李香玲

（內(nèi)蒙古自治區(qū)交通培訓(xùn)中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

1 引言

在跨海越江隧道中，沉管隧道具有地質(zhì)適應(yīng)能力強(qiáng)、空間利用率高、結(jié)構(gòu)自防水性能好等優(yōu)點(diǎn)[1]。1910年美國(guó)建設(shè)了世界第一條交通沉管隧道——底特律河鐵路隧道[2]，1993 年中國(guó)內(nèi)地建成第一條沉管隧道——廣州珠江沉管隧道，目前國(guó)內(nèi)外具有交通功能的沉管隧道已超過(guò)150 座[3]，其中我國(guó)2018 年建成的港珠澳海底隧道是世界最長(zhǎng)的公路沉管隧道和唯一的深埋沉管隧道[4]。隨著我國(guó)沿海、沿江地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和交通需求的提高，沉管隧道的建設(shè)迎來(lái)新一輪高潮：深中通道海底隧道、大連灣海底隧道、南昌二七過(guò)江通道等[5]一批大型沉管隧道工程相繼開工。

我國(guó)公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[6]規(guī)定高速公路隧道宜采用瀝青混凝土上面層與混凝土下面層組成的復(fù)合式路面，通常認(rèn)為隧道復(fù)合式路面具有較好的結(jié)構(gòu)承載力。根據(jù)我國(guó)公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[7]，進(jìn)行復(fù)合式瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)僅需驗(yàn)算瀝青層永久變形量，但國(guó)內(nèi)外隧道調(diào)研發(fā)現(xiàn)沉管隧道復(fù)合式路面車轍病害并不顯著[3，4]，而是橫向開裂等損傷較為常見[3，8]。沉管隧道的路面修補(bǔ)會(huì)引起整條跨海或跨江通道運(yùn)營(yíng)不暢或運(yùn)營(yíng)中止，進(jìn)而影響路網(wǎng)整體的運(yùn)營(yíng)安全和運(yùn)營(yíng)效率。因此有必要針對(duì)沉管隧道復(fù)合式路面的構(gòu)造特點(diǎn)，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行深入分析研究。

本文針對(duì)既有復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)在沉管隧道中適用性存在的問題，建立沉管隧道復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型，分析損傷機(jī)理，考慮不同加載方案，研究層間剪切指標(biāo)、管節(jié)接縫位置拉應(yīng)力指標(biāo)的適用性，最終提出合理有效的沉管隧道復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2 有限元模型的建立

本節(jié)參考國(guó)內(nèi)外典型沉管隧道路面結(jié)構(gòu)方案，擬定有限元模型結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)，確定模型幾何尺寸、荷載及邊界條件，使用ABAQUS 軟件建立模型，然后選擇單元類型、劃分網(wǎng)格。

2.1 結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

調(diào)研國(guó)內(nèi)外4條沉管隧道路面結(jié)構(gòu)方案見表1。另外，我國(guó)公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[6]規(guī)定復(fù)合式路面的水泥混凝土基層厚度宜為150mm～200mm；瀝青混凝土面層宜采用雙層式，厚度宜為80mm～100mm；瀝青面層與水泥混凝土面板間應(yīng)設(shè)置粘結(jié)層。綜合調(diào)研結(jié)果和規(guī)范要求，擬定沉管隧道路面有限元模型結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)見表2。

表1 國(guó)內(nèi)外典型沉管隧道路面結(jié)構(gòu)方案[3，10]

表2 路面有限元模型結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

2.2 模型幾何尺寸、加載狀況及邊界條件

模型長(zhǎng)寬均為6m，深度為32cm。在模型中間沉管管節(jié)接縫對(duì)應(yīng)位置處，設(shè)置寬度10mm 的水泥混凝土基層接縫，如圖1所示。

圖1 有限元模型幾何尺寸

模型中將輪胎與路面的接觸形狀假設(shè)為矩形，其中接地寬度B為實(shí)際接地寬度，即為各條紋實(shí)際寬度之和，不考慮非線性接觸應(yīng)力的影響，即假設(shè)每條矩形上應(yīng)力均勻分布，按總應(yīng)力等效的原則，確定輪胎接地長(zhǎng)度L，如式（1）所示：

式中：P 為軸重；nw為軸的輪數(shù)；p 為輪胎接地壓力；B為輪胎實(shí)際接地寬度。

例如當(dāng)加載100kN的雙圓均布標(biāo)準(zhǔn)荷載時(shí)，可簡(jiǎn)化為雙矩形均布荷載：接地寬度B＝18.6cm，接地長(zhǎng)度L＝19.2cm，軸載為P=100kN，接地壓力p=0.7MPa，輪數(shù)nw＝4，兩輪中心距31.4cm，由式（1）得，輪胎接地長(zhǎng)度L=P/（nwpB）=19.2cm。

模型側(cè)面受到垂直于平面方向的位移約束，底面受到固定約束。各結(jié)構(gòu)層之間假設(shè)為完全接觸，層間無(wú)相對(duì)位移。

3 層間剪切指標(biāo)適用性分析

復(fù)合式路面在車輛水平荷載的作用下可能出現(xiàn)剪切破壞。本節(jié)計(jì)算各荷載組合下模型內(nèi)的剪應(yīng)力分布，從而分析層間剪切指標(biāo)的適用性。

表3 為豎向荷載參數(shù)組合表。當(dāng)車輛緊急制動(dòng)或加速時(shí)，水平力系數(shù)可達(dá)0.6 左右；當(dāng)車輛正常行駛，水平力系數(shù)一般為0.15～0.2。本研究設(shè)定3 種水平力系數(shù)：0.2、0.4、0.6。

表3 豎向荷載參數(shù)組合表

根據(jù)模型分析，最大平面剪應(yīng)力位于瀝青層表面、荷載外邊緣位置；瀝青面層底部最大平面剪應(yīng)力位于接縫上；應(yīng)力吸收層底部最大平面剪應(yīng)力位于接縫和荷載中心之間。

不同荷載組合下應(yīng)力吸收層層底最大平面剪應(yīng)力如圖2所示，可以看出應(yīng)力吸收層層底最大平面剪應(yīng)力小于0.09MPa，遠(yuǎn)小于應(yīng)力吸收層抗剪強(qiáng)度，產(chǎn)生層間滑移可能性很小。因此層間剪切指標(biāo)不適合用于驗(yàn)算沉管隧道復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖2 不同荷載組合下應(yīng)力吸收層底最大平面剪應(yīng)力

4 管節(jié)接縫位置拉應(yīng)力指標(biāo)適用性分析

沉管隧道結(jié)構(gòu)在管節(jié)和節(jié)段接頭處有接縫，因此隧道路面結(jié)構(gòu)在對(duì)應(yīng)位置也存在接縫，管節(jié)隨著溫度的升高與降低發(fā)生膨脹與收縮，接縫處會(huì)出現(xiàn)張合變化。港珠澳大橋海底隧道監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，每隔180 m 左右其“路基”就會(huì)發(fā)生3cm 縱向張合位移[7]。因此，管節(jié)位置上方路面很可能會(huì)因管節(jié)的張拉產(chǎn)生反射裂縫。

由于荷載在接縫邊緣時(shí)，結(jié)構(gòu)受力處于最不利狀態(tài)，因此在進(jìn)行管節(jié)位置拉應(yīng)力指標(biāo)適用性分析，將標(biāo)準(zhǔn)荷載施加在接縫邊緣。如圖3所示，對(duì)模型施加隧道軸向方向的位移荷載，計(jì)算路面結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力。

圖3 對(duì)混凝土基層施加軸向位移荷載

采用上述模型，分別計(jì)算了接縫無(wú)變化及接縫軸向張開0.1mm時(shí)的瀝青層拉應(yīng)力分布，如圖4、圖5所示。

圖4 接縫無(wú)變化時(shí)瀝青層底拉應(yīng)力分布

圖5 接縫軸向張開0.1mm時(shí)瀝青層底拉應(yīng)力分布

計(jì)算得到接縫無(wú)變化時(shí)，瀝青層底最大拉應(yīng)力為0.13MPa；接縫張開0.1mm 時(shí)，瀝青層底最大拉應(yīng)力為3.45MPa，已經(jīng)大于SMA劈裂強(qiáng)度，會(huì)引起路面開裂。這表明管節(jié)接縫處很小的位移量就能使瀝青面層產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，非常容易造成面層被拉裂。沉管隧道管節(jié)接頭處有必要設(shè)置伸縮裝置或柔性裝置來(lái)控制軸向位移的影響。圖6為港珠澳海底隧道管節(jié)接頭處路面處治方案[3]。

圖6 港珠澳海底隧道管節(jié)接頭處路面處治方案（mm）

因此控制和降低管節(jié)軸向位移影響，并驗(yàn)算管節(jié)位置路面拉應(yīng)力指標(biāo)對(duì)于沉管隧道復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分重要。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)沉管隧道復(fù)合式路面既有設(shè)計(jì)指標(biāo)存在的問題，建立沉管隧道復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型，分析損傷機(jī)理，考慮不同加載方案，研究層間剪切指標(biāo)、管節(jié)位置拉應(yīng)力指標(biāo)的適用性，得出以下結(jié)論：

①沉管隧道復(fù)合式路面很少存在車轍病害，而早期裂縫病害較為常見?，F(xiàn)有規(guī)范中的瀝青層永久變形量指標(biāo)對(duì)于沉管隧道復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)適用性不強(qiáng)。

②各荷載組合下，應(yīng)力吸收層層底最大平面剪應(yīng)力小于0.09MPa，遠(yuǎn)小于應(yīng)力吸收層抗剪強(qiáng)度，產(chǎn)生層間滑移概率不大，因此層間剪切指標(biāo)不適合用于驗(yàn)算沉管隧道復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

③溫度作用下沉管隧道結(jié)構(gòu)管節(jié)及節(jié)段接頭處存在張合，接縫位置很小的軸向張開位移即會(huì)導(dǎo)致路面開裂破壞，需要在接縫處采用伸縮裝置或彈塑性體材料進(jìn)行處置，并驗(yàn)算管節(jié)位置拉應(yīng)力指標(biāo)。