城市过江隧道结构抗震设计研究与工程实践

2022-03-25罗明秋

现代交通技术 2022年1期

罗明秋，姜云

(1. 南京市公共工程建设中心，南京 210019； 2. 苏交科集团股份有限公司，南京 211112)

地下结构由于周边地层的约束，相较于地表建(构)筑物具有更加优异的抗震特性。在1995年之前，极少有地下结构在地震中受损的报道[1]。日本阪神大地震和我国汶川地震等强震出现后，地下结构抗震研究才逐渐在我国成为热点。

崔光耀等[2]针对汶川地震发生后震区内的公路隧道震害开展调研，总结隧道结构中不同位置的震害特征。王程等[3]依托苏通GIL综合管廊工程中大直径盾构隧道项目为研究背景，在土-隧道(内部结构)非线性模型的基础上，研究了地震作用下的隧道变形、管片峰值与张开量关系等规律。王国波等[4]针对管片错台条件下盾构隧道的抗震性能展开研究，分析了管片错台量和错台部位对其地震响应的影响。邵钰淇等[5]建立了动孔隙水压力条件下隧道纵向梁弹簧地震模型，研究地震动作用下跨海盾构隧道管片环缝防水特性。赵杰等[6]依托大连湾海底沉管隧道，在三维土层及隧道衬砌相互作用模型的基础上，开展地震P波斜入射时隧道结构的三维地震响应分析。李明达等[7]基于黏弹性边界，研究下伏岩溶条件下隧道的地震响应，获得隧道间距、洞径尺寸以及溶洞跨径比影响下的结构响应。许伟宏[8]对南京地铁4号线砂性地层隧道抗震特性进行了研究。

依托南京建宁西路过江隧道大直径盾构段以及两岸接线地下互通隧道工程，开展过江隧道地下结构抗震设计研究，研究成果可为相关工程提供参考。

1 工程概况

南京建宁西路过江隧道位于南京长江大桥和定淮门长江隧道之间，与上游定淮门长江隧道和下游长江大桥分别相距约1.8 km和2.4 km。线路总体方案示意如图1所示，整体线路起于江北大道与津浦铁路交叉口，主线采用高架桥方案，上跨江北大道并设置江北大道地面枢纽。此后线路沿铁路东侧向南，上跨浦珠路与津浦铁路后，沿兴浦路向东，于铁道学院范围内架设高架桥通过。此后采用隧道方案下穿规划横江大道，并设置江北地下互通1处，路线向东转并采用盾构方式穿越长江后沿建宁路向东设置江南地下互通1处。项目路线全长为6.801 km，于热河路和建宁西路交叉口接入同期建设的地下互通工程。

图1 线路总体方案示意

工程主线隧道涵盖江北敞开段、江北暗埋段、江北始发井、盾构段、江南接收井以及江南暗埋段等。共设置互通式立交3处、风塔2座、管理中心1座以及与本通道工程相关的地面辅路，过江隧道工程平面布置示意如图2所示。

图2 过江隧道工程平面布置示意(单位：m)

隧道过江段采用大直径盾构方案，外径为14.5 m、内径为13.3 m。采用强度等级为C60的通用楔形管片错缝拼装，管片宽为2 m，采用“1块封顶块+2块邻接块+7块标准块”的方式完成管片环的拼装。隧道横断面由车道板分为上中下3部分，上层空间为烟道层；中间空间为车行空间；下层空间为服务层空间。过江隧道盾构段横断面布置如图3所示。

图3 过江隧道盾构段横断面布置

江北隧道明挖段长度为705.218 m，包含敞口段100 m、光过渡段50 m、暗埋段534.408 m以及工作井20.81 m，采用T形地下互通的形式与被交道路相连。江南明挖段设计范围长度为470.022 m，均为暗埋段。

主线隧道明挖暗埋段采用横放的目字形断面，敞开段为U形槽结构，两边墙为设备的主要布置区域，混凝土强度等级为C40，过江隧道明挖暗埋段横断面布置如图4所示。

(a) 双向六车道明挖暗埋段隧道横断面

2 工程地质

2.1 区域地层

工程场地内第四系地层分布于长江河谷地带，其中全新统(Q4)和上更新统(Q3)地层以冲积类型为主。

岩性以粉质黏土、淤泥质粉质黏土以及粉细砂为主，区域内地层信息如表1所示。

表1 区域内地层信息

2.2 区域地质构造

南京地区大地构造位于扬子准地台下扬子台褶皱带南京坳陷，褶皱构造特征均呈NE-NEE向，在市区和长江河谷主要由J1-2以后、特别是K-N纪红层所组成的呈NE向和缓褶皱及断块。其他长江河谷向斜系白垩纪火山系岩和红层构成的一个北东50°～60°方向的和缓向斜，长江河谷向斜示意如图5所示。

图5 长江河谷向斜示意(单位：m)

近场区规模较大的断裂主要包含施官集断裂(F1)、南京-湖熟断裂(F2)、滁河断裂(F3)、江浦-六合断裂(F4)、幕府山-焦山断裂(F5)和方山-小丹阳断裂(F6)。该6条断裂均为第四纪中更新世或中更新世以前有过明显活动的断裂，尚未发现其在第四纪晚更新世以来有过明显活动。

经研究，近场区断裂构造不影响工程场地内的稳定性，远离场地范围内的断裂对于场地的影响可忽略不计。本工程场地范围内无全新活动断裂，工程附近属基本稳定区。

2.3 场地地震效应

根据相关规范，结构为乙类设防，工程场地设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10 g，设计地震分组为第一组，基本地震加速度反应谱特征周期为0.3 s[9-11]。工程拟建区域等效剪切波速Vse为127.83～208 m/s，结合沿线地形地貌，沿线场地分段评价如表2所示。

表2 沿线场地分段评价

3 隧道结构抗震分析与抗震措施

综合考虑计算精度和计算方法的适用性，本工程在进行抗震计算时采用反应位移法。抗震标准按照百年一遇、超越概率10%进行验算。

3.1 盾构段横断面抗震计算

3.1.1 计算条件

盾构隧道抗震分析采用均质圆环模型，用梁单元实现对管片的模拟。在梁单元周围施加温克勒地基弹簧，用于模拟地层对隧道的弹性抗力，弹簧系数依据隧道地勘资料加以确定，包括法向弹簧和切向弹簧。因为口型件以及烟道板等内部结构惯性力对分析结果影响较小，计算中仅考虑管片自重的影响。

结合自由场分析结果确定土层相对位移，并将计算结果施加于地层弹簧。参照规范中给定的方法计算结构与周围土层之间的作用力，施加于隧道结构。圆形隧道反应位移法计算模型[12]如图6所示。

图6 圆形隧道反应位移法计算模型

隧道盾构段计算断面情况如表3所示，选取具有代表性的断面进行盾构段的抗震分析，考虑因素包含覆土厚度、隧道埋深以及岩土占比等。

表3 隧道盾构段计算断面情况

3.1.2 计算结果

依据地质参数，施加地震波进行自由场分析，计算得到盾构隧道顶部和底部的土层位移时程曲线。盾构隧道断面1顶部和底部相对位移变化曲线如图7所示。根据计算结果，盾构隧道断面1～断面5位置顶部和底部土层最大相对位移分别为9.8 mm、5.5 mm、6.2 mm、6.3 mm和4.3 mm。

图7 盾构隧道断面1顶部和底部相对位移变化曲线

标准组合静力条件下盾构隧道断面1结构内力如图8所示，地震作用下盾构隧道断面1结构内力如图9所示。计算结果表明地震作用下，断面1最大弯矩为117 kN·m，最大轴力为55 kN，最大剪力为44 kN。盾构隧道静力及地震作用下结构内力计算结果如表4所示。

(a) 弯矩(单位：N·m) (b) 轴力(单位：N) (c) 剪力(单位：N)

表4 盾构隧道静力及地震作用下结构内力计算结果

与静力作用下荷载进行叠加计算，各断面中地震作用下的结构内力均小于相应的静力作用下的结构内力，其中占比最小的为地震作用下断面3的最大轴力仅占静力作用下结构最大轴力的0.39%；占比最大的为地震作用下断面4的最大弯矩，占相应静力作用下最大弯矩的96.34%。因此，依据静力计算结果进行盾构隧道结构配筋，可以满足抗震需要。

3.2 明挖段横断面抗震计算

3.2.1 计算条件

明挖段结构抗震计算，采用梁-弹簧模型模拟矩形隧道断面。根据自由场分析结果确定地基弹簧刚度、地层相对位移以及地层剪力，弹簧刚度参照工程地勘报告中给出的基床系数，计算中同样考虑结构自重的影响。矩形断面结构抗震分析计算模型[11]如图10所示。

图10 矩形断面结构抗震分析计算模型

土层相对位移计算公式如式(1)所示并施加于结构之上。

(1)

式中，umax为地表与基准面的相对最大位移，H为土层计算深度，z为深度，u(z)为地层弹簧水平位移。

结构剪力计算公式如式(2)所示进行施加。

(2)

式中，Gd为土层动剪切模量，τ(z)为结构剪力，其余符号同前。

根据隧道明挖段实际情况，选取2个断面进行结构抗震计算，隧道明挖段计算断面情况如表5所示。

表5 隧道明挖段计算断面情况

3.2.2 计算结果

根据自由场分析结果，计算矩形断面隧道顶部和底部的土层位移。隧道明挖段断面1顶部和底部相对位移时程曲线如图11所示，隧道明挖段断面1和断面2顶部和底部土层最大相对位移分别为27.0 mm和22.1 mm。

图11 隧道明挖段断面1顶部和底部相对位移时程曲线

标准组合静力条件下明挖段隧道断面1结构内力如图12所示，地震作用下明挖段隧道断面1结构内力如图13所示。

(a) 弯矩(单位：N·m)

(a) 弯矩(单位：kN·m)

计算结果表明，地震作用下明挖段隧道断面1的最大弯矩为263 kN·m，最大轴力为383 kN，最大剪力为127 kN。明挖段隧道静力及地震作用下结构内力计算结果如表6所示。与静力作用下荷载进行叠加计算，各断面中地震作用下的结构内力均小于相应的静力作用下的结构内力，其中占比最小的为地震作用下断面2的最大剪力，占相应静力作用下最大剪力的11.03%；占比最大的为地震作用下断面1的最大轴力，占相应静力作用下最大轴力的87.44%。因此，依据静力计算结果进行盾构隧道结构配筋，可以满足抗震的需要。

表6 明挖段隧道静力及地震作用下结构内力计算结果

3.3 隧道结构抗震措施

地震作用下，隧道等地下结构周围土层的变形是其结构响应的主要影响因素。地下结构地震破坏多发位置包含[1]：地层条件变化较大区域、结构断面形状和刚度明显变化位置、断层及软弱破碎带相交处。从理论角度分析，提高隧道结构抗震性能可从控制地基位移与提升结构自身抗震性能两方面入手。

3.3.1 控制地基位移

在路线选择阶段，避开断层和液化区域是提升隧道等地下结构抗震性能的有效手段。然而在工程中完全从抗震角度规划隧道线形不现实，因此可对隧道穿越地层进行局部处理，以达到地基控制的目的。

1) 软土震陷

隧址区RK6+640～终点以及LK6+570～终点范围内盾构隧道洞顶附近包含淤泥质粉质黏土夹粉砂软土层，可能发生震陷现象。隧道埋深综合考虑震陷影响，设计及施工过程中根据软土影响程度采用复合地基和刚性基础等加固处理方法。

2) 砂(粉)土液化

项目隧址区起点～RK6+000、起点～LK6+040、RK6+440～RK6+690以及LK6+460～ LK6+700分布有液化土层。其中在右岸深槽处，左右线各有长度约30 m的隧道拱部位于轻微-中等液化地层中，其他部位距离隧道洞顶较远，对隧道影响较小，右岸深槽处隧道与可液化土层位置关系如图14所示。

图14 右岸深槽处隧道与可液化土层位置关系

当不考虑地震工况下液化砂层的压重作用时，全线仅江南深槽处43.7 m范围内的区段存在洞顶非液化覆土厚度<3.0 m的情况，即地震工况下抗浮安全系数≥1.1所需要的覆土厚度。为加强该段管片的纵向连接，全环设置29个剪力销，其单支抗剪能力≥180 kN，盾构管片剪力销如图15所示。

图15 盾构管片剪力销(单位：mm)

3.3.2 提升结构自身抗震性能

1) 隧道盾构段

根据计算结果，隧道静力工况可满足隧道抗震要求。为提升盾构的抗震性能，采取相关措施吸收结构在地震作用下产生的位移，降低地震对隧道的损害。主要措施包含：①在工作井与盾构连接处及纵向荷载和下卧层刚度急剧变化处设置变形缝，增加结构的协调变形能力。②在环缝处设置传力衬垫、在沉降缝处增设剪力销和增加纵向螺栓长度等。③适当增加三元乙丙橡胶弹性密封垫厚度，螺栓孔密封垫圈采用可更换的遇水膨胀橡胶密封圈。

2) 隧道明挖暗埋段

隧道明挖暗埋段配筋依据静力计算结果，采取构造措施满足结构抗震要求。纵向HRB400E抗震钢筋应符合：钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值应≥1.25；钢筋的屈服强度实测值与屈服强度标准值的比值应≤1.30；钢筋最大拉力下的总伸长率应≥9%；钢筋的强度标准值应具有≥95%的保证率。受拉钢筋抗震锚固长度应满足：①对于顶板、底板、侧墙、中墙及其他内部构件，当钢筋直径d≤25 mm时，锚固长度取34d；当d>25 mm，锚固长度取38d；②HPB300受拉钢筋末端应做180°弯钩，弯钩末端直线段长度应≥10d，d为钢筋直径。