改进沉管隧道节段接头对隧道受力及变形的影响分析

■耿伟光 徐 伟

（同济大学建筑工程系，上海 200092）

1 概述

沉管隧道是由若干预制的管节，分别浮运到现场，一节接一节地沉放安装，并在水下将其互相连接而成的隧道结构。凭借其施工过程中对环境的影响较小，且隧道的埋深选择范围较大，此类结构形式和施工方法在工程领域得到较多的应用。

沉管隧道发展初期，大多采用圆形截面的钢管节作为隧道管节；随着行车量的增加，隧道的截面形式变成更加适合车道布置的矩形，采用的材料也从钢材逐步过渡为钢筋混凝土[1]。初期沉管隧道管节长度较短，钢筋混凝土隧道管节多为一次浇筑整体式管节；随着沉管隧道管节长度的不断增加，伴随混凝土浇筑过程所产生的裂缝问题以及隧道纵向的不均匀沉降问题使得采用一次性浇筑整体式的钢筋混凝土沉管隧道的难度越来越大，因此，隧道也由初期的整体式管节演变为节段式管节。

当同一管节的节段全部浇筑并养护完成后，通过预应力筋将节段连接成整体，并对预应力筋施加预应力，保证管节在运输过程中具有足够的刚度。当管节沉放到指定位置后，再将节段间的预应力筋松弛，使节段之间产生具有一定变形能力的柔性接头。

当隧道长度较大，施工周期较长时，管节沉放到指定位置后，若将节段间的预应力筋松弛，则节段之间在隧道完工前的很长一段时间里的相互约束很弱，且水下环境较为复杂，这对节段的安全性会产生极大的影响。武义凯，谢永利[2]在研究中发现，沉管受水土压力的作用，顶板和底板处混凝土受到很大的拉应力而产生拉伸破坏。对于隧道主体，可以在节段顶板和底板中配受拉钢筋增加结构的抗拉性能，然而对于节段间的接头位置，若拉应力过大，则会使接头产生一定的张开量，当接头产生的张开量超过止水片所能承受的范围时，隧道结构的防水性将遭到极大的挑战。另外，在沉管隧道抗震性能分析中也发现[3]，地震发生时，强烈的地震作用将影响隧道地基土体的稳定性，可能会造成接头处的拉伸破裂。因此，隧道节段间的柔性接头会成为沉管隧道抗震最薄弱的环节。同时，隧道所承受的剪力也将沿隧道纵向进行传递[4]，保证柔性接头在剪切作用下的安全性，并且将接头处的剪切变形控制在隧道防水性要求范围之内同样是保证隧道安全的重要问题。

为了改进接头的受力性能，在节段间接头处设置短的预应力筋从而改善隧道的受力性能和抗震性能[5,6]的方法曾被提出。随着工程技术的发展，在实践中采用了一种改进的沉管隧道节段接头。这种改进的沉管隧道节段接头是指管节沉放到指定位置后，不松弛节段间的预应力筋，使得节段间始终保持“紧压”状态。相比于整体式的沉管隧道，改进的节段接头使管节的刚度有所降低；相比于柔性接头，未松弛的预应力筋则增加了节段间的相互约束作用。

为了定性地了解这种改进的沉管隧道节段接头对隧道受力及变形性能的影响，本文采用有限元模型，以工程为背景，对节段间采用不同预应力大小的改进接头的沉管隧道结构进行了受力及变形分析，并将计算结果与节段间采用柔性接头的沉管隧道的计算结果进行了比较。

2 有限元模型的建立

彭海阔、孟光[8]等的对比分析和试验验证表明，采用板壳单元或实体单元模拟沉管隧道可以有效提高结果的准确性。本文采用ANSYS中的实体单元Solid185进行沉管隧道建模，隧道模型如图1，由5节长度均为22.5m的节段组成，并采用接触单元Targe170、Conta173模拟节段之间的相互接触。为模拟结构受力的最不利情况，建模时混凝土的重度均取最大重度；混凝土的力学性能指标均按28d龄期取值。

图1 隧道模型图

建模时土体深度取20m，长度超过隧道前后两端50m，宽度为150m超过隧道左右两侧约60m，采用实体单元Solid185进行建模。隧道底面和地基土顶面接触的部分采用接触单元Targe170、Conta173模拟隧道和地基土之间的相互接触。建模时采用线弹性材料模拟地基土，排除由于地基土物理力学性质较为复杂，以及材料非线性对结果造成的影响。虽然该情况为理想情况，但其仍具有分析研究的价值，可以完全排除土的不均匀性对结果的影响，通过对结构施加不同的预应力，充分体现改进接头对于沉管隧道受力及变形的影响。

沉管隧道所承受的荷载主要有：结构自重、上部回填土的压力、水的压力、隧道内压重混凝土的重力、波浪荷载、行车荷载等。由于波浪荷载、行车荷载在不同的水文条件和隧道使用情况下会产生较大变化，因此，在研究改进节段接头对沉管隧道受力及变形性能影响时，主要考虑隧道受恒载作用下的情况。根据资料，分别计算得到作用于隧道顶板、底板以及侧墙的荷载分别为：432000kPa、41940kPa、152040kPa。

本文采用在端部施加轴向力的方式模拟隧道结构所受的预应力。为探究改进接头刚度变化对结构受力及变形性能的影响，分别在隧道端部施加大小为0（模拟柔性接头）、200kPa、500kPa、800kPa 和 1000kPa 的预应力。 约束地基土底部所有节点不产生位移；隧道自身受回填土的约束不产生横向位移；约束1号节段自由面沿隧道纵向的位移。

模型建成后，分别对隧道施加不同大小的预应力，然后进行隧道结构在外荷载及预应力作用下的内力及变形的计算分析。

3 沉降分析

对不同大小预应力作用下隧道的沉降进行比较，研究改进接头对于沉管隧道沉降的影响。

如图2，为S1～S5节段平均沉降随预应力大小的变化曲线，从图中可以看出，随接头预应力的增加，节段的平均沉降有所增加，但增幅很小。地基土表面的竖向变形也反映了隧道的沉降情况，如图3所示，同样可以看出随预应力的增加隧道的沉降变化不大。

改进接头不会对沉管隧道的沉降产生大的不良影响，采用沿隧道截面施加1000kPa预应力的改进接头，沉管隧道沉降量比采用柔性接头的沉管隧道沉降量增加不到0.1mm，这种影响几乎可以忽略不计。

图2 隧道节段平均沉降随预应力变化曲线

4 接头张开量分析

对不同大小预应力作用下沉管隧道接头的张开量进行比较，研究改进接头对于接头防水性的影响。

图4为隧道纵向位移图，当采用柔性接头时，节段沿隧道纵向的位移虽然整体较小，但节段之间的纵向位移极不均匀，施加预应力后，虽然随着预应力的增大，节段的纵向位移有整体增大的趋势，但纵向位移在节段间的分布较柔性接头的情况更加均匀，接头处两个节段的相对位移有所减小。

在 1、2接头（S1，S2接头）处，取截面关键点的纵向平均位移作为截面纵向位移，将S1节段截面与S2节段截面的纵向位移差作为该接头张开量，作其随接头预应力的变化曲线，如图5所示。与柔性接头相比，施加预应力的改进接头可以明显减小接头张开量，保证了接头的防水性。但是随着预应力增大，接头张开量的减少程度逐渐降低。

采用柔性接头的隧道纵向位移（图4a）与采用改进接头的隧道纵向位移（图4b，4c，4d）差异较大，但是采用预应力大小不同的改进接头的隧道的纵向位移差异逐渐减小，当预应力大于500kPa后，隧道的纵向位移几乎不随预应力的增加而产生变化（图 4b，4c，4d，4e）。

图3 地基土竖向变形图

图4 隧道纵向位移图

5 不平衡剪力分析

除保证接头的防水性外，沉管隧道接头的安全性还受到相邻两节段不平衡剪力的影响，保证沉管隧道接头的抗剪性能也是保证接头安全的重要内容之一。对不同大小预应力作用下，隧道接头处的不平衡剪应力进行比较，研究改进接头对于沉管隧道接头处抗剪性能的影响。

在1、2接头处，取关键点的平均剪应力作为截面剪应力，将S1节段截面与S2节段截面剪应力的差作为接头不平衡剪应力，作其随接头预应力的变化曲线，如图6所示，可以看出1、2接头不平衡剪应力随预应力增加而呈近似线性减小。

图5 1、2接头张开量随预应力变化图

图6 1、2接头不平衡剪应力随预应力变化曲线

同时模型地基土为线弹性材料，因此，当1、2接头不平衡剪应力随预应力线性减小时，1、2接头的相对沉降也应随预应力的增加呈线性减小。在1、2接头处取关键点的平均沉降作为截面沉降，将S1节段截面与S2节段截面的沉降差作为1、2接头相对沉降，作其随接头预应力的变化曲线，如图7，由图可以论证上述推测及分析的正确性。

图7 1、2接头相对沉降随预应力变化曲线

6 结论

通过对有限元软件计算结果的分析和对比可以看出：

（1）相比柔性接头沉管隧道，采用改进接头的沉管隧道的沉降有所增加，且沉降增量随改进接头刚度的增大有所增大，但增幅极小；沿隧道截面预应力达到1000kPa的改进接头与柔性接头相比造成的隧道沉降增加不到0.1mm，几乎可以忽略不计。

（2）采用改进接头对于控制沉管隧道接头张开量具有积极作用，有利于提高隧道的防水性能。且接头张开量随改进接头刚度的增大而减小，但是当预应力达到一定数值后，接头张开量的减小程度逐渐降低，最终，接头的纵向张开量趋于定值。

（3）改进接头能有效减小沉管隧道接头的不平衡剪力，提高接头的抗剪性能。随着改进接头刚度的增大，接头不平衡剪力和由其引起的接头相对沉降均近似呈线性减小趋势。

本文定性地描述了改进的沉管隧道节段接头对于隧道沉降、接头张开量、接头不平衡剪力和接头相对沉降的影响及趋势，但是对于复杂不均匀的地基情况，以及定量的计算受到地基土性质、水文条件、隧道自身结构性质等多种复杂因素的相互影响，有待进一步深入研究分析。同时，本文主要着眼于静力长期荷载作用下改进接头对于沉管隧道的影响，在动力荷载及地震作用下的性能，仍有待进一步的分析研究。

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