王新荣

(中铁二十二局集团第三工程有限公司 福建厦门 361000)

1 绪论

随着我国经济的发展及城镇化水平的提高，越来越多的城市采用城市地下综合管廊结构将各类市政管线统一规划设计，从而在充分利用地下空间资源的同时有效减少市政管道在地面所占空间。对于过江跨海的地下综合管廊，其设计施工中的结构安全性问题也越来越重要。相较于常规的地下市政管廊，除了需额外考虑上覆水荷载以外，海底管廊上覆土层深浅埋判定和围岩压力计算方法的确定同样需要引起足够的重视。

目前，国内学者对隧道围岩压力的确定和隧道结构安全性方面的研究取得了众多成果。李鹏飞等[1]对隧道埋深和隧道跨度等因素对围岩压力计算结果的影响进行研究，并对比分析各围岩压力计算方法的优缺点及适用范围。钟小春等[2]建立了一种管片土压力反演分析方法以解决目前盾构隧道围岩压力理论计算与实际受力差异较大的问题。王明年等[3]通过现场监测和数理分析等方法，分析了围岩级别、隧道跨度、隧道埋深等不同因素对形变压力的影响及其变化规律，并推导建立了竖向形变压力的回归分析计算式。肖明清等[4]基于荷载结构理论对喷层、锚杆经济组合拱这组支护结构处于不同埋深的安全系数变化规律进行探讨，并对现行规范支护参数耐受性进行评估。高林等[5]采用数值计算方法对长沙湘江隧道施工过程进行开挖模拟，并探究了隧道临时支撑拆除前后隧道衬砌的结构受力和安全系数变化规律。

综上所述，国内对隧道围岩荷载计算方法和结构安全性研究颇多，并取得了很多开创性的成果，但对于海底管廊隧道相关研究仍较少。同时，由于市政地下管廊相较于诸如铁路大断面隧道、公路多车道隧道等隧道结构，其断面相对较小，当管廊埋深达到一定深度时，能否形成“自然平衡拱”效应有待商榷。故此，急需研究一套适合于城市海底管廊设计的围岩荷载计算方法，并对其管廊结构安全性进行研究。

本文将依托厦门翔安海底综合管廊工程，研究符合现场实际的围岩压力计算方法，并通过数值模拟和现场实测检算管廊结构的安全性，研究成果可为类似隧道工程管廊结构设计提供借鉴意义和工程应用价值。

2 工程概况

福建省厦门市翔安区机场东路地下综合管廊工程，设计全长1 771 m，其连接翔安至大嶝段，设计纵坡为0.3%。其中，陆地段长度1 063 m，起止桩号K2＋826.93～K3＋889.35，过海段长度708 m，顶管采用2根外径3.6 m，壁厚0.3 m的钢筋混凝土管，分别为市政舱和电力舱，双舱并行进行顶管施工，双舱净距3.6 m。本文将选取海底管廊过海段里程5 m至400 m范围进行研究。

该管廊所处区域工程地质条件较为复杂，其面层多为淤泥质地层，下层为粉质黏土、残积砂质黏土以及全风化花岗岩地层，其管廊埋深主要集中在地面以下10～20 m。

3 海底管廊围岩压力计算方法

3.1 海底管廊隧道深浅埋判定

隧道的深浅埋判定最直观表现于洞室开挖后能否形成自然平衡拱。以往针对以钻爆法施工为主的山岭隧道，深浅埋临界深度多是根据工程类比进行判断，临界深度通常为2.0～2.5倍的自然平衡拱高度。而对于海底综合管廊，其施工方式和地质环境与常规的矿山隧道有较大不同，深浅埋临界深度的判定不能再使用经验公式确定。本文依据浅埋围岩压力计算方法——谢家烋法(计算模式如图1所示)逆向推导出适应于本管廊隧道深浅埋的临界深度。

根据谢家烋法[6]的基本原理，浅埋隧道松弛土压计算时需考虑拱顶上覆松动范围内的土体受两侧楔形体挟持阻碍的影响，对上述计算模式做出如下假定:

(1)假定BD、AC面为破裂滑面，其与水平面成角β。

(2)假定FD及EC面为滑移面，但并非破裂面，且摩擦角θ小于破裂角β角。

(3)假定开挖后左右两侧土体ACE及BDF受洞顶上覆土柱FEGH下沉的影响也发生下沉，从而产生AC及BD破裂面。当土柱FEGH下沉时，两侧土体对其施加有摩阻力T1。

上述谢家烋法破坏模式中主要荷载有:开挖洞室上方土体FEGH自重W1；破裂面两侧三棱体ACE及BDF的自重W2；左右两侧土体施加于洞室上方土柱的摩阻力分别为T1、T2；外侧土体给予破裂面AC、BD的阻力Fy。深浅埋隧道临界深度判据如式(1)所示:

当ψ＝0时即为深浅埋临界深度的判据。式中W1以及W2分别为:

式中，γ为围岩重度；β为围岩破裂角；h1为地面到隧道顶部距离；h为地面到隧道底部距离；B0为隧道开挖跨度。

且摩阻力T1计算式为:

λ为侧压力系数，其计算式为:

破裂角β的计算式如下:

式中，θ为滑移面摩擦角；φc为围岩计算摩擦角。

根据正弦定理，可计算得阻力F为:

临界深度h1可由深浅埋判据公式得到:

带入计算式，化简整理可得:

式中，h0为隧道开挖高度，结合厦门地区地质条件土体参数，根据式(9)即可计算得到海底管廊深浅埋的临界深度h1(见表1)。

表1 翔安海底管廊隧道的临界深度

由表1可知，厦门翔安海底管廊隧道的深浅埋临界深度处于11～13 m之间，由于管廊研究里程段内围岩条件较差，故按最大埋深13 m作为该海底管廊隧道的深浅埋临界高度。

3.2 海底管廊隧道测试断面围岩压力计算

本文研究范围为海底管廊跨海段里程5 m至100.8 m。根据工程现场实际布置的土压测试断面，分别选取25 m、40 m及63.3 m三个断面计算其上覆围岩荷载，同时根据临界深度判定标准对各个断面埋深进行测试。由于海底管廊3个测试断面均为深埋隧道，故应按照深埋隧道太沙基公式计算各断面竖向围岩压力[7]，压力值分别129.744 kPa、129.240 kPa、127.872 kPa。

3.3 海底管廊荷载－结构模型建立

根据太沙基公式计算得到的海底管廊各断面竖向和水平围岩压力，采用日本盾构隧道规范得到海底管廊荷载－结构模型。对于管廊或盾构隧道而言，隧道衬砌除受上覆竖向荷载和周边水平荷载作用外，还受到上覆水压、衬砌自重、地面超载、地层抗力等荷载作用[8]，计算模型如图2所示。

图2 海底管廊荷载结构法计算

根据厦门海底管廊隧道所在区域地质条件，可得海底管廊各断面衬砌结构所受荷载见表2。

表2 海底管廊各测试断面所受荷载

3.4 海底管廊结构内力计算

运用ANSYS有限元软件建立荷载－结构模型，将管廊结构所受均布荷载转化为等效节点荷载，并采用地基弹簧模拟地基反力[9]，其等效荷载施加及弹簧约束如图3所示。

图3 等效荷载施加及弹簧约束

以管廊测试断面25 m处为例，管廊结构变形及内力计算结果如图4所示。

图4 海底管廊衬砌结构内力变形(25 m处)

4 海底管廊施工结构安全性分析

4.1 海底管廊衬砌安全系数检算

依据《铁路隧道设计规范》和《公路隧道设计规范》中对于隧道衬砌截面强度的规定，当截面e0≤0.20 h时，由抗压强度控制承载能力[10]，按混凝土偏心受压构件抗压强度公式计算(如式(10)所示)；当截面e0＞0.20 h时，由抗拉强度控制承载能力，按混凝土矩形截面偏心受压构件抗拉强度公式计算(如式(11)所示)。

式中，K为混凝土安全系数；N为轴向力；φ为构件的纵向弯曲系数；Rα为混凝土的极限抗压强度；α为轴向力的偏心影响系数。

式中，R1为混凝土的极限抗拉强度；e0为截面偏心距；其他符号意义同前。

规范给定的混凝土结构安全系数指标如表3所示。

表3 钢筋混凝土结构安全性系数

根据上述规范规定，绘制出管廊3个测试断面的安全系数包络图如图5所示。

图5 海底管廊测试断面安全系数包络图

将图5所述管廊衬砌各截面位置的安全系数与规范值相对比，结果表明海底管廊衬砌3个测试断面各节点安全系数均大于规范给定的最大安全系数2.4，说明该隧道设计满足管廊结构安全性需要。

4.2 海底管廊衬砌安全性分析

上述建立了海底管廊隧道围岩荷载计算方法和采用数值模拟验证衬砌结构安全性，但还缺少管廊施工期的结构安全评估。因此，在翔安机场海底管廊测试段通过布置混凝土应变计，实测管廊隧道施工期荷载作用下的内力值及安全系数，从而验证施工期管廊衬砌的结构安全性。

海底管廊测试段采用YT-ZX-0200系列的埋入式混凝土应变计进行测量，测试里程段为管廊跨海段200～300 m，共计对22个管廊衬砌截面上的各点位应变数值进行测试。同一截面内共布置4组应变计，即在衬砌拱顶、拱底、左右侧90°位置及左右侧拱腰45°位置进行应变计的内外侧布设，每组应变计各测试3次。

在测得混凝土应变值后，即根据材料力学计算原理将混凝土截面内外侧应变值转化为管廊衬砌结构内力，如式(12)及式(13)所示:

式中，B为衬砌截面宽度；h为衬砌截面厚度；σ1为外侧压应力；σ2为内侧压应力；A为衬砌截面面积。

利用FLAC3D对管廊测试段进行三维实体建模，通过建立地层－结构模型从而模拟海底管廊测试段[11]的施工进程(如图6所示)，计算完成以后可对该模型相应点进行应力分析(其计算结果如图7所示)。同样通过内力转化计算公式求解出拱顶、拱底、拱腰及水平方向的轴力和弯矩，最终得到管廊结构安全系数。

图6 管廊隧道施工地层－结构模型示意

图7 管廊隧道施工衬砌应力分布

通过上述计算转化，得到海底管廊隧道3个测试断面位置的安全系数对比(见表4)。

表4 海底管廊各截面相应点安全系数对比

如图8所示(以测试断面232.5 m为例)，其为海底管廊数值模拟和现场实测的安全系数折线图。

图8 管廊截面测试点安全系数对比(232.5 m)

通过上述对比可知，管廊232.5 m测试断面处所有监测点的安全系数均大于规范给定的最大安全系数2.4，且另外两个测试断面监测点也同样满足。同时，由FLAC3D计算结果表明，现场测试与数值模拟安全系数变化趋势基本相同，现场测试数据在一定程度上验证了数值计算的正确性，两种方法均表明海底管廊施工[12]的安全性能够得到保障。

5 结论

通过对城市海底大断面管廊顶进结构安全性研究，得出了以下结论:

(1)提出海底管廊隧道深浅埋临界深度的判定方法，采用谢家烋法逆向推导出海底管廊深浅埋临界深度为13 m，并基于太沙基公式计算得到测试断面的上覆围岩荷载。

(2)建立了海底管廊隧道荷载－结构计算模型，采用ANSYS软件数值模拟手段对测试断面的结构安全性进行检算，其验算结果表明各测试断面截面安全系数均大于规范最大安全系数2.4，验证了海底管廊混凝土结构的设计安全性。

(3)采用现场实测手段测得管廊隧道测试断面各监测点的混凝土应变，进而计算转化得到实测的安全系数值；同时运用FLAC软件建立管廊测试段的地层－结构模型计算得到各断面数值模拟的安全系数值。通过对比分析，各计算横截面相应测点位置现场测试及数值计算的安全系数分布规律较为一致，且安全系数均大于规范最大安全系数2.4，其表明翔安海底管廊顶进施工能够保障管廊衬砌的结构安全性。