堰筑隧道结构设计关键技术探讨

孙统立,方忠强

(华设设计集团股份有限公司,南京 210014;水下隧道智能设计、建造与养护技术与装备交通运输行业研发中心,南京 210014)

水下隧道与桥梁相比,具有抵抗恶劣气候条件能力强、对水域景观影响小以及不干扰航道等特点。近年来随着我国城镇化建设的发展,跨江越海隧道工程日益增多,水下隧道得到广泛应用[1-2]。

水下隧道工法通常包含堰筑法、钻爆法、盾构法以及沉管法。安全可靠、经济合理的工法须根据水文地质条件、功能需求以及环保要求等选用,以谋求更大经济、技术、环境和社会效益[3]。堰筑法因其适用于浅水域、埋深小、对周边环境影响小、土地使用矛盾小、施工简单快捷且经济安全等特点多被选用。

国内对堰筑隧道结构设计进行分析的文献较少,王树英等[4]结合合肥方兴湖隧道,采用现场监测法研究结构受力随施工工序的变化情况。金丰年等[5]依托南京玄武湖隧道选取典型截面进行人防动力计算分析。王霆等[6]对苏州独墅湖隧道进行现场测试与有限元分析,通过实测值与理论值比较,分析结构可能存在渗漏等薄弱环节。

堰筑隧道施工工艺虽然相对简单,但水下隧道施工风险大且工序繁杂,结构设计中仍存在研究难题,尤其是近年来堰筑隧道工程受各种环境条件制约,不断朝着大埋深、大跨度和长距离的方向发展,其结构设计问题突出。

研究结合堰筑隧道工程案例,对其结构设计进行分析,提出“折板拱+仰拱”的组合断面形式。以某堰筑隧道工程为例,结合计算进行隧道结构断面形式比选,为类似隧道断面设计提供参考。

1 工程特点及案例

堰筑隧道适用于水深较小的内陆湖泊或内海,修筑围堰后采用明挖法修建隧道。其工程特点主要为:①所穿越水域通常为环境敏感区,环保要求高;②隧道位于软土地层,水文地质条件复杂;③隧道规模大,防灾救援要求高;④隧道通常下穿防洪堤和航道等,具有高水头、大埋深等特点;⑤围堰施工分期须结合环评、洪评、供水、航运等要求综合确定;⑥应考虑隧道运营对洞口环境影响;⑦隧道运营须设置安全保护区和特别禁锚区。

国内已建堰筑隧道案例及结构特点[3-7]如表1所示。

表1 国内已建堰筑隧道案例及结构特点

根据案例分析,堰筑隧道结构断面通常采用框架结构或两孔一管廊断面。隧道结构顶板常采用矩形平板结构或折板拱结构,以矩形平板结构居多,“折板拱+仰拱”的组合断面形式尚无应用。对于大跨度、大埋深隧道断面,折板拱结构顶板厚度小于平板厚度,可考虑采用该结构形式。

2 隧道结构断面形式比选

2.1 减小堰筑隧道埋深的措施

堰筑隧道总体布置应根据工程影响区域的交通、航道、岸线、防洪和城市规划等方面要求确定,对工程筹划、平纵面布置、横断面布置、洞口位置、两端接线以及运营管理设施等进行综合分析[8]。

合理的隧道纵断面设计是减小隧道埋深的有效措施。隧道纵断面设计应综合考虑规划航道、河床冲淤、结构抗浮及沉船、抛锚等要求,并结合河床地形和地质条件最终确定。一般情况下,隧道顶部覆土厚度为1～2 m。隧道纵断面通常设计为U 形、V 形或W 形,长大隧道有条件时优先选用W 形纵坡,该形式对减小隧道结构埋深作用明显。

2.2 隧道结构断面形式

对于高水头深埋大跨隧道,其断面结构通常有以下几种形式。

2.2.1 平板结构

通过增加板厚以抵抗结构跨度,结构弯矩非常大,顶、底板厚度达到或超过1.8 m 且配筋较大[5-6]。大体积混凝土结构的温度应力及裂缝控制十分严格,须从经济、技术等层面综合考虑,平板结构断面形式如图1 所示。

2.2.2 折板拱结构

对于高水头深埋大跨隧道结构,提出“折板拱+仰拱”的组合断面形式。顶板采用折板拱结构,既可减少顶板覆土,又可减小结构计算跨度。根据隧道覆土厚度不同,结构纵向可分段采用不同的起拱高度。受结构跨度及地下水压力影响,隧道结构底板通常成为受力的控制截面,可考虑采用暗挖隧道的仰拱形式,以减少结构内力及板厚,深埋大跨结构断面形式如图2 所示。

2.2.3 型钢密肋梁结构

为减少顶、底板的截面尺寸,节约钢筋混凝土用量,可采用梁板结构形式。为提高结构刚度、减小截面尺寸,可采用型钢组合梁形式。如苏州火车站北广场地下一层中央通道净跨达25.2 m,即采用型钢密肋梁结构形式[9]。

2.2.4 预应力密肋梁结构

由于预应力混凝土结构施工工艺复杂、施工要求高、设计计算烦琐且地下结构较难满足预应力张拉工艺的施工要求,因此地下结构采用预应力的案例较少。

北京地铁亦庄线宋家庄站至肖村桥站明挖区间结构净宽为15 m,采用预应力密排框架箱形结构和内张拉预应力技术[10]。

深埋大跨结构处理方案比较如表2 所示。

表2 深埋大跨结构处理方案比较

平板结构施工便捷,但对深埋大跨隧道存在结构尺寸大、大体积混凝土浇筑困难、易产生温度裂缝以及经济效益差等问题。折板拱结构受力较好、施工方便。型钢密肋梁及预应力密肋梁结构承载能力强但施工工艺较复杂。隧道结构断面形式的比选应根据建设条件、受力要求以及经济性等综合分析确定。

3 工程应用

某堰筑隧道穿越厦门南港海海域,隧道全长2 060 m,隧道内为双向八车道城市快速路。路线采用V 形坡,航道段隧道顶部覆土厚度控制在2 m,非航道段控制在1 m,以满足沉船、抛锚等不利因素的影响。

该隧道工程特点[11]为:①结构跨度大,隧道主线净跨为16.3 m,主匝道分合流处净跨为25 m,为当时最大跨度水下隧道;②承受荷载大,隧道下穿南港海海域,受规划航道-6.0 m 标高控制,隧道埋深较大,作用在隧道顶板上的最大水头达13.4 m,隧道在两端下穿防洪大堤处覆土厚度达9.6 m;③大体积混凝土浇筑,隧道主体结构最大板厚达1.8 m,属于大体积混凝土结构,温控防裂问题突出。

结构设计关键技术及对策为:

(1) 针对高水头深埋大跨隧道结构,提出主匝道分合流处顶、底板采用“折板拱+仰拱”的组合断面形式。通过优化结构断面形式,有效减小结构断面尺寸,降低工程造价及施工难度。

结构计算采用荷载-结构模型,结构板墙采用梁单元,地层与结构作用采用土弹簧模拟。采用平板结构及折板拱结构的计算轴力和弯矩图,平板结构计算结果如图3 所示、折板拱结构计算结果图4所示。平板结构与折板拱结构内力对比如表3所示。

表3 平板结构与折板拱结构内力对比

平板结构内净空高度为6 m,折板拱结构为9.5 m,折板拱与平板顶板跨中最大弯矩比为0.52,折板拱与平板顶板跨中轴力比为1.4,折板拱与平板混凝土体积比为0.63。如通过加大隧道截面尺寸来承担荷载,顶底板厚度将达3 m 且配筋较大。采用“折板拱+仰拱”的组合断面形式,顶、底板和侧墙厚度约为1.8 m,可满足强度及裂缝宽度要求。

平板结构易导致结构板厚急剧增加,大体积混凝土施工难度大、造价高,考虑净空要求、结构受力、施工便捷性以及工程投资等因素,应优先采用折板拱结构。设计时根据隧道顶部覆土厚度不同,可设置不同的起拱高度,分别采用浅拱、中拱和深拱断面。

须特别注意的是,侧墙起拱处内力值会有所增大,该处结构截面应进行加强处理并核算是否满足抗剪要求。

(2) 针对大体积混凝土结构温控防裂问题,主要从控制水化升温、延缓降温速度、减少混凝土收缩、提高混凝土的极限拉伸强度、改善约束条件和设计构造等方面采取措施[11],比如掺入混凝土外加剂、设置施工缝或变形缝、预埋循环冷却水管等措施。

4 结论

堰筑隧道适用于浅水域、浅覆土地层,因其施工便捷且经济安全而被优先选用。

(1) 根据计算结果,“折板拱+仰拱”组合断面形式与矩形平板结构相比,能有效减小结构板厚,节约工程造价,在深埋大跨隧道结构中具有一定优势。设计中应综合考虑总体布置、结构受力、施工便捷性以及工程投资等因素,确定合理的隧道结构断面形式。

(2) 当结构覆土厚度h≤2 m 时,通常可采用平板结构以减小路线埋深,节约工程造价;当顶板覆土厚度h>2 m 时,根据结构设计需要,顶板可采用折板拱结构或空箱结构。在主匝道分合流处,当底板受跨度及水压力影响成为结构内力控制断面时,可考虑采用“折板拱+仰拱”的组合断面形式。

(3) 该新型组合断面形式较复杂,尚存进一步优化空间,存在如底板采用仰拱形式、仰拱曲率施工难以控制、底部抗拔桩与仰拱连接施工难度大、折板拱顶部存在凹槽对结构防水不利等问题。