大小相当，方向相同，施加过程与路面拆除过程应当同步进行。顶板回淤的原理和方法也与检修道堆载类似。下面对两种放大的效果进行讨论。

检修道堆载和顶板回於的荷载模式如图16(a)和图16(b)所示。

图16 检修道堆载与顶板回於荷载图示

计算中检修道堆载与顶板回於荷载均与拆除的旧路面荷载相等。检修道堆载荷载q7以及顶板堆载荷载q8计算如下：

(8)

(9)

式中：lj为检修道宽度，计算模型为1m。

5.1 对变形的改善

如图17所示，检修道堆载和顶板回淤对顶板下沉的回弹均有所改善，检修道堆载下顶板的下沉量与路面拆除前相当接近，两者变形相差最大为0.5mm。顶板回淤使管段顶板继续产生1mm的下沉量，相对2.5mm的回弹改善效果也比较理想。

图17 各种工况顶板下沉量对比

如图18所示，两种方法对底板隆起的改善十分理想，改善效果非常接近，相比路面拆除前隆起量为0.75mm。相比路面拆除不采取措施工况的5.5mm改善明显。

图18 各种工况底板隆起量对比

图19 各种工况侧墙外凸量对比

如图19所示，四种工况下的侧墙的变形均维持在1.5mm以内，变形较小，检修道堆载对侧墙位移减小0.2mm，有略微改善。

5.2 合理回淤压重荷载值计算

顶板回淤压重对隧道内管段路面施工不产生影响，也不用考虑检修道板的承载力问题。由上文具体计算发现，当回淤压重荷载和路面荷载相等时，能够对管段底板隆起变形进行很好地控制，但是加剧了顶板变形，因此考虑减小回淤压重荷载来控制顶板变形量。计算回淤荷载为0.5～0.9倍路面荷载工况，得到计算结果如图20、图21所示，当回於荷载取0.7路面荷载时顶板变形量最小，并且底板隆起与1倍荷载相差不到0.5mm。因此建议选取0.7倍荷载，可以有效控制顶板变形。

图20 不同工况下顶板沉降量

图21 不同工况下底板隆起量

6 结论

(1)沉管隧道旧路面拆除对管段的受力和变形有较大影响，旧管段的拆除会增大管段顶板和底板内侧混凝土拉裂风险，影响隧道的耐久性。

(2)在管段设计阶段应当考虑旧路面拆除工况，对管段配筋进行优化设计。

(3)已建成隧道施工中可以考虑检修道堆载或顶板回淤堆载来减小路面拆除对管段受力的影响。当对施工不产生影响时，推荐使用检修道堆载方法。

(4)当顶板回淤荷载为旧路面荷载的0.7倍时，控制底板隆起同时可以降低顶板的变形量，采用顶板回於时建议回於荷载取路面荷载的0.7倍。

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2016-11-12

郭晓林(1991-)，女， 山西芮城人，长安大学硕士研究生，主要从事交通运输工程研究。韩兴博(1991-)，男， 陕西宝鸡人，长安大学博士研究生，主要从事隧道工程研究。

10.3969/j.issn.1672-9846.2016.04.017

U416.2

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1672-9846(2016)04-0067-06