0 引言
近年来,随着经济的高速发展,隧道被广泛应用于交通、市政等各类基础设施建设中。 其中,沉管隧道具有埋深浅、断面布置形式灵活、地质条件适应能力强、两岸接线距离短、对岸线环境影响小、工程造价低等优点; 同时,还具有便于后期运营使用的优势,已被广泛应用为一种可越江跨海的现代大型水下隧道。 2021年 12 月 9 日,国务院印发《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》,提出“到 2025 年,综合交通运输基本实现一体化融合发展,智能化、绿色化取得实质性突破”,要求“有序建设各种运输方式共享通道资源的越江跨海通道”,展望“2035 年基本建成交通强国”。 因此,亟待更科学、高效、经济的技术工艺和计算理论指导高速发展的沉管隧道建设。
1894 年,美国波士顿成功修建了首条沉管输水管线;其后,1910 年,在底特律河修建了世界上第一条用于铁路交通的沉管隧道。 目前,沉管隧道工法已广泛应用于世界各地,已建、在建的沉管隧道达上百座。1942 年,荷兰在欧洲修建了鹿特丹的 Maas 水下公路隧道,采用箱式矩形断面的钢筋混凝土结构,并逐步成为主流结构型式;1944 年,日本在亚洲修建了大阪阿吉河水下隧道,采用了美式的单层钢壳结构;1972 年,中国香港修建了跨越维多利亚港的红磡道路海底隧道,采用了双圆形断面的钢壳钢筋混凝土复合结构;1993 年,中国大陆修建了广州珠江隧道,采用了矩形三孔断面。 目前,沉管隧道不断涌现并应用于中国的隧道工程中,诸如上海外环隧道、广州仑头—生物岛隧道、港珠澳大桥沉管隧道、深中通道沉管隧道、大连湾海底隧道等。
近年来一些公开报道的监测数据显示,实际量测的沉管隧道沉降值远远高于预测值。 总沉降量最大为 450 mm,平均值为 108 mm。 过大的沉降量容易导致管节开裂、渗漏等病害,严重威胁沉管隧道的使用安全和运营寿命。 无论是施工期沉降还是运营期沉降,大部分均与地基土层的压缩(固结)变形有关。 此外,接头是沉管隧道区别于其他隧道的结构特性,显著影响沉管隧道的纵向变形响应机制。 最初,沉管隧道管节之间采用现浇钢筋混凝土连接,称为刚性接头。随后,为了控制热效应和混凝土收缩所引起的裂缝,采用接头连接的节段管节于 1966 年被引入鹿特丹地铁隧道,著名案例包括荷兰的 Hemspoor 隧道、德国的Ems 隧道、丹麦和瑞典之间的 Øresund 隧道以及韩国的釜山—巨济隧道等。 随之发展的柔性接头主要由剪力键、GINA 与 OMEGA 止水带等构件组成。 与刚性接头相比,柔性接头的刚度较低,能够协调由混凝土收缩、温差、地层刚度不均、淤积、地震、落锚等因素产生的附加荷载。 随着接头工艺的不断发展,新型接头工艺也开始被应用到实际工程当中,影响沉管隧道管节间的变形协调。 因而,在隧道结构或基础出现不均匀沉降时,预制推出式最终接头的变形协调和适应性是亟待研究问题。
本文首先对沉管隧道建设的发展及沉管隧道接头的特征进行总结;其次,通过试验研究、数值模拟和理论解析 3 个方面论述目前关于基础不均匀沉降诱发沉管隧道变形研究的进展,研究成果在一定程度上反映了目前沉管隧道在控制变形方面设计和分析的发展水平;最后,在此基础上,总结现有研究的不足,以期为未来研究提供参考。
1 沉管隧道接头结构型式发展
如今,随着技术的发展,可按功能、刚度、材料类型及作业环境将沉管隧道接头分 3 类: 1) 依据受力特点与赋予的功能定位,可分为常规接头和最终接头;2)依据接头刚度与管节本体接近程度,可分为刚性接头、柔性接头、准刚性接头或假刚性接头;3) 依据使用的材料种类,可分为钢筋混凝土、钢构件和钢-混凝土组合结构等。 以下将从常规接头和最终接头 2 种主要接头型式对沉管隧道接头的发展进行介绍。
1. 1 常规接头型式
常规接头包括 2 种结构形式: 管节接头和节段接头。 管节接头主要包括竖向剪力键、水平剪力键、GINA 止水带、Ω 止水带、剪力键垫层及端钢壳等部件。 与管节接头相比,节段接头主要由竖向剪力键、水平剪力键、Ω 止水带、可注浆式止水带、预应力钢拉索组成,不需要设置 GINA 止水带。 值得注意的是,港珠澳大桥沉管隧道沿纵向划分为 33 段管节,将每个管节的纵向临时预应力保留为永久预应力,形成半刚性接头。 与柔性接头相比,半刚性接头的刚度较高,对沉管隧道抵抗变形的贡献更大。
1. 2 最终接头型式
沉管隧道最后 1 节沉放的管节的端面连接处被称为最终接头,其不确定性因素比较多,决定着整个隧道的防水质量与安全稳定。 最终接头按不同作业环境分为水下最终接头和干地最终接头,按不同浇筑方式可分为现浇最终接头和预制最终接头。 国内外沉管隧道最终接头型式施工工艺如表 1 所示。
表 1 国内外沉管隧道最终接头型式施工工艺
我国 20 世纪修建的沉管隧道常采用干地接头施工,近期完工或在建的沉管隧道大多采用现浇最终接头。 沉管隧道最终接头主要工法如图 1 所示。 随着技术发展,以沉管隧道修建数量首屈一指的日本为例,上世纪末随着大量沉管隧道的建设,总结出包含端部块体工法、预制Ⅴ型块体工法和预制“Key”管节工法在内的一系列最终接头预制新工法。 港珠澳大桥沉管隧道便是在预制Ⅴ型块体工法的基础上加以研发,形成了开创性的整体吊装可逆式主动止水楔形接头,如图 2 所示。 在建的大连湾海底隧道、深中通道、广州核心区隧道群之临江大道—阅江路过江内河沉管隧道均拟采用水下预制推出式最终接头,如图 3 所示。 预制推出式沉管隧道最终接头与扩大套筒结构采用后浇混凝土连接,且扩大套筒结构的截面尺寸略大于常规管节,隧道纵向刚度力学特性存在差异。
图 1 沉管隧道最终接头主要工法
图 2 港珠澳大桥沉管隧道最终接头
图 3 预制推出式最终接头施工工艺
不断发展和改进接头型式有助于提高施工效率。然而,研究表明,无论是常规接头还是最终接头,都是沉管隧道中最薄弱且非常关键的环节。 随着新型接头工艺的出现,接头的结构与刚度发生了显著变化,将进一步影响沉管隧道纵向变形协调特性。 截至目前,尚未有关于预制推出式最终接头沉管隧道变形沉降的研究成果,对其服役期安全稳定性能缺乏系统、深入的认识。
2 沉管隧道变形响应机理研究
根据国内外 19 条沉管隧道的不完全统计,沉降均超过了 50 mm。 其中,我国上海外环沉管隧道管节两端的最大沉降差达到 245 mm;宁波甬江隧道因不均匀沉降导 致 结 构 裂 缝、 渗 漏; 美 国 德 克 萨 斯 州 的Baytown 隧道,建成后 7 年后,沉降达到 450 mm,导致修补后反复渗漏,造成严重经济损失;美国弗吉尼亚州 Hampton 第 2 条公路隧道最大沉降量 250 mm,沉降原因与基础层调整、压缩有关;比利时安特卫普Kennedy 隧道最大沉降量为 186 mm,首尾最大沉降差为 84 mm,主要原因是基槽回弹再压缩和回淤;沉降原因与 Kennedy 隧道类似的加拿大温哥华 DeasIsland隧道,最 大 沉 降 量 为 100 mm, 首 尾 最 大 沉 降 差 为55 mm。
目前,导致沉管隧道发生不均匀沉降的主要原因有 2 方面: 一方面是由于基础垫层的不均匀沉降或回淤导致;另一方面是由于沉管隧道自身的力学特性,特别是接头刚度导致。 接头刚度主要影响外荷载沿沉管隧道纵向方向的传递能力,荷载传递能力不足将导致沉管隧道变形与基础沉降不协调,最终造成沉管隧道发生差异变形。 针对基础垫层不均匀沉降对沉管隧道变形特性的影响,众多学者采用物理模型试验、数值模拟和理论解析公式展开了一系列研究。
2. 1 试验研究
了解基础垫层的承载变形特性对分析沉管隧道沉降变形至关重要,岳夏冰等[10]采用离心机试验揭示了沉管隧道中垫层、沉管隧道及地基相互作用的机制。淤积荷载亦是影响沉管隧道变形的重要因素,魏纲等通过模型试验发现回淤会影响砂石对整体压缩模量的贡献,增加基础层的压缩量。 由于过度淤积会增加沉管垫层的淤积含量,选择隧道垫层既要考虑基础的平整度,又要保证垫层容纳淤泥的能力。 因此,采用组合垫层的方式也在引起重视。 例如,平整的二片石可以减少沟槽淤积的影响,有利于清除表面的淤泥。 Chen 等[13]通过室内物理模型试验,研究了二片石与碎石组合垫层的力学特性;李建宇等发现基础沉降主要来自组合基床中的碎石垫层和复合地基,提出应控制垫层厚度以减少沉降;付佰勇等发现增加振密块石层可以增加垫层的抗变形能力。 另外,组合垫层的应用应当结合地基处理方式,为此,席俊杰和李进等研究了在深中通道采用碎石垫层+块石振密+深层水泥搅拌桩处理软弱地基的可行性,发现增加块石厚度可满足振密效果并降低对搅拌桩的影响;罗昌武等亦发现了类似的结果,并系统研究了块石抛填振密施工关键参数。
此外,在不均匀沉降作用下,沉管隧道接头会产生横向变形和内力,过大的变形和内力均会使接头剪力键产生结构性破坏。 日本 Sakishima 沉管隧道首次采用了带有剪力键的 V 型箱体最终接头,并进行了抗剪承载力试验。 胡指南等开展一系列大型沉管隧道模型试验,分析了地基不均匀沉降下剪力键受力规律,并提出沉管隧道节段允许纵向与横向差异沉降值分别为 11. 5 mm 和 11. 1 mm,沉管隧道沉降平台分段节点模型试验如图 4 所示。
图 4 沉管隧道沉降平台分段节点模型试验
采用接头刚度模型验证设计和计算分析的思路,萧文浩等通过大型压弯性能试验研究了沉管隧道管节接头的轴向和弯曲力学性能;袁勇等提出了可测试接头压剪承载力和破坏模式的试验方案,以更好地模拟沉管隧道接头构造特点;Kasper 等通过参数化分析给出了按剪力键应力 95%特征分位数确定其承载能力的概率设计方法。 然而,上述试验结果尚未形成关于剪力键的理论指导,缺乏关键的设计标准。此外,传统的普通混凝土剪力键韧性较差,如图 5 所示。 Li 等进一步采用直接剪切、四点弯曲等多种试验,提出适用于浇筑剪力键的纤维类型。 Lin 等 开发了一种剪力键记忆支座(见图 6),通过比较剪力键的承载能力与传递的剪切力,从而引导超载的力通过隧道结构传递至基础,保护剪力键免受损坏。
图 5 不同混合纤维混凝土强度的提高率
以上试验结果表明,剪力键是沉管隧道抵抗不均匀沉降等作用的主要构件,因此剪力键抵抗剪切变形的能力决定了沉管隧道的稳定性。 然而,目前关于剪力键的设计大多以建议的形式提出,还没有形成统一的标准,应当从剪力键的材料、结构、设计等方面进行深入研究与探讨,最终形成理论设计指导。 值得一提的是,基础垫层和接头刚度是影响沉管隧道受荷变形力学机制的 2 个重要因素。 其中接头刚度是预制推出式最终接头沉管隧道区别于常规沉管隧道的显著特点,目前缺乏此方面的试验研究。
图 6 剪力键记忆支座
2. 2 数值模拟
在数值模拟方面,谢雄耀等[28]对宁波甬江沉管隧道开展了长期沉降监测数据及有限元分析,结果表明地层条件的变化是影响沉管隧道不均匀沉降的主要因素,其中淤积对隧道长期沉降影响显著。 丁文其等以港珠澳大桥沉管隧道为研究对象,通过有限元数值模拟得出结果,20 m 的回淤土荷载可引起 96 mm 的最大沉降增量。简而言之,基础垫层承载能力下降、地基土层变形或回淤的影响,均可能导致沉管隧道发生显著变形。 此外,基础垫层刚度分布不均也是沉管隧道发生变形的重要原因。胡指南等采用 ANSYS 软件进行三维数值模拟,研究沉管节段在纵、横向地基不均匀沉降与回淤荷载作用下的变形特性,发现在弯曲与扭转工况中竖向剪力键起主要作用。 赵天驰等[以广州如意坊沉管隧道为研究对象开展有限元数值模拟分析,发现不均匀地基会导致隧道接头发生变形,其中地基刚度差异明显的两段相邻管节接头处的变形最大,如图 7 所示。
图 7 如意坊沉管隧道有限元计算地层模式竖向位移云图(单位: m)
刚性(整体式)和柔性(节段式)是沉管隧道较常用的 2 种管节型式。 在分析沉管隧道结构承载受力时,按柔性接头与管节本体的刚度比取值。 为满足复杂地质条件和复杂应力状态要求,港珠澳大桥沉管隧道创新性地提出了半刚性接头。 耿伟光等通过有限元数值模拟分析指出,与柔性接头相比,虽然半刚性接头可以有效减少沉管隧道接头的张开量,但隧道整体沉降比较明显,且沉降增量与接头刚度的呈正比。进一步,周舟等发现施加预应力锚索的半刚性接头能提高管节整体刚度,减小地基不均匀引起的差异沉降。 Song 等和 Niu 等亦指出了相同的研究结论。
沉管隧道接头结构部件多而复杂,需要对其进行精细化模拟以研究受力机制,如图 8 所示。 胡指南等对节段接头剪力键受力特征及破坏状态进行了数值模拟分析,指出应避免在端角处使用倒角设计,避免剪力键局部应力集中。 由于接头构件繁杂,李瀚源等进一步考虑接头剪力键弹簧垫层的作用,建立了管节接头的三维精细化力学模型,发现剪力键弹簧垫层基本不影响接头的转动。 刘正根等建立了考虑接头 GINA 止水带和管节混凝土非线性接触的计算模型,发现接触应力在顶板、底板和侧壁分布较均匀,在转角部位易集中。
图 8 如意坊沉管隧道边墙混凝土剪力键精细化模型
然而,沉管隧道数值模拟分析的关键在于: 模型本身是否能够反映管节接头在实际工作条件下的受力与变形,在这方面国内外尚无成熟的方法。 此外,沉管隧道的管节接头设计除满足抗剪承载力要求之外,还应重点关注接头的张开量。 接头张开量超过设计允许值,接头漏水的风险就会加大。 因此,接头张开量的评估分析在沉管隧道的研究中特别重要。 接头张开量分析应综合考虑管节在运营期由于温度降低导致的混凝土结构收缩、节段地基刚度差异、荷载差异等诸多因素的影响,而有限元精细化模拟是开展此项研究的重要手段。
2. 3 理论解析
在早期的沉管隧道理论解析中,一般将刚性接头等效成刚接,将柔性或半柔半刚性接头等效成铰接,由此忽略了柔性接头的抗弯和剪切刚度。 魏纲等提出不约束接头两端的竖向位移,实现弯矩的传递,因此采用定向支座模拟半柔半刚性接头,但结果表明接头两端竖向位移差偏大,如图 9 所示。 禹海涛等采用4 只受压弹簧模拟 GINA 止水带,推导了接头刚度的解析计算模型(如图 10 所示),但未充分考虑其他接头构件刚度的贡献。 在沉管隧道受力分析过程中,接头刚度是表征计算方法最重要的参数。 然而,目前尚无成熟的标准或公式可用于接头刚度的取值,主要是通过经验参数估计或三维数值模型计算得到。
以上计算方法虽然可以简化计算过程,但缺乏理论依据和依赖于计算参数,且沉管隧道接头构件数量多且构造复杂,简化计算难以准确地计算接头的力学性能,存在较大误差。 例如,将接头模型假定为铰接或半铰接,导致接头处的竖向差异沉降只能为 0。 但在实际工程中,沉管隧道的接头位置不仅存在差异沉降,而且对接头刚度和沉降也有重要影响。
图 9 沉管隧道计算模型
图 10 接头结构力学分析模型
为建立合理的沉管隧道接头力学模型及解析表达式,刘鹏等基于沉管隧道管节接头的构造特征,建立了考虑工作状态下用剪切弹簧、切向弹簧组成的组合弹簧计算模型,综合考虑沉管隧道在不同自由度方向上的结构性能,计算管节和接头的内力与变形。 禹海涛等[41] 的解析计算模型考虑了 GINA 止水带压缩特性、GINA 止水带位置、偏心距等对刚度的影响,提高了应用范围,如图 11 所示。
式(2)—(7) 中: kG1 、kG2 、kG3 和 kG4 分别为顶、底板和侧墙处 GINA 止水带产生相应压缩量所对应的刚度;a、b、c、d 分别为弹簧 KA、KB 、KC 、KD 到中性轴的距离(如图 10 所示),由断面中性轴和 GINA 布置的相对位置来确定。
图 11 不同 GINA 压缩特性对接头刚度的影响
此外,土-隧道之间的相互作用不容忽视,而地基模型的选取是关键。 目前,较多研究采用弹性地基梁法,假定地基为 Winkler 模型。 宁茂权将管节沉放对接阶段结构纵向分析分为 2 种工况: 管节沉放对接后至基础整平前按照简支梁计算;管节基础整平后按照弹性地基梁计算。 然而,宁茂权未考虑管节沉放对接后对相邻管节的影响,而在实际施工中沉放对接与基础处理是交替进行的,如果按照单一的简支梁模型或弹性地基梁模型进行分析并不合理。 进一步,传统的 Winkler 地基模型中采用固定的地基弹性抗力系数 K 分析计算结果显然忽略了时间效应,即软弱地基土层沉降量与时间有关。 魏纲等假定地基模型为 Winkler 地基模型,考虑软土排水固结的影响,充分考虑地基弹性抗力系数 K 与时间的关系,采用定向支座结合剪切弹簧对接头进行模拟,对管节沉放对接阶段结构纵向内力与变形进行计算。
综上所述,由于沉管隧道接头构件数量多且构造复杂,计算模型的简化是常用方式,然而简化后的计算模型无法全面表征实际接头的各项性能,导致接头模型的计算分析结果均不是十分合理,难以获得可靠的结构受力特征。 因此,亟需改进管节接头模型和受力计算方法。
3 未来研究方向
本文从模型试验、数值模拟和理论解析 3 个方面总结了沉管隧道变形机制的研究进展,目前已经取得较多研究成果。 然而,随着城市空间的深入发展,工艺技术的推陈出新,在现有研究成果上,沉管隧道的研究应重点关注接头精细化模拟以及新型接头刚度差异所导致的变形计算理论;此外,不良地质条件是基础不均匀沉降的主要诱因。 因此,需要继续关注不良地质条件下沉管隧道病害机制及防控技术研究的方法,揭示不良地质条件下沉管隧道变形的诱发机制与结构病害破坏模式,提升沉管隧道全寿命安全的保障能力,具体可关注以下 2 方面。
3. 1 沉管隧道新型接头模型的精细化模拟与计算模型构建
目前对于接头模型的模拟和数学模型的构建,仍以较多简化假定为主。 接头刚度计算不准确将影响荷载沿沉管隧道纵向的传递能力,未能完全真实反映沉管隧道的受荷变形机制,导致计算分析结果与实际工程存在差异。 此外,目前的数值模拟方法多采用单一尺度的有限元分析,随着计算方法的发展,以有限元结合其它先进计算方法的分析,可以为精细化分析具有繁杂部件的接头乃至隧道结构在复杂条件下的变形响应提供新的研究思路。
随着新型接头工艺的发展,接头刚度的不同是否显著影响了沉管隧道的纵向变形计算,简化的计算模型是否仍然适用,应予以考虑。 例如,由于预制推出式最终接头沉管隧道的特殊技术工艺,接头刚度与常规工法存在较大差异,现有研究成果并不完全适用。 因此,预制推出式最终接头沉管隧道接头刚度导致的纵向刚度差异对沉管隧道纵向变形的影响亟需明确,研究其计算理论对科学设计具有重要的现实意义。
3. 2 深厚高回淤软土地基沉管-基础垫层-地基的相互作用机制
深厚高回淤软土场地基底淤泥较多、回淤严重,易诱发基础垫层不均匀沉降。 此外,在水动力作用下存在清淤-回淤的反复荷载作用,由于水下工作环境复杂,应重点关注研究施工荷载、潮汐荷载、交通荷载、淤积荷载、水位升降等引起的沉管隧道沉降,应当综合分析多荷载多场耦合作用下沉管隧道沉降的原因,多场耦合分析方法可为进一步明晰沉管隧道-垫层-地基相互作用机制提供研究手段,是未来重点突破方向。此外,深厚高回淤软土场地分布广泛的软土层,不仅经受卸荷-回弹-再压缩等循环荷载,且固结过程历时较长,具有时变性,导致地基变形过程极其复杂,应当进一步建立地基固结模型以考虑时间效应的影响。
除此之外,深厚高回淤软土场地已开挖基槽中存在大量回淤,如何合理预测清淤-反复回淤与基础不均匀沉降作用对沉管隧道变形的影响尤为重要,是沉管隧道设计和建设中需要着重解决的问题,需提出深厚高回淤软土地基的沉管隧道受力计算方法,进而提高沉管隧道的安全稳定性。
4 结论与建议
随着一系列沉管隧道建设关键技术的不断创新与完善,沉管隧道在设计理论、施工工艺和配套工程等方面均取得了较大突破。 沉管隧道正得到全世界越来越多的重视和应用,并逐渐成为修建越江跨海通道的主要工程方案之一。
本文在总结沉管隧道的技术发展基础上,从模型试验、数值模拟和理论解析 3 个方面归纳分析国内外关于基础垫层沉降引起沉管隧道变形的研究现状,总结概括了接头刚度与基础不均匀沉降对沉管隧道沉降及病害的影响的研究进展。
然而,在接头精细化模型以及复杂地质条件下沉管隧道全寿命分析的研究尚存在不足,单一尺度的数值分析以及缺乏考虑复杂地质条件下多种荷载和全寿命周期地基变形时变性的研究,无法真实反映沉管隧道的力学响应特征。
下一步,建议在有限元的研究基础上开展多场多尺度的精细化耦合分析,针对复杂地基特性和环境特性提出考虑地基随循环荷载-时间变化的沉管隧道受力变形分析方法。